Die passenden BLDC-Motoren für chirurgische Anwendungen auswählen

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Bürstenlose DC-Motoren, die in chirurgischen Apparaten verbaut werden, müssen ganz spezielle Anforderungen erfüllen. Welche das sind, erfahren Sie in diesem Beitrag.
BLDC-Motoren

Quelle: Portescap

Jahrzehntelang stellten bürstenlose DC (BLDC)-Motoren die bevorzugte Wahl für OEMs dar, die sich auf Elektrochirurgieinstrumente spezialisiert haben. BLDC-Motoren bieten ein gutes Leistungs-Gewicht-Verhältnis und hohe Drehzahlen, wodurch einerseits die erforderliche Leistung gegeben ist, andererseits aber auch der ergonomische Vorteil gewahrt bleibt. Die Leichtigkeit, mit der die Leistungsausgabe gesteuert werden kann, und der geringe Wartungsaufwand, tragen ebenfalls dazu bei, dass das chirurgische Instrument während der Dauer seines Einsatzes eine präzise und kontinuierliche Leistung bietet.

Neben der Zuverlässigkeit und Leistung müssen die Entwickler chirurgischer Produkte auch berücksichtigen, dass das Produkt in der Lage ist, die strengen Hygieneauflagen zu erfüllen, die bestehen, um das sterile Feld im OP zu wahren.

BLDC-Motoren: Möglichkeiten zur Wahrung des sterilen Felds

Der Begriff „steriles Feld“ bezieht sich auf die Praxis, einen aseptischen Bereich zu schaffen, der frei von Mikroorganismen gehalten wird, um Infektionen, Kreuzkontaminationen und die Ausbreitung von Krankheiten zu vermeiden. Entwicklungsingenieure müssen die Implikationen der Sterilisation berücksichtigen und eine Lösung entwickeln, bei der sämtliche Komponenten vor dem Reinigungsprozess geschützt sind – oder diesem standhalten können. Es gibt vier übliche Herangehensweisen, um sicherzustellen, dass das Instrument in einem sterilen Zustand eingesetzt werden kann.

Einmalinstrumente: Ein Ansatz ist es, Einmalinstrumente zu entwickeln, die direkt nach dem Eingriff entsorgt werden. In diesem Fall können die Ingenieure kostengünstige Motoren mit erheblich kürzeren Lebensdauern verwenden. Obwohl diese Herangehensweise den Sterilisationsprozess vereinfacht und die Notwendigkeit beseitigt, die Instrumente zu warten, steigert sie die vom Krankenhaus erzeugte Menge an Sondermüll. Auch ist eine regelmäßige Versorgung mit zu wartenden Instrumenten erforderlich. Dies wäre normalerweise beim Vergleich mit den Gesamtbetriebskosten eines wiederverwendbaren Instrumentes die am wenigsten wirtschaftliche Methode für ein Krankenhaus.

Beispiele für chirurgische Robotik-Technologie und elektrochirurgische Handinstrumente.Quelle: Portescap
Beispiel für chirurgische Robotik-Technologie und elektrochirurgische Handinstrumente.

Moduldesign mit nicht sterilisierbaren Komponenten: Ein anderer Ansatz ist, das Produkt so zu konzipieren, dass nur die exponierten Komponenten sterilisiert werden müssen. Bspw. können sich der BLDC-Motor und das dazugehörige Steuergerät und der Akku im Gehäuse des Produkts befinden und vor der Sterilisation entnommen werden. Obwohl diese Herangehensweise ermöglicht, dass das chirurgische Instrument oft wiederverwendet werden kann, erfordert sie aufgrund des häufigen Anschlusses und Trennens der elektronischen Komponenten, dass diese äußerst robust sind.

