Confiabilidade Do Instrumento Cirúrgico Elétrico - a Umidade É a Inimiga

Para instrumentos cirúrgicos elétricos reutilizáveis, a confiabilidade é fundamental. Devido à presença de componentes eletrônicos e materiais suscetíveis à corrosão, a umidade costuma ser uma causa de falha prematura, especialmente para motores elétricos. Os projetistas precisam considerar como atenuar os efeitos da umidade, de solução salina, esterilização a vapor ou outras fontes de contaminantes, evitando a entrada onde possível, selecionando componentes robustos e isolando os componentes mais sensíveis.

Instrumentos cirúrgicos elétricos são dispositivos cada vez mais sofisticados, envolvendo uma série de sensores e outros componentes eletrônicos para feedback e controle. Esses avanços podem levar à redução do tempo na sala de cirurgia e melhores resultados para os pacientes. Com essa sofisticação elevada, vem um custo maior. A solução para fabricantes de dispositivos originais é projetar o instrumento para resistir a vários anos de casos cirúrgicos, limpeza e esterilização. Quanto mais tempo um instrumento permanece no campo sem falhas, menor é o custo médio por cirurgia e mais fácil é justificar o aumento da complexidade do dispositivo.

Há inúmeros pontos de falha no motor de um instrumento cirúrgico, falha do rolamento (por exemplo, falha do retentor, contaminação, corrosão, perda de lubrificação), falha da engrenagem (por exemplo, desgaste, fadiga, corrosão, perda de lubrificação), falha de comutação (por exemplo, sensor Hall com defeito, conexões em curto, conexões abertas) ou falha do circuito eletromagnético (por exemplo, conexões abertas/em curto no fio da bobina, perda de energia de ímãs permanentes). Neste artigo, discutimos o papel da umidade e da corrosão na falha de instrumentos cirúrgicos reutilizáveis e estratégias de mitigação.

Como evitar a entrada de umidade

Uma possível causa raiz para todos os pontos de falha mencionados acima é a entrada de umidade, geralmente através da extremidade distal da ferramenta. Uma prevenção comum é uma vedação dinâmica entre o chassi da peça manual e o eixo do motor. O projeto de uma vedação dinâmica fornece uma borda de vedação afiada que é mantida contra o eixo. A vedação é uma mistura de polímero especial projetada para resistência à temperatura e ao desgaste, com uma mola interna à vedação que pressiona a borda contra o eixo. O conjunto de vedação inclui um mecanismo para evitar a rotação da vedação, por exemplo, um recurso de travamento de aço inoxidável, o-ring ou seção flangeada axialmente comprimida. O projetista deve considerar os outros componentes do conjunto, por exemplo, a carcaça na qual a vedação é instalada e o eixo do motor. O desvio e o acabamento da superfície devem ser rigidamente controlados para garantir uma vedação firme e duradoura. Embora uma vedação do eixo possa evitar a entrada de umidade no eixo, ela tem desvantagens. Eventualmente, o lábio de vedação e a superfície do eixo se desgastarão, portanto, para alcançar uma vida longa, o projetista deve planejar para que a umidade passe pela vedação. Além disso, as vedações criam atrito e aumentam a temperatura de funcionamento do instrumento.

A extremidade distal da ferramenta não é o único ponto de entrada possível para umidade no motor. Os pontos de acoplamento na carcaça do motor, como entre um motor e redutor, também são suscetíveis. Uma vedação contra a entrada de umidade em tais pontos pode ser obtida por meio de uma solda a laser hermética, roscas seladas ou anéis de vedação. Outro ponto de entrada possível está nas conexões elétricas do motor, isso pode ser atenuado de várias maneiras (discutido em seções posteriores). Para criar um projeto confiável que seja robusto à umidade e líquidos, é altamente recomendável que o projetista da ferramenta trabalhe em conjunto com o projetista do motor.

Falha de componente mecânico

Várias falhas mecânicas podem ser causadas por falha da lubrificação. A lubrificação é usada para evitar a corrosão e o contato de metal com metal entre componentes, como laterais de engrenagem e elementos de rolamento. A lubrificação apropriada deve ter uma temperatura operacional máxima listada bem acima da temperatura de esterilização, baixa taxa de washout por água (de acordo com ASTM D1264 ou similar) e teste de corrosão favorável (de acordo com ASTM D5969 ou similar).

