Piezobasierte Ultraschallantriebe eröffnen neue Perspektiven

Keine Kompromisse bei mobilen Arzneimittelpumpen

Mobile Arzneimittelpumpen sind aus der ambulanten Therapie bei vielen Erkrankungen nicht mehr wegzudenken, z.B. im Bereich der Schmerztherapie. Allerdingd gibt es Verbesserungspotential, vor allem was Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten, Größe Gewicht und Zuverlässigkeit betrifft. Bild: PI

Mobile Arzneimittelpumpen sind aus der ambulanten Therapie bei vielen Erkrankungen nicht mehr wegzudenken, z.B. im Bereich der Schmerztherapie, der Onkologie aber auch bei der parenteralen Ernährung oder bei Stoffwechselerkrankungen. Sie geben den Patienten Mobilität und damit mehr Lebensqualität. Gleichzeitig sinken die Therapiekosten, da die Patienten nicht stationär oder ambulant in der Klinik betreut werden müssen. Bei den heute üblichen mobilen Arzneimittelpumpen gibt es allerdings Verbesserungspotential, vor allem was Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten, Größe, Gewicht und Zuverlässigkeit betrifft. Piezo-Ultraschallmotoren als Pumpantriebe können hier interessante Perspektiven erschließen.

Bei mobilen Arzneimittelpumpen denkt man zunächst an Ballonpumpen, denn sie sind leicht, handlich und vom Patienten einfach zu bedienen. Sie arbeiten aber mit großen Laufzeitabweichungen und die Injektionsmengen sind nur schwer dokumentierbar. Da sich der „mobile“ Patient allerdings meistens außerhalb der Klinik befindet, ist eine präzise Verfolgung des Therapieverlaufes äußerst wichtig. Der Arzt braucht für eine erfolgreiche Behandlung genaue Informationen. Gefragt ist dann ein Pumpensystem, das auch außerhalb der Klinik eine genaue Dokumentation erlaubt. Aktuell sind in solchen Fällen Peristaltikpumpen das Mittel der Wahl, die aber aufgrund ihres hohen Gewichts und der beachtlichen Größe den Patienten stark einschränken und damit nicht wirklich mobil sind. Sie erlauben allerdings eine präzise Dosierung und programmierbare Fördervolumina. Je nach Therapie lassen sich so größere Mengen, kleinere Mengen oder über längere Zeiträume auch gar keine Arzneimittel verabreichen. Großvolumige Infusionen sind ebenfalls möglich, da man an den Pumpen Arzneimittelreservoirs mit unterschiedlichem Fassungsvermögen anschließen kann. Die Peristaltikpumpen eignen sich für verschiedene Medikamentationen, da sie einen kontinuierlichen Fluss (Basalrate) liefern, genauso sind aber auch Sonderinjektionen (Bolusraten) dosierbar, die zeitlich beliebig platziert sein können. Alle Abläufe lassen sich zudem dokumentieren, um abgegebene Arzneimittelmengen und den Therapieverlauf bewerten und z.B. gegenüber Versicherungen belegen zu können.

Verbesserungspotentiale nutzen: Mobilität und Dokumentation

Alles in allem verknüpfen Peristaltikpumpen alle gewünschten Anforderungen, abgesehen von der Mobilität. Sie sollten deshalb möglichst kleine Abmessungen haben, leicht und leise sein, um den Benutzer möglichst wenig in seiner Bewegungsfreiheit einzuschränken. Ebenso wichtig sind ein niedriger Energieverbrauch, damit die Akkus lange halten und ein zuverlässiger, verschleißarmer Betrieb für lange Wartungsintervalle. In diesem Zusammenhang lohnt es sich, die üblicherweise in den Peristaltikpumpen eingesetzten Antriebe unter die Lupe zu nehmen:

Die oft verwendeten kleinen, getriebeübersetzten Elektromotoren erzeugen zwar die für das Pumpprinzip notwendigen hohen Kräfte bzw. Drehmomente. Sie sind aber auch langsam; ihre mechanischen Mikrogetriebe arbeiten selten spielfrei und sind obendrein sehr verschleißanfällig. Als wirklich zuverlässig lässt sich eine solche Lösung deshalb nicht bezeichnen, denn kurze Wartungsintervalle verursachen Aufwand und Kosten.

Aufgrund ihres Funktionsprinzips, ihrer flachen Bauweise und den individuellen Anpassungsmöglichkeiten lassen sich die piezobasierten Ultraschallantriebe gut in mobile Arzneimittelpumpen integrieren. Bild: PI

Aufgrund ihres Funktionsprinzips, ihrer flachen Bauweise und den individuellen Anpassungsmöglichkeiten lassen sich die piezobasierten Ultraschallantriebe gut in mobile Arzneimittelpumpen integrieren.

