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Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter

Die hier beschriebene Atherektomie und/oder Thrombektomie – je nach Beschaffenheit des Pfropfens verwenden die anwendenden Ärzte verschiedene Fachbegriffe für dessen Entfernung - beobachten wir durch einen durchsichtigen Kunststoffschlauch, der als Modell für die Arterie dient. Die Demonstration stellt sehr realistisch die Behandlung einer peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (PAVK) nach. Laut Hochrechnungen sind allein in Deutschland etwa zwei Millionen meist ältere Menschen von einer PAVK betroffen. Sie wird von einer Verengung in einer Bein- Arterie ausgelöst, auf Grund derer das Blut ins Stocken gerät und auf langer Strecke Gerinnsel bildet.

Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter
© Straub Medical
Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter
© Straub Medical

Erzwungenes Window-Shopping

Oft beginnt die Verstopfung mit der Vernarbung oder Verkalkung des Gefäßes. An einer verengten Stelle, Stenose genannt, wird der Blutfluss deutlich reduziert. Schließlich reißt unter der ständigen Bewegung, z.B. im Knie, und dem Druck der Kalkablagerung die innere Schicht der Arterie ein, was spontan einen Gerinnungsprozess an exakt dieser Stelle initiiert. Der dann entstehende Thrombus (das Blutgerinnsel) verstopft die Arterie vollständig. Dieser Thrombus wächst unter dem Stau nach oben hin weiter, bis er das ganze Gefäß blockiert, nicht selten über Strecken von 25-30 Zentimeter. Andere, kleinere Gefäße versuchen dann zwar die Blutversorgung des Beines zu übernehmen, doch für einen vollständigen Ersatz genügt ihr Volumen nicht. Die Muskeln erhalten zu wenig Sauerstoff, der für die Muskelarbeit so nötig ist wie Benzin für den Motor. Das Gehen wird nach wenigen Schritten schmerzhaft. Der Patient muss immer wieder stehenbleiben. Daher rührt auch der umgangssprachliche Name der PAVK: Schaufensterkrankheit. Um die Beschwerden vor anderen zu verbergen, hält der Patient seine Verschnaufpausen bevorzugt vor Schaufenstern. Es gibt verschiedene Methoden, einen Thrombus und die zugrunde liegende Verengung zu beseitigen. Sehr häufig wird die Thrombolyse verwendet. Dabei werden den Thrombus auflösende Substanzen durch einen Katheter direkt an den Thrombus geführt. Solche Thrombolytika weisen allerdings ein Risikospektrum von Nebenwirkungen auf, zu dem etwa Blutungen gehören. Darüber hinaus muss der Patient bei dieser Behandlungsmethode bis zu zwei Tage auf einer Intensivstation überwacht werden. Die Thrombolyse wirkt zudem nur an einem frischen Thrombus und hat keinerlei Einfluss auf anderes Verschlussmaterial wie Verkalkungen oder Narbengewebe. Die ursprüngliche Verengung bleibt bei dieser Methode bestehen. Ist der Thrombus bereits älter als zwei Wochen, ist die Thrombolyse nicht mehr effektiv.

Die rein chirurgische Entfernung mit einem Katheter (Fogarty-Verfahren) verwendet einen Ballon. Nachdem der Gefäßchirurg die Arterie, meist die Leistenbeugenarterie, chirurgisch freigelegt hat, wird dieser Ballon vollständig entleert innerhalb des Gefäßes durch den Pfropfen hindurch geführt. Auf der anderen Seite des Propfens wird der Ballon durch die Injektion von Kochsalzlösung auf den Durchmesser des Gefäßes aufgepumpt. Nun zieht der Chirurg den gefüllten Ballon durch das Gefäß zurück und versucht, mit ihm auch das Gerinnsel aus dem Blutgefäß zu ziehen. Das muss allerdings oft mehrfach wiederholt werden. Und selbst dann ist nicht sicher, dass der gesamte Klumpen beseitigt wurde. Jeder zurückbleibende Thrombusrest kann zur Keimzelle eines neuen Blutpfropfens werden. Diese Methode des über die gesamte Länge des Gefäßes gezogenen aufgeblasenen Ballons schädigt außerdem die Gefäßwand massiv, was häufig zu einem schnellen Wiederverschluss des Gefäßes führt.

Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter
Der rotierende Kopf löst das verfestigte Verschlussmaterial ab und zerkleinert es so, dass die entstandenen Fragmente von der Helix durch den Katheter hindurch in einen Auffangbeutel außerhalb des Körpers abtransportiert werden können. © Straub Medical
Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter

Zerkleinern und abtransportieren

Die Methode von Straub Medical ist dagegen von eleganter Effizienz: Ein Motor außerhalb des Körpers ist mittels einer berührungsfreien Magnetkupplung mit dem Katheter verbunden. Die vom Motor erzeugte Rotation wird innerhalb des Körpers mittels einer hochfesten Stahlspirale (auch Helix genannt) im Inneren des Katheterschlauches auf den Kopf übertragen. Der Katheterkopf ist - wie ein Meißel - vorn an zwei Seiten stumpf abgeschrägt. Sobald er sich zu drehen beginnt, lösen diese Flächen das verfestigte Verschlussmaterial von innen heraus ab und versetzen diese Fragmente in eine starke Wirbelbewegung, die dann den gesamten Durchmesser des Blutgefäßes freiräumt. Der Katheterkopf hat darüber hinaus zwei kleine seitliche Öffnungen, in denen die Helix offenliegt. Die Rotation der Helix entwickelt, dem archimedischen Prinzip der Schraube folgend, einen Sog. Dieser saugt die durch den rotierenden Kopf abgelösten Fragmente des Verschlussmaterials in den Schlauch hinein. Dort werden sie beim Eintritt in die Öffnungen von innenliegenden Klingen weiter zerkleinert, so dass die abgelösten Fragmente die Passage zum Auffangbeutel außerhalb des Körpers glatt durchlaufen können.

„Das Verschlussmaterial wird nicht nur gründlich zerkleinert, sondern auch vollständig abtransportiert“, erklärt Dirk Dreyer, Direktor Vertrieb und Marketing bei Straub Medical. „Die von der Thrombolyse und den anderen Verfahren her bekannten Nebenwirkungen können vermieden werden. Die Entfernung des Verschlussmaterials kann in den meisten Fällen mit hoher Zuverlässigkeit in ein bis zwei Durchgängen erledigt werden. In durchschnittlich drei Minuten ist das Problem gelöst.“ Auch für die Auflösung und Entfernung frischer Thromben, die sich noch nicht zu massiven Pfropfen verfestigt haben, kann auf die nebenwirkungsreiche Thrombolyse verzichtet werden. Für diese gibt es die Aspirex®S-Variante, deren Saugkopf ohne den Rotationsmeißel des Rotarex®S auskommt. Hier genügt die Sogwirkung der drehenden Spirale, um das Gerinnsel in die Fenster des Kopfes hinein abzusaugen und anschließend, wie beim Rotarex®S, aus dem Körper heraus zu transportieren. Straub-Katheter können auch bei Verstopfungen in Venen, Bypässen, Stents oder Dialyse-Ports eingesetzt werden.

Von der Formel 1 in den Operationssaal

Die Entstehungsgeschichte der Rotarex®S-Methode ist typisch für die mittelständische medizintechnische Industrie der Schweiz: Ein Hightech-Ingenieur trifft – oft eher zufällig – auf ein ungelöstes medizinisches Problem und lässt sich etwas einfallen. Der 2012 verstorbene Firmengründer Immanuel Straub hatte seit den 1950er-Jahren neuartige Hochleistungsfedern entwickelt, die unter anderem in die Ventile von Formel-1-Motoren eingebaut wurden. Ein befreundeter Arzt machte ihn gegen Ende der 1980er-Jahre auf die schwierige Entfernung von Gefäßverschlüssen aufmerksam. Der Ingenieur hatte daraufhin die Idee, in der Gefäßmedizin bereits verwendete Katheter mit einer Hochleistungsfeder, denn nichts anderes ist die innenliegende Drahtspirale, und dem von ihm entworfenen Rotationsmeißel zu kombinieren. Straub schuf damit eine völlig neue Behandlungsmethode, die sich seit 2000 im klinischen Einsatz bestens bewährt hat.

