Robotica en de medische wereld zijn al langer onlosmakelijk met elkaar verbonden. Robots worden immers niet moe, werken altijd met de maximale nauwkeurigheid en zijn vaak sneller dan mensen. Om deze prestaties ook daadwerkelijk te kunnen leveren, zijn speciale aandrijvingen nodig. Faulhaber ontwikkelt en produceert diverse compacte DC-miniatuurmotoren die aan de vele eisen voldoen. Hein Vos, regional sales manager North-West Europe, gaat in op de mogelijkheden.
Robotchirurgie is bij uitstek een hulpmiddel voor gespecialiseerde chirurgen. Vooral om complexe operaties nauwkeuriger uit te voeren, met meer flexibiliteit en controle dan mogelijk is bij conventionele operatietechnieken. Hein Vos schetst een reële situatie: “In de operatiekamer heerst een sfeer van stille concentratie waarin het team de patiënt voorbereidt op de operatie. De operatie zelf wordt uitgevoerd door de chirurg met behulp van een medische robot. Sterker nog: de robot is degene die de eerste incisie zet; aangestuurd door de chirurg die achter een console zit.”
DEZE ARTIKELEN OVER ROBOTISERING VIND JE VAST OOK INTERESSANT:
- Als mens één met de robot; Telepresence maakt afstand irrelevant
- Nauwkeurige aandrijvingen voor humanoïde robots en protheses
- Scanner op track bij verfrobot in kozijnfabriek
Van SCARA- tot slangvormige robot
Dit type medische oplossingen zijn er in verschillende soorten en maten. Zo zijn er handgereedschappen voor één specifieke procedure, soms met meerdere ingebouwde aandrijfsystemen. Daarnaast zijn er robots met bewegende armen, SCARA-robots, robots op drie of zes poten en slangvormige robots. Voor dit laatste type worden vaak takels en rollen of tandriemen gebruikt om de beweging van de aandrijvingen over te dragen. Minimale speling en nauwkeurige aansturing zijn hiervoor essentieel. De vaste, meerassige robotsystemen zijn veelal universeel inzetbaar voor uiteenlopende medische procedures. Deze systemen bestaan uit meerdere robotarmen met precisie-instrumenten, voorzien van hoogwaardige camerasystemen die direct in de patiënt werken. Dit gecombineerd met een computergebaseerd systeem om de robot aan te sturen.
Techniek achter de robot
De redenen om robots in te zetten in de medische wereld liggen voor de hand. Een robot wordt nooit moe en is ook na een dienst van 24 uur nog steeds in staat om feilloos en nauwkeurig zijn handelingen uit te voeren. Daarbij behoudt hij in alle gevallen zijn nauwkeurigheid en kan hij vaak ook sneller werken dan een mens. In de meeste gevallen is de chirurg achter de console nog wel leidend. Maar deze wordt ook steeds meer ontlast door technologie die zich steeds verder ontwikkelt. Dit betekent dat robots ook de ergonomie van de chirurg ondersteunen.
Om de medische taken naar wens te kunnen uitvoeren, maakt het complete robotsysteem gebruik van verschillende technieken. Vision – de combinatie van een digitale camera en geavanceerde beeldverwerkingstechnieken – is bijvoorbeeld in de laatste jaren steeds beter geworden. De camera is onder andere belangrijk voor minimaal invasieve handelingen en in staat om optimale en vooral trillingsvrije beelden te genereren. Op de 3D-monitor kan de arts precies zien wat zich in het specifieke deel van het lichaam van de patiënt afspeelt. Anders dan bij de conventionele 2D-beelden kan hij in de 3D-monitor elk detail in de juiste verhouding waarnemen.
Beademingsmachine: 24 mm DC-motor
Een speciale toepassing van een Faulhaber miniatuuraandrijving betreft een beademingsmachine die wordt ingezet voor patiënten onder narcose. In de turbine-unit van het apparaat is een borstelloze, snelle DC-miniatuurmotor met een diameter van 24 mm toegepast. Deze motor is snel en stil over het gehele toerentalbereik, maar ook dynamisch waarmee een natuurlijke beademing is te realiseren. Zowel bij volwassenen als kinderen en zelfs pasgeborenen baby’s. Daarbij zorgt de machine ervoor dat de patiënten steeds vrij kunnen ademen (spontane ademhaling).
Op een tiende millimeter nauwkeurig
Hieraan gerelateerd is de huidige generatie scanners waarmee het lichaam van een patiënt vooraf is ‘in te meten’. Met de juiste software wordt vervolgens een 3D beeld van het operatiegebied gemaakt. Door conversie van de door de chirurg ingevoerde gegevens, zijn insnijdingen met een nauwkeurigheid van een tiende van een millimeter mogelijk. Deze nauwkeurigheid is vaak handmatig niet te bereiken. Tevens kan de robot met behulp van een computer controleren of de arts opereert op de plaats waar het werkelijk nodig is. In geval van twijfel kan het systeem de arts tegenhouden en potentieel medische fouten voorkomen.
