Der Motor fürs bessere Leben

Motoren - Ob mikroinvasive Medizin, Labordiagnostik oder Geräte für chronisch Kranke - es gibt riesige Fortschritte. Auch Klein- und Mikromotoren sorgen für große Entwicklungssprünge. Denn erst die Winzlinge erlauben die Bewegungen mit großer Präzision.

11. Oktober 2006

Hochleistung auf kleinstem Raum, ein sehr gutes Beispiel für äußerst kompakte Geräte ist die vom Helmholtz Institut für biomedizinische Technik entwickelte Blutpumpe ›Impella‹. Die Pumpe wird z.B. bei Bypassoperationen über Venen und Arterien in die rechte und linke Herzkammer eingesetzt. Im Durchschnitt dauert die Platzierung durch die Kompaktausführung der Pumpe nur drei Minuten. Der Einsatz ist patientenschonend, spart Blutkonserven und erlaubt eine schnellere Genesung. Die Pumpe selbst enthält einen nur 6 mm durchmessenden und 18 mm langen, dreiphasigen, elektronisch kommutierten EC-Motor des Schön­aicher Kleinmotorenherstellers Faulhaber. Bei rund 33.000 U/min ersetzt der Winzling über die Pumpturbine die Pumpleistung des Herzens. Dank hohem Wirkungsgrad ist die Abwärme des Antriebs vernachlässigbar klein. Das günstige Preis-Leistungs-Verhältnis erlaubt die Verwendung als Einmalartikel, so werden auch die hygienischen Anforderungen an das Gerät ohne aufwändige Sterilisationsschritte beim Anwender erfüllt.

Ebenfalls als Kathetergerät geplant und ausgeführt ist ein spezielles Ultraschalldiagnosesystem. Der aktive Teil besteht im Wesentlichen aus dem Katheterkopf mit Ultraschallwandler auf der Motor-Getriebe-Einheit sowie dem Katheterschlauch für die Energie- und Datenleitung. Die Strom- und Datenversorgung des Sende- und Empfangskopfes wird über Schleifringe sichergestellt. Die exakt eingehaltene Drehzahlvorgabe des Antriebs erlaubt die Auswertung der empfangenen Ultraschallechos zu einem komplexen Ultraschallbild.

Mikrotechnik im OP

Um den Katheter möglichst dünn ausführen zu können, wird ein EC-Mikromotor von Faulhaber eingesetzt: Durchmesser 1,9 mm, Länge 5,5 mm, zusammen mit dem Getriebe 9,6 mm. Das Mikroplanetengetriebe mit ebenfalls nur 1,9 mm Durchmesser wurde mit einer speziellen Evolventenverzahnung aufgebaut und erzeugt ein Drehmoment bis zu 150 µNm. Die hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer von EC-Kleinmotoren ist auch entscheidend für den Einsatz in Infusionspumpen für den Krankenhausbetrieb. Eine Lebensdauererwartung weit über 10.000 Stunden bei gleichbleibend hoher Regelgüte und damit Dosiergenauigkeit zeichnen diese Motoren aus. Die Abmessungen und Schnittstellen der Motoren sowie ihre Kommutierung (Drehzahlregelung) wurden hier exakt an die Gerätevorgaben des Pumpenherstellers angepasst und so speziell auf die medizinische Anwendung hin optimiert. Für spezielle Operationen, die eine absolut exakte Führung des Operationsbestecks erfordern, stehen heute Hexapodenroboter bereit. Sie ähneln im Prinzip den bekannten Flugsimulatoren. Statt Hydraulikzylindern kommen in der medizinischen Kleinstvariante präzise ansteuerbare Kleinmotoren zum Einsatz. So lassen sich alle Achsen, über magnetische Impulsgeber erfasst, bis in den µm-Bereich genau positionieren, ausreichend für die meisten biochirurgischen Eingriffe. Das System selbst baut recht klein, da sich die Klein-Motoren mit 3 bis 19 Watt Leistung in die Beine der Hexapoden integrieren lassen. Umgebungstemperaturen von 30 bis über 125 °C und hohe Luftfeuchtigkeit machen den Antrieben nichts aus, auch das ein Vorteil für den medizinischen Einsatz.

