SUCCESS STORY – Keine Kompromisse bei mobilen Arzneimittelpumpen-- Gernot Hamann --Keine Kompromisse bei mobilen Arzneimittelpumpen
Piezobasierte Ultraschallantriebe eröffnen neue Perspektiven

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Keine Kompromisse bei mobilen Arzneimittelpumpen-- Gernot Hamann --Mobile Arzneimittelpumpen sind aus der ambulanten
Therapie bei vielen Erkrankungen nicht mehr wegzudenken,z. B. im Bereich der Schmerztherapie, der Onkologie aberauch bei der parenteralen Ernährung oder bei
Stoffwechselerkrankungen. Sie geben den Patienten Mobilität
und damit mehr Lebensqualität. Gleichzeitig sinken dieTherapiekosten, da die Patienten nicht stationär oderambulant in der Klinik betreut werden müssen.
Bei den heute üblichen mobilen Arzneimittelpumpen gibt es
allerdings Verbesserungspotential, vor allem was Flexibilität
hinsichtlich unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten,
Größe, Gewicht und Zuverlässigkeit betrifft. PiezoUltraschallmotoren als Pumpantriebe können hierinteressante Perspektiven erschließen (Abb. 1).

Je nach Therapie lassen sich so größere Mengen, kleinere
Mengen oder über längere Zeiträume auch gar keine
Arzneimittel verabreichen.
Großvolumige Infusionen sind ebenfalls möglich, da man an
den Pumpen Arzneimittelreservoirs mit unterschiedlichem
Fassungsvermögen anschließen kann. Die Peristaltikpumpen
eignen sich für verschiedene Medikamentationen, da sieeinen kontinuierlichen Fluss (Basalrate) liefern, genauso sindaber auch Sonderinjektionen (Bolusraten) dosierbar, diezeitlich beliebig platziert sein können. Alle Abläufe lassen sichzudem dokumentieren, um abgegebene Arzneimittelmengen
und den Therapieverlauf bewerten und z. B. gegenüber
Versicherungen belegen zu können.

Verbesserungspotentiale nutzen:
Mobilität und Dokumentation
Alles in allem verknüpfen Peristaltikpumpen alle gewünschten
Anforderungen, abgesehen von der Mobilität. Sie sollten
deshalb möglichst kleine Abmessungen haben, leicht undleise sein, um den Benutzer möglichst wenig in seiner
Bewegungsfreiheit einzuschränken. Ebenso wichtig sind ein
niedriger Energieverbrauch, damit die Akkus lange halten undein zuverlässiger, verschleißarmer Betrieb für lange
Wartungsintervalle. In diesem Zusammenhang lohnt es sich,die üblicherweise in den Peristaltikpumpen eingesetzten
Antriebe unter die Lupe zu nehmen:
Abb. 1

Mobile Arzneimittelpumpen sind aus der ambulanten Therapie
bei vielen Erkrankungen nicht mehr wegzudenken, z.B. imBereich
derSchmerztherapie.
Allerdings
gibtesVerbesserungspotential, vor allem was Flexibilität hinsichtlich
unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten, Größe Gewicht
und Zuverlässigkeit betrifft (Bild: PI)

Bei mobilen Arzneimittelpumpen denkt man zunächst an
Ballonpumpen, denn sie sind leicht, handlich und vom
Patienten einfach zu bedienen. Sie arbeiten aber mit großen
Laufzeitabweichungen und die Injektionsmengen sind nur
schwer dokumentierbar.
Da sich der „mobile“ Patient allerdings meistens außerhalb
der Klinik befindet, ist eine präzise Verfolgung desTherapieverlaufes äußerst wichtig. Der Arzt braucht für eine
erfolgreiche Behandlung genaue Informationen. Gefragt ist
dann ein Pumpensystem, das auch außerhalb der Klinik eine
genaue Dokumentation erlaubt. Aktuell sind in solchen Fällen
Peristaltikpumpen das Mittel der Wahl, die aber aufgrund
ihres hohen Gewichts und der beachtlichen Größe den
Patienten stark einschränken und damit nicht wirklich mobil
sind. Sie erlauben allerdings eine präzise Dosierung undprogrammierbare Fördervolumina.
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Die oft verwendeten kleinen, getriebeübersetzten
Elektromotoren erzeugen zwar die für das Pumpprinzip
notwendigen hohen Kräfte bzw. Drehmomente. Sie sind aberauch langsam; ihre mechanischen Mikrogetriebe arbeiten
selten spielfrei und sind obendrein sehr verschleißanfällig. Als
wirklich zuverlässig lässt sich eine solche Lösung deshalb nicht
bezeichnen, denn kurze Wartungsintervalle verursachen
Aufwand und Kosten.
Auch wer deshalb getriebelose Direktantriebe einsetzt, mussleider meist Nachteile in Kauf nehmen. Je nach technischer
Ausführung der Peristaltikpumpen stehen vergleichsweise
wenig Kraft oder Drehmoment zur Verfügung. Man mussdann den Antrieb größer wählen, was wiederum
Auswirkungen auf die Abmessung der Pumpe haben kann.
Hinzu kommt, dass die Direktantriebe zwar reaktionsschnell
sind, aufgrund der fehlenden Getriebe-Mechanik aber nicht
selbsthemmend. Um bei Nicht-Betrieb der Pumpe die
Position stabil zu halten, müssen sie folglich bestromt
werden. Bei kurzen Betriebszyklen, also wenn die Zeitdauer
der Medikamentierung nur kurz ist und die „NichtBetriebszeiten“ lang, würde sich das verheerend auf die
Akkulaufzeit auswirken.
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SUCCESS STORY – Keine Kompromisse bei mobilen Arzneimittelpumpen-- Gernot Hamann --Der Motor muss deshalb mechanisch blockiert werden; auchdas ist wieder mit Aufwand verbunden. Es gibt also genügend
Gründe, sich bei mobilen Arzneimittelpumpen nach einer
alternativen Antriebslösung umzuschauen:

Im Kontakt mit dem Läufer entstehen Mikroimpulse, die den
beweglichen Teil der Dosier-Mechanik (Schlitten, Drehteller,usw.) vorwärts oder rückwärts bewegen. Jeder
Schwingungszyklus bewegt die Mechanik um einige
Nanometer; insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige
Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Stellbereich.