Verder zijn er uiteenlopende sensoren – buiten de eerdergenoemde camera – die worden toegepast om de bewegingen van een robot te controleren. Sensoren die bijvoorbeeld terugkoppelen hoe hoog de weerstand is van het weefsel waarin de robot snijdt – de zogenaamde haptische feedback. Op dezelfde manier kunnen ook sensoren die temperatuur of vocht kunnen meten ondersteuning bieden. Door snelle ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie en augmented reality zal het gebruik van dit soort systemen – waaronder operatierobots – alleen nog maar toenemen.
Minuscuul klein, stil, sterk, betrouwbaar
Buiten alle bovenstaande technologie spelen ook de aandrijvingen van een medische tool een belangrijke rol om deze succesvol te kunnen inzetten. Hein Vos: “Logischerwijs moeten deze aandrijfsystemen niet alleen zeer betrouwbaar en nauwkeurig zijn, maar bovenal klein. Zo klein dat ze in de robot passen of in implanteerbare hartpompen of chirurgisch handgereedschap. De miniatuurmotoren worden ook ingezet in de oogheelkunde, voor medische beeldvorming en beeldverwerking en bijvoorbeeld insulinepompen.”
Naast afmetingen en gewicht van deze motoren zijn ook een hoog koppel, een hoge dynamiek en maximale vermogensdichtheid belangrijke eigenschappen. Wanneer bovendien mensen de medische technologie bedienen – zoals de chirurg achter zijn console – moeten de aandrijvingen zo geluidsarm mogelijk werken om de concentratie niet te verstoren. Ook een optimale connectiviteit is een vereiste om betrouwbare verbindingen en gegevensuitwisseling met de overige componenten in het aandrijfsysteem van de robot te garanderen. Een laag energieverbruik is tot slot noodzakelijk voor mobiele toepassingen die gebruik maken van batterijen of accu’s.
Specifieke motor-eisen
Hein Vos: “En dan hebben we nog de specifieke toepassingen die soms ook hele specifieke aandrijvingen nodig hebben. Bijvoorbeeld varianten die ongevoelig zijn voor magnetische velden die in de buurt van MRI-scanners aanwezig zijn. Andere medische technologie vraagt bijvoorbeeld weer om zelfborgende aandrijvingen of aandrijvingen met een minimale speling. En in operatie instrumenten moeten de aandrijvingen bijvoorbeeld weer bestand zijn tegen een sterilisatieproces met bijbehorende temperaturen en reinigingsmiddel. Kortom: de vereisten zijn breed en divers en de lat in de medische wereld ligt hoog.”
Speciale wikkeltechniek
De motoren die Faulhaber voor medische toepassingen ontwikkelde, kenmerken zich onder meer door de ijzerloze wikkeltechniek en vlakke koppelcurves. Hiermee zijn de belangrijkste vereisten gedekt waaronder exacte positionering en toerentalregeling. Daarnaast moeten ze een uitzonderlijk goed aanstuurgedrag hebben met betrekking tot de nauwkeurigheid. De aansturing is onder meer belangrijk voor systemen met haptische feedback zoals eerder genoemd. Hiermee kan de chirurg de weerstandsvariaties tussen hardere en zachtere weefsellagen waarin de robot snijdt letterlijk voelen tijdens de operatie. Dit is een belangrijke eigenschap van een medische robot die letsel aan zenuwen, bloedvaten en zacht weefsel voorkomt. Om ervoor te zorgen dat de kracht die de hand van de chirurg uitoefent, zo nauwkeurig mogelijk overeenkomt met de kracht die wordt uitgeoefend op het weefsel waarop wordt geopereerd, moet het aandrijfsysteem in vier kwadranten werken met aandrijvingen zonder restkoppel.
Vos besluit: “Onze miniatuur- en micromotoren zijn door de modulaire opbouw in uiteenlopende uitvoeringen te configureren tot een oplossing die nauwkeurig is afgestemd op de toepassing. De oplossing is daarbij meestal een combinatie van de motor, een tandwielkast en motion controller. Ook zijn er diverse optische, magnetische en absoluut encoders beschikbaar evenals speed controllers. De motoren zijn uitgerust met kernloze technologie of juist een ijzeren kern die beiden goed te combineren zijn met deze verschillende componenten. Op deze manier kan de medische wereld maximaal profiteren van de voordelen die de robotica biedt.”
Meer over Faulhaber.
