Bei medizinischen Pumpen, wie sie im medizinischen Alltag zum Einsatz kommen – beispielsweise Infusionspumpen, Insulinpumpen und Dialysegeräte –, sind Motoren, die Medikamentenlösungen oder Blut präzise fördern, unverzichtbar. Da bereits geringste Abweichungen im Durchfluss direkte Auswirkungen auf die Sicherheit der Patienten haben, werden von diesen Motoren hohe Präzision und Zuverlässigkeit gefordert.Darüber hinaus steigen mit der zunehmenden Verbreitung der häuslichen Pflege und der wachsenden Nachfrage nach tragbaren Geräten die Anforderungen an Kompaktheit, Geräuscharmut und Energieeffizienz von Jahr zu Jahr. Gleichzeitig führt eine weitere Verkleinerung jedoch häufig zu Kompromissen hinsichtlich Geräuschentwicklung und Leistung, weshalb die Auswahl des Motors ein entscheidender Faktor für die Gesamtleistung des medizinischen Geräts ist.
In diesem Artikel werden zunächst die Funktion der in medizinischen Pumpen verbauten Motoren sowie die an sie gestellten Leistungsanforderungen erläutert, um anschließend zu erklären, warum kernlose Motoren für medizinische Pumpen geeignet sind. Dieser Beitrag dient Entwicklungsingenieuren, die sich mit der Auswahl eines Motors befassen, als Referenz zur Klärung der technischen Grundlagen.
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Die Funktion und die wichtigsten Komponenten von Motoren, die in medizinischen Pumpen zum Einsatz kommen
Medizinische Pumpen sind eine Gruppe von Geräten, die dazu dienen, verschiedene Flüssigkeiten wie Medikamente, Blut, Nährlösungen, Hormone und Kontrastmittel präzise in den Körper des Patienten zu befördern. Die Bandbreite der Geräte reicht von großen stationären Anlagen bis hin zu extrem kleinen Geräten, die der Patient ständig bei sich trägt; je nach Verwendungszweck werden unterschiedliche Motortypen ausgewählt.Die auf die jeweils erforderlichen Anforderungen an Präzision, Geräuscharmut und Langlebigkeit abgestimmte Motorkonstruktion bildet die Grundlage für die Leistungsfähigkeit der Pumpen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Motoren zum Antrieb von Infusionspumpen und Dialysegeräten
- Motoren für tragbare Geräte wie Insulinpumpen
- Motoren für Beatmungsgeräte und Geräte für den Kreislaufbereich
Im Folgenden werden die gängigen Arten von medizinischen Pumpen sowie die Funktionen der Motoren in den jeweiligen Geräten erläutert.
Motoren zum Antrieb von Infusionspumpen und Dialysegeräten
Infusionspumpen und Dialysegeräte sind typische medizinische Pumpen, die in Krankenhäusern weit verbreitet sind. Bei Infusionspumpen gibt es zwei Arten: Peristaltikpumpen und Spritzenpumpen, die sich jeweils durch ihre Motorantriebsart unterscheiden. Die wichtigsten Geräte und die Funktionen der Motoren sind wie folgt:
| Geräte | Pumpensystem | Die Funktion des Motors |
| Infusionspumpe (peristaltisch) | Die Schläuche werden nacheinander durch die Rollen zusammengedrückt | Rotationsantrieb der Rollen |
| Spritzenpumpe | Ausstoß des Kolbens | Linearantrieb mit konstanter Geschwindigkeit |
| Dialysegerät | Zirkulation von Blut und Dialyselösung | Antrieb der Zirkulationspumpe |
Bei peristaltischen Infusionspumpen wird die Flüssigkeit dadurch gefördert, dass Rollen den Schlauch nacheinander zusammendrücken. Es gibt zwei Betriebsmodi: den Dauerbetrieb mit konstanter Durchflussgeschwindigkeit und den Bolusmodus, bei dem eine bestimmte Menge innerhalb kurzer Zeit verabreicht wird; beide erfordern eine präzise Geschwindigkeitsregelung.
Bei Dialysegeräten ist es erforderlich, Blut und Dialyselösung während des Prozesses zur Entfernung von Abfallstoffen aus dem Blut stabil zirkulieren zu lassen, wobei Schwankungen im Durchfluss einen direkten Einfluss auf die Sicherheit des Patienten haben. Bei beiden Gerätetypen wird vom Motor eine stabile Drehung mit geringen Drehmomentschwankungen erwartet.
