GE Healthcare/ Piezo Motor

Piezomotoren trotzen Strahlung, Magnetfeldern und Vakuum

| Redakteur: Alexander Stark

Piezomotoren wie dem LR23 von Piezo Motor machen die widrigen Bedingungen in Teilchenbeschleunigern nichts aus.
Piezomotoren wie dem LR23 von Piezo Motor machen die widrigen Bedingungen in Teilchenbeschleunigern nichts aus. (Bild: Piezo Motor)

Mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) lassen sich Krebszellen sehr genau vom umgebenden Gewebe unterscheiden und damit besser bekämpfen. Die detailreichen Bilder entstehen mit Hilfe von schwachradioaktiven Isotopen, die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden. In den Gentrace-Zyklotronen von GE Healthcare helfen dabei die Antriebe von Piezo Motor. Ihnen machen die ungemütlichen Bedingungen in solchen Maschinen nichts aus.

  • Gentrace ermöglicht einen einfacheren Zugang zu PET-Isotopen für Krankenhäuser
  • Piezomotoren halten den Bedingungen in Zyklotronen problemlos stand
  • Hohe Ionenausbeute sowie kürzere Wartungs- und Kalibrierungszeiten

Das Aufspüren des Muttertumors ist normalerweise recht einfach und kann mit zahlreichen Techniken vorgenommen werden. Das Lokalisieren aller Metastasen, von denen viele gerade einmal die Größe eines Stecknadelkopfes haben, ist dagegen ausgesprochen schwierig. Die Positronen-Emissions-Tomographie hilft, solche Metastasen aufzuspüren. Das kann für die anschließende Therapie von entscheidender Bedeutung sein, so Dr. Martin Pärnaste, Chefingenieur in der Sparte Cyclotron Systems von GE Healthcare im schwedischen Uppsala.

Wie das Röntgen und die Computertomographie (CT) erzeugt die PET ihre Bilder mit Hilfe einer geringfügigen Dosis radioaktiver Strahlung. Die Strahlen stammen aber nicht aus einem Gerät, das sie von außen auf den Körper richtet. Stattdessen entspringen sie radioaktiven Partikeln, die der Patient zuvor verabreicht bekommen hat. Sie werden in der Regel mit Glukose zu einem sogenannten Radiodiagnostikum oder „Tracer“ gemischt und in die Blutbahn gespritzt.

Kurze Halbwertszeit

Für die PET-Diagnostik werden vergleichsweise harmlose, schwachradioaktive Substanzen verwendet. Sie zerfallen rasch und hinterlassen keine kritischen Rückstände. In etwa 90 Prozent der Fälle handelt es sich um das Isotop 18F des Halogens Fluor. Seine Halbwertszeit beträgt nur rund 110 Minuten, womit es schon nach einem Tag praktisch seine gesamte Radioaktivität eingebüßt hat. Es werden aber auch andere Isotope mit ähnlich kurzer Halbwertszeit verwendet.

Da die PET-Tracer so schnell zerfallen, können sie nicht wie andere Mittel auf Vorrat gelagert werden. Man muss sie kurz vor dem Einsatz in einem Teilchenbeschleuniger, dem Zyklotron, frisch herstellen. Dieser darf nicht allzu weit vom Ort der Verwendung stehen, denn auch während des Transports zählt jede Minute.

Teilchenrennen auf Spiralbahn

Die ersten Zyklotronen wurden bereits 1930 von Pionieren der Teilchenphysik gebaut. Ihr Funktionsprinzip wurde seitdem vielfach abgewandelt und weiterentwickelt – bis hin zum weltweit größten Teilchenbeschleuniger Cern in Genf. Die Technologie hat sich aber auch in der Medizintechnik bewährt. Um Isotope für die PET zu erzeugen, werden negativ geladene Wasserstoff-Ionen in einer Vakuumkammer im Innern des Zyklotrons beschleunigt. Das geschieht mittels elektrischer Felder auf einer spiralförmigen Bahn, auf der sie von einem starken Magnetfeld gehalten werden.

Am Ende dieser Bahn fliegen sie durch eine dünne Graphitfolie, wobei sie ihre Elektronen verlieren und zu positiv geladenen Protonen werden. Durch diese Umkehrung der Ladung werden sie zugleich aus ihrer bisherigen Spiralbewegung auf eine gerade Bahn gelenkt. Die Ausrichtung der Folie entscheidet über die Richtung des Protonenstrahls. Er zielt auf eine Reaktionskammer, das sogenannte Target, in der sich das Ausgangsmaterial für die Isotope befindet. Der Protonenstrahl löst dort eine Kernreaktion aus und erzeugt aus dem Target-Inhalt die benötigten Isotope.

