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Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung, insbesondere ein chirurgisches Motorensystem, mit einem Griffstück zur händischen Bedienung der medizinischen Vorrichtung und ein System mit der medizinischen Vorrichtung und einer Aufladestation.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Systeme zur drahtlosen Stromversorgung eines elektrochirurgischen Geräts bekannt. Ein Schalter am elektrochirurgischen Gerät sendet ein drahtloses Signal an einen Generator, der Strom durch eine Induktionsspule fließen lässt, um ein HF-Energiefeld zu erzeugen. Das HF-Energiefeld induziert einen Strom, der über eine Induktionsspule im elektrochirurgischen Gerät fließt. Der Stromfluss wird dann durch einen HF-Konditionierungskreis verarbeitet und an die Endeffektorbaugruppe des Geräts weitergeleitet. Somit wird eine Energiversorgung des Endeffektors während dem Betrieb des induktiven Ladens bereitgestellt.
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Außerdem sind wiederverwendbare Elektrowerkzeug für medizinische Verfahren bekannt, die ein integriertes, drahtlos aufgeladenes Batteriepaket und eine integrierte, drahtlose Kommunikationsvorrichtung enthält.
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Ebenso sind sterile Koffer für tragbare Geräte bekannt, die die Gesundheit und Sicherheit der Patienten, an denen das Gerät eingesetzt wird, schützen kann. Das tragbare Gerät kann innerhalb des sterilen Koffers aufgeladen werden. Das tragbare Gerät kann einen aufladbaren Akku aufweisen, der innerhalb oder außerhalb des tragbaren Geräts angeordnet ist. An die aufladbare Batterie kann eine Stromversorgung kabelgebunden angeschlossen werden, die das tragbare Gerät zur Verwendung mit Strom versorgt. Das tragbare Gerät kann vor dem Öffnen des sterilen Koffers vollständig aufgeladen werden.
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Im Allgemeinen müssen insbesondere chirurgische Motorensysteme nach jeder Verwendung sterilisiert werden. Hierbei werden Temperaturen zwischen 135° C und 140° C erreicht. Dies führt bei elektronischen Bauteilen und insbesondere bei herkömmlichen Energiespeichern zu Schäden oder beschleunigt die Alterung signifikant. Dies ist auch bei den meisten isolierten Batteriepacks der Fall. Ferner müssen solche als Akku betriebene Batterien nach der Sterilisation und vor der Verwendung wieder gefüllt werden. Solche Akkus weisen mitunter allerdings eine lange Ladezeit auf. Hinzu kommt eine Selbstentladung, die den Ladezustand negativ beeinflusst. Dadurch ist der Einsatz von Energiespeichern in sterilisierbaren Motorensystemen noch nicht wirtschaftlich.
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Die Verwendung von herkömmlichen Energiespeichern erlaubt durch temperaturbedingte Schäden keine Sterilisation. Aus diesem Grund sind Batterien in Form von Akkupacks im Allgemeinen nicht steril und müssen mit Hilfe von sterilen Adaptern in die Motorensysteme eingeführt werden. Im Fall von sterilisierbaren Akkusystemen wird die Lebenszeit bei zu großer Hitzeentwicklung durch jede Sterilisation reduziert. Hierbei würden starke Isolationsschichten zu einer signifikanten Vergrößerung der medizinischen Vorrichtung führen. Werden reguläre wiederaufladbare Batterien verwendet, wird die Lebenszeit dadurch reduziert, dass häufige Lade- und Entladezyklen durchgeführt werden. Soll eine Batterie sterilisiert werden, sollte diese aber nur eine Teilladung aufweisen.
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Beim Laden mit galvanischem Kontakt muss eine Verbindung zwischen Batterie und Ladegerät bestehen. Dies führt zu einer Schwachstelle in der thermischen Isolation oder erfordert ein entfernbares Akkupack. Alternativ dazu kann ein induktives Laden erfolgen. Dies ist allerdings durch die geringere Leistung bei normalen Batterien nicht effizient und dauert in der Regel länger. Zudem können hierbei nur ca. 80% der Leistung übertragen werden. In den meisten Fällen ist die Leistung der Akkupacks nicht an die reale Nutzungsdauer angepasst und weisen eine deutlich erhöhte Kapazität auf. Dies führt zu einem hohen Gewicht und erhöhten Kosten.
