Viewray: Hoffnung durch angepasste Gammastrahlen - KEM

Die Autorin: Debora Setters, Maxon Precision Motors, Maxon Motor AG, CH-Sachseln

Das Unternehmen Viewray aus Oakwood Village (Ohio, USA) stand vor der Aufgabe, einen Multilamellenkollimator (MLC) zu konstruieren. Die Ingenieure setzten sich die Entwicklung eines Endprodukts zum Ziel, das präziser arbeiten sollte als alle anderen Geräte auf dem Markt. Als Partner für grundlegende Bauteile wie Motoren, Encoder, Getriebe und Module zur Motorsteuerung holte man sich Maxon Precision Motors ins Boot.

Viewray ist ein privat geführtes Medizintechnik-Unternehmen, das zukunftsweisende Bestrahlungstechnologie zur Krebstherapie entwickelt. Die Viewray-Anlage ermöglicht eine ununterbrochene bildliche Erfassung des Weichteilgewebes während der Strahlentherapie per MRT. Auf diese Weise können die Ärzte genau sehen, wo die Strahlendosis auf die Zellen trifft und können entsprechend den individuellen anatomischen Merkmalen des Patienten Korrekturen vornehmen. Insgesamt besteht die Bestrahlungsanlage aus fünf Teilsystemen, die zur optimalen Patientenversorgung nahtlos integriert sind.

Die wichtigsten Teilsysteme sind: Echtzeit-MRT, Behandlungsplanung, Vorausberechnung und Optimierung der Strahlendosis, Abbildung des Weichteilgewebes in Echtzeit sowie Auswertung und Bestätigung per Fernzugriff. Die Behandlung wird in einem Magnetresonanztomographen durchgeführt, der über ein drehbares Gestell zur Positionierung der drei abgeschirmten Kobalt-60-Quellen mit den drei Multilamellenkollimatoren verfügt.

Bei anderen Technologien der Strahlenbehandlung wurden die Bilder vor oder nach der Behandlung erzeugt, aber nicht bei eingeschaltetem Strahl.

Für die Therapie stellte das oft ein Problem dar, da die Strahlen nicht dynamisch justiert werden konnten. Durch die Bewegung des Weichteilgewebes wurde oft auch der Tumor während der Behandlung verschoben und Beschädigungen des gesamten Weichteilgewebes waren die Folge. Viewray löste das Problem durch den Einsatz einer Kombination von Technologien aus MRT und Strahlungstherapie. Durch die ununterbrochene bildliche Erfassung des Weichteilgewebes während der Behandlung und bei eingeschaltetem Strahl kann mit Viewray-Anlagen die Ausrichtung und die Dosis der Strahlung in der laufenden Behandlung angepasst werden.

Das Konstruktionsteam erklärt: „Die Motorsteuerung des MLC ist einer der wichtigen Punkte der Anlage. Wir wussten, dass dessen Entwicklung zu den anspruchsvolleren Aufgaben gehören würde, wegen seiner Nähe zum MRT-Magneten und der Größenbeschränkungen durch den Aufbau des Gerüsts.“

In der Anlage kommen drei Gammastrahlenquellen zum Einsatz, die in separaten abgeschirmten Köpfen eingebaut sind. Für Viewray ist der MLC mit Doppelfokus so ausgelegt, dass die Feldränder schärfer abgebildet werden und Halbschatten ähnlich wie bei konventionellen Beschleunigern entstehen. Auf diese Weise können Ärzte ihre Patienten mit größerer Sicherheit behandeln.

Das Team entschied sich für die kompakte digitale Positioniersteuerung Epos2 Module 36/2 von Maxon, da die Ingenieure damit aufgrund der geringen Abmessungen 60 Kanäle zur Bewegungssteuerung für jeden Kollimator bündeln konnten. Auf ein Motherboard der Strahlentherapieanlage passen dreißig Epos-Module, und jeder Kollimator verfügt über zwei Motherboards.

Für jede Viewray-Anlage wurden drei dieser Kollimatoren benötigt, jeweils einer für jeden der drei Köpfe in der Anlage. Ausgerüstet mit einer flexiblen und hocheffizienten Endstufe, steuert jedes Epos-Modul einen DC-Gleichstrommotor mit digitalem Encoder an. Die Maxon-Motoren sind eigens für den Betrieb als Slave-Knoten in einem Canopen-Netzwerk ausgelegt. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 2 A, die Spannungsversorgung erfolgt über ein 11- bis 36-V-Netzteil.

