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#Neues aus der Industrie
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Erfüllen Sie Ihre Ziele bei der Entwicklung chirurgischer Geräte mit bürstenlosen Miniatur-Gleichstrommotoren
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Überlegungen zur Auswahl einer Mini-Motortechnologie-Lösung zur Lösung Ihrer Herausforderungen bei der Entwicklung chirurgischer Geräte
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Angetriebene chirurgische Handwerkzeuge sind eine tragende Säule im Operationssaal. Seit Jahrzehnten verlassen sich Chirurgen und Gerätehersteller auf sterilisierbare bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), um die Anforderungen an Drehmoment, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit von chirurgischen Handwerkzeugen zu erfüllen. Mit dem Vormarsch der Chirurgierobotik und robotergestützter chirurgischer Geräte setzen Gerätehersteller weiterhin auf BLDC-Motoren, um ihre hohen Anforderungen zu erfüllen. Motoren und Bewegung sind in der Robotik von zentraler Bedeutung, jedoch unterscheiden sich die Anforderungen an Motoren in der chirurgischen Robotik etwas von den typischen Anforderungen sowohl der traditionellen Robotik als auch der traditionellen chirurgischen Handwerkzeuge.
Unabhängig von der Art des Geräts brauchen Chirurgen sterile Werkzeuge, auf die sie sich verlassen können. Sie benötigen Geräte, die trotz des anspruchsvollen Feldeinsatzes und der wiederholten Dampfsterilisation bei der Aufbereitung zuverlässig und konsistent funktionieren.
Neben den Anforderungen an die Zuverlässigkeit müssen die Konstrukteure von chirurgischen Geräten auch anspruchsvolle Bewegungsprobleme lösen: exakte Geschwindigkeits- und Drehmomentanforderungen, Temperatur- und andere Einschränkungen oder extreme Anforderungen an die Positionssteuerung. Diese Gerätehersteller benötigen Bewegungssteuerungslösungen, die ideal für ihre Anwendung geeignet sind und die entsprechend angepasst wurden, um sich sowohl in ihr Werkzeug zu integrieren als auch die richtigen Kompromisse zur Leistungsoptimierung einzugehen.
Methoden zur Aufrechterhaltung und Erhaltung des sterilen Feldes im Operationssaal
Infektionen, Kreuzkontaminationen und die Ausbreitung von Krankheiten sind wichtige Probleme im Operationssaal. Hier sind die gängigsten Ansätze zum Schutz des Werkzeugs im sterilen Feld:
Das Einwegwerkzeug
Ein Ansatz ist, dass das Krankenhaus Einwegwerkzeuge verwendet. Diese verwenden in der Regel preiswerte Motoren (eine lange Lebensdauer ist nicht erforderlich) und Kunststoffkomponenten. Diese Werkzeuge müssen nach jeder Operation entsorgt werden. Dieser Ansatz vereinfacht zwar die Wiederaufbereitung und macht die Wartung der Werkzeuge überflüssig, erfordert aber auch einen konstanten Vorrat an Werkzeugen und erhöht die Menge des vom Krankenhaus produzierten Sondermülls. Darüber hinaus sind Einwegwerkzeuge in der Regel nicht die wirtschaftlichste Option, wenn man sie mit der Gesamtlebensdauer eines wiederverwendbaren Werkzeugs vergleicht.
Modulares Design für die Sterilisation mit nicht sterilisierbaren Komponenten
Ein anderer Ansatz besteht darin, das Gerät so zu konstruieren, dass exponierte Komponenten sterilisiert werden und andere nicht. Der BLDC-Motor und die dazugehörige Steuerung und der Akku können sich beispielsweise im Gerät befinden, so dass das Krankenhauspersonal den Motor/Akku vor der Sterilisation aus dem Gerät entfernen muss. Dieser Ansatz erfordert, dass ein spezieller Prozess korrekt befolgt wird, um sicherzustellen, dass das wiederaufbereitete Werkzeug ordnungsgemäß sterilisiert wird, und erfordert möglicherweise auch haltbarere elektronische Komponenten und Verbindungen in der Konstruktion aufgrund des wiederholten Trennens und Wiederanschließens von Motor und Akku vom System.
