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Überlegungen zur Auswahl einer Miniatur-Motortechnologielösung für die erfolgreiche Entwicklung chirurgischer Instrumente
Hintergrund
Angetriebene chirurgische Handinstrumente sind im OP unverzichtbar. Seit Jahrzehnten verlassen sich Chirurgen und Hersteller chirurgischer Instrumente auf sterilisierbare bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), um die Anforderungen an Drehmoment, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit chirurgischer Handinstrumente zu erfüllen. Auch mit der Weiterentwicklung der chirurgischen Robotik und robotergestützter chirurgischer Instrumente setzen Hersteller auf BLDC-Motoren, um die anspruchsvollen Vorgaben zu erfüllen, die an sie gestellt werden. Motoren und Antriebstechnik spielen in der Robotik eine zentrale Rolle. Die Anforderungen an Motoren in der chirurgischen Robotik unterscheiden sich jedoch ein Stück weit von den typischen Anforderungen an die traditionelle Robotik und traditionelle chirurgische Handinstrumente.
Unabhängig von der Art des Instruments benötigen Chirurgen verlässliche sterile Instrumente. Sie benötigen Instrumente, die trotz anspruchsvoller Bedingungen im praktischen Einsatz und wiederholter Dampfsterilisation während
Über die Zuverlässigkeitsanforderungen hinaus müssen Entwickler chirurgischer Instrumente angesichts hoher Geschwindigkeits- und Drehmomentanforderungen, Temperaturbedingungen und weiterer Einschränkungen oder extremer Anforderungen an die Positionsregelung anspruchsvolle Antriebsprobleme lösen. Instrumentenhersteller benötigen antriebstechnische Lösungen, die sich ideal für ihre Anwendung eignen und sachgerecht angepasst sind, um die Integration der Instrumente zu gewährleisten und die Leistung dabei ausgewogen zu optimieren.
Verfahren für Aufrechterhaltung und Erhalt des sterilen Bereichs im Operationssaal
Der Schutz vor Infektionen, Kreuzkontamination und der Ausbreitung von Krankheiten ist ein wichtiges Anliegen im Operationssaal. Dies sind die gängigsten Ansätze zum Schutz von Instrumenten im sterilen Bereich:
Einweginstrument
Ein Ansatz für Krankenhäuser besteht darin, Einweginstrumente zum einmaligen Gebrauch zu verwenden. Sie sind im Allgemeinen mit kostengünstigen Motoren und Kunststoffkomponenten ausgestattet, da keine lange Lebensdauer erforderlich ist. Diese Instrumente müssen nach jeder Operation entsorgt werden. Bei diesem Ansatz müssen die Instrumente zwar weder wiederaufbereitet noch gewartet werden. Andererseits muss allerdings die zuverlässige Versorgung mit Instrumenten gewährleistet sein und die Menge der vom Krankenhaus erzeugten gefährlichen Abfälle steigt. Darüber hinaus sind Einweginstrumente im Vergleich zur Gesamtlebensdauer von Mehrweginstrumenten in der Regel nicht die wirtschaftlichste Option.
Modularer Aufbau für die Sterilisation inklusive nicht sterilisierbarer Komponenten
Ein anderer Ansatz besteht darin, Instrumente so zu konzipieren, dass freiliegende Komponenten sterilisiert werden, die anderen dagegen nicht. Beispielsweise können sich der BLDC-Motor, die zugehörige Steuerung und der Akku im Inneren des Instruments befinden, sodass das Krankenhauspersonal den Motor/Akku vor der Sterilisation aus dem Instrument entfernen muss. Dieser Ansatz setzt die genaue Einhaltung eines besonderen Ablaufs voraus, um sicherzustellen, dass wiederaufbereitete Instrumente ordnungsgemäß sterilisiert werden. Darüber hinaus können für das Design langlebigere elektronische Komponenten und Verbindungen erforderlich sein, da Motor und Akku wiederholt getrennt und neu verbunden werden.