Zur Verbindung mit den Steuerungen verwendete das Team von Viewray die Epos2-Firmware, die über problemlos umsetzbare Betriebsmodi und Überwachungsfunktionen verfügt und somit die Anforderungen der Steuerung erfüllte.

Jeder Kollimator besteht aus sechzig Lamellen, die in dreißig einander gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind. Da die Anlage aus drei Kollimatoren besteht, kommen insgesamt 180 Epos-Steuerungen und 180 Baugruppen aus Motor, Encoder und Getriebe zum Einsatz.

Die MLCs sind auf einem Gerüst montiert, sodass die Kollimation der drei Gammastrahlenquellen entsprechend der Position des Zielpunkts erfolgen kann. Während das Gerüst in seine Position fährt, wird jede Lamelle des Kollimators nach dem Behandlungsplan positioniert. Dafür werden die Befehle vom Canopen-Bus an den entsprechenden Knoten weitergeleitet. Jeder Knoten besteht aus Motor, Encoder, Getriebe und Steuerung. Auf diese Weise erhält man eine genau ausgerichtete Form, die den Vorgaben des Behandlungsplans des Patienten entspricht.

Bei den in der Anlage eingesetzten 180 Motoren handelt es sich um bürstenbehaftete DC-Gleichstrommotoren RE 16 mit 4,5 W Leistung. Jeder Motor hat eine Betriebsdrehzahl von bis zu 11 000 min-1.

Durch ihr Design haben sie kein magnetisches Rastmoment, was gegenüber konventionell konstruierten Motoren besonders bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten von großem Vorteil ist. Hall-Effekt Encoder MENC 13 sorgen für eine präzise Motorsteuerung, während die GP 16 A-Planetengetriebe das passende Drehmoment für eine Positioniergeschwindigkeit von 1 cm/s liefern.

Das Canopen-Positioniermodul von Maxon Motor ist die ideale OEM-Antriebslösung. Epos (Easy to use Positioning System = einfach bedienbares Positioniersystem) ist eine Familie modular aufgebauter, digitaler Positioniersteuerungen. Sie sind geeignet für bürstenbehaftete DC-Motoren und BLDC-Motoren (bürstenlose DC-Motoren) mit Inkrementalencoder im Leistungsbereich von 1 bis 700 W. Das Epos wurde speziell für die Kommandierung und Steuerung im Canopen-Netzwerk entwickelt.

Als weitere Kommunikationsschnittstellen stehen USB und RS232 zur Verfügung. Die Vielzahl von Betriebsmodi, so z. B. Position, Velocity und Current Mode, ermöglichen einen flexiblen Einsatz. Weiter finden sich Funktionen wie der „Step/Direction Mode“, bei dem mit einer Pulsfolge die Drehung der Motorachse vorgegeben wird oder mit dem sogenannten „Master Encoder Mode“, der ein elektronisches Getriebe realisiert. Die Kommandierung über eine analoge Sollwertspannung kann konventionelle Servoverstärker-Anwendungen ablösen.

Das miniaturisierte Epos2 Module 36/2 ist ein preiswertes Einsteckmodul, bietet die kompletten Motion Control Funktionalitäten und ist für Ein- oder Mehrachsapplikationen mit kleinem Bauvolumen geeignet. Dieses leistungsstarke Einsteckmodul lässt sich nahtlos in komplexe Kundenapplikationen integrieren. Der Kunde kann sich ganz seiner eigentlichen Aufgabe widmen – der Entwicklung seines Gerätes.

Um die Ansteuerung der Motoren muss er sich hingegen nur in zweiter Linie kümmern, denn dazu kann er auf das ins Epos2 Module gepackte Know-how von Maxon Motor zurückgreifen. Zur Integration auf OEM-seitige Platinen steht ein ausführlicher Motherboard Design Guide und für die Erstinbetriebnahme stehen diverse Ein-Achs- und Mehr-Achs-Motherboards zur Verfügung.

Das Epos2 Module 36/2 kommt vorteilhaft überall dort zum Einsatz, wo dezentrale Antriebsintelligenz gefragt ist. Sei dies in der Automatisierungstechnik oder Mechatronik, beispielsweise im Laborgerätebau oder in der Robotik. Mit einer Baugröße von nur 54 x 28 x 9 mm und Leistungsdaten von maximalen 36 V und 2 A eignet es sich besonders als OEM-Baugruppe im Kleingerätebau. I

Maxon Motor AG

Debora Setters, Marketing bei Maxon Precision Motors

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