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Es kann ein Bedarf bestehen zum Bereitstellen von Konzepten für sterilisierbare medizinische Vorrichtung, die leicht und kosteneffizient sind.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll eine leichtere medizinische Vorrichtung bereitgestellt werden, die einfach sterilisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine medizinische Vorrichtung, insbesondere ein chirurgisches Motorensystem bereitgestellt wird. Die medizinische Vorrichtung hat ein Griffstück zur händischen Bedienung der medizinischen Vorrichtung. Die medizinische Vorrichtung hat ferner mindestens einen Superkondensator. Der Superkondensator befindet sich innerhalb des Griffstücks. Zudem ist der Superkondensator ausgebildet ist, bei Nutzeranforderung, eine für einen Antrieb der medizinischen Vorrichtung vorgesehene Energieversorgung für eine vorgegebene Zeitdauer bereitzustellen.
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Der Superkondensator weist ein geringeres Gewicht als eine herkömmliche Batterie bzw. ein Akkupack auf. Somit kann eine leichtere medizinische Vorrichtung bereitgestellt werden.
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Das Griffstück kann so geformt sein, dass ein Anwender, hierin auch Benutzer genannt, mit seiner ganzen Hand das Griffstück greifen kann. Das Griffstück kann in Form eines Pistolengriffs sein. Die medizinische Vorrichtung kann neben der Griffmöglichkeit an dem Griffstück einen oder mehrere Abzüge aufweisen, die für die Nutzeranforderung vorgesehen sind. Durch die Abzüge kann der Nutzer die Nutzeranforderung einstellen bzw. auswählen. Diese Auswahl kann stufenweise oder kontinuierlich erfolgen. Die Nutzeranforderung kann somit als ein von dem Anwender einzustellende Drehmomentanforderung an ein Motorensystem bzw. den Antrieb der medizinischen Vorrichtung verstanden werden.
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Das Motorensystem bzw. der Antrieb kann sich außerhalb des Griffstücks befinden. Die für den Antrieb vorgesehene Elektronik kann sich zumindest teilweise in dem Griffstück befinden. Hierzu kann zum Beispiel ein dem Antrieb vorgeschalteter Spannungswandler, insbesondere ein Wechselrichter, in dem Griffstück untergebracht sein.
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Der Antrieb kann in Form eines Synchronmotors, zum Beispiel ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), ausgebildet sein.
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Die vorgegebene Zeitdauer kann bis zu 20s (oder 30s oder 40s oder 50s oder 60s) betragen. Insbesondere kann die vorgegebene Zeitdauer mehr als 20s betragen. Die vorgegebene Zeitdauer kann durch den Superkondensator festgelegt sein bzw. von diesem abhängig sein.
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Der mindestens eine Superkondensator, im Folgenden der Superkondensator, kann auch als Ultrakondensator oder Supercap bezeichnet sein.
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Der Superkondensator weist zwar im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weniger als 10 % von deren Energiedichte auf, allerdings ist die Leistungsdichte bis 100 mal so groß. Superkondensatoren können deshalb sehr viel schneller geladen sowie entladen werden. Sie überstehen außerdem sehr viel mehr Schaltzyklen als Akkus.
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Beispielsweise weist der Superkondensator im Gegensatz
zu Keramikkondensatoren, Folienkondensatoren und Elektrolytkondensatoren kein Di elektrikum im herkömmlichen Sinne auf.
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Der Superkondensator kann in Form eines Doppelschichtkondensators oder eines Pseudokondensators ausgebildet sein. Hierbei weist der Superkondensator eine sogenannte Doppelschicht- bzw. Pseudokapazität auf. Das Prinzip der Doppelschichtkondensatoren beruht auf der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten in einer Doppelschichtkapazität. Das Prinzip der Pseudokondensatoren beruht auf der elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen in einer Pseudokapazität.
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Ebenso kann der Superkondensator in Form eines Hybridkondensators ausgebildet sein. Das Prinzip der Hybridkondensatoren beruht auf einer Kombination der Wirkprinzipien der Doppelschichtkondensatoren und Pseudokondensatoren, nämlich der Kombination aus elektrostatischer und elektrochemischer Speicherung elektrischer Energie.