Damit der Kopf des Rotarex®S den festen Pfropfen auflösen kann, und damit eine ausreichende Sogwirkung entsteht, ist eine ziemlich hohe gleichmäßige Drehzahl nötig. 40‘000 und sogar 60‘000 Umdrehungen pro Minute, je nach Kathetergröße und -modell, sind der Richtwert. Dieser darf aus technischen Gründen nicht wesentlich über- oder unterschritten werden. Die Kraftübertragung vom Motorgehäuse zum Katheter wird mittels einer Magnetkupplung bewerkstelligt. Es kommt im Einsatz darauf an, die Drehzahl unter allen Umständen in einem sehr schmalen Band zu halten, egal ob gerade der harte Verschluss aufgebrochen oder nur noch die letzten Partikel abtransportiert werden.

Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter
Bürstenlose DC-Motoren für medizinisches Instrument katheter

​​​​​​​Feinwuchtung für den Antrieb

Die Steuerung reagiert deshalb sehr schnell auf jeden Lastwechsel, und entsprechend präzise muss der Motor ihre Signale umsetzen. „Es gibt nicht viele verfügbare Motoren, die unseren Qualitätsstandards genügen“, erklärt Dirk Dreyer. „FAULHABER hat uns schon bei der Entwicklung der ersten Prototypen unterstützt und wichtiges Know-how eingebracht. Nicht zuletzt ging es bei der Verwendung eines Motors in einem medizintechnischen Gerät auch um Fragen der Medizinprodukte-Zulassung. FAULHABER verfügt über die nötigen Zertifikate, die uns im Hinblick auf Nachweispflicht und die Rückverfolgbarkeit auch der Geräteteile einen zusätzlichen Vorteil bieten.“

Der Motor ist im Handstück des Geräts untergebracht, daher muss er möglichst klein und leicht sein. Außerdem soll er besonders leise und vibrationsfrei arbeiten. Der bürstenlose Antrieb der Serie 2444 … B wird deshalb schon in der Fertigung ausgewuchtet. Dabei wird milligrammweise Material vom rotierenden Magneten abgetragen, bis der Rundlauf bei hoher Drehzahl optimiert ist. Die Motoren für Straub Medical durchlaufen danach noch eine zusätzliche Feinwuchtung, bei der auch die Glocke der Magnetkupplung bearbeitet wird. Letztere sorgt für die berührungsfreie Kraftübertragung zwischen Antrieb und Helix ohne eine mechanisch starre Verbindung. Der minimale Spalt zwischen den Kupplungselementen erlaubt die Trennung von sterilen, innerhalb des Körpers eingesetzten Systembestandteilen von solchen, die unsteril außerhalb des Körpers arbeiten. Zu diesem Zweck wird das Handstück mit dem Motor im Einsatz mit einer durch diesen Spalt verlaufenden sterilen Folie eingepackt und der sterile Katheter dann über die Folie an das Handstück angekuppelt. Die Magnetkupplung dient aber auch als Drehmomentschutz: Wenn Helix oder Rotarex-Kopf im Betrieb blockiert werden, dreht sich das motorseitige Kupplungselement weiter, ohne zusätzliche Kraft einzubringen. Schäden am Motor und am Gerät können nicht entstehen, und vor allem bleibt das Blutgefäß vor Wandschäden und Zerstörung geschützt.
Die Rotarex®S- und Aspirex®S-Katheter gibt es bisher mit Durchmessern zwischen 2 und 3.3 Millimeter. Mindestens 3 Millimeter Durchmesser muss ein Blutgefäß haben, um für die Geräte von Straub Medical zugänglich zu sein. Solche Durchmesser weisen beispielsweise die besonders häufig von Verschlusskrankheiten betroffenen Gefäße der Beine, aber auch solche des Bauchraums auf. Adern im Gehirn und Herzkranzgefäße sind hingegen zu eng oder zu kurvig für die derzeit verfügbaren Katheter. Für Schlaganfall- und Herzinfarktpatienten kommt die Methode bisher also noch nicht in Frage. „Unsere Entwickler sind aber dabei, noch kleinere Katheter zu schaffen, damit auch diese Patientengruppen von unserem Verfahren profitieren können“, berichtet Dirk Dreyer. „Das ist eine besondere medizintechnische Herausforderung, die wir wieder mit der Unterstützung von FAULHABER meistern wollen.“

FAULHABER B
2444 ... B
2-Pol-Technologie
Datenblatt (PDF)
Eckdaten
Durchmesser:
6 ... 44 mm
Länge:
18 ... 90 mm
Nennspannung:
6 ... 48 V
Drehzahl bis:
100000 min⁻¹
Dauerdrehmoment bis:
217 mNm
Dauerleistung bis:
282 W
Produktdetails

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