Schutzbarriere
Eine weitere Möglichkeit ist es, den Roboterarm oder das Instrument mit einer sterilen (meist Einweg-)Barriere abzudecken, z. B. einer Kunststoffabdeckung oder einer Kunststoff-„Clamshell“. Erfolgreich ausgeführte Barrieren definieren den sterilen Bereich und machen die Wiederaufbereitung von Komponenten außerhalb des Bereichs überflüssig. Dieser Ansatz ist eine typische Konstruktionskomponente für große chirurgische Robotersysteme, bei denen ein Autoklav für das gesamte System nur schwer umzusetzen ist. Auch die ergonomischen Anforderungen an Robotersysteme unterscheiden sich von herkömmlichen chirurgischen Handinstrumenten. So kann z. B. der Motor physisch vom chirurgischen Endeffektor entfernt sein und Bewegungen über einen Seilantrieb übertragen. Das ist in der traditionellen Chirurgie nicht immer möglich, wenn Chirurgen Handinstrumente bei schwierigen Aufgaben präzise führen können müssen. Dieser Entwurfsansatz ist auch für medizinische Verfahren mit weniger strengen Sterilisationsanforderungen typisch, z. B. für Zahn- und Tätowierungsanwendungen. Er hat jedoch Nachteile: Komplexe Abdeckungssysteme mit der Notwendigkeit zu systematischem Entfernen und Ersetzen können die Belegungsdauer des Operationssaals erheblich verlängern. Abdeckungen sind zudem oft sperrig und umständlich – mit negativen Folgen für Sichtbarkeit und Ergonomie.
Die autoklavierbare Motorlösung
Instrumente können aber auch so ausgelegt sein, dass alle Komponenten einschließlich der Motoren sterilisierbar sind. Seit der Einführung sterilisierbarer BLDC-Motoren vor mehr als 30 Jahren können Konstrukteure hoch leistungsfähige, ergonomische Instrumente von verlässlicher Sterilität entwickeln, da das gesamte Instrument den Sterilisationsprozess durchläuft. Diese Vorteile gelten auch für robotergestützte chirurgische Instrumente, die im Allgemeinen bei geringer Größe, hoher Leistung, Haltbarkeit und Effizienz, geringem Geräuschpegel und langer Lebensdauer ebenfalls eine sterile Hülle voraussetzen.
Autoklavierbares BLDC-Motordesign für chirurgische Instrumente
Sowohl herkömmliche motorisierte Handinstrumente als auch robotergestützte chirurgische Instrumente können die BLDC-Technologie in einer genuteten oder nutenlosen Konfiguration mit entsprechend genuteten bzw. nutenlosen „Innenläufer“-BLDC-Motoren nutzen (bei denen sich der Rotor im stationären Stator dreht). Ob der Motor genutet oder nutenlos ist, richtet sich nach dem Lamellierungstyp im Stator des Motors. Beide Technologien haben ihre Stärken – welche Technologie für das Motordesign besser geeignet ist, richtet sich nach den Anwendungsanforderungen.
Die genutete BLDC-Technologie hat sich seit mehr als 30 Jahren als Lösung auf dem Markt für chirurgische Motoren bewährt. Bei einer genuteten Ausführung sind die Kupferspulen in die Nuten gewickelt (Abbildung 4). Die Spule ist von Natur aus geschützt, da sie in die Nuten des Lamellenpakets eingesetzt wird. Zusätzliche Isolierschichten und Formmaterial können problemlos hinzugefügt werden, ohne die Motorleistung zu beeinträchtigen. Diese physische Konfiguration macht die genutete BLDC-Konstruktion zur idealen Technologie für Motoren, die ultrabeständig gegen raue Umgebungsbedingungen wie beispielsweise im Autoklav oder Operationssaal sein müssen, unter denen sie Salzlösungen und anderen Verunreinigungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus bietet das genutete Design folgende Vorteile:
- einfache Anpassung an Elektromagnete (Wicklungen, Länge des Lamellenpakets usw.)
