Nelle pompe mediche utilizzate in ambito clinico, come le pompe per infusione, le pompe per insulina e gli apparecchi per la dialisi, i motori che erogano con precisione i farmaci o il sangue sono fondamentali. Poiché anche il minimo errore nella portata può influire direttamente sulla sicurezza del paziente, ai motori sono richieste un’elevata precisione e affidabilità.Inoltre, con la diffusione dell’assistenza sanitaria a domicilio e l’aumento della domanda di dispositivi portatili, i requisiti in termini di dimensioni ridotte, silenziosità e risparmio energetico diventano ogni anno più esigenti. D’altra parte, più si punta alla miniaturizzazione, più è facile che si verifichino compromessi in termini di rumore e prestazioni; la scelta del motore è quindi un fattore determinante per le prestazioni complessive del dispositivo medico.
In questo articolo, dopo aver illustrato il ruolo dei motori montati sulle pompe mediche e i requisiti prestazionali richiesti, spiegheremo perché i motori senza nucleo sono adatti a questo tipo di pompe. Si tratta di informazioni utili per gli ingegneri di sviluppo che stanno valutando la scelta del motore, in quanto forniscono una base tecnica chiara.
| A cura di: Gruppo Commerciale Componenti Elettronici, C.I. TAKIRON Corporation Questo articolo è stato curato sulla base delle competenze tecniche avanzate e delle conoscenze acquisite sin dalla fondazione dell’azienda nel 1919, in qualità di azienda leader nella lavorazione delle materie plastiche.Il nostro reparto analizza costantemente le tendenze di mercato e le ultime tecnologie relative ai micromotori ultracompatti e ad alta precisione, concentrandosi sulla fornitura di informazioni ad alto valore aggiunto a progettisti e sviluppatori. In qualità di team di esperti che conosce a fondo le caratteristiche dei prodotti, ti supportiamo nella risoluzione delle tue sfide e nell’innovazione tecnologica attraverso la diffusione di contenuti accurati e pratici. |
Il ruolo dei motori utilizzati nelle pompe mediche e i principali dispositivi
Le pompe mediche sono una serie di dispositivi che servono a somministrare con precisione all’interno del corpo del paziente una vasta gamma di fluidi, come soluzioni farmacologiche, sangue, soluzioni nutritive, ormoni e mezzi di contrasto. La gamma di dispositivi è ampia e spazia dalle grandi apparecchiature fisse ai dispositivi ultracompatti che il paziente porta sempre con sé; a seconda dell’uso previsto, vengono scelti motori di tipo diverso.La progettazione dei motori, adattata ai requisiti di precisione, silenziosità e durata di ciascun dispositivo, costituisce la base su cui si fondano le prestazioni delle pompe.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Motore che aziona la pompa per infusione e l’apparecchio per dialisi
- Motori per dispositivi portatili, come le pompe per insulina
- Motori per dispositivi di assistenza respiratoria e apparecchiature cardiovascolari
Ecco una panoramica dei principali tipi di pompe mediche e delle funzioni che il motore svolge in ciascuna di esse.
Motore che aziona la pompa per infusione e l’apparecchio per la dialisi
Le pompe per infusione e gli apparecchi per dialisi sono le pompe mediche più diffuse negli ospedali. Le pompe per infusione si dividono in due tipi: quelle peristaltiche e quelle a siringa, che si differenziano per il sistema di azionamento del motore. Ecco quali sono le principali apparecchiature e il ruolo dei motori:
| Apparecchiature | Tipo di pompa | Il ruolo del motore |
| Pompa per infusione (peristaltica) | I rulli comprimono il tubo uno dopo l’altro | Azionamento a rotazione dei rulli |
| Pompa a siringa | Spinta dello stantuffo | Azionamento lineare a velocità costante |
| Apparecchio per dialisi | Circolazione del sangue e della soluzione dialitica | Azionamento della pompa di circolazione |
Nelle pompe per infusione peristaltiche, il meccanismo funziona con dei rulli che schiacciano il tubo uno dopo l’altro per far scorrere il liquido medicinale. Ci sono due modalità operative: il funzionamento continuo a velocità costante e la modalità bolus, che somministra una quantità fissa in breve tempo; entrambe richiedono un controllo preciso della velocità.
Negli apparecchi per dialisi, durante il processo di rimozione delle scorie dal sangue, è necessario garantire una circolazione stabile sia del sangue che della soluzione dialitica, poiché le variazioni di portata incidono direttamente sulla sicurezza del paziente. In entrambi i tipi di apparecchi, il motore deve garantire una rotazione stabile con un’oscillazione di coppia minima.
