Biomedicale: elettrovalvole e dispositivi a fluido ad hoc

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Il settore biomedicale è in costante crescita con moltissime applicazioni che coprono le esigenze più varie, che vanno dalla cura della persona, alla riabilitazione, al trattamento di pazienti in condizioni critiche. La flessibilità dei sistemi pneumatici, con la capacità di controllare in modo accurato flussi e attuazioni, ne rende importante la presenza. In tutto questo è fondamentale la disponibilità di elettrovalvole affidabili, veloci e facilmente adattabili alle applicazioni più diverse.

Il settore dei dispositivi dedicati alle cure e alla medicina è piuttosto complesso e fortemente in crescita negli ultimi anni in un gran numero di nazioni.

In Italia il biomedicale è una componente importante del panorama industriale, con un numero di imprese attive maggiore a quattromila che impiegano più di settantamila persone tra dipendenti e professionisti.

Il giro di affari è superiore a 16,5 miliardi di euro tra import ed export.

Si tratta di una filiera estremamente eterogenea, caratterizzata da personale altamente specializzato e da una spiccata vocazione per la ricerca e lo sviluppo.

Il mercato principale per la vendita di dispositivi medicali è rappresentato dalla sanità pubblica. L’export è in costante crescita.

In particolare, per i dispositivi elettromedicali si prevede un aumento dell’export durante il 2021 pari a circa il +10%.

Tra i mercati più importanti si ricorda la Germania, che è un partner fondamentale per il nostro Paese, gli Stati Uniti e la Gran Bretagna.

Prospettive interessanti erano in atto, prima degli ultimi avvenimenti, per la Federazione Russa, grazie ai finanziamenti governativi per lo sviluppo di nuove strutture sanitarie. Ottime prospettive vi sono per l’Arabia Saudita.

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Fig. 1 – Ugelli calibrati per il controllo del flusso: riferimento alle dimensioni di una pinza.

Questo ultimo paese si candida tra le mete più promettenti per il settore medicale italiano, grazie agli investimenti da parte del locale Ministero della Sanità, che ha sviluppato una serie d’interventi infrastrutturali per dotare la nazione di un sistema ospedaliero efficiente a partire dal 2011.

Negli anni più recenti il settore medicale sta ricevendo una attenzione crescente, dovuta da un lato ai problemi sollevati dalla diffusione di nuovi virus e dall’altro ai problemi collegati all’invecchiamento della popolazione, con l’esigenza di nuovi dispositivi che garantiscano un’adeguata qualità di vita.

Per quanto attiene al contrasto di virus e pandemie, è bene ricordare che ciò che viene richiesto è non solo lo sviluppo di vaccini sempre più efficaci e la definizione di nuove cure, ma la disponibilità di apparecchiature per l’assistenza dei malati, mirate all’erogazione dei trattamenti di emergenza necessari alla sopravvivenza.

Nei riguardi delle problematiche dovute all’invecchiamento generale della popolazione, dal punto di vista più strettamente ingegneristico occorrono soprattutto apparecchiature e dispositivi in grado di aiutare gli operatori all’erogazione di trattamenti di riabilitazione e dispositivi per garantire il monitoraggio e l’assistenza agli anziani.

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Fig. 2a – Ventilatore artificiale.

Infine, ulteriori esigenze che richiedono la realizzazione di apposite apparecchiature, sono collegate a trattamenti rivolti al miglioramento generale dell’organismo, che possano soddisfare anche un’esigenza estetica ma che abbiano implicazioni significative sulle caratteristiche generali di benessere.

Nell’articolo saranno presentate alcune problematiche che richiedono l’uso di dispositivi automatici che utilizzano anche la tecnologia pneumatica per la realizzazione di apparecchiature biomedicali.

Sistemi pneumatici e dispositivi medicali

L’insieme di quanto gravita intorno alla cura e all’assistenza alla persona viene riferito ai due settori del medicale e del para-medicale, che da sempre sono settori altamente innovativi e specializzati.

Essi sono fortemente impegnati in attività di ricerca e sviluppo di nuove tecnologie capaci di rendere fruibile la costante evoluzione della medicina moderna, progettando dispositivi medico chirurgici.

