Hightech statt medikamentöser Behandlung

Stimulation von Gehirnbereichen: Die transkranielle Magnetstimulation, kurz TMS, ist eine medizinische Behandlungsart, bei der mit Hilfe fokussierter starker Magnetfelder Bereiche der Großhirnrinde sowohl stimuliert als auch gehemmt werden können. Bei gewissen neurologischen und psy­chischen Erkrankungen kann sie als Alternative zur medikamen­tösen Behandlung eingesetzt werden und bietet den Vorteil, weder invasiv noch schmerzhaft zu sein. Dank Kleinstantrieben konnte diese neue Technik automatisiert und in einem kompakten Gehäuse untergebracht werden. Sie bietet ein hohes Sicherheitsniveau und ist im Vergleich zur manuellen Steuerung deutlich präziser.

Die TMS ist nicht nur ein nützliches Werkzeug in der neurowissenschaftlichen Forschung, sie wird auch bei der Diagnose und Behandlung gewisser neurologischer und psychischer Erkrankungen eingesetzt, insbesondere bei Depressionen. Bei dieser Technik wird in der Großhirnrinde ein starkes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld kann per Induktion die elektrische Aktivität der Neuronen anregen oder hemmen. Die Spule, die das fokussierte Magnetfeld erzeugt, muss exakt und reproduzierbar positioniert und auf die richtigen Punkte im Gehirn ausgerichtet werden. Mit dieser Vorgabe entwickelte die französische Axilum Robotix gemeinsam mit deren Partner Streb & Weil den weltweit ersten Robotassistenten speziell für die TMS. Auf vorab für jeden Patienten speziell definierten Gehirnbereichen positioniert das System die TMS-Spule höchst präzise und sicher. Mit dem Ziel, ein stabiles, kompaktes und präzises Gerät zu erhalten, arbeiteten die Entwickler mit den Applikationsingenieuren von FAULHABER zusammen, um durch die Integration spielarmer Getriebe in den Führungsarm für die Spule einen möglichst reproduzierbar positionierenden Antrieb zu erhalten.

Neue medizinische Methode

Erste transkranielle Magnetstimulationen gelangen dem Arzt und Physiker Jacques-Arsène d'Arsonval Ende des 19. Jahrhunderts am Collège de France in Paris. An der University of Sheffield arbeitete Anthony Barker 1985 an der modernen Variante der transkraniellen Magnetstimulation. Deutlich kleinere Spulen, die die Großhirnrinde nur in einem kleinen Bereich stimulieren, verbesserten die Ergebnisse. Die Magnetstimulation des schädelnahen Kortex ist heute nahezu ohne Unannehmlichkeiten für die Probanden bzw. Patienten. Jedoch erfordern die kleinen Spulen eine äußerst präzise Positionierung der Magnetfeldquelle. Das Prinzip ist einfach: Eine tangential am Schädel angelegte TMS-Spule, die mit einem Stimulator verbunden ist, liefert für wenige Millisekunden ein Magnetfeld mit einer Stärke von bis zu 3 Tesla. Die dadurch ausgelöste elektrische Potentialänderung in der schädelnahen Hirnrinde bewirkt eine Depolarisation von Neuronen mit Auslösung von Aktionspotentialen. Die Stärke dieses elektrischen Felds nimmt mit der Entfernung zur Spule exponentiell ab. Diese Abnahme ist ein weiterer Grund, die Spule möglichst nahe an das zu stimulierende Hirnareal zu bringen, also in direkten Kontakt mit dem Schädel, ohne dabei die Präzision der Positionierung einzubüßen.

