Applikationsbeispiel: Lüllau Engineering

Lüllau Engineering setzt für medizinisches Phototherapiegerät skintrek® PT5 auf hochpräzise Schrittmotoren-Technologie
Das medizinische UV-Bestrahlungsgerät skintrek® PT5 ist das Innovativste was es derzeit auf dem Markt für die Bestrahlung von Hautkrankheiten gibt. Bei der Entwicklung hat sich gezeigt, wie wichtig die einfache Austauschbarkeit von Komponenten ist. Zur UV-Bestrahlung von Hautkrankheiten wie Schuppenflechte, Weißfleckenkrankheit oder Ekzemen gibt es zwei Phototherapie-Verfahren: das normale, bei dem die Haut mit Flutlicht bestrahlt wird, und das digitale. Hier werden die UV-Strahlen in eine Pixelmatrix überführt. Die unabhängig voneinander gesteuerten Einzelstrahlen belichten ausschließlich erkrankte Hautareale.

„Bei der Behandlung ist es wichtig, dass so wenig gesunde Haut wie möglich bestrahlt wird, um das Hautkrebsrisiko zu minimie-ren“, erläutert Dipl.-Ing. Friedrich Lüllau, den man als Urvater der digitalen Phototherapie bezeichnen kann. Damit stand das Entwicklungsziel des neuen UV-Bestrahlungsgeräts skintrek® PT5 fest: Es sollte keine gesunde Haut bestrahlt werden, auch wenn sich der Patient bewegt. Der Belichtungskopf muss klein-sten Bewegungen folgen können. 
Realisiert wurde diese vierdimensionale Beweglichkeit mit hoch-präziser Schrittmotorentechnologie. Im Gerät befinden sich sie-ben Nanotec-Schrittmotoren plus Steuerungen. Primär wurden Plug & Drive Motoren verwendet, die den Motor, die Steuerung und den Encoder in ihrem Gehäuse integrieren. Vorteil: der gerin-ge Verkabelungsaufwand. „Man benötigt nur die Versorgungs- und Schnittstellenkabel,  Motor- und Encoderleitungen sind inte-griert“, so der F&E-Leiter Dr. Matthias Kock.

Gleiche Bohrung, doppelte Leistung
In der Traverse (Y2-Achse), in der der Belichtungskopf untergebracht ist, befindet sich ein Modell PD4-N6018 mit 3,54 Nm Haltemoment. Bei diesem Antrieb zeigte sich, wie schnell der tatsächliche Leistungsbedarf von der Planung abweichen kann. Das Haltemoment der anfangs präferierten Variante PD4-N5918 reichte nämlich beim Praxistest nicht aus. Anstelle 1,5 Nm waren 3 Nm erforderlich. Nun hat man mit nur 4 mm x 4 mm Baugröße mehr und baugleicher Bohrung fast das Doppelte an Haltemoment, ohne aufwändiges Re-Design. Der Motor fungiert als Schwenkantrieb, der die Belichtungstraverse auf jede Seite um 20°  Grad drehen kann,  um exakter die seitlichen Körperbereiche zu erfassen.

Die Belichtungseinheit (Y1 Achse) ist um einen Drehpunkt auf Höhe der Liegefläche verstellbar, damit der Belichtungskopf alle, auch seitliche Körperbereiche erfasst. Auf jeder Seite befindet sich ein autonom laufen-der, aber synchron geschaltener Plug & Drive Motor PD4-N5918. In der Quertraverse ist der Belichtungskopf mit UV-Lichtquelle, Farbfilter-Scheibe, Lichtmodulator und Kamera untergebracht. Die Strahlen einer UV-Lichtquelle werden durch einen Kollimator gebündelt und nach Bedarf bzw. Einstellung so gefiltert, dass entweder UVA-Strahlen mit einem Spektrum von 320-400 nm  auf den digitalen Lichtmodulator gelangen, oder UVB-Strahlen mit einem Spektrum von 300-320 nm. Der Lichtstrahl wird in ca. 800.000 Einzelstrahlen (Pixelstrahlen) digitalisiert. Auf Basis einer Bilderkennung kombi-niert mit einer Dosisberechnung werden nur die Pixelstrahlen ein-geschaltet, die auf erkrankte Hautflächen treffen.

Closed Loop für laufruhigen Betrieb
Zwischen Lichtquelle und Lichtmodulator ist ein Farbfilter. Je nach zu behandelnder Hautkrankheit positioniert die Farbfilter-Scheibe mit Hilfe von ST2018-Schrittmotoren, die über einen selbstentwik-kelten Controller gesteuert werden, ein Farbspektrum für die Belichtung. Die Belichtungseinheit lässt sich in der Traverse vor und zurück bewegen (X-Achse) und höhenverstellen (Z-Achse). Für die X-Achse hat man sich aus Gründen einer durchgängigen Antriebsarchitektur ebenfalls für einen PD4-N5918-Motor ent-schieden. Die Höheneinstellung erfolgt mit zwei ST4118-Schrittmotoren plus SMCI47-Steuerung, kombiniert mit einer Linearführung, im Closed-Loop-Modus.

Das skintrek® PT5 ist seit Anfang 2012 auf dem Markt. Rückblickend auf 2 Jahre Entwicklungszeit zieht Dr. Matthias Kock sein Fazit: „Es war die richtige Entscheidung. Die Zusammenarbeit mit Nanotec war sehr produktiv und zielführend. Zusätzlich weisen die Motoren im Closed-Loop-Betrieb ein sehr ruhiges Laufverhalten auf.“

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