Para componentes mecânicos como engrenagens, eixos ou rolamentos, é importante selecionar materiais que resistam a fadiga, desgaste e falhas de corrosão. Componentes feitos de aço inoxidável endurecido por precipitação ou austenítico têm boa resistência à corrosão de soro fisiológico ou vapor, mas podem não ter a resistência necessária ao desgaste para todos os componentes. O aço inoxidável martensítico, com menor teor de cromo do que os graus austeníticos - tem menos resistência à corrosão, mas maior resistência e dureza superficial, e é usado para componentes em contato metal com metal, como rolamentos e engrenagens. Os materiais mais novos com adições de nitrogênio, níquel e molibdênio com níveis de carbono um pouco mais baixos produziram aços inoxidáveis martensíticos com maior resistência à corrosão. Pode ser viável projetar com materiais alternativos ao aço inoxidável, melhorando a resistência à corrosão e ao desgaste. Componentes levemente carregados, como retentores de rolamentos, podem ser feitos de polieteretercetona (PEEK) ou poliamida-imida (PAI). Carbonetos cimentados ou cerâmicas também podem ser considerados, eles têm excelente resistência à corrosão e ao desgaste, mas são comparativamente quebradiços. Rolamentos com elementos feitos de nitreto de silício ou cerâmica de dióxido de zircônio oferecem uma melhoria significativa na resistência à corrosão em relação aos elementos de aço inoxidável martensítico.

Falha elétrica

A falha elétrica ocorre quando a placa de circuito impresso, os sensores Hall ou as conexões elétricas relevantes falham, a causa raiz geralmente é a umidade. Envasamento, moldagem por transferência e revestimentos isolantes são opções disponíveis para proteger os componentes encapsulando os componentes eletrônicos em um material resistente à umidade.

Para o envasamento, o processo coloca os componentes dentro de uma carcaça. Um composto líquido, como silicones e resinas epóxi, é derramado sobre a montagem, preenchendo-a e cobrindo os componentes. Vácuo pode ser aplicado para remover o ar preso. Por fim, a montagem é curada e o líquido endurece, envolvendo os componentes em seu interior. A carcaça e o composto endurecido que envolve os componentes tornam-se parte do produto final.

A moldagem por transferência é semelhante ao envasamento, mas os materiais de encapsulamento podem ser um sólido pré-aquecido. Os componentes (com ou sem carcaça) são carregados em uma cavidade de molde aquecida e o material de encapsulamento é pressionado no molde para encher. O molde aquecido garante que o fluxo permaneça líquido para o enchimento completo. Depois de preenchidas, as peças moldadas são resfriadas para cura termofixa. Além de fornecer resistência à umidade, tanto o envasamento quanto a moldagem por transferência são boas escolhas quando o dispositivo é sensível à temperatura ou quando é necessária resistência à vibração/impacto. Eles também fornecem alívio de tensão para fios expostos.

Os fios que conduzem ao conjunto encapsulado ou moldado por transferência podem criar um caminho de vazamento. Muitos materiais de revestimento de fio, especialmente PTFE, não se ligam bem ao material do molde. Uma solução é gravar os revestimentos para melhorar a adesão. A gravação é uma reação química que retira o flúor do carbono do cerne do PTFE e promove sua substituição pelas espécies orgânicas responsáveis pela adesão. A superfície gravada é sensível à umidade e à luz ultravioleta, ela deve ser armazenada de forma adequada e usada rapidamente. Uma solução melhor em alguns casos pode ser evitar o caminho do fio completamente, substituindo-os por pinos terminais — eles se ligam bem, podem se estender além do material de encapsulamento ou molde e são projetados para se conectar diretamente a um conector correspondente.

O revestimento conformável, como o parileno, é aplicado como um gás vaporizado e é o revestimento resistente à umidade mais fino disponível. É praticamente livre de furos e vazios. As desvantagens incluem a falta de resistência a vibração/impacto, falta de alívio de tensão para fios e suscetibilidade a danos durante a montagem.

Falha do circuito magnético

A falha do circuito magnético pode ser causada pela exposição do enrolamento do motor e dos ímãs permanentes à alta temperatura e umidade. Deve ser usado fio magnético com alta temperatura e isolamento de construção pesada. As bobinas formadas devem ser moldadas ou encapsuladas de forma semelhante à placa de circuito impresso. Os ímãs permanentes podem corroer ou desmagnetizar devido à temperatura e umidade. Os ímãs NdFeB sinterizados devem ser de grau SH ou UH e galvanizados ou revestidos com epóxi. Os ímãs SmCo também podem ser usados para evitar problemas de corrosão e desmagnetização.

Conclusão

Instrumentos cirúrgicos manuais elétricos são dispositivos cada vez mais sofisticados, e os motores elétricos no coração dessas ferramentas são suscetíveis a vários modos de falha devido à presença de umidade durante as cirurgias e processos de esterilização para reutilização. Nos últimos anos, os projetistas de motores melhoraram drasticamente a capacidade de resistir à umidade que eventualmente chegará ao motor. Para maximizar a confiabilidade do dispositivo contra umidade, a ferramenta e o motor devem ser projetados em colaboração. A Portescap, líder de mercado, tem colaborado com fabricantes de dispositivos cirúrgicos por décadas para projetar soluções personalizadas para suas aplicações específicas. Suas soluções de motor autoclavável têm desempenho líder do setor, frequentemente relatado como durando milhares de ciclos de reprocessamento/esterilização e têm sido usadas em dezenas de milhões de cirurgias em todo o mundo.

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Figura 1: Raspador cirúrgico
Figura 2
Figura 3: Furadeira espinhal
Figura 4: Artroscopia de joelho