Auch wer deshalb getriebelose Direktantriebe einsetzt, muss leider meist Nachteile in Kauf nehmen. Je nach technischer Ausführung der Peristaltikpumpen stehen vergleichsweise wenig Kraft oder Drehmoment zur Verfügung. Man muss dann den Antrieb größer wählen, was wiederum Auswirkungen auf die Abmessung der Pumpe haben kann. Hinzu kommt, dass die Direktantriebe zwar reaktionsschnell sind, aufgrund der fehlenden Getriebe-Mechanik aber nicht selbsthemmend. Um bei Nicht-Betrieb der Pumpe die Position stabil zu halten, müssen sie folglich bestromt werden. Bei kurzen Betriebszyklen, also wenn die Zeitdauer der Medikamentierung nur kurz ist und die „Nicht-Betriebszeiten“ lang, würde sich das verheerend auf die Akkulaufzeit auswirken. Der Motor muss deshalb mechanisch blockiert werden; auch das ist wieder mit Aufwand verbunden. Es gibt also genügend Gründe, sich bei mobilen Arzneimittelpumpen nach einer alternativen Antriebslösung umzuschauen:

Kompakter Antrieb für den mobilen Einsatz

Piezobasierte Ultraschallantriebe beispielsweise können hier neue Perspektiven erschließen. Sie sind sehr kompakt, verschleißarm und selbsthemmend. Sie halten also auch im ausgeschalteten Betrieb ihre Position, selbst bei Stürzen und Schlägen. Aufgrund ihres Funktionsprinzips, ihrer flachen Bauweise und den individuellen Anpassungsmöglichkeiten lassen sie sich gut in mobile Arzneimittelpumpen integrieren und arbeiten praktisch geräuschlos.

Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators werden entlang einer Reibschiene in lineare Bewegung umgewandelt, und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an. Bild: PI

Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators werden entlang einer Reibschiene in lineare Bewegung umgewandelt, und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an.

Wie die kompakten Piezoantriebe funktionieren ist einfach zu verstehen: Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktors werden entlang eines Läufers in lineare Bewegung umgewandelt und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an. Das Kernstück des Antriebs ist eine monolithische Piezokeramik (der Stator), die auf einer Seite durch zwei Elektroden segmentiert wird. Wahlweise wird die linke oder die rechte Elektrode zu den hochfrequenten Eigenschwingungen des piezokeramischen Elements im Bereich von einigen Hundert Kilohertz angeregt und bestimmt dadurch die Bewegungsrichtung. Ein Kopplungselement an der Piezokeramik wird so zu schnellen linearen Bewegungen angeregt. Im Kontakt mit dem Läufer entstehen Mikroimpulse, die den beweglichen Teil der Dosier-Mechanik (Schlitten, Drehteller, usw.) vorwärts oder rückwärts bewegen. Jeder Schwingungszyklus bewegt die Mechanik um einige Nanometer; insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Stellbereich.

Unterschiedliche Konstruktionen sind realisierbar

Flache und kleine Abmessungen, aufgrund der Hohlläufer-Bauweise. Bild: PI

Flache und kleine Abmessungen, aufgrund der Hohlläufer-Bauweise.

Die Antriebe bauen sehr kompakt, da sie praktisch nur aus dem Piezoaktor und einer gelagerten bewegten Scheibe oder Linearachse bestehen. Die Treiberelektronik kann als Chip integriert werden und beansprucht also auch nur wenig Einbauplatz. Da es wenige mechanische Komponenten wie Getriebe gibt, ist die Lösung zudem sehr verschleißarm und zuverlässig. Dosierungen sind in einem breiten Geschwindigkeitsspektrum möglich, je nach Ausführung von wenigen Grad bis zu mehreren Umdrehungen pro Sekunde bzw. bei linearen Lösungen von weniger als 1 mm pro Sekunde bis zu mehreren 100 mm pro Sekunde. Die Positionsrückmeldung für die Regelung steht für eine präzise Dokumentation zur Verfügung.

Ein kompakter piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eine Scheibe. Dieses System ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können. Bild: PI

Ein piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eine Scheibe. Dieses System kann dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosieren.

Der Motor besteht aus einem piezoelektrischen Ring (Aktor). Dieser Aktor wird derart angeregt, dass eine sogenannte Wanderwelle erzeugt wird. Die auf dem Piezoring sitzenden dünnen Aluminiumoxid-Ringe (oben und unten) nehmen die Schwingungen auf. Mit Hilfe der drei im Rotor eingesetzten Kopplungselemente wird die aufgenommene Schwingung auf den vorgespannten Rotor übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt. Die ringförmig angeordneten Piezo-Ultraschallantriebe bewegen hier eine Scheibe. Diese ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können.

Der PILine-Motor kann auch seitlich angeordnet sein. Bild: PI

Der PILine-Motor kann auch seitlich angeordnet sein.

Mit Piezo-Ultraschallantrieben sind aber auch andere Konstruktionen realisierbar. Der Piezoaktor kann beispielsweise auch seitlich angeordnet sein und einen Ring drehen, in dessen großen Apertur sich dann weitere Komponenten anordnen lassen. Die so aufgebauten Arzneimittelpumpen sind besonders klein, leicht und leise. Außerdem bieten sie ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Therapien und Dosierungen. Noch mehr Patienten können dadurch zukünftig in den Genuss einer nicht-stationären oder ambulanten Therapie kommen.

Über Physik Instrumente (PI)
Das Unternehmen Physik Instrumente ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

www.pi.de

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Dipl.-Physiker Gernot Hamann

Business Development Manager für Mikroskopie bei Physik Instrumente (PI)

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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