Berührungslos – durchs Gewebe zum Blutstrom

Lebendes Gewebe ist zur Sauerstoff- und Nährstoffversorgung zwingend auf eine ausreichende Blutzufuhr angewiesen. Mang­elnde Durchblutung ist daher immer ein Zeichen für suboptimale Bedingungen im Körper. Oft reicht für die Diagnose schon die oberflächliche Betrachtung von Haut bzw. Gewebe aus. Diese Tatsache macht sich nun ein neues Durchblutungsmessgerät zunutze: Ein Laserstrahl tastet durch das Gewebe hindurch den Blutstrom ab. Für die nötige mechanische Ablenkung des Laserstrahls sorgt ein Schritt­motorantrieb.So können durch die Sensorik auf kleinem Raum reproduzierbare Messergebnisse gewonnen werden. Exakte Schrittweite, passende spielarme Untersetzungs­getriebe, leichte Ansteuerung, lange Lebensdauer und vor allem kleine Abmaße des Motors sind Pflicht für diesen Einsatz.

Gerade bei kompakten Geräten sind moderne Kleinantriebe heute unabdingbar. Elektronische Komponenten und optoelektronische Bauteile schrumpfen heutzutage "täglich". Für viele Anwendungen jedoch benötigt man zwingend auch sehr kleine mechanische Kompo­nenten. In diesem Bereich hat sich "Kleines" getan. Mini- und Mikromotoren in vielfältiger Ausführung lassen auch hier keine Anwenderwünsche mehr offen.

Durchblutungsscanner

Medizinische Geräte zeichnen sich oft durch zwei Eigenschaften aus: Sie sind groß und sie sind teuer. Dass es auch anders geht, beweist ein neu entwickelter Durchblutungsscanner. Er kombiniert moderne Elektronik, Lasertechnik und Mikromechanik mit einem Auswerte-PC zu einer kleinen, praktischen Einheit. Da eine gute Durchblutung essenziell für alle Körperfunktionen ist, lassen sich mit ihm schnell fundierte Diagnosen und Trends zu gewissen Krankheitsbildern stellen. Man denke nur an Durchblutungsstörungen bei Diabetes, Raucherbein, dermatologischen Problemen oder Wundheilung, Verbrennungswunden und Trans­plantationen. Das Funktionsprinzip ist einfach: Ein Dioden-Laserstrahl durchdringt oberflächennahes Gewebe (ca. 0,5 bis 1 mm tief, je nach Gewebeart) und wird an den roten Blutkörperchen teilweise reflektiert. Darüber lassen sich sowohl die Geschwindigkeit als auch die Menge der Blutkörperchen feststellen. Wichtig für die eigentliche Messung sind nun mehrere Faktoren: Es muss eine ausreichend große Fläche in möglichst kurzer Zeit gescannt werden, um eine Art "Standbild" zu bekommen. Gleichzeitig sollen aber so viele Messpunkte wie möglich in dieser Fläche liegen. Ist jedoch die Einzelschrittlänge kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls so überlappen sich die Messungen. Dies kostet Zeit – ohne nennenswerten Informationsgewinn. Bei einem Laserstrahldurchmesser von circa 1 mm ergeben sich so folgende, medizinisch wünschenswerte Eigenschaften: Die größte zu scannende Fläche beträgt ca. 50 x 50 cm², um z. B. Gliedmaßen auch abgewinkelt erfassen zu können, mit bis zu 255 x 255 Messpunkten. Die einstellbare Auflösung erlaubt bei 25 cm Abstand zum Gewebe eine Schrittweite von rund 3 mm, 2 mm bzw. 1 mm für geringe, mittlere und hohe Auflösung. Der bestauflösende Modus arbeitet mit nur noch 0,5 mm Schrittlänge, die Mess­punkte überlappen sich dabei. Das reflektierte Licht wird über eine CCD-Kamera aufgenommen und über eine spezielle Software ausgewertet.

Mechanisch kompakt

Die Anforderungen an die Mechanik im Scanner sind vielfältig. Zum einen muss er als mobiles Gerät ohne Bruchgefahr zu transportieren sein, zum anderen ist gerade im medizinischen Bereich Zuverlässigkeit und EMV-Verträglichkeit gefragt. Da der Scanner in unterschiedlichen Modi arbeiten kann, ist eine leicht zu verändernde aber trotzdem reproduzierbare Schrittweite der Optik wichtig. Um Zeit und Geld zu sparen, sollte sich die Antriebssteuerung einfach und ohne Aufwand in die vorhandene Elektronik integrieren lassen. Ein Schrittmotorantrieb bietet hierfür die besten Voraussetzungen. Schritt­motoren können bei definierter Schrittweite ohne weitere Sensorik eingesetzt werden, je Steuerimpuls bewegen sie sich immer einen definierten Schrittwinkel weiter. Dank hoher Schrittzahl ist die Auflösung sehr gut, sie lässt sich durch eine nachgeschaltete Untersetzung noch weiter verbessern. Dies macht sich der Scannerantrieb ebenfalls zunutze: ein spielarmes Getriebe ermöglicht erst die hohe Auflösung und Präzision für die Laserabtastung. Das Getriebe wurde für diesen Einsatzfall eingehend geprüft und zertifiziert. Die Grenzen für Lebensdauer, Auflösung, Wiederholgenauigkeit etc. lagen dabei deutlich über den Anwendungsanforderungen. Dies war auch ein wesentlicher Grund für die Auswahl der Motor-Getriebe-Kombination von FAULHABER PRECIstep. Dass Schrittmotoren auch im stromlosen Zustand ihre Position halten können, bzw. bestromt sogar mit vergleichsweise hohem Drehmoment, ist ebenfalls von Vorteil. Kleine Schrittmotoren bis 15 mm Durchmesser erlauben heute bis zu 24 Schritte pro Umdrehung oder können Drehzahlen bis zu 15.000 U/min erreichen. Die Auswertung ist dabei recht einfach; ein elektrischer Impuls entspricht immer einem definierten Drehwinkel, der Gesamtwinkel bzw. der zurückgelegte Weg des Antriebs ist durch Addition der Impulse leicht zu errechnen. Im Fall des Durchblutungsscanners ergeben sich folgende Arbeitsgeschwindigkeiten: Bei geringer Auflösung und einer gescannten Fläche von 2,7 x 2,9 mm² mit 10 x 10 Punkten Auflösung dauert die Untersuchung 4 Sekunden. Beim anderen Extrem mit 26 x 29 cm² Fläche und 85 x 85 Punkten Auflösung sind es gut 6 Minuten. Dazu bewegen zwei Schrittmotoren einen Ablenk-Spiegel in x-y-Richtung. Durch die stabile Mechanik in Verbindung mit der exakten Schrittweite ist so der sichere und reproduzierbare Messbetrieb gewährleistet.

Stabile Mechanik und präziser Getriebe-Schrittmotor für reproduzierbare Messungen