Medizinelektronik

Antriebstechnik in zuckriger Mission

Der Linearantrieb ist kaum größer als ein Daumennagel und wiegt mit drei Gramm gerade mal so viel wie eine kleine Münze.
Der Linearantrieb ist kaum größer als ein Daumennagel und wiegt mit drei Gramm gerade mal so viel wie eine kleine Münze.
© PiezoMotor

Linearantriebe von PiezoMotor steuern Insulinpumpen

Selbst bei Krankheiten wie Diabetes ist heute dank moderner Insulinpumpen ein selbstbestimmtes Leben für viele Patienten und Patientinnen möglich. Sie können sich frei bewegen und Sport treiben, schwimmen gehen, ins Kino oder sich zum Essen mit Freunden treffen. Dabei bedeutet die Diagnose aber in aller Regel zunächst eine völlige Umstellung der Lebensumstände. Der Krankheit Diabetes liegt die Fehlfunktion der Bauchspeicheldrüse zugrunde. Bei gesunden Menschen produziert sie rund um die Uhr geringe Mengen Insulin und deckt so den Basalbedarf: Alle Zellen sind ständig mit Energie versorgt. Zu den Mahlzeiten wird zusätzliches Insulin ausgeschüttet. Das Hormon dient vor allem dazu, Glukose aus dem Blut in die Zellen weiter zu schleusen. Gelingt dies nicht, kann das zu akuten und chronischen Komplikationen im Körper führen. 

Bei Diabetes Typ 1 und bei fortgeschrittenem Diabetes Typ 2 bleibt nur die Insulinersatztherapie über Spritzen. Die konventionelle Insulintherapie sieht die Gabe morgens und abends nach einem festen Schema vor. Sie ist zwar einfach anzuwenden, aber mit starken Einschränkungen für den Patienten beziehungsweise die Patientin verbunden. So dürfen die Betroffenen etwa nicht vom gewohnten Essensplan abweichen und müssen auch ausgiebige körperliche Aktivitäten berücksichtigen. Die intensivierte Insulintherapie indes ahmt die physiologische Insulinausschüttung möglichst präzise nach und erfolgt nach dem Basis-Bolus-Prinzip, wonach sich Diabetiker und Diabetikerinnen einerseits ein- oder zweimal täglich ein langwirksames Basisinsulin in geringer Menge und zusätzlich vor den Mahlzeiten Normalinsulin (Bolusinsulin) spritzen. Die Dosis resultiert aus dem aktuellen Blutzuckerwert, der Tageszeit und der Mahlzeit. Für diese Form der Therapie ist die Mitarbeit der betroffenen Person entscheidend, sie ermöglicht aber eine sehr gute Blutzuckereinstellung.

So unscheinbar wie ein kleines Handy

Eine Insulinpumpe könnte mit dem Linearantrieb deutlich kleiner und damit noch handlicher werden
Eine Insulinpumpe könnte mit dem Linearantrieb deutlich kleiner und damit noch handlicher werden
© PiezoMotor

Seit einiger Zeit erleichtern Insulinpumpen Diabetikern und Diabetikerinnen das Leben, da sie ihnen das Hantieren mit Insulinspritzen ersparen. Die kontinuierliche subkutane Insulininfusionstherapie (CSII) ahmt die natürliche Produktion der Bauchspeicheldrüse möglichst naturgetreu nach. Das Gerät trägt der Patient oder die Patientin stets am Hosenbund oder in der Tasche mit sich. Es besteht aus einer Pumpe mit Insulinreservoir und ist über einen dünnen Schlauch mit einer kleinen Nadel verbunden, die dauerhaft im Unterhautfettgewebe verweilt und alle paar Tage gewechselt wird. Die automatische Insulinpumpe ist programmierbar und gibt regelmäßig kleine Insulinmengen ab, um den Basisbedarf zu decken. Per Knopfdruck kann sich die an Diabetes erkrankte Person außerdem zu den Mahlzeiten eine zusätzliche Insulinmenge verabreichen. Besonders bei jungen Patienten und Patientinnen ist diese Form der Therapie zunehmend beliebt – und von großem Vorteil. Der Blutzucker ist stabil einstellbar, die Lebensqualität verbessert sich deutlich.

Das Gerät besteht aus einer Einwegkartusche mit Insulin, die etwa alle drei Tage ausgetauscht werden muss, aus einer Batterie und einem kleinen Motor. Für die Pumpenfunktion werden bislang DC-Motoren kombiniert mit Zahnradgetriebe verwendet, mittels einer Gewindespindel wird der Kolben der Insulinampulle nach vorne geschoben und so die regelmäßige Freigabe minimaler Dosen bewirkt. Ein Diabetiker beziehungsweise eine Diabetikerin verbraucht im Durchschnitt 0,66 Milliliter Insulin am Tag – abhängig von Körpergewicht und Lebensgewohnheiten. Um die kontinuierliche Gabe zu erreichen, verursacht der Motor beispielsweise eine Bewegung von zwölf Mikrometern und 1,4 Mikroliter alle drei Minuten. 

Miniaturisierung in Perfektion

Die Anforderungen an den Motor sind hoch: Um das tragbare Gerät leicht zu halten, muss er kompakt sein und zugleich eine zuverlässige und präzise Leistung erbringen. Der regelmäßige, quasi minütliche Betrieb bedeutet für das Bauteil einen steten Start-und-Stop-Betrieb. Benötigt werden außerdem bei einem klassischen DC-Motor mit hohem Wirkungsgrad mehrere Getriebestufen, um die hohe Motordrehzahl auf den notwendigen Wert zu senken. Alles in allem kann die Pumpe so schnell 120 Gramm auf die Waage bringen – mehr als die Hälfte des Gewichts dürfte auf die elektromechanischen Elemente fallen. Dabei ist die Pumpe insgesamt meist unhandlicher als ein Mobiltelefon und dadurch vor allem für junge Menschen ein Handicap.

Neue Möglichkeiten in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Leistung und Zuverlässigkeit bietet der LiNK-Antrieb von PiezoMotor. Der Linearantrieb liefert eine hohe Präzision und lässt viele mechanische Elemente im Aufbau der Insulinpumpe redundant werden. Der Motor ist nicht nur in seiner Größe besonders, sondern auch im Gewicht: Er ist so groß wie ein Daumennagel und bringt nur drei Gramm auf die Waage. Als linearer Direktantrieb kommt er ohne Getriebe und Spindel aus, was zusätzlich Platz und Gewicht spart und die Konstruktion nahezu verschleißfrei sowie wartungsarm macht. Dadurch eignet er sich sehr gut für eine solch komplexe Dosieraufgabe direkt am Menschen, für die energieeffiziente Lösungen gefragt sind, die zuverlässig und gut kontrollierbar sind.

Anmerkung: Dieser Artikel erschien in ähnlicher Form in der medical design 3/2021 (ab S. 38). Die gesamte Ausgabe können Sie hier kostenlos lesen.
 


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