Bild 1: Kleinantriebe für den medizinischen Einsatz gibt es in vielen Baugrößen (im Bild: Produkte von Faulhaber).Faulhaber
Vom kompakten Forschungsgerät über Laborapparate und die Implantationstechnik bis zu mobilen Einheiten, die der Patient selbst bedient, brauchen die unterschiedlichsten Medizingeräte einen kompakten Motor. Der soll vor allem zuverlässig und sicher funktionieren, aber auch kompakt und sparsam sein. Heute gibt es Kleinantriebe für die verschiedensten Antriebsanforderung (Bild 1). Medizinische Vorgaben lassen sich mit ihnen ebenso erfüllen wie individuelle Entwicklerwünsche. In den nachfolgenden Beispielen zeigen Motoren von Faulhaber ihre Vielseitigkeit.
Am Patienten getragen
Bild 2: Klein, leicht zuverlässig, die speziell entwickelte, kompakte Steuereinheit der Druckregelung berücksichtigt alle Anforderungen, den der mobile Einsatz stellt.Schiller
Unser Blutdruck wird von vielen Einflüssen bestimmt. Eine aussagekräftige Messung muss daher den normalen Tagesablauf berücksichtigen und so wenig wie möglich stören. Ein Langzeitblutdruckmesser ist typischerweise für eine Messdauer von 24 oder 48 Stunden ausgelegt, ideal für Patienten mit Herzrhythmusstörungen oder Vorhofflimmern. Ein 3-V-Akkusatz muss bis zu 100 Messungen pro Ladung überstehen. Da der Druck in der Messmanschette als Bezugspunkt für jede Messung dient, muss das Gerät die Manschette über den ganzen Zeitraum so exakt und reproduzierbar wie möglich aufpumpen.
Für diesen Einsatz eignet sich ein edelmetallkommutierter DC-Kleinstmotor. Er arbeitet mit geregeltem Drehmoment und bildet mit dem Ventilkörper und dem Regelschlauch eine Einheit mit geringer Masse (Bild 2). Edelmetallkommutierte Antriebe weisen sehr kleine Übergangswiderstände am Kollektor oder Bürstensystem auf, können so schon bei kleinsten Spannungen anlaufen und garantieren auch nach längeren Pausen perfekten Start. Wartungsfreie Lager, angepasste Schmierstoffe und ein präzisionsgewuchteter Anker sorgen für ruhigen Lauf. In der Summe ergibt das auf wenigen Millimetern Bauraum einen leistungsfähigen Antrieb mit langer Lebensdauer.
Motor der Medizin
Viele medizintechnische Produkte brauchen einen Antrieb, sei es um Luft zu pumpen, einen Sensor zu positionieren oder andere Bewegungen auszuführen. Der Motor muss dabei meist kompakt und sparsam sein und sich dennoch exakt positionieren lassen. Faulhaber stellt hier einige Applikationen vor und begründet, welcher Motor jeweils passt.
Kompaktdiagnostik
Durchblutungsscanner kombinieren Elektronik, Lasertechnik und Mikromechanik mit einem Auswerte-PC: Ein Dioden-Laserstrahl mit 1 mm Durchmesser dringt durch oberflächennahes Gewebe etwa 0,5 bis 1 mm tief ein und wird an den roten Blutkörperchen teilweise reflektiert. Aus dem reflektierten Licht bestimmt das Gerät die Anzahl und Geschwindigkeit der Blutkörperchen an der aktuellen Messposition. Bei 25 cm Abstand zum Gewebe erlaubt die Auflösung Schrittweiten von 3 mm, 2 mm oder 1 mm für die angefahrenen Positionen. Bei der höchsten Auflösung mit 0,5 mm Schrittlänge überlappen sich die Messpunkte.
Der in diesem Beispiel eingesetzte Schrittmotorantrieb ist bei Lebensdauer, Auflösung und Wiederholgenauigkeit besser als gefordert. Dass Schrittmotoren auch im stromlosen Zustand ihre Position halten können und bestromt sogar mit recht hohem Drehmoment stillhalten, ist ebenfalls von Vorteil. Kleine Schrittmotoren bis 15 mm Durchmesser erlauben bis zu 24 Schritte pro Umdrehung oder können Drehzahlen bis zu 15.000 U/min erreichen. Die Auswertung ist recht einfach, ein elektrischer Impuls entspricht immer einem definierten Drehwinkel, der Gesamtwinkel oder der zurückgelegte Weg des Antriebs ergibt sich aus der Addition der Impulse.
Bild 3: Stabile Mechanik und präziser Getriebe-Schrittmotor für reproduzierbare Messungen.Arsape
Der Durchblutungsscanner erreicht folgende Werte: Bei geringer Auflösung und einer gescannten Fläche von 2,7 x 2,9 mm² mit 10 x 10 Punkten Auflösung dauert die Untersuchung 4 s. Beim anderen Extrem mit 26 x 29 cm² Fläche und 85 x 85 Punkten Auflösung sind es gut 6 min. Dazu bewegen zwei Schrittmotoren einen Ablenkspiegel in x-y-Richtung (Bild 3).
Kompakt und präzise forschen
Forscher untersuchen derzeit das komplexe Zusammenspiel einzelner Nervenzellen oder ganzer Gruppen. Mit den Daten wollen sie Steuerungsschnittstellen für Prothesen verbessern oder die Auswirkung von Nervenkrankheiten wie Parkinson lindern. Auch hier sind präzise Kleinmotoren gefragt: Mehrkanalige Mikroelektroden-Manipulatorsysteme erlauben gleichzeitige Messungen an unterschiedlichen Stellen im Nervengeflecht.
Frei positionieren
Bild 4: Der Fünfkanal-Manipulator für simultane Messungen benötigt fünf einzelne Kleinantriebe.Thomas Recording
Die Elektroden der drei- oder fünfkanaligen Systeme lassen sich unabhängig positionieren. Die nur 250 g beziehungsweise 300 g schweren Geräte ermöglichen Positionierwege von 1 bis 15.000 µm. Ein patentierter Silikonschlauchelektrodenantrieb bewegt die Elektrodenfaser. Der dämpfende Silikongummischlauch muss dabei ständig unter einer definierten Vorspannung bleiben. Diesen Part übernehmen bei den drei- und fünfkanaligen Geräten 6 mm durchmessende bürstenlose DC-Mikromotoren mit passendem Getriebevorsatz (Bild 4). Ein größeres Modell mit bis zu 32 Messfasern setzt auf Kleinstantriebe mit 10 mm Durchmesser.
Je Kanal und Faser ist ein eigener Antrieb erforderlich, der möglichst kompakt sein sollte. Da kleine Motoren nur kleine Drehmomente erzeugen, müssen sie ihre Leistung aus der Drehzahl „schöpfen. Passende Getriebevorsätze im Motordurchmesser mit abgestufter Untersetzung erlauben es, den optimalen Drehzahlbereich und damit die passende Drehmomenterhöhung auszuwählen. Durch die Untersetzung verbessert sich zudem die Positioniergenauigkeit.
Die passende Hilfe
Moderne Antriebssysteme, wie sie etwa der Kleinantriebsspezialist Faulhaber liefert, erleichtern Patienten und medizinischem Personal den Alltag. Sie helfen, die Diagnosemöglichkeit zu verbessern, unterstützen Forschungsarbeiten und erledigen Routinearbeiten. Die Antriebe bieten die Sicherheit, Zuverlässigkeit und EMV-Konformität, die die Medizintechnik benötigt.
Andreas Zeiff und Dietrich Homburg
(lei)