Schutzbarriere
Ein weiterer Ansatz besteht darin, den Roboterarm oder das Instrument mit einer (typischerweise wegwerfbaren) sterilen Barriere zu bedecken, z. B. mit einer Kunststoffabdeckung oder einer Kunststoff-"Muschel". Bei erfolgreicher Ausführung definiert die Barriere das sterile Feld gut und eliminiert die Notwendigkeit, dass Komponenten außerhalb des Feldes wiederaufbereitet werden müssen. Dieser Ansatz ist eine typische Designkomponente für große chirurgische Robotersysteme - für die eine Autoklavierung des gesamten Systems unpraktisch ist. Die ergonomischen Anforderungen von Robotersystemen unterscheiden sich auch von der traditionellen Chirurgie mit Handwerkzeugen - z. B. kann der Motor physisch vom chirurgischen Endeffektor entfernt sein und die Bewegung über einen Kabelantrieb übertragen, was bei der traditionellen Chirurgie möglicherweise nicht praktikabel ist, wenn ein Chirurg versucht, ein Handwerkzeug präzise zu manipulieren, um eine heikle Aufgabe auszuführen. Beachten Sie, dass dieser Konstruktionsansatz auch für medizinische Verfahren typisch ist, die weniger strenge Sterilisationsanforderungen haben, wie z. B. zahnmedizinische und Tattoo-Anwendungen. Dieser Ansatz hat auch seine Schattenseiten: Komplexe Abdeckungsschemata, die ein systematisches Entfernen und Ersetzen erfordern, können die Zeit, die der Operationssaal für einen Eingriff benötigt, erheblich verlängern. Außerdem sind die Abdeckungen oft sperrig und unhandlich, was die Sicht im Operationssaal einschränkt und die Ergonomie negativ beeinflusst.
Die autoklavierbare Motorlösung
Schließlich - das Gerät kann so konstruiert werden, dass alle Komponenten sterilisierbar sind, einschließlich der Motoren. Die Einführung sterilisierbarer BLDC-Motoren vor mehr als 30 Jahren ermöglichte es den Konstrukteuren von Werkzeugen, leistungsstarke, ergonomische Werkzeuge zu produzieren, bei denen man sich darauf verlassen konnte, dass sie steril sind, weil das gesamte Werkzeug den Sterilisationsprozess durchlaufen hatte. Die Vorteile lassen sich auf robotergestützte chirurgische Geräte übertragen, die in der Regel ebenfalls ein steriles Gehäuse mit geringer Größe, hoher Leistung, Haltbarkeit, Effizienz, geringer Geräuschentwicklung und langer Lebensdauer erfordern.
Autoklavierbares BLDC-Motordesign für chirurgische Geräte
Sowohl herkömmliche motorisierte Handwerkzeuge als auch robotergestützte chirurgische Geräte können die BLDC-Technologie entweder in einer geschlitzten oder einer nutenlosen Konfiguration nutzen, um eine Darstellung von geschlitzten vs. nutenlosen für sogenannte "In-Runner"-BLDC-Motoren (bei denen sich der Rotor im stationären Stator dreht) zu geben. Beachten Sie, dass sich geschlitzt vs. nutenlos auf den Lamellentyp im Stator des Motors bezieht. Beide Technologien haben ihre Stärken - die Anforderungen der Anwendung bestimmen, welche Technologie für das Motordesign besser geeignet ist.
Die geschlitzte BLDC-Technologie ist seit mehr als 30 Jahren eine bewährte Lösung auf dem Markt für chirurgische Motoren. Bei einem geschlitzten Design werden die Kupferspulen innerhalb der Schlitze gewickelt (Abbildung 4). Die Spule ist von Natur aus geschützt, wenn sie in die Schlitze des Lamellenpakets eingeführt wird. Zusätzliche Isolationsschichten und Formteilmaterial können leicht hinzugefügt werden, ohne die Motorleistung zu beeinträchtigen. Diese physikalische Konfiguration macht geschlitzte BLDC-Motoren zur idealen Technologie für Motoren, die extrem widerstandsfähig gegen raue Umgebungsbedingungen sein müssen, wie z. B. in Autoklaven oder bei Operationen, bei denen der Motor Kochsalzlösung und anderen Verunreinigungen ausgesetzt ist. Darüber hinaus bietet das geschlitzte Design:
Einfache Anpassung an die Elektromagnetik (Wicklungen, Lamellenstapellänge, etc.)