Schutzbarriere: Eine Lösung, die für große chirurgische Robotiksysteme oder für medizinische Eingriffe mit weniger strengen Sterilisationsvorgaben (wie bspw. in der Zahnmedizin) beliebt ist. Eine sterile Barriere wird mittels einer Kunststoffabdeckung geschaffen, die das Gerät vom sterilen Feld trennt. Diese Lösung erfordert normalerweise, dass sich der Motor an anderer Stelle als der chirurgische Endeffektor befindet, und die Bewegung mittels einem Kabelantrieb übertragen wird. Dies ist bei Handinstrumenten eventuell nicht möglich, da der Chirurg in der Lage sein muss, die Position des Instrumentes präzise zu navigieren, um eine schwierige Aufgabe zu bewältigen. Ein weiterer Nachteil der Schutzbarriere ist die Zeit, die benötigt wird, um die komplexe Anordnung der Abdeckungen zu bewerkstelligen, sowie die möglichen Auswirkungen der Abdeckung auf die Sicht und die Ergonomie während der OP.

Sterilisierbare Motoren: Obwohl bei den oben genannten Methoden stets die empfindlichen Teile beim Sterilisationsprozess entfernt werden müssen, verwenden einige Ingenieure lieber Komponenten, die einer Sterilisation standhalten. Die Einführung sterilisierbarer BLDC-Motoren hat die Entwickler von Instrumenten in die Lage versetzt, chirurgische Geräte zu liefern, die ohne vorbereitende Schritte den Sterilisationsprozess durchlaufen können. Die am häufigsten in Krankenhäusern zur Sterilisation angewendete Methode ist das Autoklavieren, d.h. der Motor muss hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und Druckschwankungen ausgesetzt werden können.

Was ist ein Autoklavierzyklus?

Autoklavieren – oder Dampfsterilisation – ist eine wirksame Methode zur schnellen Beseitigung von Mikroorganismen von der Oberfläche eines Produkts, indem man dieses in einer Druckkammer Dampf aussetzt. Während des Autoklavierens werden chirurgische Instrumente bis zu 18 Minuten einer Feuchtigkeit von 100%, Temperaturen von bis zu 135°C und Druckschwankungen ausgesetzt. Die meisten Autoklaven bieten weitere Vakuumzyklen, um sicherzustellen, dass der Dampf sämtliche exponierten Flächen erreicht, und sämtliche Bakterien, Viren, Pilze und Sporen abtötet, die sich in den mikroskopisch kleinen Vertiefungen des Produkts verbergen können.

Quelle: Portescap
Beispiel für chirurgische Robotik-Technologie und elektrochirurgische Handinstrumente.

Die Exposition gegenüber solch extremen Umgebungsbedingungen könnte bei dem meisten normalen BLDC-Motoren dauerhafte Schäden verursachen. Daher ziehen Konstrukteure eventuell eher eine der ersten drei oben genannten Herangehensweisen in Betracht. Portescap ist ein führender Hersteller von sterilisierbaren Motoren, die speziell für chirurgische Anwendungen entwickelt wurden. Seine BLDC-Motoren halten nachweislich mehr als 3.000 Autoklavierzyklen stand – dies übersteigt bei weitem die Lebensdauer fast sämtlicher Chirurgie-Roboter oder Elektroinstrumente.

Genutete im Vergleich zu nutenlosen Motoren

Herkömmliche motorisierte Handinstrumente und roboterassistierte chirurgische Produkte können von BLDC-Motoren mit einer genuteten oder nutenlosen Konfiguration profitieren. Beide haben ihre charakteristischen Vorteile: Daher ist es wichtig, dass Konstruktionsingenieure die speziellen Anforderungen ihres Produkts bei der Auswahl der geeigneten Technologie berücksichtigen.

Quelle: Portescap
Vor- und Nachvakuum-Autoklavierzyklus der Klasse B.

Das Unterscheidungsmerkmal zwischen genuteten und nutenlosen Motoren ist die Art des Stators. Das herkömmliche genutete Design weist genutete Stahllamellen auf, in denen sich die Kupferwicklungen befinden. Im Gegensatz dazu, weist ein nutenloser Motor einen glatten Stator auf, das Kupfer wird in einem separaten Vorgang gewickelt, in Epoxidharz eingebettet und in Form einer „selbsttragenden“ Spule eingesetzt.

Die genutete BLDC-Technologie hat sich seit mehr als 30 Jahren als Lösung für den Chirurgie-Motoren-Markt bewährt. Die Wicklung ist, nachdem sie in die Statornuten eingesetzt wurde, inhärent geschützt. Zusätzliche Isolierungen und Gussteile können einfach ergänzt werden, ohne dass hierdurch die Motorleistung beeinträchtigt wird. Dies bietet einen besonderen Vorteil bei Motoren, die extremen Umgebungsbedingungen standhalten müssen – wie Autoklavieren oder eine regelmäßige Exposition gegenüber Kochsalz und anderen Kontaminantien.

