Seilzugsensoren in medizinischen Geräten

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.