Schwerer Patient, kleiner Motor

Für Scanner oder Patiententische eingesetzten Achsen müssen sanfte, automatisierbare Bewegungen ermöglichen, die präzise genug sind für den Einsatz bildgebender Verfahren. Wegen ihrer kompakten Bauweise und auch aus Kostengründen werden dafürSysteme mit hochpräzisen Planetengetrieben und bürstenlosen Servomotoren eingesetzt. Da dieser Getriebetyp auch mit kleineren Motoren hohe Leistungen ermöglicht, sinken die Kosten für das Gesamtgerät. Darüber hinaus lassen kleinere Komponenten mehr Platz für die Geräteverkleidung.

In der Medizintechnik werden solche Antriebslösungen bei den heute weit verbreiteten Abtastsystemen genutzt, wie beispielsweise der Computer-(CT), Magnetresonanz- (MRT) oder Positronenemissions-Tomographie (PET). Die Herz-Kreislauf-Diagnose stellt hierbei die höchsten Anforderungen an koordinierte, synchronisierte Bewegungen: Kardio-Scanner arbeiten häufig mit sechs oder sieben Bewegungsachsen, der zugehörige Patiententisch mit weiteren vier oder fünf. Für vollständige 360-Grad-Abtastungen müssen all diese Achsen koordiniert werden. Und da die gesamte Hardware vom Scanner- oder auch Tischgehäuse umschlossen sein muss, ist der Einbauraum ein weiterer einschränkender Faktor.

Das zulässige Patienten-Höchstgewicht, Sicherheitsfaktoren und die Masse der Geräte machen es erforderlich, dass in diesem Umfeld alle Achsenbewegungen langsam erfolgen. Dennoch müssen wegen des Platzmangels kleine, schnelle Motoren verwendet werden. Demzufolge ist ein Getriebesystem erforderlich, das die Motordrehzahl untersetzt und das Ausgangsdrehmoment erhöht. Ein hoher Wirkungsgrad ist unverzichtbar, um eine übermäßige Wärmeentwicklung zu verhindern und so viel nutzbare Antriebsleistung wie möglich zu gewinnen.

Das Verdrehspiel ist eine weitere, wichtige Größe. Es tritt immer dann auf, wenn die Drehrichtung einer Achse umgekehrt wird, beispielsweise wenn der Scanner oder Tisch aus der Vorwärts- in die Rückwärtsbewegung wechselt. Jede mechanische Lücke oder Unebenheit während dieses Vorgangs wirkt sich nachteilig auf die Bildqualität aus.

Die Konstruktionsweise der Micron-Planetengetriebe bietet für solche Anwendungen ein sehr hohes Ausgangsdrehmoment und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad. Die Geräuschentwicklung bleibt gering, auch das Flankenspiel wurde minimiert. Damit lassen sich kleine Servomotoren einsetzen, sodass Kardio-Abtasteinheiten und Patiententische insgesamt kompakter gebaut werden können. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die medizinischen Betreuer beim Einrichten der Abtastung näher am Patienten stehen können.

Ein gutes Einsatzbeispiel für die Planetengetriebe sind auch die Patiententische für Kardio-Scanner. Zur Standardkonfiguration gehören vier Bewegungsachsen. Die Höhenachse ermöglicht die Auf- und Abwärtsbewegung mit einem linearem Kugelgewindetrieb. Dieser lässt sich über ein Micron-Planetengetriebe vom Servomotor antreiben. Die zweite Achse, die Neigungsachse, bringt den Tisch in der Horizontalen in die richtige Position, also entweder in die aufrechte oder Überkopfstellung des Patienten. Diese Achse dient der dynamischen Abtastung arterieller Erkrankungen wie Gefäßverengungen. Die Bewegung der Neigungsachse erfolgt über einen ähnlichen Linearantrieb wie bei der Ansteuerung der Höhenachse.

Die Vorwärts-Rückwärts-Bewegung als dritte mögliche Bewegung übernimmt die Querachse. Erreicht wird diese Bewegung über einen Zahnstangenantrieb, dessen Ritzel direkt an die Abtriebswelle eines Micron-Planetengetriebes montiert ist, das wiederum von einem Servomotor angetrieben wird. Die Längsachse schließlich erlaubt die Bewegung des liegenden Patienten von links nach rechts und rechts nach links. Der Antriebsmechanismus entspricht dem der Querbewegung, besteht also aus einem Zahnstangenantrieb mit Getriebe und Motor.

Die Planetengetriebe in diesen Anwendungen lassen sich in der Regel zwei Typen zuordnen: Für leistungsintensive Anwendungen mit geringem Flankenspiel werden die schrägverzahnten Getriebesysteme der Baureihe Micron UT/VT verwendet. Bei dieser Bauart bildet die Abtriebswelle ein einteiliges Bauteil. Es wird aus Edelstahl-Vollmaterial gefräst. Das bietet Sicherheit, die insbesondere für die Höhen- und Neigungsachse erwünscht ist. Für hohe Leistung bei niedrigeren Kosten wird die Baureihe Micron XT bevorzugt. Sie ermöglicht ein geringes Flankenspiel und lässt sich gut für Bewegungen in horizontaler Ebene einsetzen, wenn die Vorgaben nicht so strikt sind wie bei der Höhen- und Neigungsachse.

Dass solche Systeme in Zukunft häufiger gebraucht werden, ergibt sich aus der steigenden Zahl der älteren Menschen und dem kostensenkenden Effekt der Vorsorgeuntersuchungen im Bereich der Herz-Kreislauf-Erkrankungen. So wird der Bedarf für hochpräzise Untersuchungssysteme steigen – und damit die Nachfrage nach Getrieben, die den Anforderungen entsprechen.

Theodor Moser Thomson Linear, Düsseldorf

Planetengetriebe werden in der Medizintechnik für Blut- und Infusionspumpen, Zahntechnikausrüstung, Hubeinrichtungen, Herz-Lungen-Maschinen sowie Dialysestationen genutzt. Darüber hinaus ermöglichen sie den fehlerfreien Betrieb bildgebender Diagnosegeräte inklusive der zugehörigen Patiententische. In den True-Planetengetrieben von Thomson Micron sind die Vorteile des ballig gefrästen Zahnprofils und der Schrägverzahnung mit der Planetenbauweise kombiniert. Mit ihren rechtwinkligen Bauformen bieten sie bereits in den Standardausführungen Übersetzungen bis 500:1. Für Medizingerätehersteller interessant sind die Getriebe wegen ihrer Planetenräder, die sich auf schwenkbaren Achsen befinden und sich automatisch ausrichten, um eine bessere Überdeckung mit dem Antriebsritzel und dem Außenring zu erzielen. Auch wird die Last dynamisch unter den Planeten aufgeteilt. Das steigert die Drehmomentleistung im Vergleich zur Konfiguration mit fest positionierten Planeten um 25 %. Ein weiterer Nebeneffekt sind weniger Vibrationen, weniger Reibungsverluste und ein um 3 bis zu 11 % verbesserter Wirkungsgrad. Gleichzeitig lässt sich die Drehmomentwelligkeit um 20 % reduzieren.