Motori per dispositivi portatili come le pompe per insulina
Nei dispositivi medici portatili, come le pompe per insulina, i requisiti per i motori sono diversi rispetto a quelli dei dispositivi fissi, dato che i pazienti li indossano e li usano quotidianamente. Le pompe per insulina sono dispositivi di somministrazione ultracompatti che i pazienti diabetici portano sempre con sé, e in genere il diametro dei motori che le equipaggiano non supera i 10 mm.Inoltre, sono stati segnalati casi di motori progettati con un diametro inferiore a 5 mm.
Dato che funzionano a batteria, è necessario un design efficiente che riduca al minimo il consumo energetico. La durata della batteria dipende dalla corrente assorbita dal motore, quindi anche una minima differenza di efficienza influisce sul tempo di funzionamento continuo del dispositivo.Inoltre, è necessaria una combinazione di motore e sistema di controllo in grado di gestire con precisione velocità di infusione a più livelli e somministrazioni in bolo. Con la diffusione dell’assistenza medica domiciliare, lo sviluppo di dispositivi portatili sta accelerando e si prevede che la richiesta di motori più piccoli e a basso consumo energetico aumenterà ancora di più in futuro.
Motori per dispositivi di assistenza respiratoria e apparecchiature cardiovascolari
Anche nei dispositivi di assistenza respiratoria e nelle apparecchiature mediche per il sistema circolatorio vengono montati dei motori come fonte di azionamento delle pompe. La pompa ad aria integrata nei dispositivi di assistenza respiratoria è il componente che si occupa di generare e controllare il flusso d’aria.Nei materassi ad aria per la prevenzione delle piaghe da decubito e nei dispositivi di supporto respiratorio per uso domiciliare, la pompa ad aria deve garantire un’erogazione costante e stabile della pressione, per cui il motore deve avere una resistenza tale da sopportare un funzionamento prolungato e deve essere silenzioso per poter funzionare vicino al paziente.
Nel campo della cardiologia, le pompe a membrana vengono utilizzate per fornire pressione negativa o positiva ai dispositivi di assistenza cardiaca, come le pompe a palloncino intra-aortiche (IABP) e i dispositivi di assistenza ventricolare (VAD).Queste pompe a membrana sono azionate da un motore e richiedono un funzionamento silenzioso, continuo e stabile.
Se la rotazione del motore dovesse subire sbalzi, si rischierebbe di compromettere la circolazione del paziente; si tratta quindi di un’applicazione che richiede un livello di affidabilità particolarmente elevato tra le pompe mediche.
Requisiti prestazionali richiesti per i motori delle pompe mediche
I motori delle pompe mediche devono soddisfare requisiti prestazionali molto più rigorosi rispetto a quelli utilizzati in ambito industriale. Mentre per i motori destinati alle apparecchiature industriali o all’hobbistica la scelta si basa spesso principalmente sulla potenza e sul costo, nel caso delle pompe mediche, in quanto fonte di azionamento direttamente collegata alla vita e alla sicurezza dei pazienti, è necessario un design in grado di soddisfare contemporaneamente diversi requisiti prestazionali.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Riduce il disagio per i pazienti grazie alla silenziosità e alle basse vibrazioni
- Compatto, a basso consumo energetico e compatibile con i dispositivi portatili
- Le prestazioni di controllo della portata che determinano la precisione di erogazione del liquido medicinale
Di seguito elenchiamo le tre condizioni prestazionali che incidono direttamente sulla sicurezza e sul comfort del paziente.
Riduce il disagio del paziente grazie alla silenziosità e alle basse vibrazioni
Dato che le pompe mediche vengono installate accanto ai letti nelle camere d’ospedale o a casa, è necessario che siano progettate per essere silenziose, in modo da mantenere il rumore del motore al di sotto della soglia percettiva dei pazienti. Di notte, nelle camere d’ospedale, anche il minimo rumore del motore può essere uno dei fattori che disturbano il sonno dei pazienti.Il rumore del motore rappresenta una parte consistente del rumore complessivo della pompa, quindi ridurre il rumore del motore stesso contribuisce a rendere la pompa più silenziosa.
Anche per quanto riguarda le vibrazioni, è indispensabile prestare la stessa attenzione. Le vibrazioni provenienti dal motore vengono amplificate dal corpo della pompa e si trasmettono anche ai tubi e alle tubazioni. In particolare, la coppia di cogging generata dai motori con nucleo in ferro è causa di irregolarità nella rotazione e di vibrazioni sottili.Per le pompe mediche sono indicati motori con una struttura che riduca il cogging; è quindi necessario un design che riduca le vibrazioni e il rumore causati dall’azionamento a livelli impercettibili sul dispositivo. Nei dispositivi che entrano direttamente a contatto con il corpo del paziente o che funzionano a lungo accanto al letto, l’uso di motori a basse vibrazioni contribuisce a migliorare il comfort e a ridurre lo stress.
