Antriebs- und Steuerungstechnik für medizintechnische Lösungen

Fortschrittlich, intelligent und zukunftsweisend

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Die Medizintechnik ist ein Gebiet, das sich dynamisch entwickelt. Jedes Jahr kommen neue Geräte und Technologien hinzu. Einige Trends darunter: Operationsverfahren werden durch moderne Verfahren immer schonender, die Zugänge minimalinvasiver, Chirurgen erhalten Unterstützung durch computerassistierte Navigation. Antriebe und Steuerungen von Maxon Motor sind in zahlreichen medizinischen Anwendungen vertreten – schließlich ist die Medizintechnik für das Schweizer Unternehmen der umsatzstärkste Markt.

Anja Schütz, Editor Maxon Motor AG

Jeder medizinische Eingriff ist mit Risiken verbunden. Um diese für die Patienten zu minimieren, gibt es eine ganze Hand voll neuer Technologien. So auch hochpräzise 3D-Lasernavigation für die Computertomographie. Die Radiologie am Unispital in Basel ist topmodern ausgestattet, neben dem weltweit ersten 3D-Röntgengerät setzt das Spital auch auf ein neuartiges Lasernavigationssystem für Computertomographie-(CT-)gesteuerte Punktionseingriffe. „Es bietet für die bildgesteuerten Eingriffe sehr viele Vorteile“, erklärt Dr. med. Christoph Zech, Abteilungsleiter Interventionelle Radiologie am Universitätsspital Basel.
Unsichtbares sichtbar machen
Zum Einsatz kommt die Computertomographie, die detaillierte Querschnittsröntgenbilder des Körpers aufnimmt, seit 1974. Ärzte erhalten hochauflösende Bilder des menschlichen Körpers und wissen somit, wo ihr Ziel ist, wenn sie zum Beispiel eine Tumorprobe entnehmen wollen. Doch wie gelangen sie zu diesem Ziel? Wo genau wird die Nadel angesetzt? Welcher Winkel ist zu wählen? Eine bislang eher schwierige Aufgabe, da es auf jeden Millimeter ankommt. Und genau hier assistiert das vollautomatische Lasernavigationssystem des Unternehmens Amedo. Dieses besteht aus einem deckenmontierten Kreisbogenelement, auf dem sich eine motorisierte Laserpositioniereinheit befindet. Das ist alles – ein simples System mit großer Wirkung für Arzt und Patient.
Strahlenbelastung sinkt
Der Laserstrahl des Navigationssystems projiziert Einstichstelle und Einstichwinkel der Nadel auf die Haut des Patienten und visualisiert so den Nadelpfad, entlang dessen der Radiologe das Instrument führen muss. Über einen Fußschalter bestimmt Dr. Zech die exakte Nadelposition. Der Arzt löst damit eine Bildsequenz zur Überwachung des laufenden Eingriffs aus, der Infiltration einer Nervenwurzel. Auf dem Monitor des Computertomographen wird die Position der 0,7 mm dünnen Nadel präzise dargestellt. Bereits in der ersten Bildserie befindet sie sich an der richtigen Stelle. „Hier hilft uns das neue Lasernavigationssystem enorm“, so Dr. Zech. Die Einführtiefe der Nadel wird ebenfalls angezeigt. Zusätzliche Positionsbestimmungen mit Hilfe von CT-Schichtbildern sind so kaum noch nötig, wodurch die Strahlenbelastung für die Patienten erheblich sinkt. Mit herkömmlicher Technik musste die Position der Nadel zwei- bis dreimal oder öfter kontrolliert werden.
Maxon Motoren positionieren Laser
Damit sich die fahrbare Lasereinheit auf dem Kreisbogen des Gerätes exakt hin und her bewegt, kommen bürstenlose Maxon Antriebssysteme zum Einsatz: ein bürstenloser Flachmotor mit einem Durchmesser von 45 mm in Kombination mit dem Stirnradgetriebe GS45 und MR-Encoder. Sie treiben über eine Synchronscheibe einen Endlosriemen an, der den Schlitten auf dem Kreisbogen bewegt. In diesem Schlitten befindet sich der drehbare Laserpointer.