Motoren für tragbare Geräte wie Insulinpumpen
Bei tragbaren medizinischen Geräten wie Insulinpumpen unterscheiden sich die Anforderungen an den Motor von denen stationärer Geräte, da die Patienten diese im Alltag am Körper tragen und verwenden. Eine Insulinpumpe ist ein ultrakompaktes Verabreichungsgerät, das Diabetespatienten ständig bei sich tragen, und der Durchmesser des darin verbauten Motors beträgt in der Regel höchstens 10 mm.Darüber hinaus gibt es Berichte über Konstruktionen mit einem Motordurchmesser von unter 5 mm.
Da die Geräte batteriebetrieben sind, ist eine hocheffiziente Konstruktion erforderlich, die den Stromverbrauch so weit wie möglich minimiert. Da die Batterielebensdauer vom Stromverbrauch des Motors abhängt, wirken sich bereits geringfügige Effizienzunterschiede auf die Betriebsdauer des Geräts aus.Zudem ist eine Kombination aus Motor und Steuerungssystem erforderlich, die mehrstufige Infusionsgeschwindigkeiten sowie Bolusgaben präzise umsetzen kann. Mit der zunehmenden Verbreitung der häuslichen Pflege schreitet die Entwicklung tragbarer Geräte voran, und es ist zu erwarten, dass die Anforderungen an die Miniaturisierung und Energieeffizienz der Motoren in Zukunft weiter steigen werden.
Motoren für Beatmungsgeräte und Geräte für das Kreislaufsystem
Auch in Atemhilfegeräten und medizinischen Geräten für den Kreislauf werden Motoren als Antriebsquelle für Pumpen eingesetzt. Die in Atemhilfegeräten integrierten Luftpumpen sind Komponenten, die für die Erzeugung und Steuerung des Luftstroms zuständig sind.Bei Luftmatratzen zur Dekubitusprophylaxe sowie bei Atemunterstützungsgeräten für den häuslichen Gebrauch müssen die Luftpumpen einen konstanten Luftdruck gewährleisten; daher werden von den Motoren eine hohe Lebensdauer für den Langzeitbetrieb sowie ein leiser Betrieb gefordert, damit sie auch in unmittelbarer Nähe des Patienten eingesetzt werden können.
Im Bereich der Herz-Kreislauf-Medizin kommen Membranpumpen zum Einsatz, die Herzunterstützungssysteme wie intrarotale Ballonpumpen (IABP) oder Ventrikelunterstützungssysteme (VAD) mit Unterdruck oder Überdruck versorgen.Diese Membranpumpen werden von einem Motor angetrieben, der einen leisen, unterbrechungsfreien und stabilen Betrieb gewährleisten muss.
Sollten Schwankungen in der Drehzahl des Motors auftreten, könnte dies die Durchblutung des Patienten beeinträchtigen; daher wird bei diesen medizinischen Pumpen ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit gefordert.
Leistungsanforderungen an Motoren für medizinische Pumpen
An die Motoren von medizinischen Pumpen werden strengere Leistungsanforderungen gestellt als an Motoren für industrielle Anwendungen. Während bei Motoren für Industrieanlagen oder Hobbyzwecke die Auswahl häufig vor allem auf Leistung und Kosten ausgerichtet ist, müssen Motoren für medizinische Pumpen – als Antriebsquelle, die unmittelbar mit dem Leben und der Sicherheit der Patienten verbunden ist – so konstruiert sein, dass sie mehrere Leistungsanforderungen gleichzeitig erfüllen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Geringe Geräuschentwicklung und geringe Vibrationen zur Entlastung der Patienten
- Kompakt, energiesparend und für tragbare Geräte geeignet
- Die Leistungsfähigkeit der Durchflussregelung, die die Genauigkeit der Dosierung der Chemikalien bestimmt
Im Folgenden werden die drei Leistungsanforderungen, die in direktem Zusammenhang mit der Sicherheit und dem Komfort der Patienten stehen, jeweils einzeln erläutert.