Compatto, a basso consumo energetico e compatibile con i dispositivi portatili
Con la diffusione dell’assistenza medica a domicilio, lo sviluppo di dispositivi medici portatili sta accelerando. Anche per gli apparecchi per la dialisi e i dispositivi di assistenza respiratoria, che in passato erano prevalentemente fissi all’interno degli ospedali, stanno comparendo modelli compatti pensati per l’uso a domicilio. Di seguito trovi i requisiti richiesti alle pompe e ai motori medici più rappresentativi, sempre più spesso realizzati in versione portatile.
| Apparecchiature | Applicazioni | Requisiti principali per i motori |
| Pompa per nutrizione enterale | Somministrazione continua di soluzioni nutrizionali | Compatte e a basso consumo energetico |
| Pompa per insulina | Somministrazione automatica di insulina | Ultracompatto (meno di 10 mm) e ad alta efficienza |
| Pompa per terapia compressiva | Prevenzione della trombosi venosa profonda | Funzionamento stabile e silenzioso |
| Pompa per il trattamento delle ferite | Terapia a pressione negativa chiusa | Funzionamento prolungato e risparmio energetico |
Nei dispositivi portatili alimentati a batteria, l’efficienza energetica del motore è uno dei fattori che influiscono sulla durata della batteria.Negli esempi di applicazione alle pompe per nutrizione enterale, si sta sviluppando un design che concilia le dimensioni ridotte con le prestazioni di azionamento grazie a motori senza nucleo di circa 20 mm. Poiché nei dispositivi medici portatili il motore influisce sulle prestazioni, sull’efficienza, sulla durata e sui costi della pompa, la capacità di adattarsi a un design compatto e a basso consumo energetico è un requisito fondamentale nello sviluppo di questi dispositivi.
Le prestazioni di controllo della portata che determinano la precisione di dosaggio del liquido farmaceutico
Nelle pompe per infusione e nelle pompe per nutrizione, anche un minimo errore nella portata del liquido terapeutico può compromettere la sicurezza del paziente.Uno dei fattori che influiscono sulla precisione del controllo della portata è la fluttuazione di coppia del motore. Nei motori con una fluttuazione di coppia elevata, la velocità di rotazione diventa irregolare e la portata della pompa pulsa, compromettendo l’accuratezza della somministrazione. La scelta di un motore in grado di mantenere una coppia stabile anche a basse velocità è fondamentale per un controllo preciso della portata.
Anche la progettazione per una lunga durata è un fattore che influisce sull’affidabilità del controllo della portata. Nelle pompe per infusione o negli apparecchi per dialisi che funzionano in modo continuo, l’usura delle spazzole o il deterioramento dei cuscinetti causano variazioni nelle caratteristiche del motore, con conseguente riduzione della precisione della portata.Nei motori con spazzole, l’usura delle spazzole è il principale fattore che ne limita la durata, mentre nei motori senza spazzole è l’usura dei cuscinetti. Scegliere il tipo di motore in base all’ambiente di utilizzo e alle ore di funzionamento garantisce un controllo della portata stabile e a lungo termine.
3 motivi per cui i motori senza nucleo vengono scelti per le pompe mediche
I motori senza nucleo sono motori che adottano una struttura in cui il rotore è privo di nucleo di ferro. Le caratteristiche derivanti da questa struttura sono in linea con i severi requisiti prestazionali delle pompe mediche, motivo per cui il loro impiego è in continua crescita.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Consente un controllo preciso della portata senza aleggi
- Il rotore a bassa inerzia garantisce una risposta rapida
- Compatto, poco ingombrante e adatto ai dispositivi portatili
Vediamo come le caratteristiche strutturali dei motori senza nucleo soddisfano i vari requisiti prestazionali delle pompe mediche.
Consente un controllo preciso della portata senza alette
Le caratteristiche di rotazione senza cogging rappresentano il principale vantaggio strutturale dei motori senza nucleo.Nei motori tradizionali con nucleo in ferro, la coppia di cogging si genera a causa dell’attrazione magnetica tra il nucleo in ferro del rotore e i magneti permanenti, causando fluttuazioni periodiche della coppia durante la rotazione. I motori senza nucleo, invece, adottano una struttura a bobina cava priva di nucleo in ferro, quindi la coppia di cogging è praticamente inesistente. Ecco le differenze tra i due:
| Voce | Motori con nucleo in ferro | Motori senza nucleo |
| Coppia di cogging | Si verifica a causa dell’interferenza magnetica tra il nucleo di ferro e il magnete | Non c’è nucleo di ferro, quindi quasi non si verifica |
| Stabilità di rotazione ai bassi regimi | Le oscillazioni di coppia tendono a causare irregolarità nella velocità | Mantiene una rotazione fluida |
| Effetti sul controllo della portata | Potrebbero verificarsi pulsazioni nella portata | È possibile un’erogazione stabile a velocità costante |
Grazie alla struttura priva di nucleo ferroso, i motori coreless presentano una bassa ondulazione di coppia e sono in grado di garantire un’erogazione fluida del liquido anche a basse velocità. Sono ideali per un controllo preciso della pompa, in grado di evitare picchi di variazione della portata e di erogare soluzioni chimiche o nutrienti a velocità costante.
