07.03.2011 | Wie in vielen Industriebereichen hält auch in der Medizintechnik die Automatisierung immer mehr Einzug. Überall dort, wo Geräte selbstständig verfahren werden , wird ein Sensor eingesetzt, der die Bewegung erfasst und überwacht. Die Messergebnisse können dann zur Positionsregelung oder einfach nur zur Zuordnung zu anderen Messergebnissen, z.B. zur Lage von Schnittaufnahmen in der Computertomographie, verwendet werden.
Dabei bieten insbesondere Seilzugsensoren für diese Aufgaben ein hervorragendes Preis-/Leistungsverhältnis. Ein führender Hersteller von Seilzugsensoren ist Micro-Epsilon, Messtechnikspezialist aus Ortenburg.
Langlebigkeit,
Zuverlässigkeit und geringe Baugröße, bei gleichzeitig hoher Genauigkeit und niedrigem
Preis sind die grundlegenden Anforderungen an Messsysteme für diesen Bereich.
Gerade
Seilzugsensoren werden diesen Notwendigkeiten in hohem Maße gerecht.
Letztendlich
funktionieren Sie wie ein Maßband, bei dem allerdings die Weg- bzw. Abstandsinformation
nicht mit dem Auge abgelesen, sondern als elektrisches Signal ausgegeben wird.
Die
wesentlichen Elemente eines Seilzugsensors sind daher, neben dem Gehäuse, die
Feder, die Trommel, das Messseil und ein Winkelmesser als Sensorelement. Das
Messseil wird am zu messenden Bauteil befestigt und bei einer Bewegung von der
Trommel auf- oder abgewickelt. Dadurch wird die lineare Bewegung in eine
rotatorische konvertiert, die dann vom jeweils verwendeten Winkelsensor erfasst wird.
Verringert
sich der Messabstand, wird das Messseil selbstständig wieder auf die Trommel
gewickelt.
Die
dafür notwendige Kraft wird von einer vorgespannten Triebfeder bereitgestellt.
Die Seilspannung ist dabei so groß, dass auch bei waagrechter Montage der
Seildurchhang minimiert und das Messergebnis kaum beeinflusst wird.
Als
Sensorelement können im Prinzip alle am Markt erhältlichen Winkelsensoren
geeigneter Größe verwendet werden. Dies
ermöglicht eine breite Vielfalt an unterschiedlichen Ausgangssignalen.
Angefangen
von Analogsignalen (z.B. potentiometrisch, 4…20mA, 0…10V) bis hin zu
inkrementellen Signalen (z.B. TTL) und
Feldbusse (CANOpen, Profibus, usw.) sind praktisch alle gängigen Schnittstellen realisierbar.
Typischerweise
kommen in Seilzugsensoren für medizintechnische Anwendungen meist Mehrwendel
Draht- oder Hybridpotentiometer zum Einsatz. Diese erfüllen für viele
Anwendungen die geforderten Leistungsdaten zu einem günstigsten Preis.
Beide
Typen unterscheiden sich durch die Lebensdauer. Während die Lebensdauer von
Seilzugsensoren mit Drahtpotentiometern auf ca. 200.000 Zyklen begrenzt, können
mit Hybridpotentiometern bis zu 1 Million Zyklen erreicht werden.
Werden
höhere Anforderungen an die Lebensdauer und oder die Genauigkeit gestellt, wie
z.B. im Bereich von CT-Tischen, so wird auf Sensorelemente auf Encoderbasis
zurückgegriffen. Damit wird eine Linearität von bis zu +/- 0,01% des
Messbereiches und eine deutlich höhere Standzeit erreicht. Zudem können damit
die Wegaufnehmer durch digitale Schnittstellen, die auch im Bereich der
Medizintechnik immer stärker Einzug halten, angesteuert werden.
Micro-Epsilon
setzt bei der Entwicklung von Seilzugsensoren für die Medizintechnik, im
Gegensatz zu den in der Industrie üblichen Metallgehäusen, seit Jahren auf die
Verwendung von gespritzten Kunststoffgehäusen. Dies garantiert neben der
kleinstmöglichen Baugröße auch niedrige Kosten bei hohen Stückzahlen.
Somit kommt der
ohnehin vorhandene prinzipbedingte Größenvorteil dieser Sensoren voll zum
Tragen. Denn, so groß ein Computertomograph, ein Röntgengerät oder ein OP-Tisch
auf den ersten Blick auch erscheint, für Messtechnik ist eigentlich nie
wirklich Platz.
Durch die
Kombination unterschiedlichster Sensorelemente und Messbereiche mit den
verfügbaren Gehäusevarianten kann praktisch für jede OEM-Applikation ein
optimal passender Seilzugsensor bereitgestellt werden. Seilzugsensoren werden
daher in Serie in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt.