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Fig. 2b – Elettrovalvola digitale multipla.

Le caratteristiche generali richieste per questo tipo di apparecchiature possono essere riferite alla grande necessità di pulizia, alla compatibilità dei materiali impiegati, a un buon livello di automazione e a una grande affidabilità.

Fin dalla sua introduzione nel settore biomedicale, la pneumatica ha permesso lo sviluppo di nuove soluzioni compatibili con le specifiche caratteristiche tecniche richieste dai differenti campi di impiego, in grado di volta in volta di adattarsi e reinventarsi per offrire soluzioni apparentemente semplici a problematiche talvolta estremamente complesse.

Un uso tipico della pneumatica nel settore medicale, sin dai suoi inizi, è rappresentato dalle apparecchiature per la respirazione artificiale e per l’emergenza respiratoria, dove è fondamentale l’erogazione di adeguate quantità di aria e di gas medicali a pazienti. Successivamente l’uso si è esteso ad altre applicazioni.

Le due grandi macrocategorie applicative sono quelle della gestione di flussi di gas e delle attuazioni pneumatiche.

Avvalendosi di innovative tecnologie a ridotto coefficiente di attrito, caratterizzate da ottime prestazioni dinamiche, valori di precisione, ripetibilità e affidabilità estremamente elevate, le soluzioni offerte dalla comprovata tecnologia Matrix vengono oggi adottate nei settori più disparati all’interno dell’universo degli apparati medicali, para-medicali e ad uso estetico (Wellness & Beauty).

Le applicazioni spaziano, per citarne alcune, dalla miscelazione e dosaggio di precisione di ossigeno e gas di varia natura per ventilazione assistita, terapia intensiva e somministrazione, al controllo di pressione e vuoto in applicazioni di linfodrenaggio e pressoterapia, passando per l’attuazione di esoscheletri robotizzati per la riabilitazione degli arti, fino al controllo di sistemi chirurgici servoassistiti.

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Fig. 3a – Elettrovalvola per controllo PWM.

A corollario possono essere anche annoverate applicazioni indirettamente correlate al settore medicale quali i sistemi di ispezione e selezione qualitativa per la produzione di pillole e compresse, nonché l’automazione industriale a supporto dei sistemi di produzione di materiale di consumo per i sopracitati settori.

Ventilazione assistita

Nella ventilazione artificiale il problema fondamentale è quello del controllo di un flusso in condizioni di elevata dinamica. Questo deve essere realizzato con elettrovalvole in grado di regolare adeguatamente le sezioni di passaggio.

Il controllo può riguardare l’aria medicale, l’ossigeno o altri gas usati nell’anestesia e nella rianimazione.

Un primo esempio di applicazione è realizzato con elettrovalvole multiple che controllano proporzionalmente il dosaggio del volume di ossigeno nelle apparecchiature di ventilazione polmonare adottate per il trattamento di patologie respiratorie.

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Fig. 3b – Dispositivo per trattamento patologie vie respiratorie.

L’uso delle elettrovalvole multiple è caratterizzato dall’impiego della tecnica PCM (Pulse Code Modulation) che consente la massima precisione nell’erogazione dei flussi tramite il controllo della portata con la modulazione di impulsi codificati.

Questa tecnica viene ampiamente impiegata nel mondo digitale, ad esempio per la conversione di segnali analogici in forma digitale, e prevede che il segnale analogico venga campionato, quantizzato e convertito in forma digitale seriale ad N bit secondo un determinato codice.

La tecnica PCM, oltre a essere adottata per facilitare le trasmissioni digitali in forma seriale, è ampiamente utilizzata nei sistemi di telefonia, e si fondano su questo principio anche molti standard video di ampio consumo come DVD o DVR, basati su varianti che fanno uso di tecniche di compressione.

La società Matrix è stata tra le prime aziende al mondo a impiegare la tecnologia PCM nel settore pneumatico, e non a caso le elettrovalvole che impiegano questa tecnologia sono definite “digitali”, in quanto consentono che il segnale in ingresso venga digitalizzato e che il flusso in uscita (erogazione in questo caso) sia quindi estremamente preciso e consenta variazioni della portata praticamente istantanee.