Il rotore a bassa inerzia garantisce una risposta rapida
La risposta rapida garantita dal rotore a bassa inerzia è il secondo motivo per cui i motori senza nucleo sono adatti alle pompe mediche. Il rotore cavo dei motori senza nucleo è più leggero proprio perché non ha il nucleo in ferro, quindi ha un momento d’inerzia ridotto.Un rotore a bassa inerzia raggiunge subito la velocità desiderata dopo l’accensione e può rallentare e fermarsi all’istante quando riceve il comando di arresto.
Questa reattività è perfetta per operazioni intermittenti su richiesta, come la somministrazione in bolus.Nella modalità a bolo, dopo aver somministrato una quantità fissa di farmaco in breve tempo, è necessario arrestare immediatamente il motore; con motori che hanno una risposta lenta all’avvio e all’arresto, si verificano facilmente errori nella dose somministrata. Il motore senza nucleo, grazie all’avvio e all’arresto istantanei, migliora la precisione di somministrazione nelle operazioni su richiesta.
Compatto, salvaspazio e adatto ai dispositivi portatili
Il fatto che si possano progettare in modo compatto e poco ingombrante è il terzo motivo per cui i motori senza nucleo sono adatti alle apparecchiature mediche portatili.Grazie alla loro struttura priva di nucleo, i motori senza nucleo possono essere progettati in modo più compatto rispetto ai motori con nucleo di potenza equivalente. Non avendo il volume e la massa del nucleo, è possibile realizzare progetti che garantiscono una maggiore densità di potenza anche in spazi limitati.
[I vantaggi progettuali offerti dai motori senza nucleo nelle apparecchiature mediche portatili]
・Grazie alla struttura priva di nucleo in ferro, l’inerzia del rotore è ridotta, il che consente un controllo preciso e con elevata reattività
・Poiché non si verificano fenomeni di cogging, presenta una curva di coppia fluida con basse vibrazioni, contribuendo a migliorare il controllo della portata e la precisione di posizionamento
・Eccelle in termini di potenza elevata per brevi periodi e offre ottime prestazioni dinamiche in applicazioni che richiedono un funzionamento intermittente o un’elevata reattività
・Sebbene le dimensioni ridotte e il peso contenuto non siano garantiti in tutte le condizioni, negli applicazioni in cui la reattività e le prestazioni di azionamento intermittente sono fondamentali, sfruttando le caratteristiche dei motori senza nucleo è possibile ottenere le prestazioni richieste con una configurazione più compatta.
C.I. Takiron offre una gamma di motori senza nucleo con diametro esterno compreso tra 4 mm e 22 mm, che possono essere progettati in base all’applicazione e allo spazio di installazione. Grazie alle caratteristiche di questa struttura senza nucleo, i nostri motori contribuiscono alla miniaturizzazione di un’ampia gamma di pompe mediche portatili, dalle applicazioni in spazi ristretti e limitati fino alle apparecchiature di medie dimensioni.
Riepilogo
Esistono molti tipi di pompe mediche, come le pompe per infusione, le pompe per insulina, gli apparecchi per dialisi, i dispositivi di assistenza respiratoria e le apparecchiature cardiovascolari; in tutti questi dispositivi è indispensabile un motore che eroghi con precisione i farmaci o il sangue.Ai motori vengono richiesti requisiti prestazionali molto rigorosi, quali silenziosità, basse vibrazioni, dimensioni ridotte, basso consumo energetico, controllo preciso della portata e lunga durata; la scelta del motore giusto influisce quindi sulle prestazioni complessive dell’apparecchiatura medica.
Grazie alla loro struttura priva di nucleo ferroso, i motori senza nucleo consentono di ottenere contemporaneamente una rotazione fluida e priva di a scalini, una risposta rapida e un basso consumo energetico grazie al rotore a bassa inerzia, oltre a un design piccolo e compatto. Rappresentano una scelta vantaggiosa dal punto di vista strutturale per soddisfare i requisiti delle pompe mediche, come il controllo preciso della portata, e per l’integrazione in dispositivi portatili.
Informazioni sui prodotti e richieste di informazioni
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