Geringe Geräuschentwicklung und geringe Vibrationen zur Entlastung der Patienten
Da medizinische Pumpen am Krankenbett oder in der häuslichen Umgebung aufgestellt werden, ist eine geräuscharme Konstruktion erforderlich, bei der die Betriebsgeräusche unterhalb der Wahrnehmungsschwelle der Patienten gehalten werden. In Krankenzimmern kann bereits das geringste Motorgeräusch nachts den Schlaf der Patienten stören.Der Anteil der Motorlaufgeräusche am Gesamtgeräuschpegel der Pumpe ist erheblich, sodass eine Geräuschreduzierung des Motors allein bereits zur Geräuscharmut der Pumpe beiträgt.
Auch hinsichtlich der Vibrationen sind entsprechende Vorkehrungen unerlässlich. Vom Motor ausgehende Schwingungen werden über das Pumpengehäuse verstärkt und übertragen sich auf Schläuche und Rohrleitungen. Insbesondere das bei Motoren mit Eisenkern auftretende Cogging-Drehmoment ist Ursache für Drehungleichmäßigkeiten und feine Schwingungen.Für medizinische Pumpen eignen sich Motoren mit einer Konstruktion, die das Rastmoment minimiert; dabei ist eine Auslegung erforderlich, bei der antriebsbedingte Schwingungen und Geräusche auf ein Niveau reduziert werden, das am Gerät nicht wahrnehmbar ist. Bei Geräten, die direkten Kontakt mit dem Körper des Patienten haben, oder bei Geräten, die über längere Zeit am Krankenbett in Betrieb sind, trägt der Einsatz vibrationsarmer Motoren zur Verbesserung des Komforts und zur Stressminderung bei.
Kompakt, energiesparend und für tragbare Geräte geeignet
Vor dem Hintergrund der zunehmenden Verbreitung der häuslichen medizinischen Versorgung schreitet die Entwicklung tragbarer medizinischer Geräte zügig voran. Auch bei Dialysegeräten und Atemhilfegeräten, bei denen bislang stationäre Geräte für den Einsatz in Krankenhäusern vorherrschten, kommen nun kompakte Modelle für den häuslichen Gebrauch auf den Markt. Im Folgenden werden die Anforderungen an typische medizinische Pumpen und Motoren aufgeführt, bei denen die Entwicklung hin zu tragbaren Geräten voranschreitet.
| Geräte | Anwendungsbereich | Wichtigste Anforderungen an den Motor |
| Pumpe für die enterale Ernährung | Kontinuierliche Verabreichung von Nährlösungen | Kompakt und energiesparend |
| Insulinpumpe | Automatische Insulinabgabe | Extrem kompakt (unter 10 mm) und hocheffizient |
| Kompressionstherapie-Pumpe | Prävention tiefer Venenthrombosen | Stabiler Betrieb – geräuscharm |
| Pumpe zur Wundbehandlung | Unterdruck-Wundverschlusstherapie | Langer Betrieb – Energiesparend |
Bei batteriebetriebenen tragbaren Geräten ist die Energieeffizienz des Motors ein entscheidender Faktor für die Batterielebensdauer.In Anwendungsbeispielen für enterale Ernährungspumpen werden zunehmend Konstruktionen entwickelt, die mit kernlosen Motoren von etwa 20 mm sowohl eine kompakte Bauweise als auch eine hohe Antriebsleistung gewährleisten. Da bei tragbaren medizinischen Geräten der Motor die Leistung, den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und die Kosten der Pumpe beeinflusst, ist die Fähigkeit zur Umsetzung kompakter und energiesparender Konstruktionen eine wichtige Anforderung bei der Geräteentwicklung.
Die Leistungsfähigkeit der Durchflussregelung, die die Genauigkeit der Dosierung der Chemikalien beeinflusst
Bei Infusions- und Ernährungspumpen wirken sich bereits geringste Abweichungen bei der Fördermenge der Medikamentenlösung auf die Sicherheit der Patienten aus.Einer der Faktoren, die die Genauigkeit der Durchflussregelung beeinflussen, ist die Drehmomentschwankung des Motors. Bei Motoren mit starken Drehmomentschwankungen kommt es zu Unregelmäßigkeiten in der Drehzahl, was zu Pulsationen in der Fördermenge der Pumpe führt und somit die Genauigkeit der Dosierung beeinträchtigt. Die Auswahl eines Motors, der auch bei niedrigen Drehzahlen ein stabiles Drehmoment aufrechterhalten kann, bildet die Grundlage für eine präzise Durchflussregelung.