Questi componenti sono costituiti da una serie di attuatori che confluiscono in una unica uscita, e la portata viene determinata dal codice binario che determina la loro attivazione combinata.

Gli ugelli di controllo del flusso sono, al fine di consentire la massima precisione, realizzati in rubino sintetico (corindone) e gli attuatori hanno tempi di risposta inferiori al millisecondo.

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Fig. 4a – Dispositivo di pressoterapia: sistema indossabile camere multiple.

Nella figura di apertura sono mostrati ugelli raggruppati.

Nella figura 1 se ne mostrano le dimensioni.

Nella figura 2a è visibile un ventilatore artificiale e nella figura 2b una elettrovalvola per il controllo PCM.

Oltre alla comprovata precisione e affidabilità, gli evidenti vantaggi offerti dalla tecnologia PCM applicata al settore della ventilazione artificiale sono:

Variazione istantanea dei valori di portata in uscita, anche da minima a massima e viceversa. Ciò comporta che il tempo necessario a qualsiasi variazione del valore di portata è sempre lo stesso (1 ms);

Totale insensibilità alle condizioni ambientali (variazioni di temperatura o fluttuazioni di tensione);

Nessun attrito meccanico tipico delle elettrovalvole proporzionali tradizionali, grazie alla tecnologia proprietaria ZIF (Zero Internal Friction) con conseguente estrema affidabilità e durata del sistema;

Ripetitività assoluta dei valori impostati a sistema ed erogati dall’elettrovalvola.

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Fig. 4b – Dispositivo di pressoterapia: elettrovalvola multipla.

Per soddisfare le esigenze di apparati di ventilazione efficaci ma semplificati è stata da poco sviluppata la configurazione PV820 basata su elettrovalvole a elevate prestazioni Serie 820, caratterizzate in questo caso da un controllo proporzionale della portata basato su modulazione PWM (Pulse Width Modulation) con elettronica di comando e convertitore analogico integrati per adattarsi ad input in tensione (0-10 VDC).

In figura 3a è mostrata una di queste elettrovalvole.

Altre interessanti applicazione nei dispositivi medici per il trattamento di patologie che colpiscono l’apparato respiratorio sono quelle che prevedono la somministrazione diretta di gas (sia esso aria, ossigeno o altre miscele) all’interno del corpo.

In esse sono fondamentali la precisione e la ripetibilità nel tempo dei componenti impiegati per il dosaggio e l’erogazione poiché si tratta di terapie critiche. Un esempio di tali applicazioni è riferibile al trattamento di patologie collegate alla produzione di muco eccessivamente denso all’interno dell’apparato respiratorio che può portare all’ostruzione dei bronchi.

Per il trattamento di simili patologie è stato sviluppato un dispositivo che permette di flussare in modalità strettamente controllata aria debitamente filtrata e umidificata all’interno delle vie respiratorie, generando pulsazioni al fine di asportare e conseguentemente aspirare il muco in eccesso senza che sia necessaria un’azione meccanica invasiva e senza l’assunzione di medicinali.

Per questa applicazione vengono impiegate elettrovalvole derivate dalla Serie 820 che, grazie alle proprie caratteristiche, sono in grado di soddisfare le frequenze di pulsazione richieste.

In figura 3b è mostrato uno di questi dispositivi.

Pressoterapia e materassi antidecubito

Le apparecchiature dedicate al settore della pressoterapia e i materassi antidecubito sono caratterizzati dall’esigenza di gonfiare e sgonfiare in modo ordinato alcune camere chiuse.

I dispositivi di pressoterapia coprono un’ampia gamma di applicazioni mirate al trattamento medico ed estetico.

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Fig. 5 – Particolare di materasso antidecubito.

Obiettivo è migliorare il funzionamento del sistema circolatorio e del sistema linfatico, la vascolarizzazione, la tonificazione, l’eliminazione delle tossine e il trattamento anti-età e di inestetismi da cellulite che coinvolgono il tessuto adiposo (grasso), il sistema circolatorio e la pelle in superficie.

