Überlegungen für elektrisch betriebene Einweginstrumente für die Chirurgie

Da der Elektromotor einen wesentlichen Kostenfaktor elektrisch betriebener Chirurgieinstrumente darstellt, verlangt dessen Auswahl größte Sorgfalt. Clémence Muron, Applications Engineer bei Portescap, erläutert die jeweiligen Vorzüge von bürstenbehafteten und bürstenlosen DC-Motoren für medizinische Einweginstrumente.

In den vergangenen Jahren sind bei der Entwicklung von chirurgischen Elektrowerkzeugen Einwegtechnologien in den Vordergrund getreten. Dabei bedeutet der Umstand, dass sie für den einmaligen Gebrauch in der Chirurgie bestimmt sind, keineswegs Abstriche bei der Leistung und Zuverlässigkeit. Im Gegenteil: ein Hauptargument für Einweginstrumente ist die erhöhte Sicherheit im Vergleich zu Fehlerquellen bei der Sterilisation. Darüber hinaus sind Einweginstrumente eine gute Option für spezielle und seltene Operationen, die besondere Werkzeuge erfordern. Aufgrund des niedrigeren Preises können sich mehr Kliniken diese Art von Instrumenten leisten und sind somit in der Lage mehr Patienten zu behandeln und zu heilen.

Bei wiederverwendbaren Instrumenten ist die Sterilisierbarkeit ein ganz wesentlicher Kostentreiber. Potenzielle Risiken ergeben sich nicht aus dem Sterilisationsprozess selbst, der sich als sicher und effektiv bewährt hat, und auch die Instrumente sind sicher, obwohl die Entwicklung von Produkten, die diese Prozedur überstehen, keine leichte Aufgabe ist. Aber wie ist zu gewährleisten, dass es bei der Sterilisation der Instrumente zwischen den Eingriffen nicht zu Fehlern kommt?

Von wiederverwendbaren Instrumenten geht in diesem Fall ein Infektionsrisiko aus, während Einweglösungen vom Hersteller sterilisiert und für den einmaligen Gebrauch verpackt werden. Bei bestimmten Anwendungen und Krankenhaussystemen kann dies zur Patientensicherheit beitragen.

Leistungsanforderungen

Selbstverständlich darf es aber bei Einweginstrumenten keinerlei Kompromisse geben, was die für die Operation erforderliche Performance angeht. Die Designüberlegungen werden sich hier auf die Auswahl des optimalen elektrischen Antriebs für das Instrument konzentrieren. Oft beginnen die Designüberlegungen mit der Auswahl der Motortechnologie (in der Regel ein bürstenbehafteter oder ein bürstenloser DC-Motor (BLDC-Motor).

Fortschritte in der Konstruktion und Herstellung haben beide Technologien preisgünstiger und zugleich leistungsfähiger gemacht. Während sich an den Leistungsanforderungen nichts ändert, sind die Anforderungen an die Lebensdauer und die Kosten für wiederverwendbare Instrumente und Einweglösungen sehr unterschiedlich. Motoren für wiederverwendbare Instrumente müssen eine Lebensdauer für Hunderte oder gar Tausende von Operationen mitbringen, und diese bemerkenswerte Leistung ist nur mit Premium-Komponenten und -Materialien zu erreichen. Für Motoren in Einweginstrumenten gelten dieselben Anforderungen an die technische Leistung, allerdings nur einmalig und in Kombination mit Verfügbarkeit in großen Mengen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis.

Wenn es bei einer Neuentwicklung um dauerhafte Leistung und Zuverlässigkeit geht, wird die Wahl vermutlich zugunsten der BLDC-Technologie ausfallen. Die bürstenlose Bauweise ermöglicht den Betrieb bei hohen Drehzahlen (bis zu 100.000 min-1) über eine lange Nutzungsdauer. Die Kommutierung kommt ohne mechanische Bürsten aus, sodass die Lebensdauer des Motors in erster Linie von der Langlebigkeit des Lagers abhängt und der Motor über lange Zeiträume bei hoher Drehzahl betrieben werden kann.

