L'Università di Tecnologia di Delft Usa i Sensori di Forza HBM per la Ricerca Scientifica sull'Attrito

I risultati della ricerca possono condurre a nuove tecnologie di guida degli endoscopi

Il gruppo di ricerca di Ingegneria Biomeccanica dell'Università della Tecnologia di Delft (Olanda) ha optato per un sensore di forza HBM nella ricerca sull'attrito fra i cavetti di acciaio e vari tipi di gomma. A prima vista, può sembrare un'area di ricerca marginale, ma il risultato può condurre a nuove tecnologie per la guida della forma dei flessibili degli endoscopi (lunghi tubi flessibili con una telecamera all'estremità), col possibile risultato di un considerevole risparmio nel settore medicale. Nel breve periodo, si può procedere impiegando questa tecnologia nel settore della difesa e degli interni (polizia), allo scopo di rilevare gli esplosivi, ad esempio esplorando gli ambienti chiusi.

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Trasduttori di forza della HBM

La ricerca sull'attrito fra i cavetti di acciaio e la gomma era parte dello studio sulla tesi di dottorato di Arjo Loeve, ora diventato ricercatore post-dottorato. Questo studio era orientato allo sviluppo di una nuova tecnologia di guida della forma degli endoscopi, da impiegare negli esami medici nel corpo umano. Durante l'inserzione del tubo flessibile dell'endoscopio, talvolta esso può assumere pieghe indesiderate causando problemi come la dolorosa contrazione dell'intestino del paziente. Effettuando la colonscopia, possono insorgere anche notevoli complicazioni, come la perforazione dell'intestino. Attualmente, alcuni produttori hanno introdotto sul mercato certe tecnologie di guida della forma, ma il loro funzionamento non è del tutto ottimale e sono estremamente costose. La maggioranza degli endoscopi non usano tuttora guide della forma, ed offrono solo opzioni limitate per fissare la forma del tubo.

Vista del modulo di seraggio. In primo piamo i blocchi rivestiti di gomma o di cavetti di acciaio.

Più veloci e più economiche - nuove tecnologie per affrontare le sfide della sanità

La nuova tecnologia, oggetto della ricerca di Loeve, consiste di un tubo di gomma gonfiabile circondato da un anello di filo di acciaio all'interno di una molla di acciaio inossidabile. Usando un liquido per mettere in tensione il tubo di gomma, il tubo comprime il filo di acciaio contro l'interno della molla, rendendo rigida la guida dell'endoscopio. In tal modo il medico può completare il lavoro più rapidamente, il paziente avverte meno disagio durante l'esame ed il rischio di complicazioni viene notevolmente ridotto.

Gli esami endoscopici devono essere spesso interrotti a causa del dolore o delle complicazioni, per cui è impossibile rilevare tutte le anomalie del paziente e talvolta si rendono necessari ulteriori esami come la costosa e lunga TAC, al fine di giungere ad una corretta diagnosi.

Con questa nuova tecnica si dovrebbe incrementare il rateo di completamento degli esami interni senza problemi. A differenza di altre possibili tecniche per guidare e bloccare la forma, quella studiata a Delft non richiede costose unità di controllo, mantenendo così economicamente conveniente il sistema endoscopico. Grazie alla nuova tecnologia, tutta l'operazione è stata largamente semplificata, e gli esami endoscopici non devono più essere necessariamente effettuati da costosi specialisti.

Ne consegue che questa nuova tecnologia offre potenzialmente una perfetta soluzione alla sfida della sanità: metodi di trattamento efficienti che riducano il tempo di degenza in ospedale e, ancor più importante, forniscano un considerevole risparmio economico. Questa nuova tecnologia può essere un forte impulso all'introduzione di metodi minimamente invasivi, tecniche chirurgiche endoscopiche ed alla chirurgia senza incisioni.

