Los motores DC de FAULHABER impulsan la bomba de infusión portátil de alta eficiencia

La bomba de infusión accionada por control de movimiento (caja negra atada a los pacientes primero) puede reemplazar los fluidos a 100 mL/mínimo en las víctimas de trauma

Fue un proyecto desafiante desde el principio; los médicos de campo necesitan ser rápidos en sus pies. El Ejército quería una bomba que funcionara con baterías, que pesara menos de una libra y que no tuviera firma electrónica y que tuviera un mínimo de ruido para inhibir la detección. Cumplir con esos requisitos significaba diseñar con un ojo hacia la eficiencia. El resultado fue el Power Infuser, una unidad de 5 pulgadas x 4 pulgadas x 2,3 pulgadas que pesa sólo 0,6 libras. Además de bombear tan rápido como 100 mL/min, la unidad también puede operar en modo bolo, administrando 250 mL en una sola ráfaga, y luego deteniéndose hasta que se ordene lo contrario.

La mayoría de la gente no se da cuenta de que el cuerpo humano puede ser hasta un 85% de agua. No es de extrañar, entonces, que una de las primeras líneas de tratamiento para los pacientes de trauma como los soldados heridos es el reemplazo controlado de fluidos, a menudo en grandes volúmenes. El problema es que las bombas de infusión convencionales están típicamente diseñadas para suministrar pequeñas cantidades de fluidos a altas precisiones de 100 mL en el transcurso de una hora o más, por ejemplo, lo que está lejos de ser suficiente para el tratamiento de un trauma. Cuando el Ejército de los EE.UU. fue a buscar una unidad de campo compacta y portátil que pudiera funcionar a velocidades de 100 mL/min, Infusion Dynamics (ahora Zoll Medical Corp.) recurrió al control de movimiento y a los eficientes motores de corriente continua de alto par de FAULHABER para proporcionar la respuesta.

El diseño consiste en una bomba modular con un cartucho desechable que se coloca en la parte superior. La unidad funciona con seis pilas AAA para un total de 9 V. El objetivo del Ejército era que un cambio de pilas permitiera infundir a un paciente; el dispositivo terminado es tan eficiente que puede funcionar durante ocho o diez horas a toda velocidad, infundiendo a varios pacientes con un solo paquete de pilas.

La parte mecánica de la unidad de bombeo consiste en un marco de aluminio anodizado rematado por un yugo con dos bridas en la parte inferior en una configuración de horquilla. El cartucho desechable, que se encuentra encima del yugo, consiste esencialmente en dos tubos de plástico transparentes paralelos, cada uno con válvulas de retención pasivas en los extremos opuestos que provocan un flujo unidireccional al comprimirse los tubos. La horquilla en la parte inferior del yugo se encuentra a horcajadas sobre una leva excéntrica giratoria que la obliga a balancearse hacia adelante y hacia atrás. Al hacerlo, una cresta en la parte superior de cada lado comprime el tubo del cartucho por encima de él. La acción expulsa el fluido del tubo del cartucho hacia la línea intravenosa del paciente.

Para maximizar la vida de la batería, el equipo de diseño se centró primero en la eficiencia. Cada vez que uno de los tubos se comprime, almacena energía potencial. Una vez que el líquido es expulsado, la energía potencial se convierte en energía cinética, ya que la expansión del tubo vacío impulsa la acción de balancear el yugo hacia el otro lado para que pueda comenzar a comprimir el otro tubo. "Es increíblemente eficiente", dice Michael Loughnane, ahora presidente de Instech Labs y uno de los diseñadores de la unidad. "Si se usara sólo un tubo, se obtendría un cierto flujo a una cierta potencia. Si agregas el segundo tubo, los requerimientos de energía sólo suben ligeramente pero el flujo se duplica. Utilizamos esta acción de bombeo equilibrada para obtener la mejor eficiencia del mecanismo."

