Präzise positioniert

  • 24. January 2012

Piezoelektrisch angetriebene Positioniersysteme und Scanner für bildgebende Verfahren in der Medizintechnik

In der medizinischen Forschung, Diagnostik und Therapie steigern heute unterschiedliche bildgebende Verfahren die Effizienz. Vor allem in automatisierten Prozessen kommen oft aus der optischen Messtechnik bekannte Verfahren zum Einsatz, z. B. Interferometrie oder Mikroskopie. Ultraschall- und Magnetresonanztechnik bieten sich für unterschiedliche Visualisierungsaufgaben an. Die verschiedenen Methoden haben dabei eine entscheidende Gemeinsamkeit: Sie sind auf schnelle und präzise Antriebssysteme angewiesen. Je nach Anwendung müssen diese dann auch noch möglichst kompakt bauen oder selbst unter starken magnetischen Feldern zuverlässig arbeiten. Mit piezoelektrischen Antrieben, Scannern und Positioniersystemen sind Anwender hier auf der sicheren Seite.

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Abb. 1 Piezobasierte Antriebe und Antriebssysteme sind schnell, kompakt und magnetisch nicht zu beeinflussen bzw. sie üben keinen Einfluss auf Magnetfelder aus. Größe und Kraft der Antriebe wie auch Verfahrweg und Positionsauflösung variieren je nach Auslegung.


Piezobasierte Antriebe und Antriebssysteme sind schnell, kompakt und magnetisch nicht zu beeinflussen bzw. sie üben keinen Einfluss auf Magnetfelder aus. Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, lassen sich Bewegungen bis in den Bereich einzelner Nanometer auflösen. Zudem gibt es keine im klassischen Sinn bewegten Teile. Somit ist auch kein mechanischer Verschleiß zu befürchten. Größe und Kraft der Antriebe wie auch Verfahrweg und Positionsauflösung variieren je nach Auslegung (Abb. 1). Wichtig für die Auswahl ist, welches Objekt um welche Wegstrecke verschoben werden muss: Piezoaktoren sind in der Lage, Stellwege von wenigen 10 µm mit Frequenzen bis zu einigen Tausend Hertz zu durchfahren. Größere Verfahrwege werden, vor allem wenn gleichzeitig hohe Geschwindigkeiten notwendig sind, mit Ultraschall-Linearantrieben umgesetzt. Mit Auflösungen bis 50 nm (0,05 µm) sind sie eine interessante Alternative zu klassischen Elektromotor-Spindelkombinationen. Dabei haben die Antriebe wesentlich kleinere Abmessungen. Zusätzlich sind mechanische Kopplungselemente, die sonst die rotatorische in eine lineare Bewegung umwandeln, nicht notwendig. Ultraschall-Linearantriebe eignen sich mit hohen Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 600 mm/s für schnelle Scanzyklen. Die typischen Verstellwege liegen zwischen einem und mehreren 100 mm. Müssen vergleichsweise große Lasten bewegt werden, bieten sich „PiezoWalk-Antriebe“ an, bei denen einzelne Aktoren entlang eines bewegten Läufers „schreiten“. Sie kombinieren Kräfte bis 600 N, hohe Auflösung im Nanometerbereich und unbegrenzte Stellwege miteinander. Für praktisch jede Aufgabenstellung bei bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik lässt sich damit eine auf die Applikation maßgeschneiderte piezobasierte Antriebslösung finden, wie die im Folgenden kurz beschriebenen Beispiele zeigen.

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