Für die Drehbarkeit der Laser-Spiegel-Mechanik sind zwei weitere Maxon Motoren verantwortlich: die bürstenlosen Gleichstrommotoren EC-max 16. Zusammen mit dem Planetengetriebe GP16A und der MR-Encoder ermöglichen sie die exakte Einstellung des Laserstrahls, um alle für einen Eingriff notwendigen Winkel anzeigen zu können. Die drei EPOS2-Module 36/2 übernehmen die Steuerung der Motoren unter Berücksichtigung aller Prozessparameter sowie die Kommunikation mit dem Steuerrechner. Für die Maxon Antriebssysteme sprach vor allem deren kleine Bauform und Zuverlässigkeit, erklärt Volker Trösken, geschäftsführender Gesellschafter von Amedo.
Das junge Bochumer Medizintechnik-Unternehmen hat mit dem Lasernavigationssystem ein Gerät entwickelt, das es bisher am Markt nicht gegeben hat. Der Erfolg ist beeindruckend – inzwischen sind weltweit 16 Geräte im Einsatz. Das sechsköpfige Team hat Vertriebspartner in 14 Ländern. „Wir erkannten den Bedarf der Ärzte nach einer Lösung für eine einfache, risikoreduzierte und zeitsparende Navigationshilfe für CT-gesteuerte Eingriffe und entwickelten zusammen mit dem Grönemeyer-Institut für Mikrotherapie in Bochum das Lasernavigationssystem.“
Gehirnchirurgie nach dem Vorbild der Natur
Ein weiteres Beispiel fortschrittlicher Medizintechnologie kommt aus dem Bereich der Gehirnchirurgie. Forscher haben sich hier am Vorbild einer Wespe orientiert. Was haben Wespen mit Gehirnchirurgie zu tun? Eigentlich nicht viel – doch eine spezielle Wespenart dient einem Forscherteam aus England als Vorbild bei der Entwicklung einer Operationsnadel für die Gehirnchirurgie. Um Tumore mit Medikamenten zu behandeln, ist es heute in der Neurochirurgie üblich, diese Medikamente über eine starre, dünne Kanüle in das Gehirngewebe zu bringen. Dabei ist das Risiko recht hoch, gesundes Gewebe zu verletzen. Denn die starre Kanüle erlaubt es nur, auf geradem Weg in eine bestimmte Region des Gehirns vorzudringen. Ein flexibles Operationstool wäre genau die richtige Lösung.
Und hier kommt das Imperial College London ins Spiel. Das Team rund um Dr. Rodriguez y Baena hat in den letzten Jahren an einem Projekt gearbeitet, das zum Ziel hat, eine biegsame Roboternadel zu entwickeln, mit der man tiefe Regionen im Gehirn erreichen kann. Gleichzeitig sollen kritische Regionen des Gehirns vermieden werden. Das junge Forscherteam imitiert einen speziellen Mechanismus einer weiblichen Holzwespe, die ihre Eier mittels eines feinen, aber sehr starken Legebohrers in das Holz von Bäumen legt. Unter dem Codenamen STING (Soft Tissue Invervention and Neurosurgical Guide) haben die Wissenschaftler einen Prototyp entwickelt, der aus vier Segmenten mit einem Gesamtdurchmesser von 2,5 Millimeter besteht. Dieser wird durch einen puzzleähnlichen Verzahnungsmechanismus zusammengehalten. Maxon Antriebe erzeugen die Vor-und Rückwärtsbewegungen der Segmente.
