Bildergalerie
Bild 1: Größe und Kraft der piezobasierten Antriebe und Antriebssysteme sowie Verfahrweg und Positionsauflösung variieren je nach Auslegung.
Bild 2: Beim Mikrostepping wird der Bildsensor bei der Aufnahme schnell im Bereich eines Pixels hin und her geschoben.
Bild 3: Konfokale Mikroskopie erzeugt virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur oder zeigt die Oberflächenbeschaffenheit einer Probe. Das Gerät arbeitet mit einer Verschiebung der Brennebene.
Bild 4: Miniaturisierte Ultraschall- Linearantriebe lassen sich direkt in  die Optikeinheit integrieren.
Bild 5: Schematische Darstellung der Weißlichtinterferometrie für OCT-Anwendungen. Die Verschiebungen im Interferenzmuster lassen sich auswerten.
Bild 6: Magnetische Felder beeinträchtigen Piezoantriebe nicht in ihrer Funktion. So können Linearantriebe oder Positioniersysteme für hohe Lasten unter starken Magnetfeldern betrieben werden.

Um exakte Diagnosen zu stellen, vertrauen Ärzte in vielen Fällen auf detailreiche Bilder. Die Auflösung jedes Bildsensors ist zwar begrenzt, doch es gibt ein trickreiches Verfahren, das die effektive Bildauflösung deutlich erhöht: Beim so genannten Mikrostepping wird der Bildsensor (etwa ein CCD-Element) zwischen mehreren Aufnahmen rasch im Bereich eines Pixels hin und her bewegt (Bild 2). Der Auswertealgorithmus interpoliert und überlagert die Informationen dann, um ein höher aufgelöstes Bild zu erzeugen.

Kristallklar

Piezobasierte Antriebe nutzen spezielle Effekte in Kristallen statt dem sonst üblichen Elektromagnetismus. Dadurch entfällt der mechanische Verschleiß, die bewegte Masse ist viel kleiner, von Magnetfeldern lassen sich solche Antriebe nicht beeinflussen und sie erzeugen auch selbst kein Magnetfeld. Dank dieser Eigen­schaften eignen sie sich für viele Anwendungen in der Medizintechnik.

Schnelle piezobasierte 2D-Scanner bieten hierfür beste Voraussetzungen. Piezoantriebe arbeiten mit den notwendigen Verstellgeschwindigkeiten im Videofrequenzbereich und decken mit Stellwegen bis zu einigen 10 µm die benötigten Verfahrbereiche zwischen den einzelnen Pixeln eines Sensorchips ab.

Um eine Aufnahme zu vergrößern oder fokussieren, muss man die abbildenden Elemente, also Spiegel und Linsen, bewegen und justieren. Neben Präzision ist hier Geschwindigkeit gefragt: Beim Screening vieler Proben soll die Optik in kürzester Zeit auf die Oberfläche fokussieren. Dank ihrer geringen Einschwingzeiten im Millisekundenbereich können piezobasierte Nanopositioniersysteme hier punkten.

Der Blick in die Tiefe: 3D-Aufnahmen

Die moderne Medizin setzt dreidimensionale Aufnahmetechniken ein, um Strukturen oder Schichten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie (Bild 3) erzeugt beispielsweise virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur oder die Oberflächenbeschaffenheit der Probe. Die Tiefeninformation wird durch die Verschiebung der Brenn­ebene gewonnen.

