BÜRSTEN-GLEICHSTROMMOTOREN IM VERGLEICH ZU BÜRSTENLOSEN GLEICHSTROMMOTOREN FÜR CHIRURGISCHE EINWEGELEKTROINSTRUMENTE

Einweginstrumente sind ein schnell wachsendes Segment auf dem Markt für chirurgische Handinstrumente, das durch Kosten- und Hygienevorteile angetrieben wird. Für Instrumentenkonstrukteure stellt die Motortechnologie oft eine kritische Entscheidung dar – insbesondere die Wahl zwischen einem Gleichstrommotor mit oder ohne Bürsten.

Clémence Muron, Anwendungstechnikerin bei Portescap, einem führenden Anbieter von Motorentechnologie für chirurgische OEMs, erläutert die Vorteile eines Bürsten-Gleichstrommotors im Vergleich zu bürstenlosen Gleichstrommotoren für medizinische Einweginstrumente.

Konstrukteure chirurgischer Elektroinstrumente müssen sich entscheiden, ob sie sich für einen Einweg- oder einen Mehrweg-Designansatz entscheiden. Fortschritte bei der Konstruktion und bei den Herstellungstechniken haben es zunehmend möglich gemacht, Produkte herzustellen, die über die notwendige Leistungsstärke verfügen, um komplexe chirurgische Einsätze durchzuführen – zu einem Preis, der die Entsorgung des Instruments nach dem einmaligen chirurgischen Einsatz rechtfertigt. Diese Fortschritte gelten auch für Motoren. Konstruktions- und Fertigungsverbesserungen sowohl bei Bürsten-Gleichstrommotoren als auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) haben Preispunkte gesenkt und gleichzeitig die Leistung erhöht, sodass es möglich ist, mit einer Einwegkonstruktion ausreichend niedrige Kosten für chirurgische Instrumente zu erzielen. Darüber hinaus besteht bei einigen Instrumenten die Möglichkeit, die Sicherheit zu erhöhen, indem das Risiko einer Infektion aufgrund unzureichender Sterilisation beseitigt wird.

Motorleistungsanforderungen für Einweginstrumente

Während die Anforderungen an die Motorleistung bei Mehrweg- und Einweg-Chirurgieinstrumenten ähnlich sind, sind die Anforderungen an Lebensdauer und Kosten sehr unterschiedlich. Ein Motor, der für ein wiederverwendbares Instrument bestimmt ist, kann eine Lebensdauer von Hunderten oder sogar Tausenden von Einsätzen haben und muss daher aus hochwertigen Komponenten und Materialien bestehen, um diese bemerkenswerte Leistung zu erfüllen. Ein Motor für ein Einweginstrument muss eine ähnliche Leistung erbringen – wenn auch nur für einen einzigen Einsatz – und muss dennoch in großen Mengen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis erhältlich sein.

Bei der Spezifikation von Motoren für Einweginstrumente sollten Konstrukteure die möglichen Vorteile herkömmlicher Bürsten-Gleichstrommotoren gegenüber der moderneren BLDC-Technologie berücksichtigen. Aufgrund ihrer Bauweise und der damit verbundenen Zuverlässigkeitsvorteile sind BLDC-Motoren die typische Wahl für den Einsatz in wiederverwendbaren Elektroinstrumenten. Die Vorteile von BLDC erhöhen leider die Kosten im Vergleich zu Bürsten-Gleichstrommotoren – daher ist es oft nicht möglich, einen BLDC-Motor für ein Einweginstrument zu spezifizieren. Konstrukteure sollten mit einem Motorlieferanten zusammenarbeiten, der sich mit beiden Technologien auskennt, damit die Leistungs- und Kostenabwägungen zwischen einer BürstenDC- und einer BLDC-Motortechnologie korrekt ermittelt werden können

Bürsten-Gleichstrommotoren im Vergleich zu bürstenlosen Gleichstrommotoren

Wenn das Ziel eines neuen Projekts die Maximierung von Leistung und Zuverlässigkeit ist, wird ein Konstrukteur wahrscheinlich zur BLDC-Technologie tendieren. Die bürstenlose Technologie ermöglicht den Betrieb bei hohen Drehzahlen (bis zu 100.000 U/min) über eine lange Betriebsdauer. Bei BLDC-Motoren erfolgt die Kommutierung ohne mechanische Bürsten (d. h. über magnetische Hallsensoren oder einen sensorlosen Antrieb mit einem bürstenlosen Motorregler) – der Kontakt zwischen den rotierenden und den festen Bauteilen im Motor beschränkt sich also auf die Kugellager. Das bedeutet, dass die Lebensdauer des Motors in erster Linie von der Langlebigkeit des Lagers abhängt und dass der Motor über einen längeren Zeitraum mit hoher Drehzahl betrieben werden kann.

