Messtechnik Messsysteme für mehr Sicherheit in der Medizin

Bei medizintechnischen Anwendungen spielt die Messtechnik eine entscheidende Rolle: Sie muss nicht nur robust und präzise sein, sondern sich darüber hinaus idealerweise flexibel in die Mechanik der Diagnose- und Therapiegeräte integrieren lassen.

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Die Patientenliege fährt sanft nach oben, stoppt und fährt nun waagrecht in die Röhre des Computertomographen, um den Patienten dort auf den Millimeter genau für die Röntgenaufnahme zu platzieren. Kurz darauf beginnt die Untersuchung, bei der der Patient von allen Seiten Schicht für Schicht gescannt wird. Eine alltägliche Situation in zahlreichen Praxen und Kliniken, die ohne den Einsatz moderner Messtechnik so nicht möglich wäre.

Wenn in der Medizintechnik präzise mit Maschinen am Menschen gearbeitet wird, dann geht Sicherheit vor. Dies erfordert hochgenaue, robuste Messsysteme, die sich flexibel verbauen lassen und hohen Strahlenbelastungen standhalten. Die Längen- und Winkelmesssysteme von AMO zum Beispiel kommen seit mittlerweile 10 Jahren in der Medizintechnik zum Einsatz, bei der Computertomographie, Strahlentherapie oder der Patientenliegenpositionierung.

Verfeinerte Messschritte

Die Amosin-Systeme von AMO bestehen aus induktiven Sensoren und integrierter Auswerte-Elektronik. Sie funktionieren, indem eine hochgenaue Teilung aus in Stahl fotolithografisch geätzten Strukturen abgetastet wird. Die Auflösungen betragen bis zu 0,125 µm, die Genauigkeiten bis ±3 µm/m. „Bis zum Jahresende werden wir eine komplett überarbeitete Elektronik in unsere Längen – und Winkelmesssysteme integrieren“, berichtet Heinz Eisschiel, Geschäftsführer von AMO. „Die feinsten Messschritte werden dann bei bis zu 0,05 µm liegen, was noch mehr Präzision bedeutet.“

Die Genauigkeit soll bereits heute vergleichbar sein mit der optoelektronischer Messsysteme, was hauptsächlich auf das Herstellungsverfahren des stabilen Stahl-Maßbands und das sehr gute Sensorsignal mit einem Oberwellenanteil < 0,1 % zurückzuführen sein soll. Der Oberwellenanteil dient als Maß der erreichbaren Positioniergenauigkeit innerhalb einer Teilungsperiode. Das Messsystem hat zudem keine magnetischen Teile und ist laut AMO dadurch im Gegensatz zu magnetischen Messsystemen unempfindlich gegen jede Art von elektromagnetischen Störfeldern. Darüber hinaus soll das System auch hysteresefrei funktionieren.

Individuell anpassbarer Messring

Die Messsysteme von AMO kommen unter anderem in der Computertomographie zum Einsatz. Der Tomograph ist ein röhrenförmiges Gerät mit einer Hohlwelle von ca. einem Meter Durchmesser, in die der Patient geschoben wird. Um die Welle rotiert ein Direktantrieb oder Motor. Dieser ist mit einem individuell anpassbaren Messring mit verschiedenen Durchmessern ausgestattet. Der Vorteil der AMO-Masssysteme: Sie passen sich der vorgegebenen Konstruktionen oder Baugrößen an und lassen sich unkompliziert in die jeweilige Applikation integrieren, erklärt das Unternehmen.

Der Körper des Patienten wird von allen Seiten Schicht für Schicht gescannt, im Computer übereinandergelegt und als Gesamtbild zusammengerechnet werden. Der Zeitpunkt beziehungsweise die Position, wann ein Bild aufgenommen wird, bestimmt ein integrierter Geber. Dieser liefert eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung, um die Aufnahmen auszulösen. Da jeder CT-Hersteller eine eigene Technik verwendet und die Anzahl der Bilder pro Umdrehung entsprechend variiert, ist die Flexibilität der Signalausgabe des Messsystems entscheidend. Bei den AMO-Produkten könne die auszugebende Impulszahl unabhängig von der Strichzahl des Messringes direkt im Abtastkopf erzeugt und auf die gewünschte Impulszahl hin umgerechnet werden, so der Hersteller. Die Auflösung wird für jeden Anwender individuell abgestimmt.