Der Superkondensator in Form eines Doppelschichtkondensators kann beispielsweise Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität aufweisen. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
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Der Superkondensator in Form eines Pseudokondensators kann Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und einen sehr hohen Anteil faradayscher Pseudokapazität aufweisen.
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Der Superkondensator in Form eines Hybridkondensators kann asymmetrische Elektroden aufweisen, nämliche eine Elektrode mit einer hohen Doppelschichtkapazität, die andere Elektrode mit einer hohen Pseudokapazität. Zu den Hybridkondensatoren zählen auch die Lithium-Ionen-Kondensatoren.
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Der Superkondensator kann ein Elektrolyt aufweisen, der die leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektroden ist. Das unterscheidet den Superkondensator von Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt die Kathode ist und somit die zweite Elektrode bildet.
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Der Superkondensator ist ein passives elektronisches Bauelement. Zudem kann der Superkondensatoren ein gepoltes Bauelement sein. Somit kann der Superkondensator nur mit korrekter Polarität betrieben werden. Die Polarität kann bei asymmetrischen Elektroden des Superkondensators konstruktiv bedingt sein, bei symmetrischen Elektroden kann sie durch eine Spannungsbeaufschlagung bei der Fertigung hergestellt sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Die medizinische Vorrichtung kann kabellos betreibbar sein oder ohne Kabel ausgeführt sein. Hierbei kann insbesondere ein Gehäuse des Griffstücks oder das Griffstück selbst versiegelt sein. Somit kann das Griffstück zum Beispiel keinen Einschub oder andere Aufnahmen aufweisen, in die zum Beispiel eine Batterie, eingeschoben werden kann. Das Griffstück kann demnach fluiddicht ausgebildet sein.
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Eine Sterilisierung kann somit vereinfacht werden. Schwachstellen in der Isolierung können zudem vermieden werden.
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Ferner kann die Energieversorgung während der vorgegebenen Zeitdauer alleinig durch den mindestens einen Superkondensator bereitgestellt werden oder sein. Der Superkondensator kann so mit dem Antrieb bzw. den dem Antrieb vorgeschalteten (stromaufwärts befindlichen) Bauelementen verschaltet sein, dass nur der Superkondensator in Verbindung damit steht. Eine andere Energiequelle, zum Beispiel die nachstehend beschriebene Batterie, kann mittels Steuereinheit, Schalter oder als Schalter verschaltete Steuereinheit von dem Antrieb bzw. den dem Antrieb vorgeschalteten Bauelementen galvanisch getrennt werden oder sein.
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Somit kann Strom aus der Batterie eingespart werden und die Lebensdauer der Batterie lässt sich verlängern.
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Die medizinische Vorrichtung kann ferner eine wiederaufladbare Batterie aufweisen. Die Batterie kann sich in dem Griffstück der medizinischen Vorrichtung befinden. Außerdem kann die Batterie ausgebildet sein, bei Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer, die Energieversorgung zu übernehmen. Hierfür kann die Steuereinheit, der Schalter oder die als Schalter verschaltete Steuereinheit ausgebildet sein, den Superkondensator von dem Antrieb bzw. den dem Antrieb vorgeschalteten Bauelementen galvanisch zu trennen. Insbesondere kann die Steuereinheit, der Schalter oder die als Schalter verschaltete Steuereinheit ausgebildet sein, den Superkondensator und die Batterie so zu verschalten, dass lediglich einer der beiden wirksamen mit den nachgeschalteten Bauelementen verbunden ist, abhängig davon ob die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist oder nicht.
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Bei mehrmaliger Betätigung der medizinischen Vorrichtung durch den Benutzer kann dich die vorgegebene Zeitdauer abhängig von einem Ladezustand des Superkondensators für nachfolgende Benutzungen verringern. Ebenfalls kann die vorgegebene Zeitdauer wieder auf einen ursprünglichen Wert abhängig von dem Ladezustand des Superkondensators erhöht werden. Diese Erhöhung kann durch induktives Laden geschehen, wie weiter unten erläutert.
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Die wiederaufladbare Batterie kann zentral in dem Griffstück angeordnet sein. Der mindestens eine Superkondensator kann dezentral im Griffstück angeordnet sein, zum Beispiel zwischen der Batterie und einem Mantel des Griffstücks bzw. einer Innenseite des Griffstücks. Im Speziellen kann der mindestens eine Superkondensator um die Batterie herum angeordnet sein.
