beckhoff, 민감한 의료 장비의 효율적이고 신뢰할 수 있는 세척 [무인화기술 2016년 6월]

임베디드 PC가 초음파 세척 및 소독 시스템을 제어하다

의료 산업의 많은 분야는 높은 비용으로 이행되고 있지만, 보건 의료 분야, 특히 의료 기기 및 장비의 세척 및 살균은 지출비용 대비 높은 가치를 보장한다. 물론, 환자 안전이 우선이다. 그리고 세척해야 할 품목에는 아주 값비싼 수술 도구가 포함되어 있기 때문에, 이런 절차들이 절대적으로 신뢰할 만하고 마모 없이 이루어져야 한다. 병원의 사전 세척 시스템 전문가인 벨기에 기업 Z-Projects는 초음파를 기반으로 하는 새롭고 혁신적인 방법을 개발했다. 세척 및 소독 어플리케이션은 TwinCAT 자동화 소프트웨어로 작동되는 Beckhoff의 CX2020 임베디드PC에 의해 제어된다.

Z-Systems가 개발한 초음파 기술 및 주파수 변조는 수술도구의 모서리와 캐비테이션 같은 닽기 힘든 부분의 잔여 오염물질을 제거한다.

보석과 유리를 세척하는데 많이 사용되는 초음파 세척은 병원에 적용될 때 위생과 청결 요건이 훨씬 더 엄격하기 때문에 수술 도구 및 다른 의료 장비를 세척하는데 제한적으로만 사용된다. Z-Projects가 개발한 “UltraZonic” 세척 시스템은 이런 제한을 극복했다. 주파수가 세척 사이클 동안 조절될 수 있기 때문에, 세정 강도가 세척해야 할 품목의 요구사항에 맞도록 조정될 수 있다. 이것은 기존 방식과 비교해서 세척 사이클을 70%까지 단축시켰다. “뼈, 혈액, 단백질 및 다른 오염물질을 제거하는데 단지 3분이 걸립니다.”라고 Z-Projects의 최고 경영자인 Nancy Steenbakkers는 말한다.

UltraZonic 시스템은 모서리, 루멘, 아주 민감한 수술 도구 또는 직경이 작은 카테터와 같은 닿기 힘든 부분의 잔여 오염 물질을 제거한다. “세정액을 통해 초음파를 보내면 수십만 개의 기포가 생성되고, 그 기포는 커져서 안쪽으로 파열하게 됩니다. 파열로부터 초래된 부분적인 캐비테이션(공동 현상)이 실제로 표면에서 불순물을 떼어내는 아주 작은 수세미 역할을 합니다. 작은 기포가 모두 안쪽으로 파열하기 때문에, 이런 유형의 세척은 흠집을 내지 않으며, 손이나 분사 노즐이 미치지 않는 가장 작은 구멍에도 닿을 수 있습니다.”라고 Nancy Steenbakkers가 그 과정에 대해 설명한다.

Z-Systems가 개발한 초기의 초음파 세척 시스템은 벨기에의 Mol에 있는 Heilig Hart 병원에서 사용되기 시작했다. 그것은 의료 기구 및 도구가 높은 신뢰성과 마모없이 세척되도록 한다.

유연한 주파수 조절이 세척 과정을 최적화하다

대부분의 표준 초음파 세척기는 한번의 세척에 고정 주파수와 대략 800w를 사용한다. 만약 세척이 과부하 되면, 모든 오염 물질을 제거하지 못해서 사용자가 그 과정을 반복해야 한다. Z-Projects는 더 나은 솔루션을 생각해 냈다. 원칙적으로, 초음파의 성능이 더 높으면 높을수록 세정력은 더 강하고 세정 시간은 더 짧아진다. 또한, 더 높은 주파수가 더 작은 캐비테이션 기포를 만든다. 결국, 이것은 어떤 구멍에도 더 깊이 침투할 수 있는 아주 정밀한 세정력과 더불어 더 부드러운 파열을 발생시킨다.