Die komplette Palette
Dr. Riccardo Secoli ist Mitglied des Forschungsteams am Imperial College. Er hat für die Anwendung den bürstenlosen Maxon Flachmotor EC20 mit dem Planetengetriebe GP22 ausgewählt. Für die exakte Ansteuerung wird die Positioniersteuerung EPOS 24/2 verwendet. „Ausschlaggebend für unsere Auswahl war der einfache Zugang zur API (Application Programming Interface) Schnittstelle. Zudem ist Maxon der einzige Hersteller, der die komplette Palette anbietet: Motor, Getriebe, Controller“, sagt Secoli. Das Team hat Anfang 2016 im Rahmen des EU-Programms für Forschung und Innovation Horizon2020 eine 8,3 Millionen Euro hohe Subvention erhalten. Das neue Projekt mit dem Codenamen EDEN2020 (Enhanced Delivery Ecosystem for Neurosurgery, www.eden2020.eu), hat das Ziel bis 2020 einen neuen Standard im Feld der neurochirurgische Diagnostik und Therapie zu schaffen.
Weltneuheit für Augenoperationen
Während es bei den meisten Operationen – wie die beiden vorangegangenen Beispiele zeigt – heute roboterassistierende Systeme gibt, sucht man diese in der Augenchirurgie bisher vergebens. Ein niederländisches Unternehmen hat das nun geändert. Eine Weltneuheit für Augenoperationen. Weltweit leiden schätzungsweise rund 50 bis 70 Millionen Menschen unter Sehstörungen, deren Ursache eine Netzhautkrankheit ist. In vielen Fällen ist bisher keine angemessene Behandlung möglich. Augenoperationen sind jedes Mal eine große Herausforderung für den Chirurgen. Eine grundsätzliche Bedingung ist eine ruhige Hand. Augenoperationen wie zum Beispiel die Behandlung einer Netzhautablösung erfordern eine extrem hohe Genauigkeit. Da kann die menschliche Hand gegenüber einem robotergeführten Eingriff nicht mithalten.
10- bis 20-mal höhere Genauigkeit
Deshalb hat das Unternehmen Preceyes, hervorgegangen aus einen Spin-off der Universität Eindhoven (Niederlande), ein für Augenoperationen völlig neues Robotersystem entwickelt. Speziell für die Behandlung von Netzhauterkrankungen ermöglicht das assistierende System eine 10– bis 20-mal höhere Genauigkeit als mit der menschlichen Hand. Das macht Augenoperationen durchführbar, die bisher mangels Präzision nicht umsetzbar waren. Ein enormer Gewinn für Patienten, aber auch für Chirurgen, die mit Hilfe des Roboters viel effektiver und genauer arbeiten können. Die weltweit erste roboterassistierte Operation im Inneren des Auges wurde erfolgreich im Oxford John Radcliffe Hospital durchgeführt. „Das ist der Höhepunkt von zehn Jahren Arbeit. Die Leichtigkeit, mit der die Operation durch Prof. MacLaren ausgeführt wurde, ist ein wichtiger Fortschritt für robotergestützte Augen-OPs und eine klare Bestätigung unserer Technologie“, sagt Marc de Smet, MD Chief Medical Officer von Preceyes.
Haptische Feedbackfunktion
Die Funktionsweise ist einfach. Während der operierende Arzt am Kopf des Patienten sitzt und durch ein Mikroskop schaut, bedient er mit einer Hand einen Joystick, dessen Bewegung auf den Roboterarm (Slave) übertragen wird. Der Roboter skaliert die Bewegung nach unten, das heißt, wenn der Chirurg den Joystick um einen Zentimeter bewegt, dann bewegt sich die Spitze des Roboterarms nur um einen Millimeter. Die andere Hand führt, je nach Bedarf, manuelle Bewegungen aus. Das System ist so ausgelegt, dass die Operation auch durch reine Bewegungssteuerung durchgeführt werden kann: über zwei Joysticks und zwei Roboterarme.
Neben einer haptischen Feedbackfunktion, die den Chirurgen nicht nur sehen, sondern auch seine Aktionen fühlen lässt, erlaubt das Robotersystem einen schnellen Instrumentenwechsel. Das ist ein wichtiger Faktor, da sich so die Operationsdauer verkürzt. Die Bewegungen der Roboterarme werden durch hochpräzise Maxon Antriebssysteme ausgeführt. jg
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