La prima ricerca completa sull'attrito fra cavetti di acciaio e la gomma

Lo studio condotto dal gruppo di ricerca di Ingegneria Meccanica era del tutto inusuale. Per studiare l'attrito, o "tribologia", furono necessarie molteplici ricerche di base concernenti la frizione fra i differenti tipi di materiale. “Ma non molte ricerche erano già state effettuate sull'attrito fra i cavetti di acciaio e la gomma,” spiega Loeve. “La gomma è soffice ed ha la tendenza ad aderire agli altri materiali a livello molecolare, il che causa moltissimo attrito.

La maggioranza degli studi similari precedentemente condotti, avevano lo scopo di ridurre l'attrito in applicazioni quali i nastri convogliatori od a prevenire l'usura. Per l'impiego negli endoscopi si cerca il contrario, cioè massimizzare l'attrito al fine di ottenere la massima rigidità possibile della guida. Inoltre, la maggior parte dei tipi di gomma non sono molto popolari in campo medicale perché essi non sono biocompatibili, talvolta rilasciano sostanze velenose o carcinogene ad hanno bassa resistenza alla sterilizzazione. Nelle applicazioni della nuova tecnologia per gli endoscopi, la gomma non entra in contatto col corpo umano perché resta localizzata all'interno del meccanismo.

Vista del modulo di serraggio. Due blocchi rivestiti di gamma in mezzo a cui viene messo in trazione un blocco con avvolto il filo di acciaio.

Quale combinazione di materiali fornisce il massimo attrito?

Lo studio ha esaminato tre tipi di gomma e cinque diversi tipi di cavetti di acciaio intrecciato, in quindici differenti combinazioni. L'obiettivo era di determinare quale tipo di gomma e quale tipo di cavetto fornisse il massimo attrito. I cavetti erano del tipo con intrecciatura standard e spessore da 0,18 a 0,45 millimetri, utilizzati quotidianamente per appendere i quadri o per tirare i freni delle biciclette.

Per la prova, fu sviluppato un apposito allestimento. Esso consisteva di un modulo di serraggio con due blocchi rivestiti di gomma ed un terzo blocco avvolto dal cavetto di acciaio, messo in trazione fa i due. Furono eseguite misurazioni sia della forza di serraggio del modulo di serraggio che della forza di trazione del blocco con il cavetto di acciaio. Per misurare la forza esercitata sul blocco col cavetto di acciaio fu utilizzato un opportuno trasduttore di forza. In definitiva, esso consentiva di mappare l'attrito. Il sensore di forza doveva soddisfare gli specifici requisiti concernenti il campo di misura e l'accuratezza.

Le specifiche furono elaborate dal cosiddetto "Meetshop" (Laboratorio di Misura) della Facoltà di Ingegneria Meccanica, Marittima e dei Materiali, a cui gli studenti e dottorandi possono richiedere assistenza per effettuare le misurazioni. Poiché il Meetshop collabora usualmente con la HBM ed utilizza ad esempio un sistema di acquisizione dati MGCplus della HBM, nessuna sorpresa se quest'ultima fu scelta per fornire anche il trasduttore di forza. Il trasduttore di forza fu soggetto a trazioni fino a 180 kg. Esso fu usato non solo per le prove sul modulo di serraggio, ma anche per la taratura della macchina di prova a trazione.

“Compreso lo sviluppo dell'allestimento di prova e dei moduli di serraggio, lo studio durò un anno e mezzo ed ha prodotto un tesoro di utili dati,” aggiunge Arjo Loeve. “Dopo la pubblicazione dello studio su WEAR, il giornale scientifico sulla tribologia, e su IEEE Transactions on Biomedical Engineering, i principi fondamentali della tecnologia attirarono l'interesse di altre organizzazioni. Il metodo di irrigidimento sembra utilizzabile anche per la rigidità dei forcipi regolabili durante le operazioni. I dati di attrito provenienti dalle misurazioni hanno mostrato la loro validità in molti settori in cui i cavetti di acciaio entrano in contatto con parti di gomma. Anche l'esercito e la polizia sono interessati a provare sul campo la tecnologia per l'irrigidimento dei tubi. Alcuni altri esempi di potenziali applicazioni comprendono il rilevamento di esplosivi, di trappole esplosive e di ispezioni visive degli spazi chiusi.