Motori DC di FAULHABER Drive Pompa portatile ad alta efficienza per infusione ad alta efficienza

La pompa di infusione azionata dal controllo del movimento (scatola nera legata ai pazienti) può sostituire i fluidi a 100 ml/minuto nelle vittime di traumi

È stato un progetto impegnativo fin dall'inizio; i medici sul campo devono essere veloci e in gamba. L'Esercito voleva una pompa che funzionasse a batteria, che pesasse meno di mezzo chilo e che non fornisse alcuna firma elettronica e che fornisse un rumore minimo per inibire il rilevamento. Soddisfare questi requisiti significava progettare con un occhio all'efficienza. Il risultato è stato il Power Infuser, un'unità di 5 in. x 4 in. x 2,3 in. che pesa solo 0,6 libbre. Oltre a pompare con una velocità di 100 mL/min, l'unità può anche funzionare in bolo, somministrando 250 mL in una sola raffica, per poi fermarsi fino a quando non viene comandato altrimenti.

La maggior parte delle persone potrebbe non rendersi conto che il corpo umano può essere fino all'85% di acqua. Non c'è da stupirsi, quindi, che una delle prime linee di trattamento per i pazienti traumatizzati come i soldati feriti sia la sostituzione controllata dei fluidi, spesso ad alto volume. Il problema è che le pompe per infusione convenzionali sono tipicamente progettate per erogare piccole quantità di fluidi ad alta precisione 100 mL nel corso di un'ora o più, ad esempio, che è ben lungi dall'essere sufficiente per il trattamento traumatologico. Quando l'esercito statunitense è andato alla ricerca di un'unità di campo compatta e portatile che potesse funzionare a velocità di 100 mL/min, Infusion Dynamics (ora Zoll Medical Corp.) si è rivolta al controllo del movimento e a efficienti motori a corrente continua ad alta coppia di FAULHABER per fornire la risposta.

Il design consiste in una pompa modulare con una cartuccia monouso che si trova in cima. L'unità funziona con sei batterie AAA per un totale di 9 V. L'obiettivo dell'esercito era quello di cambiare le batterie per infondere un paziente; il dispositivo finito è così efficiente da poter funzionare per otto-dieci ore a piena velocità, infondendo più pazienti su un unico pacco batterie.

La parte meccanica del gruppo pompa è costituita da un telaio in alluminio anodizzato sormontato da un giogo con due flange sul lato inferiore in configurazione a forcella. La cartuccia monouso, che si trova sulla parte superiore della forcella, consiste essenzialmente in due tubi di plastica paralleli e trasparenti, ciascuno con valvole di ritegno passive alle estremità opposte che causano un flusso unidirezionale mentre i tubi vengono compressi. La forcella sul lato inferiore del giogo è a cavallo di una camma eccentrica rotante che lo costringe a oscillare avanti e indietro. Come fa, una cresta sulla parte superiore di ogni lato comprime il tubo della cartuccia sopra di esso. L'azione espelle il fluido dal tubo della cartuccia nella linea endovenosa del paziente.

Per massimizzare la durata della batteria, il team di progettazione si è concentrato prima di tutto sull'efficienza. Ogni volta che uno dei tubi viene compresso, immagazzina energia potenziale. Una volta che il liquido viene espulso, l'energia potenziale si converte in energia cinetica, poiché l'espansione del tubo vuoto aumenta l'azione di far oscillare il giogo verso l'altro lato in modo che possa iniziare a comprimere l'altro tubo. "È incredibilmente efficiente", dice Michael Loughnane, ora presidente di Instech Labs e uno dei progettisti dell'unità. "Se si dovesse usare un solo tubo, si otterrebbe un certo flusso ad una certa potenza. Se si aggiunge il secondo tubo, i requisiti di potenza salgono solo leggermente ma il flusso raddoppia. Usiamo questa azione di pompaggio bilanciata per ottenere la migliore efficienza del meccanismo"

La pompa è stata progettata in modo che il movimento non chiuda mai completamente un tubo. Tale occlusione, come si trova nelle pompe peristaltiche, consuma energia, sia per la compressione che per il controllo del riflusso. Nel corpo della cartuccia è incorporato un filtro separato per l'eliminazione dell'aria, costituito da una membrana idrofila e da una membrana idrofoba. L'aria viene fatta uscire attraverso la membrana idrofoba. Questa porzione della cartuccia assicura che nessuna bolla d'aria entri nella linea IV. "Si potrebbe effettivamente far cadere la sacca a terra e pompa fuori tutta l'aria e poi finisce di pompare il fluido nella sacca", dice il co-designer Kenneth Cook.