- sehr hohe dielektrische Festigkeit (Hochspannung von 1.600 V AC und mehr)
- verbesserte Wärmeableitung und damit höheres Dauerdrehmoment
- kleiner magnetischer Luftspalt, der die Verwendung dünnerer Magnete ermöglicht und einen höheren Permanenzkoeffizienten bietet (mit Drehmomentstabilität über einen großen Temperaturbereich)
- niedrigeres Rotorträgheitsmoment
Auch nutenlose BLDC-Technologien sind sehr leistungsfähig und können sich gut für die vorgesehene Anwendung eignen. Bei nutenlosen Motoren wird die Spule in einem separaten externen Schritt gewickelt und ist vom Typ her „selbsttragend“ (Abbildung 4). Die selbsttragende Spule wird dann während der Motormontage direkt in den Luftspalt eingesetzt. Aufgrund des großen Luftspalts ist die magnetische Induktion in der Spule bei dieser Konstruktion geringer. Die Induktion ist bei einem solchen Motor üblicherweise deutlicher geringer als bei genuteten BLDC-Motoren, sodass der Magnet typischerweise größer und stärker sein muss, um den Induktionsverlust auszugleichen. Während nutenlose Motoren so konstruiert werden können, dass sie der Dampfsterilisation durch Isolierung und andere Schutzbeschichtungen der freiliegenden elektronischen Komponenten widerstehen, ist es bei genuteten Motoren von Natur aus schwieriger, einen dauerhaften und zuverlässigen Schutz vor rauen Umgebungsbedingungen zu erreichen. Wenn keine Autoklavierbarkeit oder nur bedingt viele Sterilisationszyklen vorausgesetzt werden, kann ein nutenloses Design für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein:
- Rastmoment von null (d. h. kein Cogging)
- ausgeglichener Lauf bei sehr hohen Geschwindigkeiten
- höhere Motorträgheit
- hohes maximales Drehmoment
Präzise Antriebssteuerung
Bei bestimmten chirurgischen Eingriffen oder Instrumentenentwurfsansätzen kann die hochpräzise Steuerung des Motors erforderlich sein. Dies ist häufig bei robotergestützten chirurgischen Instrumenten der Fall, die hochentwickelte Sensoren, Bildverarbeitungssysteme, haptische Rückmeldung oder 3D-Abbildungen nutzen, um die Materialmanipulation im Submillimeterbereich zu steuern. Der Erfolg einer Operation kann von der hochpräzisen Steuerung der Motorleistung abhängen. Die Präzisionsanforderungen können über die Anforderungen herkömmlicher Hall-Sensoren hinausgehen, die die Rotorposition in Schritten von 60 Grad erfassen können. Ein Encoder kann Rückmeldung zur Geschwindigkeitsregelung und zur Positionierung des Rotors in Schritten von weniger als 1 Grad liefern.
Encoder messen die Winkelposition der Rotorwelle wesentlich genauer, als es drei Hall-Sensoren können. Eine solche Rückmeldung kann zur Positionsregelung oder genaueren Steuerung eines BLDC-Motors nützlich sein. Aus den vorgenommenen Positionsmessungen können Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung abgeleitet werden. Bei der Wahl des Encoders sollten zunächst die erforderliche Genauigkeit und die Auflösung bestimmt werden. Auch über den Technologietyp muss entschieden werden. Für Rotationsgeber kommen am häufigsten optische und magnetische Technologien zum Einsatz. Magnetische Encoder sind bei autoklavierbaren Anwendungen wie z. B. chirurgischen Instrumenten eine robuste und zuverlässige Option. Inkrementelle oder absolute Rückführung sind zwei gebräuchliche Varianten für die Übermittlung des Winkelwerts. Für inkrementelle Signale werden ein Indeximpuls pro Umdrehung und ein Zähler benötigt, um die absolute Winkelposition zu berechnen. Andernfalls ist die Rückführung relativ. Bei der absoluten Rückführung wird normalerweise eine serielle Kommunikationsleitung wie SSI, SPI oder BiSS verwendet, um einen codierten Winkelwert zwischen 0 und 360 Grad auszugeben.