Per queste applicazioni sono state specializzate varie configurazioni di elettrovalvole (ad esempio, soluzioni derivate dalla Serie 750) particolarmente adatte al controllo dei sistemi di prevenzione e trattamento anti-trombosi e per il linfodrenaggio.

Quest’ultimo è un particolare tipo di massaggio effettuato con dispositivi pneumatici a controllo computerizzato il cui scopo è quello di favorire il drenaggio dei fluidi linfatici, riducendone i ristagni attraverso la stimolazione della circolazione linfatica.

Fig. 6a – Trattamenti Wellness & Beauty: elettrovalvola.

La disponibilità di una struttura compatta multicanale semplifica la gestione dei processi di riempimento e svuotamento controllato di molteplici camere modulari integrate in appositi “cuscini” in tessuto tecnico da indossare.

Il progressivo e preciso afflusso e deflusso dell’aria compressa permette di massaggiare i tessuti riattivando la microcircolazione e gli scambi metabolici.

In figura 4a è mostrato un dispositivo di pressoterapia e in figura 4b un’elettrovalvola multipla.

Sono, inoltre, disponibili sistemi basati su elettrovalvole compatte e micro-valvole installate direttamente a ridosso di ogni camera per ridurre le inerzie e ottenere tempi di reazione ridotti per il trattamento di specifiche patologie.

Settore di applicazione simile alle applicazioni di pressoterapia precedentemente citate risulta essere quello dei sistemi di gestione dei materassi ad aria antidecubito in cui vengono frequentemente adottate batterie di valvole (Serie 720) o multivalvole (Serie 750) per il controllo individuale dei singoli elementi pneumatici che compongono il sistema.

Fig. 6 b – Trattamenti Wellness & Beauty: testine di trattamento.

Questi elementi, gonfiandosi e sgonfiandosi in modo programmabile, permettono a chi è costretto a lunghe degenze a letto di adattare la configurazione/forma del materasso alla propria conformazione fisica/patologia e di scaricare/distribuire i punti di pressione, prevenendo le piaghe da decubito (lesioni da pressione).

In figura 5 si vede il particolare dei tubi di collegamento con due camere di un materasso antidecubito.

In questo caso uno dei fattori di successo risulta essere la tipica configurazione multicanale che racchiude in un unico corpo compatto fino a otto elettrovalvole indipendenti con una alimentazione pneumatica comune.

Wellness & Beauty e carbossiterapia

I trattamenti estetici non invasivi (anti-aging e body-shaping) per viso e corpo (rughe, rilassamento cutaneo, adiposità resistenti, pelle a buccia d’arancia) rappresentano un mercato importante per apparecchiature dedicate.

Tecnologie basate su elettrovalvole di vario tipo vengono comunemente impiegate sia in apparati per uso professionale che domestico.

Fig. 7 – Apparecchiatura per carbossiterapia.

Ne sono rappresentativi i dispositivi per stimolazione cellulare (“endermologie”) che adottano elettrovalvole Matrix appartenenti alla Serie 020 in grado di soddisfare le caratteristiche richieste di volta in volta dalle diverse testine di trattamento che è possibile impiegare in base all’area da trattare (viso, collo, corpo, etc.).

In questi sistemi vengono simultaneamente implementate funzioni di massaggio meccanico tramite rulli e alette motorizzate combinate a vacuum pulsato e aspirazione sequenziale.

In figura 6a è mostrata una elettrovalvola dedicata e in figura 6b alcune testine per vari trattamenti.

Specifiche configurazioni di micro-elettrovalvole Serie 320 e 820, grazie alla loro flessibilità di impiego e alle prestazioni dinamiche nel controllo di precisione dell’emissione del gas, vengono impiegate anche in apparecchiature elettromedicali d’avanguardia (fig. 7) per l’erogazione e somministrazione sottocutanea e intradermica di anidride carbonica medicale (CO2 – Carbossiterapia).

Questi versatili sistemi sono impiegati in molteplici campi di applicazione che vanno dalla dermatologia alla ginecologia fino all’angiologia e all’ortopedia.