Dr. Pärnaste und sein Team bekamen vor einigen Jahren die Aufgabe, sie weiter zu verbessern sowie eine möglichst kleine und kostengünstige Maschine zu entwickeln. Sie sollte dazu beitragen, den klinischen Zugang zu PET-Isotopen einfacher und dieses Bildgebungsverfahren noch breiter verfügbar zu machen. Das Ergebnis der Entwicklung bekam den Namen Gentrace und wurde 2017 auf den Markt gebracht.

Magnetfreie Antriebstechnologie

Um in einem Durchgang eine möglichst große Menge an Isotopen oder Isotope aus verschiedenen Elementen zu gewinnen, besitzt das neue Zyklotron drei Targets. Die Ausrichtung des Strahls muss also variabel sein, damit er alle drei Ziele treffen kann. Um dies zu erreichen, wird der Träger, auf dem die Graphitfolie fixiert ist, mit Motorkraft bewegt.

Allerdings herrschen im Inneren eines Zyklotrons Bedingungen, mit denen herkömmliche Elektromotoren kaum zurechtkommen: Magnetfelder, Vakuum, elektrische Felder und Strahlung stören ihre Funktion oder machen sie ganz unmöglich. Daher wird der Motor für die Strahlführung normalerweise außerhalb des eigentlichen Zyklotrons untergebracht. Seine Bewegung wird dann mit einer komplexen mechanischen Konstruktion zum Folienträger übermittelt. Das hat erhebliche Nachteile, darunter das mechanische Spiel und die aufwendige Abdichtung, die nötig wird, wo bewegte Teile durch die Wand der Vakuumkammer geführt werden.

Diese Nachteile entfallen, wenn man einen Piezomotor verwendet. Sein Funktionsprinzip macht ihn gegen die unwirtlichen Bedingungen im Zyklotron immun. Denn anders als ein klassischer Elektromotor benötigt er weder magnetische Komponenten noch drehende Teile, um elektrischen Strom in Bewegung zu verwandeln. Sein Wirkprinzip beruht darauf, dass sich die Form eines piezokeramischen Elements verändert, wenn eine Spannung an es angelegt wird.

Aus diesen Gründen kann der Piezomotor unmittelbar am Ablenkungspunkt untergebracht werden, denn weder die Felder noch die Strahlung oder das Vakuum können seine Funktion beeinträchtigen. Er benötigt lediglich die Durchführung der Kabel zur Spannungsversorgung und Steuerung in die Vakuumkammer. Da sie unbewegt bleiben, ist die Abdichtung in diesem Fall einfach.

Technik vom Nachbarn

Die Experten von GE Healthcare waren durch einen Artikel in einer Fachzeitschrift auf die Technologie von Piezo Motor aufmerksam geworden. Praktischerweise stellte sich dann auch noch heraus, dass beide Unternehmen in Uppsala ansässig sind. „Nachdem wir mehrere Kleinstmotoren und Bewegungslösungen getestet hatten, gelang uns so schließlich ein Durchbruch in der Entwicklung. In der endgültigen Konstruktion setzen wir zwei Antriebe von Piezo Motor ein – einen 20-N-Linearmotor um den Protonenstrahl zu bewegen, und einen nichtmagnetischen rotierenden Motor mit einem Drehmoment von 50 mNm, um die Ionen-Extraktion zu justieren“, erklärt Dr. Pärnaste.

Dieser zweite Antrieb im Inneren des Zyklotrons ist für die Positionierung der Ionenquelle zuständig. Um mithilfe einer Elektrode möglichst viele Ionen daraus extrahieren zu können, muss die relative Lage von Quelle und Elektrode immer wieder justiert werden. Dank dem Piezomotor ist dies nun bei laufendem Betrieb möglich, was auch die Wartungszeit für die Kalibrierung des Systems deutlich verkürzt.

„Piezo Motor bietet eine breite Palette an modular aufgebauten Produkten. Wir haben zahlreiche Optionen für lineare und rotierende Motoren mit unterschiedlichen Eigenschaften gefunden, aus denen wir die passenden Modelle auswählen konnten“, erzählt Dr. Pärnaste. „Außerdem hat Piezo Motor ein überaus kompetentes Team von Ingenieuren, die viel zu unserem Produktentwicklungsprozess beigetragen haben.“

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