Zur Wahl stehen:
- sterilisierbare Ausführung, auf über 2.000 Autoklavzyklen ausgelegt und getestet
- Hall-Sensor-Signale für 6-Stufen-Kommutation (U, V, W)
- 10-Bit-Inkrementalgeber (A, B, Z)
- Absolutwinkelgeber mit 11-Bit-Auflösung
- Ausgabe der absoluten Position über SPI
- Differenzausgang zur Signalfilterung.
- Möglichkeit zur Durchbohrung durch außeraxiale Befestigung
Fazit
Moderne chirurgische Instrumente – herkömmliche Handinstrumente ebenso wie robotergestützte Instrumente – stellen höchste Anforderungen an die Antriebstechnik. Diese Anforderungen lassen sich in Partnerschaft mit einem Motorlieferanten erfüllen, der über die erforderliche technologische Breite und umfassende Erfahrung sowohl im Bereich der herkömmlichen chirurgischen Handinstrumente als auch der robotergestützten chirurgischen Instrumente verfügt.
Über Portescap
Portescap stellt genutete und nutenlose bürstenlose Miniatur-Gleichstrommotoren, Bürsten-Gleichstrommotoren, Schritt- und Linearantriebsmotoren sowie die zugehörigen Komponenten wie Getriebe, Encoder und Steuerungen her. Portescap ist ein führender Anbieter sterilisierbarer Motoren für angetriebene chirurgische Handinstrumente und robotergestützte chirurgische Instrumente. Sterilisierbare genutete BLDC-Motoren von Portescap wurden in vielen Millionen Operationen weltweit in jeder erdenklichen chirurgischen Anwendung eingesetzt. Seit mehr als 30 Jahren optimiert unser Engineering-Team fortlaufend die Konstruktion unserer sterilisierbaren Motoren, die nachweislich mehr als 3.000 Autoklavzyklen widerstehen und die Nutzungsdauer chirurgischer Instrumente damit bei Weitem übertreffen. Portescap bietet kundenspezifische Komplett-Motoranpassungen, die auf die Anforderungen chirurgischer Instrumente zugeschnitten sind: Wellendurchbohrung, elektromagnetisches Grunddesign, Montagefunktionen, kundenspezifische Übersetzungsverhältnisse, Stiftverbindungen versus bewegliche Leitungen und vieles mehr. Die Entwicklungsingenieure von Portescap bringen ihr Fachwissen ein und arbeiten mit Ihrem Team zusammen, um Ihr einzigartiges chirurgisches Handwerkzeug oder Ihre chirurgische Roboteranwendung nach Ihren speziellen Wünschen anzupassen.
Typische Portescap-Motoranwendungen für die chirurgische Robotik
- Arthroskopie-Shaver
- Sagittalsägen
- oszillierende Sägen
- orthopädische Bohrer, Mittel- und Hochgeschwindigkeitsbohrer
- Drahtantriebe
- chirurgische Klammergeräte
TECHNISCHER HINTERGRUND
WAS IST EIN AUTOKLAVZYKLUS?
Die in Krankenhäusern am häufigsten verwendete Sterilisationsmethode ist das Autoklavieren, auch Dampfsterilisation genannt. Dabei werden chirurgische Handinstrumente bis zu 18 Minuten lang 100 % Luftfeuchtigkeit, 135 °C (275 °F) und Druckschwankungen ausgesetzt. Die meisten Autoklaven wenden zudem zusätzliche Vakuumzyklen an, um das Eindringen von Dampf zu erleichtern und Bakterien, Viren, Pilze und Sporen abzutöten, die sich in mikroskopischen Hohlräumen im Instrument verstecken können. Wiederholte Exposition gegenüber einer solchen Umgebung verursacht typischerweise erhebliche Elektrik- und Korrosionsprobleme bei Motoren und Instrumenten, die nicht ausreichend gut ausgelegt sind, um diesen Bedingungen standzuhalten.
Pre & Autoklavzyklus mit Vor- und Nachvakuum Klasse B