Bei bürstenbehafteten DC-Motoren erfolgt die Kommutierung hingegen über den mechanischen Kontakt der Bürsten mit dem Rotor, durch die der Strom fließt. Hierbei ist die Lebensdauer des Motors in erster Linie durch die Lebensdauer der Bürsten begrenzt, wobei höhere Drehzahlen zu schnellerem Verschleiß führen. Bei Einweginstrumenten spielt dieser Verschleiß aber kaum eine Rolle, weil die zuverlässige Funktion lediglich für einen einzigen chirurgischen Eingriff gegeben sein muss.

Bürstenbehaftete DC-Motoren sind deutlich kostengünstiger als BLDC-Motoren, sodass sie sich für chirurgische Einweginstrumente anbieten. Abgesehen von den Kosten und der Lebensdauer gibt es jedoch noch andere relevante Leistungsaspekte für den Einsatz in Einweginstrumenten. Ist der Motor in der Lage, die Anforderungen der Anwendung an den Taktbetrieb und die Drehzahl zu erfüllen? Liefert er eine ausreichende Beschleunigung und Effizienz? Hat er bei niedrigeren Drehzahlen die notwendige Laufruhe? Hiermit sind die potenziellen Schwächen bürstenbehafteter DC-Motoren umrissen, bis hin zu dem Punkt, an dem potenzielle Kostenvorteile für das Einweginstrument keine Rolle mehr spielen.

Eisenlose bürstenbehaftete DC-Motoren

Bestimmte bürstenbehaftete DC-Motoren können diese konstruktionsbedingten Nachteile jedoch überwinden. Anders als die Mehrzahl der bürstenbehafteten DC-Motoren, die einen Eisenkern haben, sind die bürstenbehafteten DC-Motoren von Portescap „eisenlos“, d. h. der Rotor besteht lediglich aus einer Spule und Welle. Die eisenlose Bauweise zeichnet sich durch eine geringere Trägheit aus, was durch bessere Beschleunigung und Effizienz zum Tragen kommt. Sie eliminiert zudem das Rastmoment, das bei niedrigen Drehzahlen die Laufruhe beeinträchtigen kann.

Bürstenbehaftete DC-Motoren mit dieser Technologie haben ein höheres Leistungspotenzial ohne gravierende Auswirkungen auf die Kosten. Im Hinblick auf Einweginstrumente, die keine hohen Lebensdaueranforderungen stellen, lassen sich damit auch Pflichtenhefte erfüllen, die bisher als generell zu anspruchsvoll für die günstige, bürstenbehaftete DC-Technologie mit Eisenkern galten.

Nicht zuletzt hängt die Wahl der Technologie auch in starkem Maße von der jeweiligen Anwendung ab. Während wir bis hierher den Kostenanteil des Motors als Kriterium in der Debatte um Einweg- vs. Mehrweginstrumente betrachtet haben, spielen bei der Entscheidung für das eine oder andere noch weitere Faktoren eine Rolle. So wird beispielsweise ein wiederverwendbares High-End-Instrument vermutlich eine bessere Performance als jedes Einwegwerkzeug und zusätzliche positive Eigenschaften mitbringen. Selbst wenn die Anzahl der Eingriffe nicht ausreicht, um das wiederverwendbare Instrument wirtschaftlicher zu machen als eine Einweglösung, kann dessen Mehrwert für Operateure und Patienten es dennoch zur richtigen Wahl machen.

In jedem Fall empfiehlt es sich, bereits in der frühen Designphase mit dem Motorlieferanten zusammenzuarbeiten. Obwohl die BLDC-Technologie im Allgemeinen eine kostspieligere Lösung ist, ist sie eine zuverlässigere Option für Anwendungen mit sehr hohen Geschwindigkeiten und kann in solchen Fällen auch für Einwegwerkzeuge eingesetzt werden. Wichtig ist eine sorgfältige Bewertung der Anwendungsanforderungen, bevor die Motortechnologie ausgewählt wird.