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Considérations de spécification des moteurs BLDC pour applications chirurgicales

Publication: 31 janvier

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Quelle que soit la fonction spécifique du dispositif, les exigences fondamentales auxquelles doivent satisfaire tous les appareils chirurgicaux sont les mêmes...
 

L’équipement doit être stérile ; il doit se montrer fiable durant toute l’intervention chirurgicale ; il est tenu d’offrir une performance précise et cohérente ; enfin, sa conception doit minimiser la fatigue musculaire de l’opérateur qui le tient en main.

Jamie Gewirtz, responsable R&D pour les moteurs chirurgicaux chez Portescap, explique quelles considérations devraient être prises en compte en choisissant des moteurs destinés à la robotique et aux instruments à main chirurgicaux.

Pendant des décennies, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) ont été les modèles préférés des OEM spécialisés dans les instruments motorisés pour applications chirurgicales. Les moteurs BLDC offrent des puissances massiques et des vitesses élevées, qui réalisent les niveaux de performance requis tout en maintenant un avantage ergonomique. La facilité de contrôle de la puissance utile et les faibles exigences de maintenance contribuent elles aussi à garantir que le dispositif médical offre une performance précise et cohérente durant toute la durée de son utilisation.

Au-delà des exigences de fiabilité et de performance, les concepteurs de dispositifs chirurgicaux doivent également prendre en considération les défis liés à leur exécution, afin qu’ils répondent aux strictes exigences d’hygiène nécessaires à la préservation du champ stérile du bloc opératoire.

Options de protection du champ stérile

Le terme « champ stérile » se réfère à la pratique de création d’une zone aseptique maintenue exempte de micro-organismes, dans le but d’empêcher toute infection, contamination croisée ou propagation de maladies. Les ingénieurs de conception doivent intégrer les implications de la stérilisation et imaginer une solution qui permet la protection de tous les composants pendant le processus de nettoyage, ou leur résistance à celui-ci. Afin d’assurer que l’instrument puisse être présenté dans un état stérilisé, quatre approches courantes sont possibles.

Instruments à usage unique : La première approche consiste à spécifier des instruments à usage unique qui seront éliminés immédiatement après l’intervention chirurgicale. Dans ce cas, les ingénieurs peuvent concevoir des moteurs à faible coût, à bien moindre durée de vie. Tandis que cette approche simplifie le processus de stérilisation et élimine le besoin d’entretenir les instruments, il augmente la quantité de déchets dangereux produits par l’hôpital et dépend du maintien d’un approvisionnement régulier d’instruments. Cela représenterait généralement l’option la moins économique pour un hôpital, par comparaison au coût total de possession (CTP) d’un instrument réutilisable.

Conception modulaire incluant des composants non stérilisables :Une autre approche repose sur une conception du dispositif afin que seuls les composants exposés soient stérilisés. Le moteur BLDC, sa commande et son bloc-batteries peuvent être, par exemple, logés à l’intérieur du dispositif, mais retirés avant sa stérilisation. Tout en permettant de réutiliser plusieurs fois l’instrument chirurgical, cette approche requiert des composants électroniques extrêmement durables à cause des fréquentes déconnexions et reconnexions.

Barrière protectrice : C’est une solution répandue pour les systèmes chirurgicaux robotisés de grande taille, ou pour les procédures médicales dont les exigences de stérilisation sont moins sévères (comme celles des applications dentaires). On crée une barrière stérile au moyen d’un drapage plastique qui sépare le matériel du champ stérile. Cette solution requiert normalement d’éloigner le moteur de l’effecteur chirurgical, et de transmettre son mouvement par un câble d’entraînement. Pour les instruments à main dont la position doit être précisément ajustée par le chirurgien lors d’une tâche délicate, cela peut ne pas être faisable. Un autre inconvénient de la barrière protectrice se situe au niveau du temps supplémentaire de réalisation des opérations complexes de drapage, ainsi que l’impact de ce drapage sur la visibilité et l’ergonomie durant l’intervention chirurgicale.

Moteurs stérilisables : Alors que toutes les méthodes précédentes impliquent de retirer les pièces délicates pendant le processus de stérilisation, certains ingénieurs préfèrent spécifier des composants qui résistent à ce traitement. Le recours à des moteurs BLDC stérilisables a permis aux concepteurs d’instruments de réaliser des équipements chirurgicaux capables de subir le processus de stérilisation sans aucune étape préparatoire. En milieu hospitalier, la méthode la plus courante est la stérilisation par autoclave, pour laquelle le moteur doit être en mesure de supporter l’exposition à des niveaux élevés de température, d’humidité et de pression.

Qu’est-ce qu’un cycle d’autoclave ?

La méthode par autoclave ou stérilisation à la vapeur est une méthode efficace d’élimination rapide des micro-organismes de la surface d’un dispositif, en l’exposant à de la vapeur dans une chambre à pression. Dans l’autoclave, les instruments chirurgicaux sont soumis pendant une durée allant jusqu’à 18 minutes à 100 % d’humidité, des températures atteignant 135 °C et des variations de pression. La plupart des autoclaves effectuent également des cycles de mise sous vide afin de veiller à ce que la vapeur atteigne toutes les surfaces exposées, tuant ainsi bactéries, virus, champignons et spores qui pourraient se cacher à l’intérieur de cavités microscopiques dans le dispositif.