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Somit können die thermisch stabileren Superkondensatoren die Batterie vor Hitze bei der Sterilisierung der medizinischen Vorrichtung als Ganzes schützen.
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Die medizinische Vorrichtung kann ferner ein Lademodul aufweisen. Das Lademodul kann sich innerhalb des Griffstücks befinden. Ferner ist das Lademodul ausgebildet, bei einem induktiven Ladvorgang, den Superkondensator aufzuladen. Ebenfalls kann das Lademodul ausgebildet sein, die Batterie aufzuladen. Hierzu können die Batterie getrennt oder in Kombination geladen werden. Das Lademodul kann insbesondere an einem Bodenbereich des Griffstücks, der normalerweise als Einschub für die Batterie dient, angebracht sein. Insbesondere kann eine Spule des Lademoduls zumindest teilweise plan mit einem Boden des Griffstücks angeordnet sein.
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Somit kann ein effektiver Ladevorgang bereitgestellt sein.
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Eine Innenseite des Griffstücks kann ferner mit einer thermischen Isolierung versehen sein. Die thermische Isolierung kann insbesondere die Innenseite des Griffstücks, insbesondere Innenboden und/oder Innenwände auskleiden. Die thermische Isolierung kann einen Raum innerhalb des Griffstücks definieren, innerhalb dessen sich der mindestens eine Superkondensator, die wiederaufladbare Batterie und das Lademodul untergebracht sind. Die thermische Isolierung kann eine Schichtdicke von mindestens 1 mm oder mehr aufweisen. Die thermische Isolierung kann eine Keramik sein.
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Somit können die elektronischen Geräte noch besser vor Hitze geschützt werden.
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Das Lademodul kann sich zwischen der thermischen Isolierung und der wiederaufladbaren Batterie befinden. Ebenfalls kann sich das Lademodul zwischen der thermischen Isolierung und dem mindestens einen Superkondensator befinden.
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Somit kann die Batterie ausreichend vor äußerer Wärmeanwendung geschützt sein.
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Die Batterie und der Superkondensator könne fest in dem Griffstück angebracht sein. Die Verwendung der Batterie und des Superkondensators kann für die medizinische Vorrichtung auch dediziert sein.
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Die oben definierte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein System zum Aufladen einer medizinischen Vorrichtung, wie oben beschrieben bereitgestellt wird. Das System hat eine Aufladestation, die ausgebildet ist, einen Teil eines Griffstücks der medizinischen Vorrichtung aufzunehmen und dabei die medizinische Vorrichtung induktiv mit Strom zu versorgen. Insbesondere kann die Aufladestation komplementär zu dem Griffstück bzw. dessen Boden/Untersatz ausgebildet sein.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Kombination von Ultrakondensatoren mit wiederaufladbaren Sekundärzellen.
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Für die Motorensysteme können nicht-sterilisierbare LiFeP04 Akkus als Batterie verwendet werden, die eine hohe Leistung, aber auch eine lange Ladezeit aufweisen. Autoklavierbare Akkupacks können insbesondere nicht verwendet werden. Somit kann eine externe Anbringung entfallen und hierdurch wird keine starke thermische Isolation dafür benötigt. Insbesondere kann die Batterie ohne galvanischen Kontakt zu einem externen Lademodul bereitgestellt sein. Es kann ferner eine induktive Lademethode bereitgestellt sein, die eine feste Integration des Akkus bzw. der Batterie in das zu betreibende Gerät, nämlich die medizinische Vorrichtung, ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung soll die Problematik der Sterilisation für chirurgische Motorensysteme betreffen. Bei der Lösung können Ultrakondensatoren mit einer hohen Temperaturbeständigkeit in Verbindung mit einer wiederaufladbaren Hochtemperatur-Batterie verwendet werden. Das Ziel dabei ist, dass der normale Betrieb des Motorensystems durch die Kondensatoren erfolgt und bei längeren Betriebszeiten die Batterie eingesetzt werden soll. Dieser Hybrid-Betrieb ermöglicht ein deutlich schnelleres Laden und reduziert die betriebsbedingte Alterung der Energieversorgung signifikant. Um das Motorensystem sterilisieren zu können und Kontaminationen zu verhindern kann die Elektronik und Energieversorgung isoliert und im Gehäuse versiegelt sein. Damit keine Schwachstellen entstehen, kann ein induktives Laden verwendet werden, das aufgrund dem Funktionsprinzip von Kondensatoren für ein schnelles Laden geeignet ist. Im Realbetrieb kann eine maximale Einsatzzeit von 60 s ohne Unterbrechung vorgesehen sein. Im Normalfall beträgt die Benutzung jedoch meistens 20 s oder weniger. Dadurch ist die Verwendung des Hybrid-Systems in der Lage, den Betrieb ohne Einschränkungen sicherzustellen.