Fig. 8 – Dispositivi per carbossiterapia ed elettrovalvole personalizzate.

Oltre a migliorare la circolazione e l’ossigenazione dei tessuti, offrono importanti benefici nel trattamento di patologie e inestetismi total body e di adiposità localizzate, nelle fasi pre e post-intervento chirurgico, nella rivitalizzazione di aree cutanee e nella vasodilatazione delle arterie.

Nella figura 8, sulla destra, è visibile un dispositivo elettromedicale che utilizza elettrovalvole personalizzate, visibili sulla sinistra della figura.

Coltura e analisi cellulare

La fervente attività e l’evoluzione tecnico-scientifica che caratterizzano da sempre i laboratori di ricerca dedicati alle varie branche della medicina moderna (biotecnologie, genetica, oncologia, biologia, e chimica, etc.), richiedono il costante sviluppo di innovative soluzioni e nuovi dispositivi capaci di replicare e rendere fruibili processi di diagnostica che in passato risultavano molto complessi e costosi.

La pneumatica svolge un ruolo molto importante nello sviluppo di questi sistemi, grazie alle caratteristiche di flessibilità e specializzazione.

Fig. 9 – Dispositivo automatizzato di coltura e analisi cellulare.

A titolo di esempio, in figura 9 è mostrato un dispositivo automatizzato di coltura e analisi cellulare in cui vengono impiegate valvole miniaturizzate Matrix Serie 320.

La funzione delle elettrovalvole è quella di operare per il condizionamento dell’ambiente di coltura, con la possibilità di miscelare diversi gas medicali in base alle specifiche esigenze a garanzia dell’omogeneità delle analisi

Riabilitazione motoria

Per quanto riguarda il settore della riabilitazione motoria, in particolare per gli arti inferiori, esistono sistemi estremamente avanzati in grado di aiutare il paziente a riacquisire la capacità di movimento tramite un processo che potrebbe essere definito di “reverse learning”.

È stato infatti dimostrato che in caso di danni cerebrali, a seguito di traumi o di varie malattie (tipicamente l’ictus), risulta possibile attivare e istruire zone alternative del cervello partendo dal movimento stesso.

Di conseguenza tramite moderni esoscheletri robotici, che accolgono e supportano il paziente, viene avviato un processo di apprendimento in grado di ristabilire nel tempo l’autonomia motoria.

Ne risulta un processo riabilitativo che ha lo scopo di migliorare o ripristinare il cammino, aumentare il senso dell’equilibrio e migliorare, in generale, la qualità della vita.

Nella figura 10 è mostrato un esoscheletro le cui funzioni motorie sono controllate da attuatori pneumatici.

L’impiego di questo tipo di attuatori permette di adattare il movimento alle condizioni del paziente, senza forzature e rispettandone sempre le esigenze. Il prototipo della fotografia è stato realizzato dal Politecnico di Torino.

Fig. 10 – Esoscheletro per la riabilitazione del cammino.

Attualmente il sistema è in corso di sviluppo industriale. Nell’esoscheletro, essendo fondamentale la capacità di reazione dell’intero sistema per adattarsi in tempo reale a tutte le variabili coinvolte nel movimento, vengono impiegate in base alle funzioni richieste elettrovalvole compatte ed estremamente veloci della Serie 820 e 720 direttamente installate a bordo per ridurre le masse e ovviare a eventuali ritardi/inerzie dovuti al circuito pneumatico.

Conclusione

Il settore delle apparecchiature dedicate alla cura, alla riabilitazione e al benessere della persona copre moltissime applicazioni ed è in forte espansione.

I sistemi pneumatici, grazie alla capacità di controllare flussi e attuazioni di vario tipo consentono di affrontare e risolvere moltissimi problemi.

In tutto questo è fondamentale la disponibilità di elettrovalvole flessibili, veloci e affidabili, che possano essere eventualmente personalizzate per specifici obiettivi.

Riferimenti

  1. www.matrix.to.it
  2. G. Belforte, “Manuale di pneumatica – terza edizione”, Tecniche Nuove, 2019
  • di Guido Belforte (Nimble Robotics Srl) e Simone Gaiardo (Matrix Spa)