Antriebstechnik

Drahtlose Energieübertragung für Mikroantriebssystem

| Autor / Redakteur: Felix Grödl * / Gerd Kucera

Das induktive Energieübertragungssystem versorgt medizinische Implantate durch das Gewebe hindurch kabellos mit Energie: Die Sendespule wird auf die Haut aufgesetzt, die Empfängerspule sitzt unter der Haut und stellt dem Implantat die Energie zur Verfügung.
Das induktive Energieübertragungssystem versorgt medizinische Implantate durch das Gewebe hindurch kabellos mit Energie: Die Sendespule wird auf die Haut aufgesetzt, die Empfängerspule sitzt unter der Haut und stellt dem Implantat die Energie zur Verfügung. (Bild: WITTENSTEIN)

Aktive Implantate brauchen Energie. Beim Marknagel FITBONE zur Extremitätenkorrektur wird das integrierte mechatronische Mikroantriebssystem drahtlos mit Strom und Spannung versorgt.

Beim mechatronischen Marknagel FITBONE gelingt es WITTENSTEIN intens bereits seit langem mit Erfolg: die drahtlose Energieübertragung von außen in das Implantat. Dieser intrameduläre Marknagel wird in die Markhöhle eines Röhrenknochens implantiert (intramedulär bezeichnet die Lage im Markraum eines Organs).

Künstliche Wachstumsfuge nutzt die Selbstheilung

Ein im FITBONE integriertes Mini-Antriebssystem (Mechatronik) verlängert den Knochen um etwa 1 mm täglich, sodass der Knochen im Verlauf der Behandlung insgesamt um mehrere Zentimeter verlängert werden kann. In dieser Zeit bildet der Körper aufgrund seiner Selbstheilungskräfte ausreichend Knochengewebe. Anwendung findet diese Technik beispielsweise zur Korrektur bei geburts- oder unfallbedingten Fehlstellungen. Wie kommt die Energie in den Körper? Wie zuverlässig ist das Übertragungsverfahren? Und muss der Patient mit Risiken und Nebenwirkungen rechnen?

Vorbild Wegfahrsperre und elektrische Zahnbürste

Um den Patienten einen möglichst hohen Behandlungskomfort zu ermöglichen, hat WITTENSTEIN intens ein Energieversorgungssystem entwickelt, das auf induktiver Einkopplung von Energie beruht und so Implantate kabellos versorgt. Das grundsätzliche Funktionsprinzip ist bekannt – etwa aus Skipässen, Wegfahrsperren, kontaktlosen Zutrittsausweisen oder von der elektrischen Zahnbürste.

Erforderlich sind immer zwei Spulen: eine, die die Energie sendet und eine, die die Energie empfängt und dem Implantat zur Verfügung stellt. Bei medizinischen Implantaten wird die Sendespule in der Regel auf die Haut aufgesetzt. Die Empfängerspule sitzt im Fettgewebe unter der Haut oder in einer äußeren Muskelschicht. Die Energieübertragung erfolgt vollkommen unmerklich und frei von Juckreizen oder Schmerzen durch das Gewebe hindurch.

Trotz Spulenversatz werden 90% Wirkungsgrad erzielt

Je nach Implantationsort muss die Energieübertragung zwischen den beiden Spulen über eine unterschiedlich große Entfernung im menschlichen Körper vorgenommen werden.

Hinzu kommt, dass sich die eingesetzte Spule im Körper durch die Bewegungen des Menschen in ihrer Lage und Ausrichtung leicht verändern kann. Beides, die Entfernung wie auch die Ausrichtung der Spulen zueinander, ist maßgeblich für die Auslegung des induktiven Energieübertragungssystems.

Es ist möglich, die jeweiligen Übertragungseigenschaften zu simulieren, um danach aus verschiedenen Spulentypen (entweder Luft- oder Ferrit-Kern-Spule) denjenigen auszuwählen, der den höchsten Wirkungsgrad verspricht. Gleichzeitig gibt das Implantat durch die Betriebsspannung und die benötigte Leistung weitere Eckdaten für das Übertragungssystem vor. Sind diese Parameter definiert, kann mittels eines spezifischen Simulationstools die optimale Geometrie der Spule ermittelt werden.

Auf diese Weise wird das System bereits während der Auslegung bestmöglich auf den jeweiligen Einsatz angepasst – mit Erfolg: Selbst bei Winkelfehlern und Spulenversatz werden zuverlässig Wirkungsgrade von weit über 90% erreicht.

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