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OP ruft Sensorik: Tastsinn für die Medizintechnik

| Autor/ Redakteur: Adrian Hellmann* / Julia Engelke

Mit herkömmlichen Tischen haben Operationstische heute nichts mehr zu tun. Vollgepackt mit Mechanik und Elektronik müssen sie Patienten sicher lagern und bewegen sowie abgestimmt mit anderen Geräten kommunizieren. Die Grundlage ist Sensorik, die die High-Tech-Tische und Medizinroboter mit den entsprechenden Sinnen ausstattet und OP-tauglich macht.

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Der Roboter unterstützt den Chirurgen bei der Arbeit.
Der Roboter unterstützt den Chirurgen bei der Arbeit.
( Bild: Fraunhofer IPA )
  • Neue Anforderungen an OP-Tische
  • Flexibles Sensorsystem ist kompakt und platzsparend
  • Roboter werden mithilfe intelligenter Sensorik OP-tauglich

Zur Kraftmessung kommen in modernen OP-Tischen Sensoren auf Basis der elastischen Magnetostriktion zum Einsatz. Das Prinzip: Durch Magnetisierung wird Metall zum „Sender“ eines Sensors. Ein „Empfänger“ erfasst berührungsfrei Magnetfeld-Änderungen und wertet diese aus.

Entwickelt hat dieses Verfahren NCTE aus Oberhaching bei München. Der Sensorik-Spezialist fertigt berührungsfreie Sensoren zur Messung von Drehmoment, Kraft, Scherung, Drehzahl oder Biegung, unter anderem für die Medizintechnik.

Patientensicherheit an erster Stelle

Die heutigen OP-Tischsysteme sehen denen von vor zehn Jahren auf den ersten Blick durchaus ähnlich. Die eigentlichen Neuerungen verstecken sich im Inneren und umfassen elektronische Steuerungen, Anschlüsse und Software sowie die Verwendung leichter Werkstoffe wie etwa Karbon oder Aluminium mit einer speziellen, OP-tauglichen Legierung. Die Patientensicherheit steht dabei an erster Stelle. Dafür werden die Tische mit Hilfe einer ausgefeilten Sensorik und Steuerung zuverlässig koordiniert, so dass sie sensibel auf einwirkende Kräfte reagieren. Die Sensorik verhindert Überlastsituationen und Verletzungen des Patienten bei der Bewegung des Tisches – etwa durch Einklemmen – mit höchster Zuverlässigkeit. Darüber hinaus kontrolliert sie die Neigungsbelastung und warnt vor kritischen Belastungszuständen. Die Messdaten werden über eine Bus-Schnittstelle in Echtzeit ausgelesen und verarbeitet.

Flexibles Sensorsystem

Bei aller Elektronik ist nicht zu vergessen: Tische sind auch so etwas wie Schwerlastroboter, die zuverlässig schwere Lasten aushalten müssen. Getestet werden diese Tische mit Gewichten von mehr als einer Tonne – das ist das Vierfache der zulässigen Gesamtbelastung.

Das Sensorsystem von NCTE für OP-Tische ist meist in die Kardangelenke der Zusatzhubantriebe integriert und misst Kräfte in Richtung der vertikalen Kardanachse, die durch die Hubspindeln übertragen werden. So werden auch geringste Kraftänderungen am OP-Tisch messbar. Die magnetische Technologie bietet den Vorteil, auf eine mechanische Kopplung zwischen Sensor und Messstelle zu verzichten. Diese Entkopplung birgt ganz neue Möglichkeiten, eine Messstelle flexibel zu gestalten. Da die bestehenden Gelenke magnetisiert werden, ist eine Veränderung am Originaldesign nicht nötig. Die Sensorik ist kompakt und platzsparend. Auch ist der Betrieb – im Gegensatz etwa zu Dehnmessstreifen – völlig verschleiß- und damit wartungsfrei. Weder erhöhte Temperaturen oder Vibrationen noch Chemikalien, Desinfektion oder Alterung können dem Magnetfeld etwas anhaben. Viele tausend solcher Kardane sind bereits international im Einsatz.

Tastsinn wie bei einem Medizinroboter

In OP-Tischen misst die Sensorik in aller Regel die Scherkraft. Mit der berührungslosen Technologie lassen sich neben Scherung aber auch Kräfte wie Drehmoment oder Biegung erfassen. Und das gleichzeitig. Diese Technik kommt etwa auch in intelligenten Robotern zum Einsatz, die vermehrt Einzug in die Operationssäle deutscher Kliniken halten.

Intelligent ist ein Roboter dann, wenn er seine Umgebung wahrnimmt und auf sie reagiert. Roboter erkennen etwa mit Hilfe von 2D- oder 3D-Kameras und Laserscannern ihr Umfeld. Doch ungünstige Lichtverhältnisse können diese optischen Systeme beeinträchtigen. So wie ein Mensch verschiedene Sinne gleichzeitig nutzt und die einzelnen Wahrnehmungen im Gehirn zu einem Gesamtbild verknüpft, muss ein intelligenter Roboter über sogenannte multimodale Sensorik verschiedene physikalische Ereignisse simultan erfassen und auswerten. Den Tastsinn erhalten Roboter eben über Drehmoment- und Kraftsensoren. Nahe der Achse erfassen hochauflösende Miniatursensoren kleinste Magnetfeldänderungen. Neben der Sicherheit liegt ein zentraler Aspekt dabei auf der Präzision und Wiederholbarkeit der Roboter-Bewegungen.

Ein Roboter kann und soll den Arzt nicht ersetzen, aber er kann ihm ein wichtiges Werkzeug sein. Dies wird sich in Zukunft sicher noch verstärken. Dafür brauchen Roboter neben Augen oder Ohren auch das notwendige Tastgefühl. Mithilfe intelligenter Sensorik haben sie diese Sinne beisammen.

Ergänzendes zum Thema
Magnetische Sensor-Technologie

Zur Messung von Drehmomenten und Kräften nutzt NCTE das physikalische Prinzip der Magnetostriktion: Wirkt eine Kraft auf ein magnetisch codiertes Bauteil ein, ändert sich das Magnetfeld. In einem patentierten Verfahren wird das bestehende Bauteil magnetisiert. Ein Mini-Sensor erfasst berührungsfrei die Änderungen im Magnetfeld und ermöglicht die hochpräzise Bestimmung der wirkenden Kräfte in Echtzeit. Zusätzliche Komponenten wie Dehnmessstreifen sind nicht nötig.

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* Der Autor: Adrian Hellmann ist Produkt- und Business Development Manager bei NCTE. Das Unternehmen entwickelt berührungsfreie Sensoren zur Messung von Drehmoment, Kraft, Scherung, Drehzahl oder Biegung auf Basis der elastischen Magnetostriktion, u.a. in der Medizintechnik.

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