Auch eine auf Langlebigkeit ausgelegte Konstruktion ist ein entscheidender Faktor für die Zuverlässigkeit der Durchflussregelung. Bei Infusionspumpen und Dialysegeräten, die im Dauerbetrieb stehen, führen der Verschleiß der Bürsten bzw. die Alterung der Lager zu Veränderungen der Motoreigenschaften, was wiederum eine Verschlechterung der Durchflussgenauigkeit zur Folge hat.Bei Motoren mit Bürsten ist der Bürstenverschleiß der Hauptfaktor für die Lebensdauer, bei bürstenlosen Motoren hingegen der Verschleiß der Lager. Die Auswahl des Motortyps entsprechend der Einsatzumgebung und der Betriebsdauer gewährleistet eine langfristig stabile Durchflussregelung.
Drei Gründe, warum kernlose Motoren für medizinische Pumpen bevorzugt werden
Ein kernloser Motor ist ein Motor, dessen Rotor ohne Eisenkern auskommt. Die sich aus dieser Bauweise ergebenden Eigenschaften entsprechen den strengen Leistungsanforderungen an medizinische Pumpen, weshalb sich deren Einsatz zunehmend verbreitet.
Inhalt dieses Abschnitts
- Ermöglicht eine präzise Durchflussregelung ohne Ruckeln
- Ein Rotor mit geringer Trägheit sorgt für eine schnelle Reaktion
- Kompakt, platzsparend und für tragbare Geräte geeignet
Im Folgenden wird dargelegt, inwiefern die konstruktiven Merkmale von kernlosen Motoren den jeweiligen Leistungsanforderungen von medizinischen Pumpen gerecht werden.
Ermöglicht eine präzise Durchflussregelung ohne Ruckeln
Das ruckfreie Drehverhalten ist der größte konstruktive Vorteil von kernlosen Motoren.Bei herkömmlichen Motoren mit Eisenkern entsteht durch die magnetische Anziehung zwischen dem Eisenkern des Rotors und den Permanentmagneten ein Rastmoment, was zu periodischen Drehmomentschwankungen während des Betriebs führt. Da kernlose Motoren eine hohle Spulenstruktur ohne Eisenkern aufweisen, tritt nahezu kein Rastmoment auf. Die Unterschiede zwischen beiden Typen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
| Punkt | Motoren mit Eisenkern | Kernlose Motoren |
| Kogging-Drehmoment | Entsteht durch magnetische Wechselwirkungen zwischen Eisenkern und Magnet | Da kein Eisenkern vorhanden ist, tritt dieses Phänomen kaum auf |
| Drehzahlstabilität im niedrigen Drehzahlbereich | Durch Drehmomentschwankungen kommt es leicht zu Drehzahlschwankungen | Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Drehbetriebs |
| Auswirkungen auf die Durchflussregelung | Es besteht die Gefahr von Schwankungen der Fördermenge | Eine stabile Förderung bei konstanter Geschwindigkeit ist möglich |
Da kernlose Motoren aufgrund ihrer Konstruktion keinen Eisenkern aufweisen, weisen sie geringe Drehmomentschwankungen auf und ermöglichen auch bei niedrigen Drehzahlen eine gleichmäßige Flüssigkeitsförderung. Diese Konstruktion eignet sich besonders für eine präzise Pumpensteuerung, die Spitzenschwankungen im Durchfluss vermeidet und eine Förderung von Chemikalien oder Nährlösungen mit konstanter Geschwindigkeit gewährleistet.
Ein Rotor mit geringer Trägheit sorgt für eine schnelle Reaktion
Die schnelle Ansprechbarkeit durch den Rotor mit geringer Trägheit ist der zweite Grund, warum kernlose Motoren für medizinische Pumpen geeignet sind. Der hohle Rotor eines kernlosen Motors ist aufgrund des fehlenden Eisenkerns leichter und weist somit ein geringeres Trägheitsmoment auf.Ein Rotor mit geringer Trägheit erreicht unmittelbar nach der Stromzufuhr die Solldrehzahl und kann auch auf einen Stoppbefehl hin sofort abbremsen und zum Stillstand kommen.