Im Vergleich dazu wird bei einem Bürsten-Gleichstrommotor die Kommutierung durch mechanische Bürsten (Graphit oder Edelmetall) erreicht, die mit dem Rotor in physischen Kontakt treten, um die elektrische Verbindung herzustellen. In diesem Fall ist die Lebensdauer des Motors in erster Linie auf die Lebensdauer der Bürsten beschränkt, wobei höhere Drehzahlen zu einem vorzeitigen Verschleiß führen. Für ein Einweginstrument ist die höhere Geschwindigkeit angesichts der kurzen Lebensdauer möglicherweise kein Problem – dies hängt jedoch stark vom Auslastungsgrad und den Geschwindigkeitsanforderungen der Anwendung ab.

Die Leistung eines Bürsten-Gleichstrommotors hängt auch stark von der Konstruktion und den verwendeten Materialien ab. Portescap Bürsten-Gleichstrommotoren sind zum Beispiel „kernlos“ (die meisten preiswerteren Bürstenmotoren haben einen Eisenkern), was bedeutet, dass der Rotor nur aus einer Spule und einer Einzelwelle besteht. Das kernlose Design bietet einen geringeren Trägheitsmoment, was zu einer höheren Leistung in Bezug auf Beschleunigung und Effizienz führt. Außerdem wird das Rastmoment (CoggingDrehmoment) eliminiert, das bei niedrigeren Drehzahlen eine geringere Laufruhe verursachen kann

Für wiederverwendbare chirurgische Instrumente sind BLDC-Motoren aufgrund der Anforderungen an Lebensdauer und Geschwindigkeit oft die ideale Lösung. Für einige Anwendungen, bei denen eine Einwegkonstruktion zum Einsatz kommt, kann ein Bürsten-Gleichstrommotor jedoch eine attraktive Lösung darstellen.

Auswirkungen auf die Kosten

Sobald die Leistungsanforderungen erfüllt sind, sind die Kosten oft die nächste wichtige Überlegung. Bürstenlose Motorsysteme sind in der Regel teurer. Sie müssen über einen bürstenlosen Motorregler verfügen, um die Kommutierung zu erreichen, und enthalten oft eine eingebettete Elektronik zur Erfassung der Rotorposition. Bei einigen Anwendungen sind diese Kosten gerechtfertigt, oft aber auch nicht. Bei einer sehr leistungsstarken Anwendung können beispielsweise relativ teure Komponenten erforderlich sein, wie hochwertige Lager, dynamische Wellendichtungen oder hochwertige Magnete – die Spezifikation dieser teureren Komponenten kann die Rechtfertigung einer Einweginstrumentenstrategie erschweren. Im Gegensatz dazu wird bei einem Bürsten-Gleichstrommotor die Kommutierung direkt von den Bürsten übernommen und ein einfacherer PWM-Antrieb zur Drehzahlregelung verwendet. Dank der Fortschritte in der Bürsten-DC-Technologie ist eine höhere Leistung ohne größere Auswirkungen auf die Kosten möglich. In Verbindung mit der kurzen Lebensdauer eines Einweginstruments kann dies bedeuten, dass ein Leistungsniveau erreicht werden kann, das über das hinausgeht, was normalerweise für einen kostengünstigeren Bürsten-Gleichstrommotor als realisierbar gilt.

Bei einem Einweginstrument umfassen die Kosten für einen einzelnen Einsatz den vollen Kaufpreis des Instruments. Bei einem wiederverwendbaren Instrument amortisiert sich bei jedem Einsatz nur ein kleiner Teil des Kaufpreises. Außerdem muss das chirurgische Elektroinstrument vor dem Einsatz sterilisiert werden. Dieser Prozess ist ein zusätzlicher Kostenfaktor, der bei der Bewertung der Gesamtkosten des Einsatzes berücksichtigt werden sollte. Daher sind die Anzahl der Einsätze, die ein chirurgisches Zentrum pro Instrument durchführen kann, und die Kosten für die Sterilisation zwischen den Einsätzen die wichtigsten Faktoren bei der Entscheidung, ob ein Einweg- oder ein Mehrweg-Instrument am besten geeignet ist. Natürlich ist ein wiederverwendbares Instrument in der Anschaffung wesentlich teurer als ein Einweginstrument. Wenn das Zentrum es jedoch für eine ausreichende Anzahl von Einsätzen verwenden kann, sinken die durchschnittlichen Kosten pro Einsatz unter die eines Einweginstruments (Abbildung A).