Kann einen sehr hohen dielektrischen Widerstand erreichen (1.600 VAC hi-pot oder höher)
Verbesserte Wärmeableitung und damit höheres Dauerdrehmoment
Kleiner magnetischer Luftspalt, der die Verwendung von dünneren Magneten ermöglicht und einen höheren Permanenzkoeffizienten bietet (was eine Drehmoment
drehmomentstabilität über einen großen Temperaturbereich)
Geringeres Rotorträgheitsmoment
Der nutenlose BLDC, die andere BLDC-Technologie, ist ebenfalls sehr leistungsfähig und kann für die Anwendung gut geeignet sein. Bei einem nutenlosen Motor wird die Spule in einem separaten externen Arbeitsgang gewickelt und ist vom "selbsterhaltenden" Typ (Abbildung 4). Die selbsterhaltende Spule wird dann bei der Montage des Motors direkt in den Luftspalt eingesetzt. Bei dieser Ausführung ist die magnetische Induktion in der Spule geringer, da der Luftspalt groß ist. Die Induktion in einem solchen Motor ist in der Regel viel geringer als in einem geschlitzten BLDC-Motor, so dass in der Regel ein größerer, stärkerer Magnet erforderlich ist, um den Induktionsverlust zu kompensieren. Während nutenlose Motoren so konstruiert werden können, dass sie durch Isolierung und andere Schutzschichten auf den freiliegenden elektronischen Komponenten einer Dampfsterilisation standhalten, ist es im Vergleich zu einem genuteten Motor von Natur aus schwieriger, einen dauerhaften und zuverlässigen Schutz vor rauen Umgebungsbedingungen zu erreichen. Wenn Autoklavierbarkeit oder eine sehr hohe Anzahl von Sterilisationszyklen nicht erforderlich sind - es gibt Aspekte einer nutenlosen Konstruktion, die für eine bestimmte Anwendung von Vorteil sein können:
Kein Rastmoment (d. h. kein Cogging)
Ruhiger Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen
Erhöhtes Trägheitsmoment des Motors
Hohe Spitzendrehmomentfähigkeit
Präzise Bewegungssteuerung
Für einige chirurgische Verfahren oder Gerätedesign-Ansätze kann eine sehr präzise Steuerung des Motors erforderlich sein. Dies gilt häufig für robotergestützte chirurgische Geräte, die hochentwickelte Sensoren, Bildverarbeitungssysteme, haptisches Feedback oder 3-D-Mappings verwenden, um Materialmanipulationen auf Submillimeter-Ebene zu ermöglichen. Die erfolgreiche Durchführung des Eingriffs kann eine extrem präzise Steuerung der Motorleistung erfordern. Die Präzisionsanforderungen können über das hinausgehen, was herkömmliche Hall-Sensoren liefern, die die Rotorposition in 60-Grad-Schritten erfassen können. Die Verwendung eines Encoders kann ein Feedback für die Steuerung der Geschwindigkeit und Positionierung des Rotors in << 1-Grad-Schritten liefern.
Encoder liefern Winkelpositionsmessungen der Rotorwelle mit einer viel höheren Präzision als drei Hallsensoren liefern können. Eine solche Rückmeldung kann für die Lageregelung oder eine erhöhte Genauigkeit bei der Steuerung eines BLDC-Motors nützlich sein. Aus den gelieferten Positionsmessungen können Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung abgeleitet werden. Bei der Suche nach einem Encoder besteht einer der ersten Schritte darin, die benötigte Genauigkeit und Auflösung zu bestimmen. Auch der Technologietyp muss ausgewählt werden; optische und magnetische Technologien sind die am häufigsten verwendeten Technologien für Drehgeber. Bei autoklavierbaren Anwendungen, wie z. B. chirurgischen Werkzeugen, sind magnetische Drehgeber eine robuste und zuverlässige Option. Inkrementale oder absolute Rückmeldung sind zwei gängige Optionen für die Übermittlung des Winkelwerts. Bei Verwendung von Inkrementalsignalen wird ein Indeximpuls, einmal pro Umdrehung, und ein Zähler benötigt, um die absolute Winkelposition zu berechnen, andernfalls ist die Rückmeldung relativ. Bei der absoluten Rückführung wird typischerweise eine serielle Kommunikationsleitung wie SSI, SPI oder BiSS verwendet, um einen kodierten Winkelwert zwischen 0 und 360 Grad zu liefern.