Diese schnelle Ansprechbarkeit eignet sich besonders gut für intermittierenden On-Demand-Betrieb, wie er beispielsweise bei der Bolus-Verabreichung erforderlich ist.Im Bolus-Modus muss nach der Verabreichung einer bestimmten Menge an Medikamenten innerhalb kurzer Zeit der Motor sofort angehalten werden; bei Motoren mit langsamer Start- und Stopp-Reaktionszeit kommt es daher leicht zu Abweichungen bei der Verabreichungsmenge. Durch das sofortige Anlaufen und Anhalten erhöhen kernlose Motoren die Verabreichungsgenauigkeit im On-Demand-Betrieb.
Kompakt, platzsparend und für tragbare Geräte geeignet
Die Möglichkeit, kompakte und platzsparende Konstruktionen zu realisieren, ist der dritte Grund, warum kernlose Motoren für tragbare medizinische Geräte geeignet sind.Da kernlose Motoren aufgrund ihrer Konstruktion keinen Eisenkern besitzen, lässt sich der Motorkörper im Vergleich zu Motoren mit Eisenkern bei gleicher Leistung kompakter gestalten. Da das Volumen und die Masse des Eisenkerns entfallen, ist eine Konstruktion möglich, die auch auf begrenztem Raum eine höhere Leistungsdichte ermöglicht.
[Konstruktive Vorteile von kernlosen Motoren für tragbare medizinische Geräte]
・Durch den Aufbau ohne Eisenkern ist die Trägheit des Rotors gering, was eine reaktionsschnelle und präzise Regelung ermöglicht
・Da kein Kogging auftritt, weist der Motor eine vibrationsarme und gleichmäßige Drehmomentcharakteristik auf, was zu einer Verbesserung der Durchflussregelung und der Positioniergenauigkeit beiträgt
・Zeichnet sich durch hohe Leistung bei kurzer Laufzeit aus und bietet hervorragende dynamische Eigenschaften bei Anwendungen, die einen intermittierenden Betrieb oder eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erfordern
・Zwar lassen sich Kompaktheit und geringes Gewicht nicht unter allen Bedingungen erreichen, doch bei Anwendungen, bei denen Reaktionsverhalten und intermittierender Betrieb im Vordergrund stehen, lassen sich die erforderlichen Leistungsmerkmale durch die Nutzung der Eigenschaften kernloser Motoren in einer kompakteren Bauweise realisieren.
C.I. Takiron bietet ein Sortiment an kernlosen Motoren mit Außendurchmessern von 4 mm bis 22 mm an, die je nach Anwendungszweck und Einbauraum individuell ausgelegt werden können. Dank der Eigenschaften dieser kernlosen Bauweise tragen diese Motoren zur Verkleinerung einer breiten Palette tragbarer medizinischer Pumpen bei – von Anwendungen in beengten Einbauräumen bis hin zu mittelgroßen Geräten.
Zusammenfassung
Zu den medizinischen Pumpen zählen Infusionspumpen, Insulinpumpen, Dialysegeräte, Beatmungsgeräte, kardiovaskuläre Geräte und viele weitere Arten; bei all diesen Geräten sind Motoren, die Medikamentenlösungen oder Blut präzise fördern, unverzichtbar.An die Motoren werden strenge Leistungsanforderungen gestellt, darunter Geräuscharmut, geringe Vibrationen, kompakte Bauweise, Energieeffizienz, hochpräzise Durchflussregelung und lange Lebensdauer; die Auswahl des Motors ist daher entscheidend für die Gesamtleistung des medizinischen Geräts.
Da kernlose Motoren aufgrund ihrer Bauweise keinen Eisenkern aufweisen, ermöglichen sie gleichzeitig eine ruckfreie, gleichmäßige Drehung, eine schnelle Ansprechzeit und Energieeffizienz durch einen Rotor mit geringer Trägheit sowie eine kleine und kompakte Bauweise. Sie stellen eine Option mit strukturellen Vorteilen dar, die den Anforderungen an eine präzise Durchflussregelung bei medizinischen Pumpen sowie dem Einbau in tragbare Geräte gerecht wird.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenloser Motor: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
