Medizinroboter

Mit dem richtigen Antrieb auf dem Weg durchs Gehirn

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Controller und Servotechnik | Präzise und ohne das Gewebe zu schädigen soll sich ein beweglicher Katheter auf den Weg durch das Gehirn machen, um zum Beispiel Wirkstoffe zu platzieren, die das Wachstum eines Tumors stoppen. Das erfordert präzise Antriebe, Servos und Controller.

Thomas Herold
Fachjournalist in Ubstadt-Weiher

Am Imperial College of London wollen Forscher die Verfahren in der Neurochirurgie verbessern – genauer gesagt, weniger invasive Eingriffe ermöglichen und sich in Richtung Knopfloch-OP oder Schlüssellochchirurgie vorwagen.

Ziel des EU-Projekts Eden2020, an dem mehrere Universitäten beteiligt sind, ist es, Fortschritte beim Behandeln von Hirnerkrankungen zu erzielen, die eine lokale Arzneimittelabgabe erfordern. Dafür werden mehrere technische Ansätze vereint. Eine Schlüsselkomponente dabei ist die robotergestützte Kathetersteuerung: Sie soll dafür sorgen, dass das Arzneimittel exakt an der dafür vorgesehenen Stelle im Gehirn abgegeben wird.

Robotergesteuerte Katheter mit geschliffener Spitze – also lenkbare Nadeln – ermöglichen es dem Chirurgen, präzise durch das Gehirn zu navigieren. Sein Ziel könnte ein Tumor sein, dessen Wachstum durch ein Arzneimittel unterbunden werden soll. Die Bewegungsabläufe der Katheter sind daraufhin optimiert, dass empfindliche Hirnregionen nicht beeinträchtigt werden. Das Manövrieren erfolgt mit höchster Genauigkeit, um das Risiko zu minimieren.

Präzise steuern – denn schon ein Ruckeln könnte schaden

Damit sich die lenkbaren Katheter durch das Gehirn steuern lassen, müssen bis zu vier Achsen gleichzeitig synchronisiert werden, mit einer Genauigkeit von bis zu 10 μm – denn schon ein Ruckeln beim Verfahren des Katheters könnte ernsthafte Schäden am Gehirn des Patienten anrichten.

Für den Antrieb und die präzise Steuerung des Medizinroboters wurden unter anderem Servoantriebs- und Motion-Control-Lösungen des Antriebsspezialisten Elmo Motion Control GmbH aus Viernheim bei Mannheim ausgewählt. Der Motion Controller Platinum Maestro synchronisiert die vier Achsen, die den Katheter mit einer EtherCAT-Zykluszeit von 250 μs voran bewegen. „Das System ist in der Lage, die sich intraoperativ kontinuierlich verändernde Hirnanatomie mit einer unerreichten Genauigkeit und hohen Aktualisierungsraten wahrzunehmen und zu erkennen“, erklärt Prof. Ferdinando Rodriguez Y Baena, Koordinator des Projekts. Der Controller eigne sich sehr gut für solch anspruchsvolle Anwendungen mit mehreren Achsen. Seine Rechenleistung, die für hochsynchronisierte Systeme nötig ist, sowie viele verfügbare Bewegungsalgorithmen machen ihn zu einer Lösung für Maschinen und Roboter, die sehr schnell und präzise funktionieren müssen.

Die Katheternadel, die sich auf dem programmierten Weg durch das Gehirn bewegt, besteht aus vier biokompatiblen, flexiblen, ineinandergreifenden Plastiksegmenten. Jedes von ihnen verfügt über einen Kanal, in dem sich das Arzneimittel befindet, und einen Kanal mit einem Glasfaserkabel, das zur Wahrnehmung der Formen verwendet wird. Die Steuerbarkeit der Nadel basiert insgesamt auf dem synchronisierten Antrieb jedes einzelnen Segments. Wenn sich beispielsweise einige Segmente auf eine bestimmte Art voran bewegen, während andere sich nicht bewegen, kann sich die Nadel biegen und wölben, während sie dem Druck durch das umgebende weiche Gewebe ausgesetzt ist.

Kleine eisenlose Motoren
bewegen die Segmente

Jedes Segment bewegt sich mithilfe eines kleinen eisenlosen Motors, der mit dem Gold-Twitter-Servoantrieb kombiniert ist. Der Gold Twitter verfügt über eine Nennleistung bis zu 4 kW, Nennströme bis zu 50 A und Versorgungsspannungen bis 196 VDC. Die Kommunikation erfolgt über EtherCAT- oder CANopen-Schnittstellen in Echtzeit und erlaubt laut Hersteller einen problemlosen Mehrachsbetrieb.

Der Gold Twitter entspricht den internationalen Standards in Bezug auf EMV und funktionale Sicherheit (STO). Für diese Applikation ausgewählt wurde er wegen seiner Größe von 35 mm x 30 mm x 12,8 mm und dem Gewicht von 18 g. So ließen sich die Standfläche und das Gewicht der mobilen chirurgischen Station klein halten. Seine gute EMV-Verträglichkeit verdankt der Gold Twitter Servoantrieb der Fast and Soft Switching Technology (Fasst-Schalttechnologie), die einen Wirkungsgrad von über 99 % ermöglicht, was gerade bei medizinischen Anwendungen ein wesentlicher Faktor ist.

Eloise Matheson, Doktorandin für Mechatronik in der Medizin am Imperial College of London, lobt die Geräte: „Der Platinum Maestro ist ein Motion Controller, der dem Anwender viele Werkzeuge und Merkmale zur Verfügung stellt, die die Implementierung von Maschinenbewegungen enorm vereinfachen.“ Für das Imperial College of London waren die einfache Kopplung des Platinum Maestro mit allen Antrieben und die automatischen EtherCAT-Konfigurationen mit allen Schnittpunkten entscheidend. Darüber hinaus erwies es sich als nützlich, dass der Platinum Maestro alle Antriebsparameter kontrollieren kann.

www.elmomc.com


Über den Controller

Der Platinum Maestro bietet laut Hersteller kurze Netzwerkzykluszeiten sowie deterministische Nutzerprogramme. Überlagerte Bewegungen, Echtzeit-Updates von Zielpositionen, 1D-, 2D- und 3D-hochauflösende Positionsfehlerkorrektur sind ebenso möglich wie elektronische Kurvenscheiben, Smart-Gearing, hohe mehrteilige Bewegungssegmente und Bahnkurven. Auch Interpolationen mit Polynomen bis zur 7. Ordnung können damit umgesetzt werden. Position Velocity Time (PVT), Position Time (PT) und Spline-Profilierung ermöglichen eine ruckfreie Bewegung, wie sie für die Kathetersteuerung erforderlich ist. Das Mehrachs-Motion-Szenario wurde mit hoher Präzision und, durch die hohe Bandbreite, in sehr kurzen Reaktionszeiten ausgeführt.

Der Platinum Maestro verfügt über einen leistungsfähigen integrierten Dual-Core Prozessor (2 x 1,5 GHz) mit großem Speicher (RAM, ROM, und SD-Karte) und zusätzlichen Onboard-Hardware-Peripheriegeräten.

Vier Motoren muss der Controller Platinum Maestro in der Neurochirurgie-Anwendung präzise kontrollieren und synchronisieren
Bild: Elmo


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