Weitere Vorteile der genuteten Konstruktion sind ein kleinerer magnetischer Luftspalt, wodurch dünnere Magnete verwendet werden können, und ein höherer Leistungskoeffizient erzielt wird. Darüber hinaus kann die Elektromagnetik für höchste Präzision einfach individuell gestaltet werden, indem die Wicklungen, die Länge des Lamellenpakets usw. angepasst werden. Des Weiteren verbessert der genutete Stator die Wärmeverteilung und bietet so ein höheres Dauerdrehmoment.

Quelle: Portescap
Portescap-Motoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen für die chirurgische Robotik eingesetzt.

Nutenlose BLDC-Motoren wurden ursprünglich konstruiert, um das konstruktionsbedingte Rastmoment zu beseitigen, welches ruckartige Drehbewegung des Motors mit sich führt.Bei diesem Design ist die magnetische Induktion in der Spule vermindert, da der Luftspalt groß ist, daher wird normalerweise ein größerer, leistungsstärkerer Magnet benötigt. Es ist auch schwieriger – wenn auch immer noch möglich – einen nutenlose Motor vor der Dampfsterilisation zu schützen, da die Wicklungen nicht den Halt durch die bauliche Stuktur des genuteten Stators haben. Dennoch führen das beseitigte Rastmoment und der sich daraus ergebende gleichmäßige Lauf des Motors und sein hohes Spitzendrehmoment dazu, dass nutenlosen Motoren bei einigen Produkten immer noch der Vorzug gegeben wird.

Abschließende Überlegungen

Moderne chirurgische Produkte – sowohl Handinstrumente als auch roboterassistierte Geräte – weisen äußerst anspruchsvolle und präzise Anforderungen hinsichtlich der Bewegung auf. Das Design bürstenloser DC-Motoren bietet die notwendige Flexibilität, Präzision und Zuverlässigkeit, doch jedes chirurgische Instrument bringt seine einzigartige Palette an zusätzlichen Anforderungen an die Leistung mit. Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss der Konstrukteur die Nischenfunktionen berücksichtigen, die die riesige Auswahl an auf dem Markt erhältlichen BLDC-Motoren sowie das Bewegungssteuerungszubehör bieten.

Für viele chirurgische Eingriffe ist eine hochpräzise Steuerung des Motors erforderlich. Dies gilt insbesondere für roboterassistierte chirurgische Produkte. Häufig gehen die Anforderungen an die Präzision über die Möglichkeiten eines herkömmlichen Hall-Sensors hinaus (der normalerweise eine Rotorposition in 60°-Schritten erkennt) und erfordern einen Geber – der eine Rückmeldung zur Drehzahlsteuerung ermöglicht und den Rotor in Schritten von weniger als 1° positioniert. Sowohl die optische als auch die Magnettechnologie wird häufig bei Drehgebern verwendet, wenn auch magnetische Geber normalerweise eine robuste und zuverlässige Option darstellen, sofern sie dem Autoklavieren standhalten sollen.

Quelle: Portescap
Explosionszeichnung von typischen bürstenlosen Motoren.

Die Zusammenarbeit mit einem Motorzulieferer, der die Anforderungen an die Leistung bei chirurgischen Anwendungen versteht – und das erforderliche technologische Knowhow und die entsprechende Erfahrung mitbringt, um diese Anforderungen zu erfüllen – beschleunigt häufig die Forschung und Entwicklung und den Prototypenbau, um eine zuverlässige und effektive Lösung auf den Markt zu bringen. Das Ingenieurteam von Portescap arbeitet seit über 30 Jahren daran, das Design der sterilisierbaren BLDC-Motoren des Unternehmens kontinuierlich zu verbessern – BLDC-Motoren, die bereits in vielen Millionen Operationen weltweit zum Einsatz kamen.

Lesen Sie auch: Elektrowerkzeuge: Mit dem richtigen Motor Designkompromisse vermeiden

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