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Eine unglaubliche Reise – mit erprobter und bewährter Servotechnik

05 Feb 2016
Scott Evans

Erinnern Sie sich noch an den Film „Die phantastische Reise“ von 1966? Oder an „Die Reise ins Ich?“ In beiden Filmen ging es um kleine Gefäße die im Inneren des menschlichen Körper arbeiten. Zu dieser Zeit schienen die Filme unmöglich da mikroskopische Menschen die Schiffe betrieben.

Und bestimmt sagt Ihnen der Begriff Arthroskopie etwas?

In meinem letzten Blogbeitrag schrieb ich über Steer-by-Wire in Autos. Hierbei geht es im Wesentlichen darum, die mechanische Kraftübertragung zwischen Ihnen und dem Lenkrad, das Sie fest mit den Händen umklammern, abzuschaffen. Ersetzt wird sie durch Sensoren am Lenkrad, die einem Stellmotor mitteilen, auf welche Weise, mit wie viel Kraft und wie weit die Stellung der Räder geändert werden soll – je nachdem, wie weit und mit wie viel Krafteinsatz Sie das Lenkrad drehen.

Sehen wir uns einmal an, wo sich dieses Konzept noch anwenden ließe. Angenommen, eine derartige Maschine steuert nicht die Räder eines Fahrzeugs, sondern eine chirurgische Nadel mit Faden. Oder eine Kamera. Oder ein Skalpell. Oder einen Stent. Oder alles auf einmal... Und alle Geräte befänden sich in Ihrem Körper.

Nur dass nicht Sie das Lenkrad halten, sondern ein Chirurg. Zwischen den Händen des Chirurgen und dem Skalpell gibt es keine mechanische Verbindung mehr.

Herzlich willkommen im 21. Jahrhundert! Mehr als 2.000 Krankenhäuser verfügen bereits über derartige Maschinen. Man bezeichnet sie als Chirurgieroboter bzw. Assistenzroboter.

Betrachten wir zunächst einmal das Roboter-Katheterisierungssystem Magellan von Hansen Medical. Bei diesem System steuert der Chirurg den Mechanismus mit einem Joystick. Der Joystick befindet sich am Ende mehrerer Trägheitsarme, die der Bewegung einen gewissen Widerstand entgegensetzen. Dieser wird nicht durch Reibung, sondern eben durch Trägheit erzeugt. Auf die gleiche Weise verhindert die Lenksäule eines PKWs ein schnelles Verreißen des Lenkrads.

Dass sich dieses Robotersystem in den Händen des Chirurgen so gut anfühlt, liegt an der darin eingesetzten haptischen Rückkopplungstechnologie: Das System erkennt, wie viel Reibung die Arterie oder die Herzwand des Patienten ausübt und wie schnell sich der Katheter bewegt. Per Kraftrückkopplung über die Trägheitsarme und den Joystick erhält dann der Chirurg eine Rückmeldung. Diese Rückmeldung sowie die Anzeigen auf der Instrumententafel sagen dem Chirurgen, wohin und wie schnell er den Katheter bewegen muss, und helfen effektiv Schmerzen und Kontusionen beim Patienten zu vermeiden. Dies verringert den Zeitaufwand für die Operation deutlich und lindert Schmerzen sowie Schwellungen.

Mit den bei Kollmorgen-Produkten üblichen Begriffen könnte man sagen: Der Chirurg steuert mit einer koordinierten Antriebssteuerung und einem Verstärker mit hochempfindlichem Stromwandler die Aktivierung eines Aktuators – zum Beispiel eines Linearmotors oder eines Gewindetriebs. Die Steuerung liest die Werte der Stromwandler und der anderen Sensoren aus. Wenn der Katheter jetzt zum Beispiel die Arterienwand berührt, erzeugt die Steuerung eine Kraftrückkopplung, indem sie den Aktuator entgegen der vom Chirurgen angesteuerten Richtung bewegt. Im Gegensatz zum Auto, wo dies in der Größenordnung von Zentimetern oder Dezimetern geschieht, haben wir es hier jedoch mit Bewegungen im Nanometer- bis Mikrometerbereich zu tun.

Intuitive Surgical Patient-Side CartÄhnlich funktioniert das minimal-invasive Operationssystem Da Vinci von Intuitive Surgical, das dem Chirurgen ermöglicht, mit höherer Genauigkeit zu arbeiten. Für die ganz Unerschrockenen unter unseren Lesern gibt es auf YouTube zahlreiche Videos von diesen Operationen. In beiden geschilderten Beispielen erteilt ein Fahrer oder Chirurg einem Werkzeug Befehle, ohne dieses jedoch zu berühren. Das Werkzeug selbst wird mit hoch zuverlässiger Servotechnik robotertechnisch angetrieben. Und die Sensoren, die mithilfe von Algorithmen das Servosystem steuern, bewegen dieses entgegen der vom Fahrer bzw. Chirurgen verlangten Richtung, um ihm eine haptische Rückmeldung zu geben.

Über den Autor

Scott Evans

Scott Evans - Author
Scott ist seit 7 Jahren bei Kollmorgen, derzeit als Director, Global Product Planning.  Er war für Kollmorgen außerdem als Business Unit Director für Nord- und Südamerika tätig. Scott gründete die Firma Advanced Digital, die Servoantriebe entwickelte und produzierte und schließlich von Lenze übernommen wurde. Scott hat das Glück auch in seiner Funktion als Director, Global Product Planning gelegentlich an kreative und fantastische Experimenten teilnehmen zu können. Scott möchte diesen Blog für interessante Artikel über z. B. neue Produkte oder Services, die Servosysteme beeinflussen, oder über die Verwendung wichtiger Komponenten in Servosystemen nutzen.  Sie erreichen Scott unter: Scott Evans

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