Unempfindlich gegen Strahlung

Bei der Strahlentherapie kommt das AMO-Messsystem im Therapieroboter zum Einsatz. Die Komponenten sind in den Schwenkachsen des Geräts zur genauen Positionierung der Strahlenquelle verbaut. So können Tumore oder Krebszellen zielgerichtet bestrahlt werden. Die Geräte von AMO sind so robust, erklärt der Hersteller, dass die hochenergetische Strahlung keinen negativen Einfluss auf die elektronischen Bauteile hat. „Unsere Elektronik wurde im Vorfeld in Dauertests hochdosierter Strahlung ausgesetzt“, erzählt Engelbert Hager aus dem Qualitätsmanagement bei AMO. „Die Komponenten haben dem ohne Probleme oder Beschädigungen über die gesamte simulierte Lebensdauer der Maschinen standgehalten.“

Um diese Beständigkeit zu erreichen, verwendet AMO einen Miniatur-Abtastkopf, in dem fast keine eigene Elektronik verbaut ist. Das Gerät wird stattdessen mit einem Kabel an die Hauptelektronik des Kopfes angeschlossen, die in einem strahlungsarmen Umfeld positioniert wird. „Die Auswerte-Elektronik wird einfach ausgelagert, da der Antrieb und der Geber sehr nah an der Strahlungsquelle verbaut werden“, berichtet Hager. „Je weniger Elektronik sich in der Nähe der Strahlenquelle befindet, desto geringer ist auch die Beeinträchtigung.“

Flüsterleise positionieren

Auch Patientenliegen werden technisch ständig weiterentwickelt, um bei der Positionierung des Menschen höchste Präzision zu erreichen. Mit den Messsystemen von AMO lassen sich Liegen über einen Linearmotor auf der X- oder Y-Achse positionieren. Damit stellen sie eine Alternative zu Lösungen mit Kugelgewindetrieb oder Riemenantrieb dar, die z.B. über den Motorgeber positionieren. Ein weiterer Vorteil laut AMO bestehe darin, dass die Geräte durch den Einsatz der AMO-Technik besonders leise arbeiten sollen. So werde der Patient nicht zusätzlich durch laute Geräusche verwirrt oder beunruhigt.

„Es ist sehr gut vorstellbar, dass die Messsysteme von AMO in Zukunft im medizintechnischen 3D-Druck eingesetzt werden“, sagt Engelbert Hager. „Implantate in der Orthopädie oder Zahnmedizin lassen sich heute bereits als 3D-Modelle drucken, in Zukunft können mit dieser Technologie vielleicht sogar Gewebeteile oder Adern künstlich reproduziert werden“, so Hager weiter.

Auch für Druckapplikationen geeignet

Die Messsysteme von AMO sollen sich laut Angaben des Unternehmens besonders gut für Druck-Applikationen eignen, weil sie eine hohe Auflösung und Genauigkeit bieten und sich durch eine hohe Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen auszeichnen würden.

Sie würden derzeit zum Beispiel in Printern zur Plakat- oder Stoffbedruckung zum Einsatz kommen. „Da spritzt die Farbe auch schon mal auf das Messsystem und es kommt zu Verunreinigungen“, sagt Hager. Wenn das Messsystem im 3D-Printer mit dem Basismaterial in Kontakt käme, dürfe dies nicht zu Fehlermeldungen oder Ausfällen führen. Die robusten Messsysteme von AMO würden also auch hier Vorteile bieten, nicht zuletzt durch ihre lange Lebensdauer und Wartungsfreiheit.

Dieser Beitrag erschien zuerst in unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.

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