Stark, schnell und präzise

Spezial Medizintechnik

Piezoantriebe – Die moderne Medizintechnik erfordert spezialisierte Antriebstechnik. Aktoren und Motoren auf Basis des piezoelektrischen Effekts eröffnen hier zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten.

15. Oktober 2010

Ein wichtiger Trend nicht nur in der Medizintechnik ist die zunehmende Miniaturisierung sämtlicher Komponenten. Eine Voraussetzung dafür ist allerdings die Wahl des passenden Antriebs. Ideal geeignet für medizintechnische Anwendungen sind oft Antriebslösungen auf Basis des piezoelektrischen Effekts, wie sie der Nanopositionierungsspezialist Physik Instrumente (PI) aus Karlsruhe entwickelt.

Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um. Wenn an ein solches Material eine elektrische Spannung angelegt wird, bewegen sich die darauf basierenden Aktoren mit hoher Dynamik im Sub-Nanometerbereich mit möglichen Frequenzen bis weit in den Kilohertzbereich. Solche Aktoren ermöglichen Auslenkungen bis zu einem Millimeter bei zugleich sehr feiner Positionsauflösung im Nanometerbereich. Piezoaktoren können Lasten bis zu mehreren Tonnen bewegen. Elektrisch wirken sie wie kapazitive Lasten und benötigen im statischen Betrieb keine Leistung.

Piezokeramische Aktoren und Antriebe erfüllen damit viele der in der Medizintechnik üblichen Anforderungen: Sie sind kompakt, schnell, vakuumkompatibel, magnetisch nicht zu beeinflussen und benötigen nur sehr wenig Energie. Zudem sind Piezoaktoren wartungsfrei, weil sie ohne im klassischen Sinn bewegte Teile auskommen. Größe, Kraft, Aktorhub und Positionsauflösung lassen sich in weitem Bereich variieren. Die geringe Größe und der niedrige Energieverbrauch ermöglichen nicht nur Laboranwendungen, sondern zunehmend auch mobile Lösungen, etwa in Messgeräten, tragbaren Labors oder Infusionsgeräten.

Im Einsatz sind piezokeramische Aktoren zum Beispiel als Ultraschallerzeuger in der Zahnheilkunde oder zur Steuerung von Laserstrahlen in der Augen- und Hautheilkunde. Ein wichtiges Einsatzgebiet ist auch die Erzeugung von Aerosolen zur Therapie von Atemwegserkrankungen mit Hilfe von Verneblern anstelle klassischer Sprühpumpen: Hier wirken speziell geformte Piezoscheiben als Ultraschallwandler, die eine mit mehreren tausend Löchern versehene Edelstahlmembran zu Ultraschallschwingungen mit über 100 Kilohertz anregen. Dieses Verfahren erzeugt besonders homogene Aerosole, mit denen sich die Medikamente präzise dosieren lassen. Zudem verkürzt die Piezotechnologie die benötigte Zeit für die Vernebelung von Medikamenten um bis zu 50 Prozent verglichen mit konventionellen Systemen, was gerade für Patienten mit chronischen Atemwegserkrankungen einen Zugewinn an Lebensqualität bedeutet. Trotz dieser Vorteile erlauben die robusten Aerosolerzeuger eine Sterilisation in Autoklaven.

Gezielt dosieren

Ideal eignen sich piezoelektrische Antriebe auch für den Einsatz in Mikro-Membranpumpen, die Flüssigkeiten oder Gase mit Volumina von wenigen Mikro- oder Nanolitern gezielt dosieren müssen. Das zu fördernde Medium ist dabei durch eine Membran vom Antrieb getrennt, sodass Beeinträchtigungen der Medien durch den Antrieb ausgeschlossen sind. Die benötigten Linearbewegungen erzeugen hochdynamische Piezoelemente oder Piezoaktoren in Scheibenform, die direkt auf einer Metallmembran appliziert werden und sich perfekt an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen lassen.

Langer Stellbereich

Für die Dosierung zäherer Flüssigkeiten, die höhere Kräfte erfordern, eignen sich zudem auch Mikroventile, bei denen der Antrieb direkt mit Piezoaktoren oder mit Hilfe hebelübersetzter Systeme erfolgen kann. Dies kombiniert den geringen Platz- und Energiebedarf der Piezotechnologie mit dem längeren Stellbereich eines Linearmotors. Zudem muss der Antrieb nicht mit Energie versorgt werden, um die Position zu halten, er erwärmt sich daher nicht und zeigt auch kein Positionsrauschen.

Speziell für die Mikrodosierung eignen sich zudem Ultraschall-Kleinstmotoren mit Abmessungen von wenigen Milli- bis Zentimetern, deren bewegter Träger direkt von einer schwingenden Keramik angetrieben wird. Der Motor passt damit in nahezu jeden Bauraum. Neben Dosieraufgaben eignen sich die robusten Kleinstmotoren hervorragend für mechanische Manipulationen aller Art, das Positionieren kleiner Objekte oder auch das Betätigen von Schaltern.

Birgit Schulze, Physik Instrumente (PI)/bt

Fakten

-Die Physik Instrumente (PI) GmbH in Karlsruhe ist führender Entwickler und Hersteller von Präzisions-Positioniersystemen mit Genauigkeiten bis weit unter einem Nanometer.

-Einsatzgebiete sind unter anderem die Halbleiterfertigung, die Messtechnik, Mikroskopie, Biotechnologie und Medizintechnik sowie Präzisionsautomatisierung und Handhabungstechnik.

Erschienen in Ausgabe: 07/2010