Präzise Kurzstreckenläufer

Antriebstechnik – Piezokeramische Aktoren ermöglichen hochgenaue Bewegungen im Submikrometerbereich. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Medizintechnik.

17. Oktober 2008

Viele Anwendungen in der Medizintechnik erfordern präzise Bewegungen mit hoher Geschwindigkeit über relativ kurze Wege, zum Beispiel in Mikropumpen, Ultraschallerzeugern, Ventilen für die Feinstdosierung oder zur Steuerung von Laserstrahlen in der Augen- und Hautheilkunde sowie bei zahlreichen bildgebenden Verfahren, von 3D-Scannern bis hin zur Magnetresonanztomografie (MRT).

In vielen dieser Fälle bieten piezobasierte Antriebe erhebliche Vorteile gegenüber konventionellen Antriebsprinzipien, die sie für den Einsatz in der Medizintechnik prädestinieren: Piezoantriebe sind schnell und kompakt sowie prinzipiell vakuumkompatibel und zudem magnetisch nicht zu beeinflussen. Größe, Kraft, Verfahrweg und Positionsauflösung variieren je nach Anforderung.

Mit piezoelektrischen Aktoren lassen sich hochdynamische Bewegungen über kleine Stellwege präzise und kostengünstig realisieren. Für Stellwege ab einem Millimeter existieren verschiedene Piezo-Linearantriebsprinzipien, die ein breites Spektrum hinsichtlich Last und Dynamik abdecken. Dabei kann die Medizintechnik auf bewährte Lösungen aus anderen Technikbereichen zurückgreifen, etwa der Halbleiterfertigung, der Biotechnologie oder Messtechnik.

Maßgeblich vorangetrieben in den vergangenen Jahren hat diese Entwicklung die in Karlsruhe ansässige Physik Instrumente (PI) GmbH. Das Unternehmen bietet heute ein breites Sortiment von piezokeramischen Antriebslösungen, das für nahezu jede infrage kommende Anwendung eine maßgeschneiderte Lösung ermöglicht. Ein typischer Einsatzbereich für Piezo-Linearantriebe in der Medizintechnik sind dynamische Scanner. In der optischen Kohärenztomografie (OCT) zum Beispiel dienen Piezoantriebe dazu, Referenzspiegel und abbildende Optiken periodisch schnell zu verschieben. Die Aufgabe dieser Scanner ist es, dreidimensionale Bilder zu erzeugen, die etwa in der Hautdiagnostik zur Krebserkennung dienen.

Feiner Scanner

Der Medizingerätehersteller Isis Optronics beispielsweise verwendet einen Piezo- Linearantrieb für schnelle hochgenaue Positionierungen in einem neuartigen Hautscanner auf Basis der OCT-Technologie, mit der sich das Gewebe an und unter der Hautoberfläche nicht-invasiv und dennoch zuverlässig untersuchen lässt. Ähnliche Aufgabenstellungen gibt es auch in der Augenheilkunde für die Untersuchung des Augenhintergrunds oder in der Kieferorthopädie, um ein genaues Abbild der Mundhöhle für die Anpassung von Prothesen zu erhalten.

Piezoaktoren können Stellwege von wenigen zehn Mikrometern mit Frequenzen bis zu einigen tausend Hertz durchfahren. Größere Verfahrwege mit hohen Geschwindigkeiten ermöglichen Ultraschall-Linearantriebe. Mit Auflösungen bis 50 Nanometer sind sie oft eine interessante Alternative für die klassischen Kombination aus Elektromotor und Spindel bei wesentlich kleineren Abmessungen und geringem Gewicht. Zudem erfordern sie keine zusätzlichen mechanischen Kopplungselemente, die eine rotatorische in eine lineare Bewegung umwandeln.

Die wartungsfreien Antriebe bieten Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 600 Millimeter pro Sekunde. Typische Verstellwege liegen zwischen einem und mehreren hundert Millimetern. Verschiedene Integrationsstufen bis hin zum geführten Versteller mit Positionssensor und Steuerung ermöglichen eine Anpassung an die jeweilige Applikation.

Feinste Mechanik

Ein Einsatzgebiet für piezokeramische Antriebe ist die sogenannte konfokale Mikroskopie, mit der sich beispielsweise virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur erzeugen lassen. Erforderlich ist hier eine präzise Bewegung der abbildenden Optik oder des Objekts in Richtung der optischen Achse oder in der dazu senkrechten Ebene. Anwendungsbereiche für dieses Verfahren finden sich zum Beispiel in der Augenheilkunde, in der Qualitätssicherung bei Implantaten oder bei der Zell-Diagnostik. Miniaturisierte Ultraschall-Linearantriebe lassen sich dabei direkt in die Optikeinheit integrieren.

Geradezu prädestiniert sind Piezoaktoren für den Einsatz in der Magnetresonanztomographie, einem bildgebenden Verfahren, das nichtmagnetische Antriebslösungen er fordert. Piezoantriebe lassen sich von starken Magnetfeldern nicht in ihrer Funktion beeinträchtigen und werden auch selbst nicht zur Störquelle. Piezoaktoren eignen sich hier für die Positionierung zahlreicher Komponenten, von der einfachen Blende bis hin zu komplexen Funktionselementen oder den zu untersuchenden Proben. Da die Antriebe zudem im Vakuum und auch bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, lassen sie sich dabei ohne Weiteres direkt am Kühlsystem des Tomographen platzieren.

Für besonders lange Stellwege und hohe Lasten auch unter starken Magnetfeldern und bei tiefen Temperaturen hat PI die patentierten PiezoWalk-Linearantriebe entwickelt. Diese Antriebe ermöglichen hochpräzise Positionierungen über große Stellwege und bieten eine aktive dynamische Schwingungsdämpfung nach Erreichen der Position und entwickeln Kräfte bis zu 600 Newton.

Fakten

Die Physik Instrumente GmbH & Co. KG in Karlsruhe ist ein Pionier der Präzisions- Positioniertechnik.

Die Antriebe nutzen den piezoelektrischen Effekt spezieller Keramiken und ermöglichen präziseste Bewegungen mit Auflösungen im Bereich von Mikrometern bis Nanometern.

Präzisionsmechanik ermöglicht Stellwege bis zu einigen 100 Millimetern.

Erschienen in Ausgabe: 07/2008