antriebstechnik 5/2021

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK FÜR MEDIZIN UND LABOR Weltweit leiden 422 Millionen Menschen an Diabetes. Die schwerwiegende Krankheit hat für die Betroffenen teils einschneidende Therapien zur Folge. Trotzdem können viele Patienten heute ein selbstbestimmtes Leben führen. Dank moderner Medizin und Therapiegeräten im handlichen Format können sie sich frei bewegen und Sport treiben, schwimmen gehen, ins Kino oder sich zum Essen mit Freunden treffen. Zunächst bedeutet die Diagnose Diabetes für Patienten aber in aller Regel eine völlige Umstellung der Lebensumstände. Der Krankheit liegt die Fehlfunktion der Bauchspeicheldrüse zugrunde. Bei gesunden Menschen produziert sie rund um die Uhr geringe Mengen Insulin und deckt so den Basalbedarf: Alle Zellen sind ständig mit Energie versorgt. Zu den Mahlzeiten wird zusätzliches Insulin ausgeschüttet. Das Hormon dient vor allem dazu, Glukose aus dem Blut in die Zellen weiter zu schleusen. Gelingt dies nicht, kann das zu akuten und chronischen Komplikationen im Körper führen. Während sich Diabetes Typ 2 anfangs oft mit Gewichtsreduktion und Bewegung, Ernährungsumstellung und auch oralen Medikamenten behandeln lässt, bleibt bei fortgeschrittener Erkrankung sowie bei Diabetes Typ 1 nur die Insulinersatztherapie über Spritzen. Die konventionelle Insulintherapie sieht die Gabe morgens und abends nach einem festen Schema vor und ist zwar einfach anzuwenden, aber mit starken Einschränkungen für den Patienten verbunden. So darf er etwa nicht vom gewohnten Essensplan abweichen und muss auch ausgiebige körperliche Aktivitäten einplanen. Die intensivierte Insulintherapie indes ahmt die physiologische Insulinausschüttung möglichst präzise nach und erfolgt nach dem Basis-Bolus-Prinzip, wonach sich Patienten einerseits einoder zweimal täglich ein langwirksames Basisinsulin in geringer Menge und zusätzlich vor den Mahlzeiten Normalinsulin (Bolusinsulin) spritzen. Die Dosis resultiert aus dem aktuellen Blutzuckerwert, der Tageszeit und der Mahlzeit. Für diese Form der Therapie ist die Mitarbeit der Patienten entscheidend, sie ermöglicht aber eine sehr gute Blutzuckereinstellung. INSULINPUMPE AHMT DIE BAUCHSPEICHELDRÜSE NACH Seit einiger Zeit erleichtern Insulinpumpen Diabetikern das Leben, da sie ihnen das Hantieren mit Insulinspritzen ersparen. Die kontinuierliche subkutane Insulininfusionstherapie (CSII) ahmt die natürliche Produktion der Bauchspeicheldrüse möglichst naturgetreu nach. Das Gerät trägt der Patient stets am Hosenbund oder in der Tasche mit sich. Es besteht aus einer Pumpe mit Insulinreservoir und ist über einen dünnen Schlauch mit einer kleinen Nadel verbunden, die dauerhaft im Unterhautfettgewebe verweilt und alle paar Tage gewechselt wird. Die automatische Insulinpumpe ist programmierbar und gibt regelmäßig kleine Insulinmengen ab, um den Basisbedarf zu decken. Per Knopfdruck kann sich der Patient außerdem zu den Mahlzeiten eine zusätzliche Insulinmenge verabreichen. Besonders bei jungen Patienten ist diese Form der Therapie zunehmend beliebt – und von großem Vorteil. Der Blutzucker kann so stabil eingestellt werden, die Lebensqualität verbessert sich deutlich. Das Gerät besteht aus einer Einwegkartusche mit Insulin, die etwa alle drei Tage ausgetauscht werden muss, aus einer Batterie und einem kleinen Motor. Für die Pumpenfunktion werden bislang DC-Motoren in Kombination mit Zahnradgetriebe verwendet. Mittels einer Gewindespindel wird der Kolben der Insulinampulle nach vorne geschoben und so die regelmäßige Freigabe minimaler Dosen bewirkt. Ein Patient verbraucht im Durchschnitt 0,66 ml Insulin am Tag – abhängig von Körpergewicht und Lebensgewohnheiten. Um die kontinuierliche Gabe zu erreichen, verursacht der Motor z. B. eine Bewegung von 12 µm und 1,4 µl