Zu den Optionen gehören:
Sterilisierbare Option - entwickelt und getestet für 2.000+ Autoklavierzyklen
Hallsensor-Signale für 6-stufige Kommutierung (U, V, W)
10-Bit Inkrementalgeber (A, B, Z)
11-Bit-Absolutwinkelgeber
Absolute Positionsausgabe über SPI
Differentialausgang für verrauschte Umgebungen
Off-Axis-Montage für Durchbohrung möglich
Fazit
Moderne chirurgische Geräte - sowohl traditionelle Handgeräte als auch robotergestützte Geräte - haben extrem anspruchsvolle und exakte Bewegungsanforderungen. Diese Anforderungen können durch die Zusammenarbeit mit einem Motorlieferanten erfüllt werden, der über die notwendige Technologiebreite und große Erfahrung sowohl mit traditionellen chirurgischen Handwerkzeugen als auch mit roboterunterstützten chirurgischen Geräten verfügt.
Über Portescap
Portescap ist ein Hersteller von bürstenlosen DC-Motoren (sowohl mit als auch ohne Schlitz), bürstenbehafteten DC-Motoren, Schrittmotoren und linearen Aktuatoren sowie zugehörigen Komponenten wie Getrieben, Encodern und Controllern. Portescap ist ein führender Anbieter von sterilisierbaren Motoren für angetriebene chirurgische Handwerkzeuge und robotergestützte chirurgische Geräte. Sterilisierbare geschlitzte BLDC-Motoren von Portescap wurden weltweit in Dutzenden von Millionen von Operationen eingesetzt, in jeder denkbaren chirurgischen Anwendung. Unser Ingenieurteam hat mehr als 30 Jahre damit verbracht, unsere sterilisierbaren Motorkonstruktionen kontinuierlich zu verbessern, die nachweislich mehr als 3.000 Autoklavenzyklen überstehen, was die Nutzungsdauer eines chirurgischen Geräts weit übersteigt. Portescap bietet komplette Motoranpassungen, die auf die Bedürfnisse chirurgischer Geräte zugeschnitten sind: Wellendurchbohrung, elektromagnetisches Design von Grund auf, Montagefunktionen, kundenspezifische Getriebeübersetzungen, Pin-Verbindungen vs. fliegende Kabel und mehr. Die branchenkundigen Konstruktionsingenieure von Portescap arbeiten mit Ihrem Team zusammen, um alle Funktionen für Ihr einzigartiges chirurgisches Handgerät oder Ihre chirurgische Roboteranwendung anzupassen.
Typische Portescap-Motoranwendungen für die chirurgische Robotik
Arthroskopische Rasierapparate
Sagittal-Sägen
Oszillierende Sägen
Orthopädische Bohrer, Mittel- und Hochgeschwindigkeitsbohrer
Drahttreiber
Chirurgische Klammergeräte
TECH TALK
WAS IST EIN AUTOKLAVIERZYKLUS?
Die am häufigsten in Krankenhäusern verwendete Sterilisationsmethode ist das Autoklavieren, auch Dampfsterilisation genannt. Während des Autoklavierens werden chirurgische Handwerkzeuge bis zu 18 Minuten lang 100 % Luftfeuchtigkeit, 135 ºC (275 ºF) und Druckschwankungen ausgesetzt. Die meisten Autoklaven haben auch zusätzliche Vakuumzyklen, um das Eindringen des Dampfes zu erleichtern und Bakterien, Viren, Pilze und Sporen abzutöten, die sich in mikroskopisch kleinen Hohlräumen im Gerät verstecken können. Die wiederholte Einwirkung dieser Umgebung verursacht in der Regel erhebliche elektrische und korrosive Probleme bei Motoren und Geräten, die nicht ausreichend gut konstruiert wurden, um diesen Bedingungen standzuhalten.