革新手术工作站：新型复合材料台面设计提升效率与X射线透明度

• 全复合材料台面、侧轨及可选手术臂扩大X射线透明区域。
• 轨道与铰链连接系统内弹性复合段实现气泵系统，牢固固定医疗设备于台面。
• 技术为未来复合材料对复合材料接头技术奠基。

碳纤维复合材料常用于制造手术台面。与金属等材料不同，碳纤维复合材料透X射线，有助于患者放射成像。然而，WIT-Composites（波兰卢布林）发现，传统检查台设计并不总是最贴合医护人员需求。

WIT-Composites专精高度工程化、高压釜固化碳纤维复合部件，服务医疗等多市场。2017年，WIT-Composites研发总监Michael Wit-Rusiecki及团队开始听取医疗行业客户反馈，医护人员在使用复合台面进行心脏手术、血管手术、神经外科和骨科手术时遇问题。这些手术他解释，常需术中X射线成像。

"我们了解到，在复合材料X射线透明台面的医疗台上进行各类检测和医疗服务时，主要挑战之一是仪器连接台面的所有连接件均为金属，"他说。这意味着某些需X射线透明的手术或检测，医护人员可能需在手术中多次移动或重新定位患者，以避开台面非透X射线区域。

"我们对波兰医生进行访谈和市场调研，确认此领域确有真实新方案需求，收获颇丰，"WIT-Composites总经理Weronika Soszyńska补充。例如，麻醉师讲述多少连接患者的静脉注射、电极和其他设备在患者移动时脱落。"有很多你想不到的问题，医生说若能开发解决方案会非常开心，"她说。

在欧洲区域发展基金支持下，依托运营计划智慧增长2014-2020倡议，WIT-Composites研发部耗时两年开发全复合材料医疗台设计，含轨道和连接系统。据Wit-Rusiecki称，过程并非预期般简单。

复杂组件催生材料创新

图1. 模拟载荷。 设计台面时，WIT-Composites建模材料载荷下挠度（上图）和重量分布（下图），确保表面按患者重量分布具备所需刚度和耐磨性。图片来源：WIT-Composites

"我们着手设计整套系统：手术台面、侧轨和铰链元件，全复合材料制造，"Wit-Rusiecki解释。可选骨科手术臂也由复合材料开发。每个组件有自身设计挑战和力学要求，经历两年反复试错。

"我们开展多项研发项目，尝试不同材料组合、不同供应商纤维、以不同方式分层弹性体和碳纤维/环氧预浸料，"Wit-Rusiecki说。但他承认团队初期遇材料问题，含复合层压板开裂、不同供应商材料重量性能差异、及——Wit-Rusiecki称最具挑战——平衡台面不同部位弹性性能与载荷要求。

设计先经SolidWorks（达索系统，美国马萨诸塞沃尔瑟姆）、CATIA（达索）和NX（西门子，美国德州普拉诺）等程序分析，测试应变、弹性等特定参数。迭代物理样品在认证外部实验室强度测试，摩擦学表面测试硬度和耐磨在公司自研测试台内部进行。

基于测试结果确定各组件材料选择，含碳纤维/环氧预浸料、及为增强弹性局部应用橡胶弹性体层。据Soszyńska称，弹性体层创造兼具柔性（可变杨氏模量）和抗突发载荷变化的复合材料。

全尺寸原型各组件，将分层碳纤维预浸料和弹性体材料裁剪成型，置入WIT-Composites设计制造模具，真空袋装，高压釜固化。

设计台面、轨道与铰链

台面主要考量含充分X射线透明度、按IEC EN 60601-2-46标准关键点承受患者载荷强度、ASTM耐磨硬度标准。按重量分布策略最大挠度限<42.56毫米；台面承载225公斤（496磅）。最大挠度发生台面中央患者躯干位置，因台面内部组件设计空腔确保所需X射线透光性（图1）。

图2. 转折点。 机械臂通过特制铰链连接器连接台轨，形似游戏角色吃豆人。铰链因预浸料层间弹性体层能轻松滑过连接部件，气泵向中空腔充气使弹性段膨胀锁定、放气收缩允许移动。该铰链开发被视为台面系统设计转折点。

据Wit-Rusiecki称，台面本身设计相对简单，只需达力学要求，因现有多款复合医疗台可作基准。但构建全复合系统，需设计工程定制复合轨道替代典型金属轨，及手术中悬挂医疗设备的连接系统。

原型前，研发团队基于自然形态到门铰链等构思几十种连接系统想法，经有限元（FEM）仿真筛选至三最佳方案。制模制作三方案物理原型测试验证承载力。

两连接设计入最终系统原型。最有效设计被视为整个项目"转折点"。内部称"吃豆人"设计，中空圆柱组件嵌入自台端伸出的两平行复合支柱间。该圆柱组件形成铰链，连接台端可动骨科手术臂（图2）。

该铰链组件最大挑战是双重功能：不仅需可动实现手术臂旋转，还须移动至目标位置后锁定。为达此，WIT-Composites开发策略利用许多手术台已安装的压缩空气泵。组件外表皮多为刚性预浸料；吃豆人状凹陷内薄预浸料层经弹性体层赋予弹性。连接压缩空气泵的管向部件内腔充气，膨胀弹性表皮段推抵互锁手术臂防止移动。放气时柔性壁收缩，允许铰链移动。"终极形态满足假设强度参数，利用手术室通用压缩空气，一秒内即可将手术附件安装至台面侧轨，"Soszyńska说。

图4. 复合连接。 吃豆人灵感铰链（1）横截面显示其与医疗器械和复合骨科手术臂（2）配合方式。

用同款柔性复合和气泵设计，WIT-Composites还开发可锁定轨道夹具机制，实现医疗器械沿台侧稳定（图3及图纸）。

"该方案通用性在于可作管状元件和骨科手术常用铰链销连接器，用于腿/盆/脊柱手术，"Soszyńska说。

"我们实现手术中无需移动患者，"Wit-Rusiecki补充。"此项目调动我们所有能力，部件材料设计、制造技术。"

商业化、新市场

成功设计就绪，WIT-Composites现寻求与医疗设备制造商合作，供应复合组件用于手术台产品线。Soszyńska称公司已通过WIT-Composites拉斯维加斯办事处向欧美多家公司演示技术。遗憾的是，冠状病毒大流行延缓谈判及团队出差演示能力。

同时，公司利用此项目创造的设计创新作为其他项目跳板，尤"吃豆人"铰链设计。例如，WIT-Composites为波兰国家研究发展中心（华沙）氢储存计划开发150 MPa（21,755 psi）氢储罐，作为波兰科学院高压物理研究所（华沙）分包商。手术台项目开发的柔性复合材料和铰链连接器设计，催生用于氢加注站的绕丝碳纤维复合管新方案。"这是完全新结构，市场独有。源自医疗台工作，"Wit-Rusiecki说。另一长期目标将铰链技术迁移至航天器和卫星部件。