Piezoaktoren für präzise Positioniersysteme und Scanner

Bildgebende Verfahren in der Medizintechnik

Piezobasierte Antriebe und Antriebssysteme sind schnell, kompakt und magnetisch nicht zu beeinflussen bzw. sie üben keinen Einfluss auf Magnetfelder aus. Größe und Kraft der Antriebe wie auch Verfahrweg und Positionsauflösung variieren je nach Auslegung

In der medizinischen Forschung, Diagnostik und Therapie steigern heute unterschiedliche bildgebende Verfahren die Effizienz. Vor allem in automatisierten Prozessen kommen oft aus der optischen Messtechnik bekannte Verfahren zum Einsatz, z.B. Interferometrie oder Mikroskopie. Ultraschall- und Magnetresonanztechnik bieten sich für unterschiedliche Visualisierungsaufgaben an. Die verschiedenen Methoden haben dabei eine entscheidende Gemeinsamkeit: Sie sind auf schnelle und präzise Antriebssysteme angewiesen. Je nach Anwendung müssen diese dann auch noch möglichst kompakt bauen oder selbst unter starken magnetischen Feldern zuverlässig arbeiten. Mit piezoelektrischen Antrieben, Scannern und Positioniersystemen sind Anwender hier auf der sicheren Seite.

Piezobasierte Antriebe und Antriebssysteme sind schnell, kompakt und magnetisch nicht zu beeinflussen bzw. sie üben keinen Einfluss auf Magnetfelder aus. Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, können Bewegungen bis in den Bereich einzelner Nanometer aufgelöst werden. Zudem gibt es keine im klassischen Sinn bewegten Teile. Somit ist auch kein mechanischer Verschleiß zu befürchten. Größe und Kraft der Antriebe wie auch Verfahrweg und Positionsauflösung variieren je nach Auslegung. Wichtig für die Auswahl ist, welches Objekt um welche Wegstrecke verschoben werden muss: Piezoaktoren sind in der Lage, Stellwege von wenigen 10 µm mit Frequenzen bis zu einigen Tausend Hertz zu durchfahren. Größere Verfahrwege werden, vor allem wenn gleichzeitig hohe Geschwindigkeiten notwendig sind, mit Ultraschall-Linearantrieben umgesetzt. Mit Auflösungen bis 50 nm sind sie eine interessante Alternative für die klassischen Elektromotor-Spindelkombinationen. Dabei haben die Antriebe wesentlich kleinere Abmessungen. Zusätzlich sind mechanische Kopplungselemente, die sonst die rotatorische in eine lineare Bewegung umwandeln, nicht notwendig. Ultraschall-Linearantriebe eignen sich mit hohen Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 600 mm/s für schnelle Scanzyklen. Die typischen Verstellwege liegen zwischen einem und mehreren 100 mm. Müssen vergleichsweise große Lasten bewegt werden, bieten sich so genannte PiezoWalk-Antriebe an, bei denen einzelne Aktoren entlang eines bewegten Läufers „schreiten“. Sie kombinieren Kräfte bis 600 N, hohe Auflösung im Nanometerbereich und unbegrenzte Stellwege miteinander. Für praktisch jede Aufgabenstellung bei bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik lässt sich damit eine auf die Applikation maßgeschneiderte piezobasierte Antriebslösung finden, wie die im Folgenden kurz beschriebenen Beispiele zeigen.

Zweidimensionale Aufnahmen: Bildauflösung, Stabilität oder Fokussieren

Mikrostepping: Der Bildsensor wird bei der Bildaufnahme schnell im Bereich eines Pixels hin und her geschoben. Bild: PI

Mikrostepping: Der Bildsensor wird bei der Bildaufnahme schnell im Bereich eines Pixels hin und her geschoben. Bild: PI

 

In der medizinischen Forschung und Diagnostik ist man bei bildgebenden Verfahren oft auf eine hohe Bildauflösung und Stabilität angewiesen. Ein probates Verfahren hierfür ist das so genannte Mikrostepping. Dabei wird der Bildsensor (z.B. das CCD-Element) bei der Bildaufnahme schnell im Bereich eines Pixels hin und her geschoben. Schnelle piezobasierte zweidimensionale Scanner bieten hierfür beste Voraussetzungen. Die eingesetzten Piezoantriebe arbeiten mit den notwendigen Verstellgeschwindigkeiten im Videofrequenzbereich und decken mit Stellwegen bis zu einigen 10 µm die benötigten Verfahrbereiche zwischen den einzelnen Pixeln eines Sensorchips ab. So kann die Bildinformation interpoliert und überlagert werden. Das Ergebnis ist ein höher aufgelöstes Bild.

Soll eine Aufnahme vergrößert oder fokussiert werden, müssen im entsprechenden Aufnahmegerät die abbildenden Elemente, also Spiegel und Linsen, entsprechend bewegt und justiert werden. Dabei kommt es bei automatisierten Prozessen neben Präzision meist auch auf Geschwindigkeit an. Ein typisches Anwendungsbeispiel findet sich in der Arzneimittelforschung beim Screening vieler Proben. Für hohen Durchsatz und niedrige Wirkzeiten muss dabei innerhalb kürzester Zeit die Optik auf die Oberfläche der Proben fokussiert werden. Vor allem aufgrund ihrer geringen Einschwingzeiten im Millisekundenbereich können piezobasierte Nanopositioniersysteme hier punkten.