Ein teureres wiederverwendbares Instrument (vielleicht unter Verwendung eines leistungsfähigeren BLDCMotors anstelle eines kostengünstigen Bürsten-Gleichstrommotors) erfordert natürlich mehr Einsätze, um langfristig kostengünstiger zu sein als ein Einweginstrument. Die Sterilisationskosten erhöhen auch die Anzahl der Einsätze, die erforderlich sind, um die Gewinnschwelle zu erreichen, und zwar so sehr, dass in einigen Fällen das Einweginstrument unabhängig von der Anzahl der Einsätze vorzuziehen ist. (Abbildung B).

Beachten Sie, dass die obige Analyse lediglich einen Vergleich der durchschnittlichen Kosten für die verschiedenen Instrumentoptionen enthält und andere Vorteile von Mehrweg- und Einwegwerkzeugen, die in die Entscheidung einfließen sollten, nicht berücksichtigt. Zum Beispiel wird ein hochwertiges, wiederverwendbares Instrument wahrscheinlich eine bessere Leistung und zusätzliche Funktionen aufweisen als ein Einweginstrument. Selbst wenn die Gewinnschwellenmenge nicht erreicht wird, kann der Nutzen für Chirurgen und Patienten die richtige Entscheidung sein. Bei den Kosten für das Sterilisationsverfahren ist auch das Infektionsrisiko, das ein wiederverwendbares Werkzeug naturgemäß mit sich bringt, nicht berücksichtigt. Eine unzureichende Sterilisation des Instruments ist für die Patienten gefährlich. In diesem Artikel wird nicht näher auf Sterilisationsmethoden und die Entwicklung von Instrumenten zur Erleichterung der Sterilisation eingegangen. Es genügt der Hinweis, dass eine Diskussion zwischen Einweg- und MehrwegElektroinstrumenten ohne Berücksichtigung der Wiederaufbereitung und der Patientensicherheit unvollständig wäre. Obwohl sich die Sterilisation als sicher und wirksam erwiesen hat, birgt das Versäumnis, ein Instrument zwischen den Einsätzen ordnungsgemäß zu sterilisieren, ein Risiko, das auch von den Konstrukteuren chirurgischer Elektroinstrumente berücksichtigt werden sollte. Einweginstrumente können vom OEMHersteller sterilisiert und verpackt werden, was bei einigen Anwendungen und in einigen Krankenhäusern zu einer erhöhten Patientensicherheit führen kann.

Beispiel:

Ein Forschungs- und Entwicklungsteam eines Unternehmens für medizinische Instrumente entwickelt ein neues Instrument mit den folgenden Spezifikationen:

  • Ein handgeführtes chirurgisches Elektroinstrument, das schwerwiegende Komplikationen verursachen kann, wenn es während eines Einsatzes nicht mehr richtig funktioniert.
  • Der Motordurchmesser darf 17 mm nicht überschreiten.
  • Der Motor muss kontinuierlich mit 5 mNm bei 15.000 U/min laufen
  • Da das Gerät batteriebetrieben ist, muss der Motor mit einem Wirkungsgrad von mindestens 80 % und einer Spannung zwischen 6 bis 9 Volt sowie einer Stromstärke von maximal 1,5 Ampere laufen.
  • Das Verfahren ist kostenintensiv, sodass der Motor nicht mehr als 20 $ zu den Kosten jedes Einsatzes beitragen darf.
  • Das Konstruktionsteam bevorzugt ein Einweginstrument, aber ein wiederverwendbares Modell ist möglich.
  • Es können Bürsten-Gleichstrom- oder BLDC-Motoren verwendet werden.