Kleinmotoren im Medizinalltag

Vor der Operation oder Behandlung steht immer der diagnos­tische Alltag. Unabdingbar für die folgenden Behandlungen sind Blutanalysen. Solche Routinearbeiten erfordern eine hohe Konzentration der Mitarbeiter trotz oder gerade wegen der immer gleichen Handgriffe. Mikromotoren erlauben auch hier eine deutliche Verbesserung der Arbeitsweise. Ein automatisches Analysesystem für den Laboreinsatz übernimmt die eintönige Arbeit. Eine kompakte Steuerung überwacht dabei Probenaufarbeitung, Verteilung, Verdünnungsreihen oder Reagenzienzugabe auf standardisierten Tüpfelplatten oder in Küvetten. Das Personal muss nur noch die Proben ins Magazin eingeben und das Programm starten. Sehr dynamische, eisenlose Glocken­ankermotoren mit aufgestecktem Encoder und spielarmen Getrieben bringen dann die Proben und Reagenzien punktgenau und reproduzierbar zusammen - und das im Dauerbetrieb rund um die Uhr ohne Pausen, wenn es sein muss.

Mikrochirurgische Eingriffe überfordern oft die Wahr­nehmung des Menschen. Das menschliche Auge schafft es nur unter hoher Anstrengung, die kleinen Strukturen aufzulösen. Lupen mit ihrer eindimensionalen Sicht sind oft problematisch und unhandliche, stationäre Stereo-Mikroskope nicht anwendbar, gerade im medizinischen Bereich. Abhilfe bringen auch hier Kleinstantriebe, die es erlauben eine leistungsstarke und doch kompakte Mikroskopbrille zu fertigen. Moderne Kleinstschrittmotoren steuern die Fokuseinstellung und den Zoom einer solchen Brille. Der Fokusantrieb arbeitet dabei praktisch ständig, da er jede Kopfbewegung kompensieren muss. Die kompakten Abmessungen der Antriebe und des zugehörigen Getriebes erlauben eine ermüdungsfrei tragbare Brille die mit anderen Möglichkeiten kaum zu realisieren wäre.

Kleinantriebe erleichtern heute auch den Alltag von bestimmten Patientengruppen. Dank Fortschritten in Biochemie und kompakter Bauweise können mittlerweile Geräte zu Hause oder sogar unterwegs genutzt werden, die früher nur in Arztpraxen zur Verfügung standen. Ein gutes Beispiel dafür ist das mobile Blutzuckermessgerät.

Wie immer bei Geräten der Medizintechnik und vor allem bei solchen, die von Laien bedient werden, ist Sicherheit und Zuverlässigkeit gefragt.

Das speziell entwickelte kompakte und sehr handliche Messgerät enthält statt einzelner Messstreifen eine Trommel mit 17 Streifen. Da manche Patienten bis zu sechs Mal am Tag den Blutzuckerspiegel bestimmen müssen, ist dies eine deutliche Erleichterung.

Auch hier konnte in Zusammenarbeit von Geräteentwickler und Kleinmotorenspezialist eine optimale Antriebslösung gefunden werden. Die geringen Abmessungen erforderten einiges an feinwerktechnischem Know-how. Die gefundene Lösung basiert auf zwei Miniaturantrieben mit Getrieben und Sensorik. Dabei arbeitet einer der Motoren als Positionierantrieb für die Vorratstrommel. Auf Tastendruck transportiert er die Trommel jeweils eine 1/17 Umdrehung bis zum nächsten Messstreifen weiter. Motor Nummer zwei ist für die translatorische Bewegung zuständig, sprich, er bringt den Messstreifen dann in Messposition. Hier ist nicht nur Positioniergenauigkeit, sondern auch ein guter Gleichlauf gefragt. Die Sensorik und Steuerung der Antriebe ist platzsparend auf einem Flexboard untergebracht. Dank Miniaturisierung und modernen Kunststoffwerkstoffen ist das handygroße Gerät leicht und robust; es verkraftet auch mal einen Fall aus 1 m Höhe.