Positionsmessung von Liegen in der
Computertomographie
Hohe Geschwindigkeit und Auflösung als Grundlage
für die bestmöglichste Diagnostik und Wirtschaftlichkeit sind bei Modernen
CT-Geräten eine Voraussetzung. Egal ob Spiral-, Helix oder Dual-Sourcegerät,
die Anforderungen steigen immer weiter.
Dies betrifft insbesondere auch die Längenmessgeräte
zur Erfassung der horizontalen Liegenposition. Die einzelnen Röntgenschnitte,
die in der Regel quer durch das Objekt verlaufen, werden in immer kleineren
Abständen aufgenommen, um ein bestmögliches Gesamtbild zu erhalten. Dazu werden
die Schnitte in einer 3D-Rekonstruktion zur Gewinnung von Voxeln (Volumetrik
und Pixel) zusammengesetzt. Auf der Basis des gewonnen kompletten
Volumendatensatzes können dann beliebige 3D Ansichten oder Schnittebenen
erzeugt werden (siehe 3D Bild).
Um eine korrekte Zuordnung der Schnitte zu
ermöglichen, muss die horizontale Position der Liege sehr genau erfasst werden.
Daher wird ein Messsystem mit sehr hoher Auflösung bei gleichzeitig langem
Messbereich benötigt. Aktuelle Geräte erreichen eine Schnittauflösung von 0,2
mm und fordern deshalb eine Linearität des Sensors von +/- 0,01% des
Messbereichs. Diese Linearitätswerte sind gerade noch erreichbar, aber
ausschließlich mit hochauflösenden Inkremental- / oder Absolutencodern.
Winkelmessung im
Soloassist
Mit
dem Soloassist der Aktormed GmbH aus Barbing bei Regensburg soll dem Chirurgen
ein Hilfsmittel an die Hand gegeben werden, mit dem bei steigender
Qualitätsanforderung die Kosten pro Operation gesenkt werden können.
Das
Gerät bildet einen Arm nach, der in mehreren Freiheitsgraden beweglich ist,
sich seine Position merken und beibehalten kann. Von einem kalibrierten
Nullpunkt aus führt er selbstständig die erforderlichen Einzelbewegungen durch,
um eine eingegebene Gesamtbewegung zu verfahren. Die von ihm geführte
endoskopische Kamera erreicht dabei einen Rundumblick von 360°, bei einer
Neigung des Endoskops von bis zu 80° zur Lotrechten.
Der
Arm ist weitgehend MR- und Röntgen-Neutral ausgeführt, weshalb u.a. im Bereich
oberhalb des OP-Tisches keine Sensorik verwendet wird. Eine direkte Messung der
Drehbewegungen am Arm mit Winkelsensoren ist aus diesem Grund nicht möglich.
Die
Drehwinkel werden daher indirekt mit Seilzugsensoren, die im Bereich unterhalb
der Liege angebracht sind, ermittelt.
Geschäftsführer
der Aktormed GmbH, Robert Geiger kommentiert die Anwendung: „Mit den Sensoren
von Micro-Epsilon ist es uns möglich die Winkeländerung der Achsen zu erfassen
und frei zu verarbeiten. Die aktive Kameraführung Soloassist muss Röntgenbilder
möglichst schattenfrei darstellen und daher können keine Drehgeber oder Potentiometer eingesetzt werden.
Die Seilzugsensoren sind von der Größe her ideal und mit der notwendigen Genauigkeit
ausgestattet. Einbau und Justierung sind problemlos möglich."
Positionierung von Operationstischen
Moderne
Operationstische sind modular aufgebaut und bieten viele Verstellmöglichkeiten
zur bestmöglichen Positionierung der Patienten während der Operation. So werden
neben der Höhe des Tisches in der Regel auch die Horizontalposition und mehrere
Winkelfunktionen z.B. für Kopf, Rumpf und Beine eingestellt. Für bestimmte
Positionen sind komplette Profile vorprogrammiert oder werden vom Anwender
selbst erstellt und dann mit einem einzigen Knopfdruck aufgerufen. Damit
können Personal- und Gerätezeiten in
erheblichem Umfang eingespart werden.
Hersteller
von Operationstischen verwenden dafür Seilzugsensoren, die es ermöglichen die
Positionen der einzelnen verstellbaren Elemente zu erfassen.
In
der Regel werden Sie für die vertikale und horizontale Tischposition verwendet.
Zum Teil werden Seilzugsensoren aber auch zur (indirekten) Winkelerfassung eingesetzt,
da Winkelsensoren aus Platzgründen an den Drehachsen oftmals nicht angebracht
werden können.
Neben
den beschriebenen Applikationen finden Seilzugsensoren Anwendung in
medizinischen Badewannen, Zahnarztstühlen und Rehageräten. Sicherlich werden in
der Zukunft weitere Anwendungen hinzukommen, die heute noch gar nicht abgesehen
werden können