Der Blick in die Tiefe: dreidimensionale Aufnahmetechniken

Mit konfokaler Mikroskopie werden beispielsweise in der Diagnostik virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur erzeugt bzw. die Oberflächenbeschaffenheit der Probe wird durch die Verschiebung der Brennebene detektiert. Bild: PI

Mit konfokaler Mikroskopie werden beispielsweise in der Diagnostik virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur erzeugt bzw. die Oberflächenbeschaffenheit der Probe wird durch die Verschiebung der Brennebene detektiert. Bild: PI

In vielen Bereichen der Medizintechnik ist man auf dreidimensionale Aufnahmetechniken angewiesen, z.B. um Strukturen oder Schichten zu untersuchen. Mit konfokaler Mikroskopie werden beispielsweise in der Diagnostik virtuelle Schnitte durch die Gewebestruktur erzeugt bzw. die Oberflächenbeschaffenheit der Probe wird durch die Verschiebung der Brennebene detektiert.

 

Miniaturisierte Ultraschall-Linearantriebe lassen sich direkt in die Optikeinheit integrieren. Bild: PI

Miniaturisierte Ultraschall-Linearantriebe lassen sich direkt in die Optikeinheit integrieren. Bild: PI

Anwendungsbereiche für dieses Verfahren finden sich ebenfalls in der Augenheilkunde aber auch in der Qualitätssicherung bei Implantaten oder der Zell-Diagnostik. Erforderlich ist hier eine präzise Bewegung der abbildenden Optik in Richtung der optischen Achse für die Justage der Brennebene bzw. in der Ebene senkrecht dazu für den Flächenscan. Alternativ wird das Objekt entsprechend bewegt. In beiden Fällen bieten sich piezobasierte Positioniersysteme an. Die Auswahl wird wieder bestimmt durch die Anforderungen an Stellweg und Auflösung sowie vom zur Verfügung stehenden Platz. Miniaturisierte Ultraschall-Linearantriebe beispielsweise lassen sich direkt in die Optikeinheit integrieren.

Bestimmung von Abständen und Oberflächentopologien

Schematische Darstellung der Weißlichtinterferometrie die für OCT-Anwendungen genutzt wird. Die Verschiebungen im Interferenzmuster lassen sich auswerten. Bild: Polytec

Schematische Darstellung der Weißlichtinterferometrie die für OCT-Anwendungen genutzt wird. Die Verschiebungen im Interferenzmuster lassen sich auswerten. Bild: Polytec

Sollen Abstände gemessen oder Oberflächentopologien bestimmt werden, gelten interferometrische Verfahren als Mittel der Wahl. Mit der optischen Kohärenztomografie (OCT) lassen sich Schichten unterhalb der Hautoberfläche untersuchen und dreidimensionale Bilder der Hautstruktur erstellen, die z.B. in der Diagnostik zur Krebserkennung dienen. Hierzu ist eine präzise Justierung der Optik erforderlich, um die Wellenlängen von Mess- und Referenzstrahl zu vergleichen. Welcher Piezo-Linearantrieb zum Einsatz kommt, hängt auch hier wieder davon ab, welches Objekt um welche Wegstrecke verschoben werden muss. Präzision und Positionsstabilität sind aber in jedem Fall garantiert.

Ähnliche Aufgabenstellungen gibt es auch in anderen Anwendungsgebieten. 3D-Bilder werden ebenfalls in der Augenheilkunde erzeugt für die Untersuchung des Augenhintergrunds oder in der Kieferorthopädie, um ein genaues Abbild der Mundhöhle für die Anpassung von Prothesen zu erhalten.

Strahlentherapie und Magnetresonanz-Tomografie

Magnetische Felder beeinträchtigen Piezoantriebe nicht in ihrer Funktion. So können Linearantriebe oder Positioniersysteme für hohe Lasten unter starken Magnetfeldern betrieben werden. Bild: PI

Magnetische Felder beeinträchtigen Piezoantriebe nicht in ihrer Funktion. So können Linearantriebe oder Positioniersysteme für hohe Lasten unter starken Magnetfeldern betrieben werden. Bild: PI

In der Strahlentherapie werden so genannte Multi-Leaf-Kollimatoren eingesetzt, um eine optimale Dosisverteilung zu erreichen. Dazu werden einzelne Lamellen so verstellt, dass das gesunde Gewebe bestmöglich vor der Strahlung geschützt wird. Als Antriebe für die Lamellen sind Ultraschall-Linearmotoren gut geeignet. Sie sind schnell, kompakt und erzeugen die notwendigen, vergleichsweise hohen Kräfte.

Ein Anwendungsbereich in der Medizintechnik mit Bildaufnahmen ohne optische Verfahren ist die Magnetresonanz-Tomografie. Die Antriebe, die die Messsonden zur Spulenabstimmung, die Proben oder Blenden bewegen, müssen unter starken magnetischen Feldern bis zu mehreren Tesla arbeiten. Piezoantriebe sind hier die richtige Wahl. Sie sind die einzigen Antriebe, die sich von starken Magnetfeldern nicht in ihrer Funktion beeinträchtigen lassen und selbst auch nicht zur Störquelle werden. Teure Kapselung und Abschirmung kann man sich deshalb sparen. Da die Antriebe zudem im Vakuum und auch bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, kann man sie ohne Weiteres direkt am Kühlsystem des Tomografen platzieren.

Titelbild: PI

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Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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