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介绍电动手术器械的设计挑战以及所选择的电机技术
背景
如今,手持式电动手术工具几乎被用于所有的专业手术:耳鼻喉科、骨科、神经科、眼科和整形外科手术。现在,所有的工具已从最初的气动变成了电能驱动。电动器械比气动器械的性能更高,并能够进行更佳的功率控制,噪声更低且便携性更佳。它们只需要一个简单的电源插座或小型电池,而气动工具则需要复杂、庞大且维护成本较高的供气系统。
由于在电机领域中实现了重要的技术创新,使得从气动转变为电动成为可能。手持式手术工具必须足够强劲、极其紧凑并能耐受多次的高压灭菌消毒,是设计无刷直流电机时所面临的主要挑战。
什么是高压灭菌?
在医院里,最常用的灭菌方法是高压灭菌,也被称为蒸汽灭菌。在高压灭菌过程中,将手持式手术工具置于100% 的湿度、275ºF的温度和不同的压力下长达18分钟。大多数高压灭菌器还进行额外的真空循环,来帮助进行蒸汽渗透并最终杀灭隐藏在工具中的细菌、病毒、真菌和孢子。反复暴露在湿度条件下会导致严重的电气故障,成为工具和电机制造商所面临的最大难题。
不同的方法
以下是手术工具制造商针对手持式电动手术工具选择直流电机的四种不同方法。
- 一次性工具
一种方法是使用非常便宜的直流电机和塑料部件。在手术后,这类一次性工具必须被弃用。医院一直非常关注危险废弃物的数量增加并影响其环保计划的问题。而且,一次性工具始终不是最经济的选项,对于每天进行多次的手术而言更是如此。 - 非高压灭菌型、非消毒型电机/电池组
另一个方法是使用普通直流电机和非高压灭菌型电池组,在进行灭菌前,需要由外科人员将电机/电池组从工具中取出。第一个问题是电机和电池是无法消毒的部件。这就意味着医疗人员不得不按照特殊的程序将电机/电池组装入灭菌工具,因此可能导致人为错误。另外,使用内部安装有非消毒型部件的手术工具令外科医生非常担心。第二个问题是无法确保外科人员在灭菌前将非高压灭菌型电机/电池组取出,这将最终导致过早地发生电气故障。 - 多余的密封系统
另一个方法是使用始终安装在工具上的普通直流电流,然后尽量将其密封以隔绝于外部环境。在大多数情况下,由于需要进行额外的密封才能获得满意的性能,这会导致所设计的工具体积过大。因为需要对工具或电机轴进行密封,还会大大降低工具的效率。这意味着消耗更大的电流,进而导致电池工作时间缩短和工具温度升高。另外,最好不使用密封系统;有时一处发生故障,就会导致整个工具无法使用。 - 高压灭菌型电机解决方案
A最佳的设计选项是使用高压灭菌型直流电机,无需使用多余的密封系统;因此可以缩小工具的尺寸并尽可能地简化灭菌程序。
仅有为数不多的电机制造商能够设计高压灭菌型电机。20多年来,无刷有槽技术一直是医疗市场中的一项关键技术。通过设计有槽电机,在被插入叠片的槽中时,事先已对绕组采取了保护措施。可以轻松地添加额外的涂层或成型材料,而不会影响电机的性能 图3)。
然而,另一方面,无刷无槽电机则不太适合高压灭菌型应用。绕组结构完全暴露于外部环境。试图利用涂层或模塑来保护绕组,将导致磁路气隙增大,进而大大降低电机的性能和工具的效率。(图4)
结论
在选择手持式手术工具所用的电机时,设计工程师应当非常谨慎。尽管有人会选择便宜的非高压灭菌型电机,但是如果将密封成本考虑在内,这会导致最终产品的成本更高。对电机的选择还会直接影响到工具的可靠性和维修成本。如今,大多数领先的手持式手术工具制造商均使用高压灭菌型无刷有槽技术来获得卓越的高压灭菌性能和一流的功率密度。