alle drei Minuten. MOTOR MIT DREI GRAMM EIGENGEWICHT Die Anforderungen an den Motor sind hoch: Um das tragbare Gerät leicht zu halten, muss der Motor kompakt sein und zugleich eine zuverlässige und präzise Leistung erbringen. Der regelmäßige, quasi minütliche Betrieb bedeutet für den Motor einen steten Start-und-Stop-Betrieb. Benötigt werden außerdem bei einem klassischen DC-Motor mit hohem Wirkungsgrad mehrere Getriebestufen, um die hohe Motordrehzahl auf den notwendigen Wert zu senken. Alles in allem kann die Pumpe so schnell 120 g auf die Waage bringen – mehr als die Hälfte des Gewichts dürfte auf die elektromechanischen Elemente fallen. Dabei ist die Pumpe insgesamt meist unhandlicher als ein Mobiltelefon und dadurch vor allem für junge Menschen ein Handicap. Neue Möglichkeiten in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Leistung und Zuverlässigkeit bietet der LiNK-Antrieb von PiezoMotor. Der Linearantrieb liefert eine hohe Präzision und macht viele mechanische Elemente im Aufbau der Insulinpumpe überflüssig. Der Motor ist nicht nur in seiner Größe einzigartig, sondern auch im Gewicht: Er ist so groß wie ein Daumennagel und bringt nur 3 g auf die Waage. Als linearer Direktantrieb kommt er ohne Getriebe und Spindel aus, was zusätzlich Platz und Gewicht spart und die Konstruktion nahezu verschleißfrei und wartungsarm macht. Dadurch erweist er sich insbesondere für die komplexen Dosieraufgaben direkt am Menschen als energieeffiziente und praktikable Lösung. DIE IDEE „Unsere Motoren sind von Haus aus klein – aber es gibt durchaus Anwendungen, für die noch kleinere Aktoren wirklich Großes leisten können. LiNK wird aufgrund seiner Größe und Leistungsfähigkeit vor allem im Medizinbereich zahleiche Anwendungen revolutionieren.“ Per Bendixen, Head of Innovation, PiezoMotor 30 antriebstechnik 2021/05 www.antriebstechnik.de

WEITERE ANWENDUNGEN IN DER MEDIZINTECHNIK DENKBAR Die neueste Gerätegeneration der Pumpen bemisst den Bedürfnissen der Patienten einen noch höheren Stellenwert: Zusammen mit Glukosesensoren im Unterhautfettgewebe stellen sie einen geschlossenen Kreislauf her und können die nötige Zufuhr von Insulin kontinuierlich errechnen und abgeben. Dies erlaubt ein „Hybrid-Closed- Loop“-System: Mit Hilfe eines Algorithmus wird der zukünftige Gewebeglukosewert vorausberechnet und die Zufuhr bedarfsgerecht angepasst, lediglich bei der Nahrungsaufnahme ist eine manuelle Nachsteuerung nötig. Der Bedarf an Geräte mit wenig Eigengewicht und hoher Zuverlässigkeit zur Erleichterung und Verbesserung der Lebensqualität beschränkt sich nicht allein auf die Insulinbehandlung. Auch Patienten mit anderen chronischen Krankheiten sind auf regelmäßige Injektionen und On-body-Arzneimittelabgabegeräte angewiesen. Darüber hinaus bieten sich für LiNK noch weitere Anwendungsbereiche. In Mikromanipulatoren, bei der patientennahen Diagnostik (Point-of-Care/POC) oder auch bei Mikrofluidik-Anwendungen in der Laborautomation müssen Antriebe auf kleinem Raum hohe Leistungen erbringen. LiNK ist einfach zu integrieren und hilft, die Entwicklungszeit neuer bedeutsamer Medizintechnik zu beschleunigen. Fotos: PiezoMotor www.piezomotor.com 01 Der lineare Direktantrieb spart durch den Verzicht von Spindel und Getriebe Platz ein; weniger Bauteile machen die Konstruktion zudem wartungsärmer 02 Dank seiner geringen Baugröße und hohen Präzision eignet sich der Linearantrieb insbesondere als Motor für tragbare Insulinpumpen 03 Der Hersteller will den fingernagelgroßen Aktuator auch für andere patientennahe Therapie- und Diagnostikgeräte zur Anwendung bringen Punktlandung in Präzision und Qualität Sondergetriebe GSC Schwörer GmbH Antriebstechnik Oberbränder Straße 70 79871 Eisenbach www.gsc-schwoerer.de 01 02 03 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/05 31