Per alimentare il giogo, il gruppo aveva bisogno di un motoriduttore a corrente continua che potesse fornire una coppia sufficiente a comprimere i tubi, ma in un pacchetto abbastanza piccolo per i vincoli dimensionali della pompa. Soprattutto, doveva essere efficiente. "Utilizzando un modello matematico, abbiamo scelto il miglior rapporto d'ingranaggio, la migliore velocità e poi abbiamo scelto il motoriduttore e i rapporti d'ingranaggio appropriati per soddisfare questi criteri", dice Loughnane. Hanno scelto un servomotore da 13 mm di diametro e 31 mm di lunghezza di FAULHABER, dotato di un riduttore da 15 mm di diametro per un rapporto di riduzione di 76:1". "Siamo andati in altre aziende", aggiunge. "Abbiamo scoperto che tra i motori che abbiamo testato, quelli di FAULHABER erano i più efficienti"

Hanno costruito i loro prototipi iniziali con motori a 9 V, ma hanno scoperto di aver ottenuto prestazioni più efficienti guidando un modello a 12 V. "Lo scarico di corrente sul motore di solito è migliore se non si lavora ad alte prestazioni", dice Loughnane. "E' un design più efficiente rispetto a quello che si ottiene facendolo funzionare a 9 V e facendolo funzionare a 9 V" Il gruppo ha apportato una modifica al motoriduttore, aggiungendo un cuscinetto esterno all'estremità distale dell'albero per fornire un ulteriore supporto.

Mantenere il controllo

Con il progetto meccanico finito, il problema successivo era il controllo. Il dispositivo non poteva avere una firma elettronica, il che escludeva l'uso di un microprocessore convenzionale. Invece, il gruppo ha optato per la logica discreta e il controllo analogico basato sul feedback back-EMF. Il selettore che imposta la velocità della pompa stabilisce una tensione che il back-EMF amplificato del motore deve corrispondere. Il circuito analogico varia il segnale di azionamento al motore a seconda dei risultati, fornendo un controllo di velocità ad anello chiuso.

"Dipendiamo dalla costante del campo elettromagnetico posteriore per determinare la velocità del motore", dice Loughnane. "Una delle cose che ci piace dei motori FAULHABER è che le costanti di EMF posteriore sono state ben all'interno del 10% che affermano; in realtà sono molto meglio di questo. Se variasse da motore a motore sarebbe un problema, ma quel numero è stato molto buono e costante"

Per migliorare ulteriormente l'efficienza, il regolatore di velocità aziona il motore solo in avanti. Non cerca di mantenere costante la velocità del motore per tutto il ciclo. Al contrario, se il motore va un po' più veloce dopo i picchi di compressione come risultato dell'energia potenziale immagazzinata, il circuito gli permette di girare a ruota libera, elettricamente parlando.

Un vantaggio collaterale dell'approccio di controllo è che la corrente necessaria per azionare il motore è direttamente correlata al grado di occlusione nei tubi. Se la corrente sale oltre una certa soglia perché la pompa è ostruita, l'unità si spegne automaticamente. Allo stesso modo, se il tubo IV è collegato ad un ago sottodimensionato che esercita una pressione di riflusso, l'unità si arresta. Secondo Loughnane, gli aghi a 18 aghi sono l'ideale per i pazienti traumatologici; l'arresto automatico può prevenire un errore.

Il progetto comprende anche una coppia di perni in acciaio inossidabile che formano un misuratore di conducibilità nel percorso del fluido. Nel caso in cui l'aria riempia il tubo a causa di un guasto del filtro di eliminazione, la resistenza sale e la pompa si ferma. Il medico deve intervenire per eliminare l'aria e riavviare la pompa. Il misuratore può anche rilevare se viene utilizzato il fluido giusto - una soluzione salina o un'altra soluzione con una concentrazione fisiologica di sale.