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Gemäß einem oder mehreren Ausführungsformen kann der Energiespeicher des chirurgischen Motorensystems aus einer Kombination aus Ultrakondensatoren und regulären wiederaufladbaren Batterien bestehen. Durch die Notwendigkeit der Sterilisation des Motorensystems werden die Energiespeicher so gewählt, dass auch hohe Temperaturen ohne nennenswerte Schäden auftreten können. Durch die größere Belastbarkeit von Kondensatoren können diese um die Batterie herum angeordnet sein, damit eine zusätzliche Isolation entsteht.
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Zum Schutz der Energiespeicher und der Elektronik kann eine Isolationsschicht vorhanden sein. Die vollständige Implementierung der elektronischen Bauteile ermöglicht einen guten Schutz durch das Gehäuse des Motorensystems, verhindert aber einen galvanischen Anschluss der Energiespeicher an das Ladegerät. Aus diesem Grund kann ein induktives Ladegerät verwendet werden, das hohe Ströme bereitstellen kann.
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Um die Batterie zu schonen kann die primäre Energieversorgung und ein Bedarf über einer definierten Leistungsgrenze durch die Kondensatoren erfolgen. Ist ein längerer Betrieb nötig, der die Kapazität der Kondensatoren übersteigt, kann die Batterie hinzugeschaltet werden. Auf diese Weise muss die Batterie nicht immer voll geladen sein und eine vollständige Entladung wird verhindert, was die Lebenszeit signifikant erhöht.
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Weiterhin können zwei verschiedene Lademodi verwendet werden. Ultrakondensatoren sind in der Lage mit hohen Strömen sehr schnell geladen zu werden, ohne dass Schäden auftreten. Sekundärzellen, wie die hierin verwendetet Batterie, hingegen sollten langsam geladen werden, um einen Verlust der Kapazität zu verhindern. Die benötigte Anzahl an Kondensatoren kann mit Hilfe der Nutzungsspezifikationen ermittelt werden, um einen Großteil der Anwendungsfälle abzudecken. Durch eine Optimierung der Anzahl und Bauteilauswahl können Größe und Gewicht der Motorensysteme signifikant verringert werden.
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In noch anderen Worten betrifft die Erfindung eine Verwendung von Kondensatoren als primäre Energieversorgung für Motorensysteme, die durch eine Batterie als Sekundärquelle beim Überschreiten der nötigen Kapazität unterstützt werden. Dieses System ermöglicht zudem eine konstante Kontrolle der Batteriespannung, um die Lebenszeit dieser deutlich erhöhen zu können. Ferner können durch die Kondensatoren automatisch Leistungsspitzen abgefangen werden, da solche Leistungsspitzen reguläre Batterien negativ beeinflussen und die Lebenszeit weiter reduzieren können.
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Nachfolgend werden einige Vorteile aufgeführt, die zumindest teilweise durch die vorliegende Erfindung erreicht werden. Zum Beispiel die Reduzierung von Gewicht und Größe durch die Minimierung der Energiespeicher. Ferner kann sich durch die Verwendung von Hochtemperatur-Bauteilen die nötige Isolation reduzieren, wodurch sich Größe und Kosten für die medizinische Vorrichtung verringern. Die Verwendung von Ultrakondensatoren ermöglicht ein sehr schnelles Laden und erhöht Verträglichkeit von Leistungsspitzen. Die primäre Energieversorgung durch Ultrakondensatoren schont die Batterie, da diese nicht bei jeder Verwendung entladen wird. Die Lebensdauer von Ultrakondensatoren (etwa 100000 Lade-/Entlade-Zyklen) kann um den Faktor 100 höher sein als von Sekundärzellen (etwa 1000 Lade-/Entlade-Zyklen). Die Aufrechterhaltung einer festgelegten Batteriespannung (zum Beispiel etwa 80%) kann Schäden durch hohe Temperaturen und Betrieb verringern. Werden Batterien zu schnell geladen, kann sich die Kapazität signifikant verringern, bei Kondensatoren ist dies nicht der Fall. Durch die Versiegelung im Gehäuse des Griffstücks wird das Motorensystem kompakt und die Elektronik kann ideal geschützt werden.