Kompakter Antrieb für den
mobilen Einsatz
Piezobasierte Ultraschallantriebe beispielsweise können hierneue Perspektiven erschließen. Sie sind sehr kompakt,
verschleißarm und selbsthemmend. Sie halten also auch imausgeschalteten Betrieb ihre Position, selbst bei Stürzen undSchlägen. Aufgrund ihres Funktionsprinzips, ihrer flachen
Bauweise und den individuellen Anpassungsmöglichkeiten
lassen sie sich gut in mobile Arzneimittelpumpen integrieren(Abb. 2) und arbeiten praktisch geräuschlos.

Abb. 3

Schwingungenmit
Ultraschallfrequenzen
eines
piezokeramischen Aktuators werden entlang einer Reibschienein lineare Bewegung umgewandelt, und treiben so denbeweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an (Bild: PI)

Unterschiedliche Konstruktionen
sind realisierbar
Die Antriebe bauen sehr kompakt, da sie praktisch nur aus
dem Piezoaktor und einer gelagerten bewegten Scheibe oderLinearachse bestehen. Die Treiberelektronik kann als Chip
integriert werden und beansprucht also auch nur wenig
Einbauplatz (Abb. 4).

Abb. 2Aufgrund ihres Funktionsprinzips, ihrer flachen Bauweise undden individuellen Anpassungsmöglichkeiten lassen sich diepiezobasierten
UltraschallantriebegutinmobileArzneimittelpumpen integrieren (Bild: PI)

Wie die kompakten Piezoantriebe funktionieren ist einfach zu
verstehen (Abb. 3):
Schwingungenmit
Ultraschallfrequenzen
eines
piezokeramischen Aktors werden entlang eines Läufers inlineare Bewegung umgewandelt und treiben so den
beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an. Das
Kernstück des Antriebs ist eine monolithische Piezokeramik(der Stator), die auf einer Seite durch zwei Elektroden
segmentiert wird.
Wahlweise wird die linke oder die rechte Elektrode zu den
hochfrequenten Eigenschwingungen des piezokeramischen
Elements im Bereich von einigen Hundert Kilohertz angeregt
und bestimmt dadurch die Bewegungsrichtung. EinKopplungselement an der Piezokeramik wird so zu schnellen
linearen Bewegungen angeregt.

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Flache und kleine Abmessungen, aufgrund der HohlläuferBauweise (Bild: PI)

Da es wenige mechanische Komponenten wie Getriebe gibt,
ist die Lösung zudem sehr verschleißarm und zuverlässig.
Dosierungen sind in einem breiten Geschwindigkeitsspektrum
möglich, je nach Ausführung von wenigen Grad bis zu
mehreren Umdrehungen pro Sekunde bzw. bei linearen
Lösungen von weniger als 1 mm pro Sekunde bis zu mehreren
100 mm pro Sekunde.

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SUCCESS STORY – Keine Kompromisse bei mobilen Arzneimittelpumpen-- Gernot Hamann --Die Positionsrückmeldung für die Regelung steht für eine
präzise Dokumentation zur Verfügung. Abb. 5 zeigt, wie eineso angetriebene mobile Arzneimittelpumpe aufgebaut sein
kann: Der Motor besteht aus einem piezoelektrischen Ring(Aktor). Dieser Aktor wird derart angeregt, dass einesogenannte Wanderwelle erzeugt wird. Die auf dem Piezoringsitzenden dünnen Aluminiumoxid Ringe (oben und unten)
nehmen die Schwingungen auf.
Mit Hilfe der drei im Rotor eingesetzten Kopplungselemente
wird die aufgenommene Schwingung auf den vorgespannten
Rotor übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt.
Die ringförmig angeordneten Piezo-Ultraschallantriebe
bewegen hier eine Scheibe. Diese ist so aufgebaut, dass dankderspeziellen
Geometrie
unterschiedlicheArzneimittelmengen dosiert werden können.

Abb. 6

Der PILine®® Motor kann auch seitlich angeordnet sein (Bild: PI)Über PI
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus
dem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zu
erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.

Abb. 5

Ein kompakter piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eineScheibe. Dieses System ist so aufgebaut, dass dank der speziellen
Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden
können (Bild: PI)

Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Die PI miCos
GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf flexible
Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungensowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechsFreiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

AutorenMit Piezo-Ultraschallantrieben sind aber auch andereKonstruktionen
realisierbar.
DerPiezoaktorkannbeispielsweise auch seitlich angeordnet sein (Abb. 6) undeinen Ring drehen, in dessen großen Apertur sich dannweitere Komponenten anordnen lassen.
Die so aufgebauten Arzneimittelpumpen sind besonders klein,leicht und leise. Außerdem bieten sie ein hohes Maß an
Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Therapien undDosierungen. Noch mehr Patienten können dadurch zukünftig
in den Genuss einer nicht-stationären oder ambulanten
Therapie kommen.

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Dipl.-Physiker Gernot Hamann, Leiter
Management bei Physik Instrumente (PI)KeyAccountEllen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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