Retina im Focus

Exklusiv in KEM Die Autoren: Dipl.- Ing. FH Andreas Seegen, Leiter Marketing bei der Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, Schönaich und Dipl.- Chem. Andreas Zeiff, RBS, Stutensee

Ein üblicherweise verwendetes Betrachtungssystem vergrößert allerdings die Gesamthöhe des Mikroskops um mehr als 2 cm. Das aber kann den Chirurgen, die nicht selten sechs bis acht Stunden pro Tag operieren, Hals- und Rückenschmerzen bescheren. Als das Unternehmen Volk Optical mit der Entwicklung der zweiten, automatisierten Generation seines Augenchirurgie-Betrachtungssystems Merlin begann, lautete deshalb die Zielsetzung, die von den Chirurgen geforderten Leistungen mit einem Gerät zu erreichen, das so kompakt wie möglich sein sollte. Mit einem integrierten Mikro-Schrittmotorpaket der US-Faulhaber Schwester Micromo war diese Aufgabe leicht zu bewältigen.

Chirurgen müssen verzögerungsfrei zwischen Hornhaut- und Netzhautsicht wechseln können. Das Problem unter optischen Gesichtspunkten ist, dass die Vergrößerung umgekehrt proportional zur Schärfentiefe ist. Zwar sind chirurgische Mikroskope hoch entwickelte Instrumente, doch auch sie können die Vorder- und Rückseite des Auges bei hoher Vergrößerung nicht gleichzeitig scharf abbilden. Hier hilft das OP-Betrachtungssystem.

Idealerweise würde ein solches Betrachtungssystem ein qualitativ hochwertiges Bild von der Retina liefern, aber zugleich nur ein Minimum an Platz unter dem Mikroskop in Anspruch nehmen.

Diese Systeme sind typische Zusatzausstattungen von Chirurgie-Standardmikroskopen. Das Merlin beispielsweise ist zwischen dem unteren Ende des Mikroskops und dem Auge des Patienten angeordnet. Es besteht aus zwei Teilen, nämlich der Linsenpositionierungseinheit LPU, welche die Operationslinse hält, und der Kondensorbaugruppe, in der ein Kondensor angeordnet ist. Die Operationslinse modifiziert das optische System des Mikroskops so, dass es die Retina abbildet. Der Kondensor verkürzt die Brennweite der Mikroskop-Objektivlinse um ca. 2,5 cm, sodass der Chirurg die LPU in den Strahlengang hinein- und wieder herausbewegen kann, ohne das Mikroskop nach oben und unten bewegen zu müssen.

Herkömmliche Betrachtungssysteme werden entweder vollständig manuell bedient oder haben einen Fußschalter, über den der Operateur die Kondensorlinse positionieren muss. Mithilfe einer Steuerung und eines Schrittmotors von Faulhaber erledigt das Merlin-System diese Aufgabe automatisch, sobald der Chirurg die LPU in Position schwenkt. „Bei der Entwicklung haben wir wirklich alles daran gesetzt, um dem Arzt möglichst viel Platz zum Arbeiten zu verschaffen“, sagt Matthew Holmes, Leiter des Volk-Geschäftsbereichs Augenchirurgieprodukte.

Einer der vom Entwicklerteam festgelegten Entwicklungsschwerpunkte lautete, die vom Merlin-System beanspruchte Einbautiefe möglichst gering zu halten. „Die Ärzte sind sehr sensibel, was die Höhe des Mikroskops über dem Patienten betrifft“, weiß Bill Hudgins, Leiter der Volk-Produktentwicklung. „Wenn es nach ihnen geht, sollten wir diesen Parameter möglichst wenig verändern. Um das neue System im bestehenden Gehäuse unterbringen zu können, brauchten wir einen entsprechend kleinen Motor, auf den wir außerdem ein Getriebe aufsetzen konnten, um die von uns benötigten Drehzahl- und Drehmomentwerte zu erreichen.“

Aufgrund der Größenbeschränkungen war der Einsatz einer Servomotor-Encoder-Baugruppe nicht machbar. Stattdessen entschied man sich bei Volk für einen 15-mm-Schrittmotor in Kombination mit einer Controller-Einheit. Schrittmotoren verhalten sich naturgemäß hochgradig deterministisch: Ein Befehl, ein Schritt. Der Mikrocontroller ermittelt aus der Richtung und Anzahl der eingegebenen Impulse, wie die Kondensorlinse in den Strahlengang hinein- oder aus ihm herausbewegt wird. Der elektromechanische Entwicklungsprozess verlief nicht ganz geradlinig. Wie sich zeigte, erforderte das Verschieben der Linse mehr Drehmoment als der Mikro-Schrittmotor liefern konnte. Unter normalen Umständen wäre die Lösung einfach gewesen – man hätte eben einen größeren Motor gewählt. Angesichts der durch die Anwendung vorgegebenen Größenbeschränkungen war dies jedoch keine Option. Also baute das Team zusätzlich ein Getriebe ein, um aus der Motordrehzahl ein genügendes Drehmoment zu erzeugen.

Zuerst versuchte es das Team mit einem Stirnrad-Getriebe aus Metall, der ein Untersetzungsverhältnis von 41:1 hatte. Anschließend analysierten die Ingenieure das Betriebsverhalten eines Kunststoff-Planetengetriebes mit einem Untersetzungsverhältnis von 14:1. „Unsere Betrachtungen konzentrierten sich darauf, die richtige Drehzahl zu erzielen und sicher- zustellen, bei dieser Drehzahl auch ein genügend hohes Drehmoment zur Verfügung zu haben“, sagt Hudgins. Das Planetengetriebe schaffte das nötige Drehmoment – so fiel die Entscheidung, diesen Getriebetyp im Serienmodell einzusetzen. I