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Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Erklärungen unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein/werden können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren oder einem allgemeinen Computer, einer ASIC (Englisch: Application Specific Integrated Circuit; zu Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und/oder DSPs (Englisch: Digital Signal Processors; zu Deutsch: digitale Signalprozessoren).
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Beispielsweise die medizinische Vorrichtung, das Motorensystem, der Antrieb, die Elektronik, die Steuereinheit bzw. der Schalter, das Lademodul und die Aufladestation teilweise als ein Computer, eine Logikschaltung, ein FPGA (Field Programmable Gate Array; zu Deutsch: im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung), ein Prozessor (beispielsweise umfassend einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller (µC) oder einen Vektorprozessor)/Core (zu Deutsch: Hauptspeicher, kann in dem Prozessor integriert sein beziehungsweise von dem Prozessor verwendet werden)/CPU (Englisch: Central Processing Unit; zu Deutsch: zentrale Prozessoreinheit; wobei mehrere Prozessorkerne möglich sind), eine FPU (Englisch: Floating Point Unit; zu Deutsch: Gleitkommaprozessoreinheit), eine NPU (Englisch: Numeric Processing Unit; zu Deutsch: Numerische Prozessoreinheit), eine ALU (Englisch: Arithmetic Logical Unit; zu Deutsch: arithmetisch-logische Einheit), ein Koprozessor (zusätzlicher Mikroprozessor zur Unterstützung eines Hauptprozessors (CPU)), eine GPGPU (Englisch: General Purpose Computation on Graphics Processing Unit; zu Deutsch: Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheit(en)), ein Parallelrechner (zum gleichzeitigen Ausführen, unter anderem auf mehreren Hauptprozessoren und/oder Grafikprozessoren, von Rechenoperationen) oder ein DSP realisiert sein.
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Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die medizinische Vorrichtung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf das System zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das System beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die medizinische Vorrichtung zutreffen.
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Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden ist“ oder damit „in Verbindung steht“, kann dies heißen, dass sie damit unmittelbar verbunden ist; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „unmittelbar verbunden“ ist, ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Größenreduktion der medizinischen Vorrichtung; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Systems aus medizinischer Vorrichtung und Aufladestation.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
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Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“, „links“, „linke(r)/linkes“, „rechts“, „rechte(r)/rechtes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
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Figurenbeschreibung
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Die medizinische Vorrichtung bzw. das System werden nun anhand von Ausführungsformen beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung 1 als chirurgisches Motorensystem 1 mit Hybrid-Energieversorgung.
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Das chirurgische Motorensystem 1 mit einer Kombination aus temperaturbeständigen Ultrakondensatoren/Superkondensatoren 4 und Batterien 5 soll es dem Anwender ermöglichen, sämtliche Arbeitsschritte durch kurze Ladeintervalle durchführen zu können. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer langen Ladedauer vor der Anwendung im OP und erlaubt eine größere Flexibilität.
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Durch die vollständige Integration der Elektronik 8 in das Motorensystem 1 dient das Gehäuse des Griffstücks 2 als zusätzlicher Schutz, was bei Lösungen mit externem Akku nicht der Fall ist. Zudem kann somit eine optimale Ergonomie erreicht werden. Durch das induktive Laden mittels Lademodul 6 ist es dem Anwender zudem möglich, verschiedene Aufladestationen 12 zu verwenden. Weiterhin muss bei dieser Lademethode kein Kontakt hergestellt werden, was den Vorgang schneller und einfacher macht, da das Motorensystem 1 nur in die Aufladestation 12 gestellt oder gelegt werden muss.