이 원리에 기초하여, Z-Project는 주파수를 1 kilohertz ~ 10 megahertz까지 조절할 수 있는 초음파 세척기를 개발했다. 그런 식으로, 원하는 전력은 주파수에 기초하여 선택될 수 있다. 주파수 대역에서 주파수와 전력의 적절한 조합은 뛰어난 세정 깊이와 함께 힘든 얼룩에 대해 우수한 세정력을 제공한다. 그리고 이 모든 것이 아주 짧은 시간에 이루어진다. 정확한 시작 주파수와 같은 요소에 대한 적절한 프로그래밍을 가정하면, Da Vinci, 안과학, 광학 같은 심지어 아주 민감한 수술 도구도 초음파로 부드럽게 세척될 수 있다. 향후, UltraZonic는 프로그래밍이 완전 자동화될 수 있도록 RFID 판독 기능을 갖추게 될 것이다.

의료 장비에 가장 적절한 주파수 스위프(sweep)를 결정하는 것은 광범위한 테스트가 요구되었다. “우리가 개발한 초음파 사이클로, 당신은 표준 기계와 비교했을 때 모든 유형의 수술 도구를 훨씬 더 빨리 그리고 가장 작은 직경 아래까지 세척할 수 있습니다.”라고 Nancy Steenbakkers가 말한다. 주파수 스위프는 아주 효과적이어서 심지어 박테리아도 죽일 수 있다. 과학적 승인은 아직도 진행 중이다.

CX2020의 제어에 의해 공기압으로, 기구를 담고 있는 바구니가 세척 통 밖으로 들어 올려지고, 덮개가 개폐된다.

임베디드 PC가 기술적인 신뢰성을 보장하다

Z-Systems가 개발한 최소 3,000w의 출력을 갖춘 최초의 초음파 세척기는 벨기에의 Mol에 있는 Heilig Hart 병원에서 사용되기 시작했다. 그것은 도구 바구니를 액체 밖으로 꺼내는 것뿐만 아니라 덮개를 개폐하기 위해 공압 시스템을 갖추고 있다. 세척 통은 역시 공압 벨드의 도움으로 비워지고 다시 채워진다. “말할 필요도 없이, 초음파 신호는 자동으로 제어됩니다. 공급업체는 우리를 위해 여러 세척 사이클을 미리 프로그래밍했습니다.”라고 Steenbakkers는 말한다.

시스템의 제어 플랫폼은 I/O 구성요소 및 TwinCAT 소프트웨어를 탑재한 CX2020 임베디드 PC로 구성되어 있다. PC는 초음파 발생기를 작동하기 위해서 3개의 직렬 인터페이스를 가지고 있다(하나는 PC 자체에 그리고 2개는 개별 I/O 단말기에). 그것은 또한 공압 시스템, 2개의 상태 스크린 및 터치스크린 인터페이스와의 통신을 제어한다. 제어는 TwinCAT을 통해 엔지니어링 되었고, 시각화는 전적으로 VB.NET으로 프로그래밍 되었다. 프로세스 흐름은 다양한 공식과 로깅 시스템을 포함하고 있는 임베디드 PC에서 SQL 데이터베이스를 통해 백업된다. 무엇보다, 로깅 프로세스는 바구니가 과부하 되면 시스템이 시작되는 것을 방지하는 과부하 센서를 갖추고 있다. 다른 중요한 구성요소는 규정된 세정 능력을 보장하기 위해 초음파 소스에 대한 전력 제어이다. 그것이 제대로 작동하지 않으면, 시스템은 알람을 울린다. 프로세스가 의료 분야에서 요구되는 “모범 사례”에 기반하여 실행되는지 확인하기 위해서, 시스템은 온도 및 세정 사이클을 또한 기록한다.

CX2020의 임베디드 웹 연결은 문제가 발생하였을 때 Z-Projects가 원격으로 점검하고 조치를 취할 수 있도록 해주기 때문에 추가적인 신뢰성을 제공한다.

새로운 차원의 초음파 세척

실시간 TwinCAT 커널로 CX2020와 결합하여 다양한 초음파 소스를 사용함으로써, 세정 사이클은 특정 제품 및 오염수준에 유연하게 적응할 수 있다. “임베디드 PC는 시스템에 필요한 산업적 견고성의 수준을 우리 시스템에 제공합니다.” 라고 Nancy Steenbakkers는 말한다. “견고성은 병원에서 필수불가결한 기능임과 동시에, 또한 그것은 제약 분야, 연구소, 마리크로칩 생산 그리고 더 많은 다른 분야에서의 사용에도 이 시스템이 이상적인 것으로 만들어 줍니다.”