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Piezoantriebe - Einsatz bei der MRT

PiezoantriebeEinsatz bei der MRT

Piezoantriebe erhöhen die Behandlungsqualität. Bei der Behandlung von Gehirntumoren standen Chirurgen bisher vor einem Dilemma: Sie konnten entweder mittels Magnetresonanztomographie (MRT) hochauflösende Bilder vom Tumor machen oder den Tumor mit präzisen chirurgischen Werkzeugen entfernen. Beides ließ sich nicht miteinander kombinieren. Das dürfte sich jetzt jedoch ändern: Das Worcester Polytechnic Institute (WPI) entwickelt zurzeit einen Operationsroboter, der auch im starken Magnetfeld eines MRT-Scanners arbeiten kann. Piezoelektrische Antriebe spielen dabei eine wichtige Rolle.

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MRT-Scanner

Der neuartige Operationsroboter, der für den Einsatz innerhalb eines MRT-Geräts konzipiert ist, kann bildgeführt das chirurgische Werkzeug exakt an einer Stelle des Tumors positionieren. Das Resultat sind bessere Ergebnisse beim Eingriff und damit ein höherer Behandlungserfolg und Patientennutzen. Die Entwicklung stellte das WPI-Team um Professor Greg Fischer allerdings vor beachtliche Herausforderungen. In der Chirurgie müssen die Werkzeuge präzise, reproduzierbar und mit hoher Auflösung positioniert werden, um exakte Ergebnisse zu erzielen. Sie dürfen keine elektrischen Störgrößen produzieren, müssen sehr zuverlässig sein und – im Fall des MRT-Roboters – obendrein auch noch in mehreren Tesla starken Magnetfeldern funktionieren. Kombinationen aus elektromagnetischen Motoren und Getrieben kamen deshalb nicht infrage; die Wahl fiel stattdessen auf ein piezobasiertes Positioniersystem, denn Piezoantriebe sind die einzigen Antriebe, die sich von starken Magnetfeldern nicht in ihrer Funktion beeinträchtigen lassen und selbst auch nicht zur Störquelle werden.

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Piezoelektrische Aktoren basieren auf einem piezoelektrischen Keramikmaterial, das sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Allerdings beträgt die durch diesen Piezoeffekt hervorgerufene Auslenkung nur den Bruchteil eines Prozents der Bauteilgröße. Beim MRT-Roboter war jedoch ein linearer Verfahrweg von bis zu ca. 100 Millimeter und eine kontinuierliche Drehung um 360 Grad erforderlich. Die Lösung fand das WPI-Team in den Piezo-LEGS-Motoren von Piezo Motor, einem Unternehmen der Faulhaber-Gruppe. Sie wurden für “Move-and-hold”-Anwendungen entwickelt, bei denen Präzision, minimaler Bauraum, niedriger Energieverbrauch und einfaches technisches Design wichtige Faktoren sind. Durch ihre Funktionsweise ist der Stellweg theoretisch unbegrenzt: Aus piezoelektrischen Biegewandlern aufgebaut, reagieren sie beim Anlegen einer Spannung unsymmetrisch mit Ausdehnen oder Zusammenziehen. Sie werden als abwechselnde Paare angeordnet und entsprechend angesteuert können sie dann eine Antriebsstange in Nanometerschritten mit Geschwindigkeiten von bis zu 15 mm/s bewegen, also diese quasi immer weiter „durchreichen“. Bei Rotationsbewegungen wird auf die gleiche Weise eine Scheibe in eine entsprechend schnelle Drehung versetzt. Dabei sind die Aktoren selbsthemmend, verbrauchen im ausgeschalteten Zustand keine Energie, erwärmen sich nicht und halten die Position mechanisch stabil.

MRT-Operationsroboter

Translatorische und rotatorische Bewegungen
Zum Erzeugen der linearen Bewegung für den Einstich ins Gewebe verwendet das WPI-Team eine Kombination aus Piezo-LEGS-Linearmotoren in einem Direktantrieb. Als Antrieb für die Aluminiumspindeln sind Piezo-LEGS-Drehmotoren im Einsatz. Die Drehbewegung wird dabei über Riemenscheiben übertragen, die im 3D-Druck erzeugt werden. Für die Piezoantriebe ist es kein Problem, die durch die eingesetzten Materialien entstehende Reibung zu überwinden. „Wir kommen mit einem Piezomotor in einem Direktantrieb oder mit einer Riemenscheibe mit einer niedrigen Untersetzung zurecht und brauchen keine Untersetzungsverhältnisse in der Größenordnung von 100:1, wie es bei einem kleinen DC-Motor erforderlich wäre“, erklärt Prof. Greg Fischer.

Die piezoelektrischen Aktoren benötigen nur sehr kleine leitfähige Elektroden, die in der MRT-Umgebung nichtmagnetisch und eisenfrei sein müssen. Für diese Anwendung genügte das allerdings nicht. Denn auch alle elektrischen Störgrößen, die durch die Stromversorgung oder die Antriebselektronik verursacht werden, können das Bild verfälschen, was dem eigentlichen Zweck widersprechen würde. „Häufig entstehen Artefakte wie bei statischen Entladungen, die das Bild verfälschen“, berichtet Fischer. „Objekte erscheinen dann nicht dort, wo man sie eigentlich erwarten würde. Und das ist ein sehr großes Problem, wenn man versucht, einen Eingriff anhand der Bildgebung durchzuführen.”

PiezoLEGS-Antriebe

Daher entwickelte das Team ein individuelles Steuerungspaket für den Betrieb von piezoelektrischen Motoren im MRT-Scanner. Es basiert auf einem FPGA (feldprogrammierbares Gate-Array), schnellen Digital-Analog-Wandlern und breitbandigen Hochspannungs-Linearverstärkern. Externe Filter unterdrücken eventuelle Störungen, und eine Encoder-Rückführung ermöglicht eine Positions- oder Geschwindigkeitsregelung mit einem Single-Board-Mikrocontroller, auf dem eine Echtzeit-Regelungssoftware läuft. Die modulare Backplane, die bis zu acht dieser Boards aufnehmen kann, ist in einem einzigen abgeschirmten Gehäuse untergebracht, das sich im MRT-Scanner-Raum mit dem Roboter befindet. Ein anwendungsspezifischer Kabelbaum verbindet den Controller mit dem Roboter, bei dem dann entsprechend bis zu acht Achsen angesteuert werden können.

Vereinfacht wurde dieses doch recht komplexe Projekt dadurch, dass die linearen und rotatorischen Piezomotoren als Stand-alone-Komponente sofort erhältlich waren. „So konnten sich die Studenten voll auf die Entwicklung der Mechanik und des Controllers konzentrieren”, erinnert sich Fischer. Für die Zukunft hat das WPI-Team allerdings noch einiges vor: Fischer verfolgt das Ziel, eine Toolbox zu schaffen, mit der sich MRT-kompatible Roboter entwickeln lassen, die mit den entsprechenden Sensoren, Aktoren, Controllern und Verstärkern ausgestattet sind und über Kommunikationsprotokolle gesteuert werden können. „In der Industrie braucht man nur eine SPS oder einen Motor bzw. einen Encoder, wie sie im Handel erhältlich sind, miteinander zu kombinieren, und schon hat man ein funktionsfähiges System”, meint Fischer. “So etwas gibt es für medizintechnische Geräte nicht, und erst recht nicht für MRT-Anwendungen.” ee

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