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Der Beispielfall wäre der Einsatz bei einem Kniegelenkersatz. Um die Knochen (Femur, Tibia und Patella) an das Implantat anzupassen, müssen Teile der Knochen entfernt werden. Zu Beginn der Operation werden die Sterilcontainer geöffnet und das nötige Equipment bereitgestellt. Hier kann das Motorensystem 1 auf die induktive Aufladestation 12 gestellt werden, damit sich Kondensatoren 4 und Batterie 5 aufladen.
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Sobald die Führungen für die Resektion befestigt wurden kann die oszillierende Säge als Effektor der medizinischen Vorrichtung 1 eingesetzt werden. Da dies nur wenige Sekunden dauert, werden nur die Ultrakondensatoren 4 für den Betrieb benötigt. In der Zeit, die zum Einsetzen der neuen Führung benötigt wird, können die Kondensatoren 4 erneut aufgeladen werden. Diese Schritte wiederholen sich, bis keine Resektion mehr notwendig ist.
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Durch ein intelligentes Ladeverfahren muss die Batterie 5 im Anschluss nicht entladen werden, da sie konstant auf einem sicheren Niveau (ca. 80%) gehalten wurde. Aus diesem Grund kann das gesamte Motorensystem 1 im Anschluss an die Operation gereinigt und sterilisiert werden. Der Vorteil für den Anwender ist, dass das Motorensystem 1 kleiner und leichter als vergleichbare Lösungen ist und zudem keine Kombination aus sterilem System und unsterilem Akku benötigt wird, was die Gefahr einer Kontamination verhindert.
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Die medizinische Vorrichtung 1 mit einer Kombination aus temperaturbeständigen Ultrakondensatoren 4 und Batterien 5 kann somit als komplette Einheit sterilisiert werden kann. Die Verwendung von Kondensatoren 4 als Primärquelle und Batterien 5 als Sekundärquelle im Fall einer längeren Nutzungsdauer verlängert die Lebenszeit des Energiespeichers deutlich im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen. Ein induktives Laden ermöglicht eine vollständige Implementierung in der medizinischen Vorrichtung 1 und erlaubt ein Schnellladen der Ultrakondensatoren 4.
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Beispielsweise kann die medizinische Vorrichtung für ein Leistung zwischen 85W und 250W ausgelegt sein: Bei 85W kann bei einer Nutzungszeit von maximal 30s eine Kapazität von 85F und bei einer Nutzungszeit von maximal 60s eine Kapazität von 170F für den Superkondensator 4 verwendet werden. Bei 250W kann bei einer Nutzungszeit von maximal 30s eine Kapazität von 250F und bei einer Nutzungszeit von maximal 60s eine Kapazität von 500F für den Superkondensator 4 verwendet werden. Hierbei kann der Superkondensator 4 eine Mehrzahl von kleineren Superkondensatoren, zum Beispiel mit einer jeweiligen Kapazität von 40F, sein.
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Bei einer Rotationsanwendung, insbesondere Bohren und Schrauben, der medizinischen Vorrichtung 1 kann eine Betriebszeit von 60s und eine Wartezeit zwischen den Anwendungen von 60s vorgesehen sein. Bei einer Oszillationsanwendung der medizinischen Vorrichtung 1 kann eine Betriebszeit von 15s und eine Wartezeit zwischen den Anwendungen von 15s vorgesehen sein. Bei einer Sägeanwendung der medizinischen Vorrichtung 1 kann eine Betriebszeit von 30s und eine Wartezeit zwischen den Anwendungen von 60s vorgesehen sein.
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Ungefähre Nutzungszeiten für Standardoperationen können bei einer Hüfte (Acetabulum Preparation) 30s, bei einem Knie (Knochenresektion) 40s, bei Schrauben (Beispiel 10 Schrauben) 30s und bei einem Sternum 10s sein.
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Somit sind die Superkondensatoren 4 als primäre Energiequelle ideal für diese kurzen Anwendungszeiten geeignet.