Die Konstrukteure wenden sich zunächst an einen Motorlieferanten, der sowohl Bürsten-DC- als auch BLDCTechnologien anbietet und über umfangreiche Erfahrungen auf dem Markt für chirurgische Elektroinstrumente verfügt. Der Motorlieferant wählt aus jeder Technologie einen Motor mit einem Durchmesser von weniger als 17 mm aus, der den Leistungs- und Kraftanforderungen am besten entspricht. Diese Optionen sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst:


Bürste, Gleichstrom
Bürstenlos, Gleichstrom
Maße  Ø 17mm, Länge 26 mm  Ø 13mm, Länge 47 mm
Max. Dauerdrehmoment (mNm)
 5.7mNm  9mNm
Empfohlene Höchstdrehzahl (U/min)
10.000 U/min 100.000 U/min
Steuerung
PWM BLDC-Steuerung mit Hallsensoren
Benötigte Spannung
7 V 9 V
Stromaufnahme
1,4 A 1,2A
Ausgangsleistung
9,8W 10,8W
Wirkungsgrad am Arbeitspunkt
80% 72%
Beispielspreis
$15 $160

Beide Optionen erfüllen die Anforderung eines Drehmoment von 5 mNm – das maximale Dauerdrehmoment des Bürsten-Gleichstrommotors ist mit 5,7 mNm nur geringfügig höher. Dies verkürzt die Lebensdauer des Motors, aber nicht so sehr, dass es für einen einzelnen Einsatz bedenklich wäre. Das größere Hindernis ist die Drehzahl von 15.000 U/min, die höher ist als die maximale Drehzahl des Bürsten-Gleichstrommotors. Für einen einmaligen Einsatz mag das akzeptabel sein, aber das Ausfallrisiko während des Einsatzes ist erhöht. Die Kosten für den Motor sind so gering, dass er nach jedem Gebrauch weggeworfen werden kann.

Der BLDC-Motor kann die Anforderungen an Drehzahl und Drehmoment problemlos erfüllen und könnte dies auch über viele Einsätze hinweg tun. Der Wirkungsgrad liegt jedoch etwas unter den angestrebten 80 %, und der Preis liegt deutlich über 20 $. Damit ein BLDC-Motor rentabel ist, müsste er für mindestens 8 Einsätze verwendet werden.

Aufgrund der Leistungs- und Preisanforderungen der Anwendung müssen die Konstrukteure zwischen einem Bürsten-Gleichstrommotor in einer Einwegausführung oder einem BLDC-Motor in einer MehrwegAusführung wählen. Ein wiederverwendbarer Bürsten-Gleichstrommotor ist in diesem Beispiel nicht möglich, da das Risiko eines Ausfalls bei mehr als einem Einsatz besteht. Außerdem ist ein Einweg-BLDCMotor aus Kostengründen nicht möglich.

Es stellt sich daher die Frage, ob das Risiko, dass ein Bürsten-Gleichstrommotor bei seinem ersten Einsatz aufgrund der hohen Drehzahl ausfällt, akzeptabel ist. Ist dies nicht der Fall, können die Konstrukteure die Geschwindigkeitsanforderungen reduzieren, was zu einem leistungsschwächeren Instrument führen wird. Oder sie entscheiden sich für das wiederverwendbare Modell und nehmen die geringere Effizienz in Kauf. Sie müssen auch den Rest des Instruments so gestalten, dass es sterilisierbar ist, und von ihren Kunden verlangen, dass sie das Instrument zwischen den Einsätzen sterilisieren. Beide Faktoren müssen bei der Berechnung der Gesamtkosten pro Einsatz berücksichtigt werden.

Schlussfolgerung

Die steigende Popularität von chirurgischen Einweg-Elektroinstrumenten hat zu einer erhöhten Nachfrage nach Bürsten-Gleichstrommotoren geführt, um die Konstruktionsziele zu erreichen. Wenn die Kosteneffizienz wichtiger als eine längere Lebensdauer des Motors ist, ist die BLDC-Technologie angesichts der Auswirkungen auf die Kosten der komplexeren Lösung möglicherweise nicht die beste Wahl. Die Wahl der Technologie hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab. Konstrukteure von chirurgischen Instrumenten profitieren in ihrem Entwicklungszyklus von einer frühzeitigen Zusammenarbeit mit einem Motorlieferanten, der über Fachwissen im Bereich der chirurgischen Konstruktion sowie über eine Reihe von BLDC- und Bürsten-DC-Lösungen verfügt.

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