Medizintechnik: Miniatur-Kugelgewindetriebe unterstützen Herzen

Wenn es um kardiovaskuläre, also Herz-, Erkrankungen geht, sind in der Medizintechnik Komponenten gefragt, die besonders kompakt, präzise und zuverlässig sind - die Miniatur-Kugelgewindetriebe von Steinmeyer zeichnen sich durch genau diese Eigenschaften aus. Sie kommen als zentrales Antriebselement in extrakorporalen Pumpen zum Einsatz und sichern unter anderem die Druckbeaufschlagung eines Ballons am Herzen.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind laut einer Studie des Robert Koch Instituts die führende Todesursache in Deutschland. Bei einer Schädigung des kardiovaskulären Systems kann der Einsatz einer Herzpumpe nicht nur Menschenleben retten, sondern den Patienten unter Umständen sogar zu einer besseren Lebensqualität durch den Aufenthalt außerhalb des Krankenhauses verhelfen. In jüngerer Vergangenheit kamen zunehmend Pumpen auf den Markt, die voll implantiert werden. Allerdings sind diese recht kostenintensiv in der Entwicklung und Produktion. Hinzu kommt, dass sie nicht für alle Patienten geeignet sind, da nicht immer ein solch invasiver Eingriff möglich ist. Die Kombination aus einem implantierten Ballon mit einer externen, portablen Pumpe stellt hingegen eine zuverlässige und weniger invasive Alternative dar, die bei wesentlich mehr Patienten und Erkrankungen zum Einsatz kommen kann.

Der Ballon wird dabei in die Hauptschlagader eingeführt und ist über einen Katheter mit der portablen Antriebseinheit außerhalb des Körpers verbunden. Im Herzrhythmus wird der Ballon ausgedehnt und wieder zusammengeschrumpft. Druck und Unterdruck beim Auf- und Abpumpen entlasten das Herz, es muss nicht mehr so viel Kraft aufbringen, um das Blut weiter zu transportieren. Bei der Entwicklung eines solchen kardiovaskulären Assistenzgerätes müssen verschiedene Faktoren beachtet werden: Zum einen muss sich die Druckbeaufschlagung des Ballons im Herzen präzise steuern lassen und reversibel sein, zum anderen muss das Gerät speziellen Ansprüchen an Gewicht, Größe und Lautstärke gerecht werden sowie eine Lebensdauer von mindestens einem Jahr bei gleichbleibender Performance aufweisen. Daher wählte ein Hersteller portabler Pumpen einen Miniatur-Kugelgewindetrieb aus dem Portfolio von August Steinmeyer als Antriebsmechanismus und kombinierte ihn mit einem speziell entwickelten Metallbalg als Druckkammer. Die kleinen Kugelgewindetriebe bieten nicht nur eine außergewöhnliche Schubdichte, sie ermöglichen zudem sowohl vorwärts als auch rückwärts eine hohe lineare Beschleunigung. Ihr ausgezeichneter Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent erlaubt den Einsatz von Kleinmotoren und sorgt für einen niedrigen Stromverbrauch.

August Steinmeyer mit Sitz in Albstadt hat sich auf die die Entwicklung und Fertigung präziser und langlebiger Antriebselemente spezialisiert. Seit etwa 40 Jahren stellt das Unternehmen nun schon Miniatur-Kugelgewindetriebe her. Die Kugelgewindetriebe mit Spindelgrößen von 3 mm bis 16 mm eignen sich hervorragend für den Einsatz in der Medizintechnik, bieten aber auch einige Vorteile beim Einsatz in optischen Anwendungen, in der Elektronikautomatisierung oder in der Handhabungstechnik. Zudem sind auch spezielle Miniatur-Kugelgewindetriebe zum Beispiel für Reinraumanwendungen oder für die Vakuumtechnik realisierbar.

Die Spindeln der kleinen Kugelgewindetriebe bietet das Unternehmen grundsätzlich mit gerolltem oder geschliffen Gewinde an. Die gerollten Ausführungen sind in der Regel für Standardansprüche geeignet. Sie erfüllen die Anforderungen der Genauigkeitsklassen T5 bis T10. Wenn eine besonders hohe Präzision in der Anwendung gefragt ist, werden geschliffene Varianten bevorzugt, die den Genauigkeitsklassen P1 bis P5 entsprechen. Auch die Spindelsteigung hat einen Einfluss auf die Genauigkeit: „Je kleiner die Steigung, desto besser die theoretisch erreichbare Auflösung und damit die Präzision“, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer. Üblicherweise betragen die Steigungen von Miniatur-Kugelgewindetrieben 1 mm bis 2 mm.