La bomba fue diseñada para que el movimiento nunca cierre completamente un tubo. Tal oclusión, como se encuentra en las bombas peristálticas, consume energía, tanto para la compresión como para el control del reflujo. En el cuerpo del cartucho hay un filtro de eliminación de aire separado que consiste en una membrana hidrófila y otra hidrofóbica. El aire es forzado a salir a través de la membrana hidrofóbica. Esta porción del cartucho asegura que no entren burbujas de aire en la línea intravenosa. "Podrías dejar caer la bolsa en el suelo y bombear todo el aire hacia fuera y luego terminar de bombear el fluido en la bolsa", dice el co-diseñador Kenneth Cook.

Para alimentar el yugo, el grupo necesitaba un motor de engranajes de corriente continua que pudiera proporcionar suficiente torque para comprimir los tubos, pero en un paquete lo suficientemente pequeño para las limitaciones de tamaño de la bomba. Por encima de todo, tenía que ser eficiente. "Usando un modelo matemático, buscamos la mejor relación de engranajes, la mejor velocidad y luego elegimos el motor reductor apropiado y las relaciones de engranajes para cumplir con esos criterios", dice Loughnane. Escogieron un servomotor de 13 mm de diámetro y 31 mm de largo de FAULHABER, equipado con un reductor de 15 mm de diámetro para una relación de reducción de 76:1. "Fuimos a otras compañías", añade. "Descubrimos que de los motores que probamos, los de FAULHABER eran los más eficientes."

Construyeron sus prototipos iniciales con motores de 9 V, pero descubrieron que obtenían un rendimiento más eficiente conduciendo un modelo de 12 V. "El consumo de corriente en el motor suele ser mejor si no trabajas en la parte alta", dice Loughnane. "Es un diseño más eficiente que conseguir uno que esté hecho para funcionar a 9 V y hacerlo funcionar a los 9 V completos." El grupo hizo una modificación al motorreductor, añadiendo un cojinete externo al extremo distal del eje para proporcionar un soporte adicional.

Manteniendo el control

Con el diseño mecánico terminado, el siguiente problema era el control. El dispositivo no podía tener una firma electrónica, lo que descartaba el uso de un microprocesador convencional. En su lugar, el grupo optó por la lógica discreta y el control analógico basado en la retroalimentación del EMF. El interruptor selector que fija la velocidad de la bomba establece un voltaje que debe coincidir con el de la retroalimentación EMF amplificada del motor. El circuito analógico varía la señal de accionamiento al motor dependiendo de los resultados, proporcionando un control de velocidad de lazo cerrado.

"Dependemos de la constante del CEM de atrás para determinar la velocidad del motor", dice Loughnane. "Una de las cosas que nos gustan de los motores FAULHABER es que las constantes traseras de los CEM han estado dentro del 10% que afirman; en realidad son mucho mejores que eso. Si variara de un motor a otro sería un problema, pero ese número ha sido muy bueno y consistente."

En un movimiento para mejorar aún más la eficiencia, el controlador de velocidad sólo impulsa el motor en dirección hacia adelante. No intenta mantener la velocidad del motor estable durante todo el ciclo. En cambio, si el motor va un poco más rápido después de un pico de compresión como resultado de la energía potencial almacenada, el circuito le permite liberar la rueda, eléctricamente hablando.

Un beneficio secundario del enfoque de control es que la corriente necesaria para impulsar el motor está directamente relacionada con el grado de oclusión en los tubos. Si la corriente sube más allá de un cierto umbral porque la bomba está tapada, la unidad se apagará automáticamente. Del mismo modo, si el tubo IV se conecta a una aguja de tamaño inferior que ejerce presión de reflujo, la unidad se detendrá. Según Loughnane, las agujas de calibre 18 son las óptimas para los pacientes de trauma; la parada automática puede evitar un error.

El diseño también incluye un par de clavijas de acero inoxidable que forman un medidor de conductividad en el camino del fluido. En el caso de que el aire llene el tubo debido a un fallo del filtro de eliminación, la resistencia sube y la bomba se detiene. El médico debe intervenir para eliminar el aire y reiniciar la bomba. El medidor también puede detectar si se está utilizando el fluido correcto: una solución salina u otra solución con una concentración salina fisiológica.