L’exposition à des conditions environnementales aussi sévères causerait des dommages permanents à la plupart des moteurs BLDC standard, c’est pourquoi les concepteurs envisagent l’une des trois approches décrites ci-dessus. Portescap est un fabricant majeur de moteurs stérilisables, spécifiquement développés pour des applications chirurgicales. Ses moteurs BLDC ont démontré pouvoir survivre à plus de 3 000 cycles en autoclave, ce qui dépasse largement la durée de vie utile de pratiquement n’importe quel instrument chirurgical robotisé ou motorisé.

Moteurs avec ou sans encoches ?

Les instruments à main motorisés classiques et les dispositifs chirurgicaux assistés par robotique peuvent bénéficier d’être équipés de moteurs BLDC configurés avec ou sans encoches. Ces deux configurations ont chacune leurs points forts, aussi il est important que les ingénieurs concepteurs prennent en compte les exigences spécifiques de leur dispositif, afin de déterminer laquelle des deux technologies convient le mieux.

L’élément différenciateur des moteurs avec ou sans encoches se situe au niveau du style du stator. La version classique avec encoches comprend des lamelles d’acier entre lesquelles les enroulements de cuivre sont maintenus. Par opposition, un moteur sans encoches possède un stator lisse et le cuivre est bobiné lors d’une opération séparée, puis encapsulé dans une résine époxy et inséré comme un bobinage autoportant.

La technologie BLDC à encoches est une solution éprouvée depuis plus de 30 ans sur le marché des moteurs chirurgicaux. Le bobinage est intrinsèquement protégé lorsqu’il est inséré dans les encoches du stator, et il est facile d’y ajouter des couches isolantes et des matériaux de moulage additionnels sans porter atteinte à la performance du moteur. Pour les moteurs devant résister à des conditions environnementales sévères, comme celles d’un autoclave ou d’une exposition répétée à des sels ou autres contaminants, cela présente un net avantage.

Parmi d’autres atouts de la version avec encoches, citons le petit entrefer magnétique qui permet d’utiliser des aimants plus minces et de réaliser un coefficient de performance plus élevé. Il est également facile de personnaliser les éléments électromagnétiques en vue d’une précision optimisée, par des ajustements du bobinage, de la longueur de l’empilement de lamelles, etc. En outre, le stator à encoches améliore la dissipation de la chaleur et offre par conséquent un couple permanent plus élevé.

À l’origine, les moteurs BLDC sans encoches étaient conçus pour éliminer le couple de détente (crantage), la rotation saccadée du moteur résultant naturellement du stator à encoches. Dans cette configuration, l’induction magnétique dans la bobine est réduite car l’entrefer est grand, aussi c’est un aimant plus puissant qui est généralement nécessaire. Il est également plus difficile, bien qu’encore possible, de protéger les moteurs sans encoches pendant leur stérilisation à la vapeur, car les enroulements ne bénéficient pas du soutien structurel du stator à encoches. Cependant, l’élimination du couple de détente produit un fonctionnement tout en douceur et une haute capacité du couple de pointe, favorisant encore les moteurs sans encoches pour certains dispositifs.

Considérations finales

Les dispositifs chirurgicaux modernes, que ce soient des instruments à main ou assistés par robotique, sont soumis à des exigences de mouvement extrêmement sévères et précises. La conception éprouvée du moteur BLDC offre la flexibilité, la précision et la fiabilité nécessaires, mais à chaque instrument chirurgical correspond un jeu unique d’exigences additionnelles de performance. La réponse à ces exigences nécessite de la part des concepteurs la prise en compte des capacités spécialisées dont sont capables la vaste gamme d’options des moteurs BLDC commercialisés, ainsi que des technologies accessoires de commande du mouvement.

Pour de nombreuses procédures chirurgicales, un contrôle très précis du moteur est nécessaire, surtout dans le cas de dispositifs chirurgicaux assistés par robotique. Les exigences de précision dépassent souvent les capacités d’un capteur à effet Hall (qui détecte généralement la position du rotor en incréments de 60°) et nécessitent un encodeur. Celui-ci fournit une rétroaction pour contrôler la vitesse et positionner le rotor par des incréments inférieurs à 1°. Les technologies optique et magnétique sont toutes deux couramment utilisées pour les encodeurs rotatifs, bien que les encodeurs magnétiques s’avèrent généralement être l’option la plus robuste et fiable, s’ils doivent résister au traitement en autoclave.

En travaillant avec un fournisseur de moteurs qui comprend les exigences de performance liées aux applications chirurgicales, et qui dispose d’assez de technologie et d’expérience pour y répondre, il est souvent possible d’accélérer les étapes de R&D et de prototypage, contribuant ainsi à mettre sur le marché des solutions fiables et efficaces. L’équipe technique de Portescap a consacré plus de 30 années à constamment améliorer les conceptions de ses moteurs BLDC stérilisables, qui ont été utilisés dans des dizaines de millions d’interventions chirurgicales de par le monde.

http://www.portescap.com/

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