Mechanical miniaturization in interventional medical instruments

Ultralyd avbildning er et svært viktig verktøy for diagnose av hjerte- og kar-sykdommer, og som hjelpemiddel under hjertekirurgi. Spesielt god avbildning av hjertet får man hvis ultralydbildet tas fra innsiden av spiserøret, med såkalt «Trans-esophageal echocardiography» (TEE) probe. Dette setter strenge krav til TEE-probe størrelse og at sammenstillings- og pakke-design må være så smått som mulig, samtidig som høy bildekvalitet og pasientsikkerhet ivaretas. Sammenstilling av de verdensledende TEE prober fra GE Vingmed Ultrasound er krevende. To store utfordringer i sammenstillingsprosessen er tidskrevende håndteringen av mange prefabrikkerte deler og at det er begrenset mulighet for feilretting/reparasjon av høy-kost moduler som limes sammen. Dette er faktorer som medfører økte produksjonskostnader. I MMIMI prosjektet er avanserte materialer og teknikker undersøkt for å oppnå et mer kompakt design og en mer kostnadseffektiv produksjon av TEE prober. Reparerbart anisotropt ledende lim Anisotropt ledende lim (ACA) gir både elektrisk kontakt og mekanisk styrke for sammenbygde moduler. ACA brukes til å montere en elektroakustisk modul til en signalkabelmodul i TEE-prober. Siden kostnadene for disse modulene er høye, er det en stor fordel om de ACA-limte modulene kan tas fra hverandre og gjenbrukes dersom feil skulle oppstå. Å kunne separere og gjenbruke fungerende moduler, enten under produksjon eller ved reparasjon av returnerte produkter, kan være kostnadssparende. Reparerbare ACA-materialer med sammenliknbare egenskaper som konvensjonelle ACAer er utviklet i dette arbeidet. Lim som inneholder en blanding av en herdeplast (typisk epoxy) og termoplast har vist potensiale til å kunne tas fra hverandre samtidig som god elektrisk og mekanisk ytelse beholdes. De termomekaniske egenskapene til termoplastene spiller en viktig rolle i justeringen av de mekaniske egenskapene til ACA og i hvilken grad det er mulig å ta de limte modulene fra hverandre, selv ved så lave konsentrasjoner som 30 vekt-% termoplast. Glassovergangstemperaturen (Tg) til termoplastene bør ligge mellom den valgte driftstemperaturen og omarbeidelsestemperaturen. Resultater fra blandinger av en epoxy og en høy-Tg termoplast for silisiumbaserte prøver viser høy mekanisk styrke ved temperaturer som er relevante for produksjon/lagring og drift av TEE-prober, tilfredsstillende omarbeidbarhet, og elektrisk ledningsevne tilvarende kommersielt tilgjengelige ACA. På den andre siden gir limblandinger med lav- Tg termoplast og egnet epoxy, mulighet for å omarbeide ACA ved en lavere temperatur samtidig som tilfredsstillende mekanisk styrke ved liming til fleksible kretskort opprettholdes. Disse reparerbare ACAene har potensiale til å bli brukt i sammenstillingen av ultralydprober men også for andre applikasjoner. Avansert innkapsling for TEE prober Forenkling av TEE probens sammenstillingsdesign, ved hjelp av færre deler og færre manuelle prosesstrinn, kan lede til en mer effektiv produksjonsprosess. Våre studier viser at en to-lags innkapsling basert på en metallisert polymerstruktur er lovende både i forhold til å forenkle sammenstillingen og å dekke de nødvendige funksjonaliteter som varmeledning, elektrisk isolasjon og elektromagnetisk skjerming. Siden varmeledning spiller en viktig rolle med hensyn til pasientsikkerhet, er nettopp den termiske ytelsen til en to-lags innkapsling evaluert ved både eksperimenter og numeriske simuleringer. Eksperimenter i et testoppsett relevant for TEE probe, viser at en metallisert polymerinnkapsling, produsert ved 3D-printing og elektroplettering, kan gi tilstrekkelig varmeledning. Simuleringer er i god overensstemmelse med eksperimentene. Den verifiserte modellen foreslår alternative materialer for å forbedre den termiske ytelsen til den metalliserte innkapslingen. Derfor er et biokompatibelt og elektrisk isolerende polymer-basert kompositt-materiale med høy varmeledningsevne studert ved hjelp av eksperimenter. Kompositt-prøver, bestående av en polymermatrise (TPU eller epoxy) og et høyt termisk ledende keramisk fyllstoff (boron-nitride), er laget ved hjelp av 3D printing, sprøytestøping og støping. Eksperimenter viser at sprøytestøpte prøver med 35 % TPU and 65 % BN ga høyest termisk ledningsevne og at kompositter kan gi bedre termiske ytelser for TEE prober. En metallisert innkapsling fremstilt ved sprøytestøpt (TPU-BN) kompositt og elektroplettering vil være en nyttig tilnærming i forenklingen av sammenstillingen av TEE proben.

Se resultatrapport: Project implementation in Industry- GE Vingmed Ultrasound

This project represents an innovation at national and international level by developing new materials and processes for more compact, cost-effective TEE probes manufactured by GEVU. The planned innovation involves: - New processes that allow for more compact design in interventional TEE ultrasound probes allowing for improving the image quality in relation to the size. This is important when the product must enter the body and fit with the human physiology. This will allow both improvements in image quality and the development of smaller probes with the same image quality as todays adult probes. - The processes being investigated are means of preparing single components or processes that solve requirements that previously necessitated several different parts each requiring a certain amount of space. Such components could be the outer housing that needs to be robust, seal against fluid, transfer heat efficiently, protect the internal electronics and shield against electromagnetic interference in the operating room. - The project will also focus on increasing the number of reworkable processes. This will significantly reduce the amount of scrap that is created if some process or component fails or is damaged. This is important as these components are very delicate and the process is very demanding as more and more imaging power is being packed into the same very small space needed to safely use the probe inside the body. These projects will together help keep the Norwegian assembly facility to establish methods that are more competitive than other plants for the TEE probes.