August Steinmeyer fertigt vor allem Miniatur-Kugelgewindetriebe für den High-end-Bereich. Je nach Einbausituation und Anschlusskonstruktion werden die Spindeln mit sechs unterschiedlichen Mutterntypen kombiniert. Letztere basieren auf drei Bauformen: Der Anschlussgewindemutter, der Flanschmutter mit Abstreifern und der Zylindermutter. Sämtliche Muttern können vorgespannt oder mit Axialspiel montiert werden und lassen sich mit den beiden Spindeltypen aus dem Steinmeyer-Programm oder mit kundenspezifischen Spindelformen kombinieren. „Unsere Entwicklungsabteilung arbeitet stets eng mit dem Kunden zusammen, um individuelle Lösungen zu realisieren“, erzählt Klöblen. „In der Herzpumpe wird zum Beispiel eine 12-mm-Spindel in Kombination mit einer Zylindermutter im Kurzhub-Betrieb eingesetzt. Auf diese Weise konnte das Gesamtsystem zur Unterstützung der kardiovaskulären Funktion so klein und leicht wie möglich gehalten werden.“

In der Medizintechnik ist es besonders wichtig, dass die Antriebstechnik nicht nur platzsparend verbaut werden kann, sondern auch rund um die Uhr zuverlässig funktioniert – vor allem natürlich, wenn es um die funktionale Unterstützung des menschlichen Herzens geht. Daher spielt hier neben einer hohen Genauigkeit und großen Laufruhe vor allem die 100-prozentige Verlässlichkeit der verbauten Komponenten eine entscheidende Rolle. „Die Qualität unserer Miniatur-Kugelgewindetriebe ist ausschlaggebend für die Präzision und Ausfallsicherheit des Antriebsmechanismus zur Druckregelung der Blutpumpe“, erläutert Klöblen. „Diese konnten wir durch die Anwendung unseres hauseigenen Optislite-Verfahrens noch weiter verbessern.“

Das besondere Verfahren wurde speziell für Miniatur-Kugelgewindetriebe entwickelt. Es entfernt mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes und reduziert die Oberflächenrauheit der Spindel im Vergleich zu Standardspindeln um 60 Prozent. Der Materialtraganteil nimmt gleichzeitig um 70 Prozent zu. Die plateauartige Oberfläche der Optislite-Kugelgewindetriebe ermöglicht einen sauberen, glatten Lauf und verbesserte Schmiereigenschaften. Daraus resultieren deutlich optimierte Laufeigenschaften, ein reduzierter Geräuschpegel bei hohen Drehzahlen und eine höhere Gleichmäßigkeit des Leerlaufdrehmoments über die gesamte Spindellänge. So ist neben einer langen Lebensdauer auch eine besonders energieeffiziente Auslegung der Antriebe möglich.

Um die Qualität und Zuverlässigkeit eines Kugelgewindetriebs abschließend zu beurteilen – egal ob es sich um Schwerlast- oder Miniatur-Ausführungen handelt – müssen verschiedene Faktoren betrachtet werden:

• geometrische Genauigkeiten (Rund- und Planlauf)
• Qualität der Laufbahnen (Genauigkeit/Rauigkeit/Welligkeit)
• Ausführungsqualität der Umlenkungen
• Art der Vorspannungsaufbringung
• präziser und sauberer Einbau bzw. Montage
• Schmierung/Schmiermittel/Keramikkugeln/Beschichtungen usw.
• Materialauswahl

„Die relevanten Abnahmetests erfolgen immer direkt bei unseren Kunden vor Ort mit den jeweiligen Geräten“, berichtet Klöblen. Vieles lässt sich so konkret bestimmen, doch Laufeigenschaften, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind nicht direkt messbar. Daher bietet August Steinmeyer neben dem Standardverfahren auch weiterführende Tests auf dem hauseigenen Prüfstand zur Qualitätsbestimmung von Miniatur-Kugelgewindetrieben an. „So können wir den hohen Anforderungen unserer Kunden aus dem Bereich der Medizintechnik und anderen Branchen in jedem Fall gerecht werden“, resümiert Klöblen abschließend.

Während sich die tragbare Herzpumpe derzeit in späten klinischen Studien befindet, denken andere Hersteller bereits über neue Modelle nach: Die Ballonkatheter sollen zukünftig auch intelligent werden. Ausgestattet mit flexiblen Sensoren und der entsprechenden Elektronik könnten sie bei der Erfassung und Sammlung von körpereigenen Daten helfen – was für die Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen besonders hilfreich ist. Die Antriebssysteme der innovativen Herzpumpen können zukünftig ebenfalls ideal durch Miniatur-Kugelgewindetriebe von August Steinmeyer unterstützt werden.