Für Asthmatiker bietet der mobile Inhalator für Medikamentenlösungen neue Freiheiten. Bei diesem Apparat ist die Bauform aus Gründen der leichten Bedienbarkeit vorgegeben. Der Antrieb musste also in die Form passen. Ein großer Vorteil gegenüber bisher üblichen Sprayflaschen ist die wesentlich präzisere Medikamentendosierung. Die Antriebsspezialisten aus Schönaich entwickelten für diesen Inhalator eine maßgeschneiderte Antriebseinheit, die trotz der geringen Abmessungen und den erschwerten Bedingungen im mobilen Einsatz einen zuverlässigen und geräuscharmen Betrieb sowie eine hohe Dosiergenauigkeit garantiert. Sie besteht aus einem DC-edelmetallkommutierten Kleinmotor, integriertem Encoder und einem Wolframgetriebe, dass das von der Anwendung geforderte Drehmoment und die relativ hohe Untersetzung ermöglicht. Durch die Edelmetallkommutierung des Motors ist ein sicherer Wiederanlauf des Antriebs auch nach längeren Stillstandszeiten und bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen gewährleistet. Außerdem kommt der geringe Strombedarf den Anforderungen des Batteriebetriebs sehr entgegen. Die Anforderungen an Prothesen unterscheiden sich im Wesentlichen nicht von den vorgenannten mobilen Lösungen. Fortschritte in der Biomechanik, neue Materialien und eine bessere Datenverarbeitung helfen heute beim Bau von ›lebensnah‹ funktionierenden Prothesen. Auch hier ist der Gleichstromelektromotor eine zuverlässige Kraftquelle. Wichtig ist dabei vor allem der Komfort für den Träger. Deshalb müssen das Laufgeräusch und die Vibrationen auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Notwendig ist auch ein hoher Wirkungsgrad, denn er reduziert die Größe und damit das Gewicht des Versorgungsakkus und erlaubt eine lange Betriebszeit ohne Zwischenladen.

Der klassische Glockenankermotor von Faulhaber bietet hier günstige Anlagen. Grundgedanke für die Motorenauswahl ist der sofortige und drehmomentstarke Anlauf des edelmetallkommutierten Gleichstrommotors nach Anlegen einer Spannung. Eine direkte Reaktion auf Steuersignale ist so sichergestellt. Die freitragende Kupferspule erlaubt eine sehr leichte Motorenausführung bei hohem Wirkungsgrad. Wird die Steuerelektronik separat eingebaut, kann der Kleinstmotor sehr nahe am Ort der Kraftentfaltung montiert werden. Das senkt die Übertragungsverluste. Eine zusätzliche Feinwuchtung verbessert die Laufruhe. Prothesen sind lange Jahre in Betrieb, erreichen dabei aber keine allzu hohen Betriebsstunden. Aus diesem Grund muss der Anker in Kugellagern geführt werden, da bei Gleitlagern die essenzielle Öltränkung der Gleitbuchse im Laufe der Jahre verdampft. Kugellager mit Lebensdauerfettschmierung kennen diese Alterungserscheinung nicht. Nur dieses Zusammenspiel einer bewährten Motorenkonstruktion mit den betriebsspezifisch nötigen Modifikationen garantiert eine kostengünstige, möglichst eng an die Forderungen des Prothesenbaus angepasste Motorenausführung.

Andreas Zeiff

FAKTEN

- Für Geräte mit Kleinstmotoren in der Medizintechnik gibt es drei Sparten: technische Einrichtungen direkt für den Einsatz am Patienten.

- Laborgeräte für medizinische Diagnostik und Geräte, die als Hilfsmittel im Praxisalltag dienen.

- Produkte, die für den Patienten selbst bestimmt sind und von ihm genutzt werden.

Erschienen in Ausgabe: 07/2006