Piezotechnik

Piezobasierte Antriebe und Antriebssysteme (Bild 1) sind schnell, kompakt, magnetisch unempfindlich und erzeugen keine Magnetfelder. Sie basieren auf kristallinen Festkörpereffekten und können Bewegungen Nanometer-genau auflösen. Im klassischen Sinn haben sie keine bewegten Teile und damit keinen mechanischen Verschleiß. Sie durchfahren Stellwege von wenigen 10 µm mit einigen Tausend Hertz. Mehrere 100 mm weit mit 600 mm/s schaffen Ultraschall-Linearantriebe. Ihre Auflösung beträgt bis zu 0,05 µm. Sie bauen wesentlich kompakter als Elektromotor-Spindelkombinationen und kommen ohne mechanische Kopplungselemente aus. Für größere Lasten bieten sich Piezo-Walk-Antriebe an, bei denen einzelne Aktoren an einem bewegten Läufer entlangschreiten. Sie kombinieren Kräfte bis 600 N in Nanometer-Auflösung mit einem unbegrenztem Stellweg.

Anwendungsbereiche für dieses Verfahren finden sich in der Augenheilkunde, der Qualitätssicherung bei Implantaten oder der Zelldiagnostik. Entscheidend ist eine präzise Bewegung der abbildenden Optik in Richtung der optischen Achse, um die Brennebene zu justieren, sowie in der Ebene senkrecht dazu für einen Flächenscan. Alternativ kann man das Objekt bewegen. In beiden Fällen bieten sich piezobasierte Positioniersysteme an, je nach Stellweg, Auflösung und verfügbarem Platz eignen sich zum Beispiel miniaturisierte Ultraschall-Linearantriebe. Diese lassen sich direkt in die Optikeinheit integrieren (Bild 4).

Abstände und Oberflächentopologien

Sollen ein Diagnosegerät Abstände messen oder Oberflächentopologien bestimmen, dann gelten interferometrische Verfahren als Mittel der Wahl (Bild 5). Mit der optischen Kohärenztomografie (OCT) lassen sich Schichten unterhalb der Hautoberfläche untersuchen und dreidimensionale Bilder der Hautstruktur erstellen, zum Beispiel um Krebs zu diagnostizieren. Hierzu ist eine präzise Justierung der Optik erforderlich, um die Wellenlängen von Mess- und Referenzstrahl zu vergleichen. Welcher Piezo-Linearantrieb zum Einsatz kommt, hängt davon ab, welches Objekt um welche Wegstrecke verschoben werden muss. Präzision und Positionsstabilität sind in jedem Fall garantiert.

Ähnliche Aufgabenstellungen gibt es auch in anderen Anwendungsgebieten: 3D-Bilder dienen in der Augenheilkunde zur Untersuchung des Augenhintergrunds oder in der Kieferorthopädie, um ein genaues Abbild der Mundhöhle für die Anpassung von Prothesen zu erhalten.

Schonende Strahlentherapie

In der Strahlentherapie verteilen Multi-Leaf-Kollimatoren die Dosis. Dazu verstellt ein Motor einzelne Lamellen so, dass das gesunde Gewebe möglichst wenig Strahlung erreicht. Als Antriebe für die Lamellen eignen sich Ultraschall-Linearmotoren: Sie sind schnell, kompakt und erzeugen die vergleichsweise hohen Kräfte.

Auch Bildaufnahmen ohne optische Verfahren brauchen Motoren, etwa in Magnetresonanztomografen. Die Antriebe, die die Messsonden zur Spulenabstimmung, die Proben oder Blenden bewegen, müssen unter starken magnetischen Feldern bis zu mehreren Tesla arbeiten. Nur Piezoantriebe lassen sich von starken Magnetfeldern nicht beeinträchtigen und werden auch selbst nicht zur Störquelle. Teure Kapselung und Abschirmung kann man sich deshalb sparen. Zudem arbeiten die Antriebe auch im Vakuum problemlos sowie bei extrem niedrigen Temperaturen, etwa direkt am Kühlsystem des Tomografen.

Das Besondere

Ihre speziellen Eigenschaften ermöglichen es, dass sich Piezoantriebe für sehr exakte und schnelle Positionieraufgaben ebenso eignen wie für widrige Umgebungen, etwa die extremen Magnetfelder in einem MRT. Entwickler sparen sich damit aufwändige Getriebe oder teure Abschirmungen.