Kompaktroboter übernimmt Spulenführung

Ausgehend von diesen Anforderungen entwickelten die Experten aus Frankreich einen Roboter, der sehr präzise und reproduzierbar die TMS-Spule um den Kopf des Probanden herum positionieren kann. Der Patient sitzt dabei in einem bequemen, elektrisch verstellbaren Sessel mit Kopfstütze, um so die Kopfbewegungen zu minimieren. Der Roboter wird von einem Neuronavigationssystem gesteuert, wobei ein optisches Überwachungssystem es ermöglicht, etwaige Kopfbewegungen zu erkennen und zu kompensieren. Die Spule ist mit einem Kontaktsensor ausgestattet und kann so sicher mit dem Schädel in Berührung gebracht werden.
Der hemisphärische Aufbau des Roboterarms mit sieben Achsen garantiert eine gute Zugänglichkeit. Die Getriebe und Antriebe sitzen möglichst nahe an den Achsen. Die Leistungsregler sind ebenfalls sehr dicht an den Antrieben platziert, um eine möglichst kurze Verbindung zu Motor und Encoder zu gewährleisten. Die Leistungsregler sind mit gemeinsamer Stromversorgung und Busverbindung zur Kommunikation mit dem Steuer- und Bediensystem (Zentraleinheit mit Prozessor) ausgestattet. Zusätzlich übernimmt das Steuer- und Bediensystem das Sicherheitsmanagement u.a. für Not-Aus sowie alle übergeordneten Steuerungsaufgaben, wie die Berechnung der Kinematik des Roboterarms, Lageregelung mit Hilfe des Kontaktsensors etc. Die Getriebemotoren und deren Steller müssen aufgrund technischer und medizinischer Beschränkungen besonderen Anforderungen entsprechen. Die gepulsten Magnetfelder, die von der TMS-Spule abgegeben werden, erfordern auf Höhe des Roboterarms eine sehr hohe EMC-Immunität (Elektromagnetische Verträglichkeit). Die Elektronikeinheit darf generell nur sehr niedrige Emissionen erzeugen, um medizinische Geräte im Umfeld nicht zu stören. Daher müssen die Leitungen möglichst kurz und geschirmt sein, um Datenfehler durch die therapeutischen Magnetfelder auszuschließen. Außerdem ist die Schirmung der Kabel wichtig, da diese sonst zu Antennen werden und andere Geräte stören können. Um Kopfbewegungen schnell kompensieren zu können, müssen die Motoren ein hohes Anlaufmoment haben und dürfen trotzdem nicht überhitzen. Encoder mit hoher Auflösung und Getriebe mit reduziertem Spiel sorgen für eine präzise Positionierung.

Der weltweit erste TMS-Roboter­assistent zur gezielten Magnet­stimulation der Großhirnrinde

Im Einzelnen

In der Praxis setzen die Roboterspezialisten im Arm unterschiedliche bürstenlose Motoren ein, die so dimensioniert sind, dass sie das erforderliche Drehmoment aufbringen können und dabei möglichst klein bleiben. Folglich sind zwei 44-mm-Motoren und vier 32-mm-Motoren im Roboterarm untergebracht. Hinzu kommt ein 22-mm-Getriebemotor, bestehend aus Motor und Planetengetriebe passenden Durchmessers. Der kleine Vierpolmotor leistet rund 9 W, sein Encoder generiert 1024 Impulse je Umdrehung, was zu einer Auflösung von 4096 Punkten pro Umdrehung führt. Zusammen mit der Untersetzung des dreistufigen Planetengetriebes von 86 : 1 ergibt das eine sehr hohe Auflösung der Drehbewegung und ermöglicht eine äußerst präzise Spulenpositionierung. Die sechs größeren Motoren leisten 33 bzw. 210 W an der Abtriebswelle und sind auch mit hochauflösenden Encodern ausgestattet. Vorgespannte, wartungsfreie Kugellager sorgen für einen langen, spielfreien Betrieb. Die Antriebe erfüllen neben den speziellen Anforderungen der TMS unter den Gesichtspunkten der Sicherheit und Normenkonformität alle Bedingungen für den Einsatz im medizinischen Bereich.

Um die Antriebe optimal auf die besonderen Bedingungen abzustimmen, arbeiteten die Ingenieure von Axilum eng mit den Spezialisten von FAULHABER zusammen. So konnten sie gemeinsam schnell Fragen der elektromagnetischen Kompatibilität klären, Kabellängen und -schirmung bestimmen und spezielle Steckverbinder integrieren. Diese Vorgehensweise beschleunigte die Entwicklung und Erprobung des TMS-Roboters, ohne dass dabei Kompromisse bei Sicherheit oder Zuverlässigkeit eingegangen werden mussten.

Kompakte Ausführung des Systems dank der geringen Baugröße der FAULHABER Antriebe
Das Kontrollsystem und leistungsstarke Motoren ermöglichen die präzise und dynamische Positionierung der TMS-Spule