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In 1 ist das Griffstück 2 an seinem oberen Ende mit dem Motorengehäuse 10 verbunden, das mit einem Effektor in Eingriff gebracht werden soll, um die Operation mit der medizinischen Vorrichtung 1 durchführen zu können. Mit dem Griffstück 2 sind zwei Abzüge 9 so verbunden, dass ein Anwender diese mit Mittelfinger und Zeigefinger greifen und betätigen kann. Die Abzüge 9 sind dabei mit Federwiderständen vorgesehen, um eine haptische Rückkopplung für den Nutzer bereitzustellen. Über die Abzüge 9 kann der Nutzer eine elektrische Verbindung zwischen Superkondensator 4 und/oder Batterie 5 mit dem Antrieb in dem Motorengehäuse 10 herstellen. Insbesondere kann ein mit den Abzügen 9 in Verbindung stehender Schleifkontakt vorgesehen sein, der die Stromzufuhr von Superkondensator 4 und/oder Batterie 5 zu dem Antrieb im Motorengehäuse 10 regelt.
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Hierfür kann die Elektronik 8 zwischen Antrieb und Superkondensator 4 und/oder Batterie 5 geschaltet sein. Die Elektronik kann Mittel wie Spannungswandler umfassen, um dem Antrieb die notwendige Spannungsart bereitzustellen.
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Ferner weist das Griffstück 2 an seiner Innenwand eine Isolation 3 auf, zum Beispiel auf Keramikbasis, um effektiv Wärme von den in dem Griffstück 2 befindlichen Elementen, nämlich Lademodul 6, Batterie 5, Superkondensator 4 und Elektronik 8, abzuhalten. Die einzelnen Elemente können so in dem Innenraum des Griffstücks 2 angeordnet sein, dass diese sich direkt berühren. Zum Beispiel, dass sich die die Batterie 5 umgebenden Superkondensatoren 4 die Isolierung 3 und die Batterie 5 berühren. Weiter kann die Batterie direkt auf dem Lademodul 6 aufliegen. Oberhalb der Batterie 5 und des Superkondensators 4 kann die Elektronik 8 angeordnet sein, unterhalb das Lademodul 6. Das Lademodul 6 weist ferner eine plan mit dem Boden B des Griffstücks 2 angeordnete Spule auf, die so effektiv von einer anzuschließenden Aufladestation 12 gespeist werden kann.
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Die Batterie 5 kann insbesondere ein LiFePo4 Akku sein. Der Superkondensator 4 kann ein Lithium-Ionen-Kondensator sein. Dieser Kondensatortyp hat asymmetrische, insbesondere unterschiedlich aufgebaute Elektroden. Somit kann der Superkondensator 4 ein Hybridkondensator sein. Dessen elektrische Kapazität kann sich aus der Serienschaltung einer positiven Elektrode eines Doppelschichtkondensators mit einer statischen Doppelschichtkapazität und einer zweiten, aus einem Akkumulator stammenden und mit Lithiumionen dotierten negativen Elektrode mit einer zusätzlichen, sehr hohen elektrochemischen Pseudokapazität zusammensetzen.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 1 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder nachstehend in Bezug auf 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Größenreduktion der medizinischen Vorrichtung 1. Insbesondere kann ein an das Griffstück 2 anbringbares Batteriepack wegfallen. Der Größenunterschied ist durch den Parameter d veranschaulicht. Der Boden B des Griffstücks 2 kann somit geschlossen ausgeführt werden. Zum Beispiel ist der Boden B einstückig mit dem Rest des Griffstücks 2 ausgeführt.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 2 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einen oder mehreren vorstehend (z. B. 1) oder nachstehend (z. B. 3) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 11 aus medizinischer Vorrichtung 1 und Aufladestation 12. Zur Verdeutlichung des Ladezustands kann auf der Aufladestation eine Ladezustandsanzeige 13 vorgesehen sein. Die Aufladestation 12 weist eine Aufnahme 14 auf, in die die medizinische Vorrichtung 1 eingebracht bzw. in der sie aufgenommen werden kann. Hierfür kein ein Teil des Griffstücks 2 in der Aufnahme 14 der Aufladestation 12 versinken. Hierdurch kann die medizinische Vorrichtung 1 ebenfalls vor einem Umfallen geschützt werden. Der Boden B des Griffstücks 2 kann in direkte Verbindung mit der Aufladestation 12 gebracht werden. Die Aufladestation 12 kann während der Anwendungspausen zwischen dem Betrieb verwendet werden, um die medizinische Vorrichtung 1 dort zu platzieren und die Superkondensatoren und/oder die Batterien 5 aufzuladen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Medizinische Vorrichtung
- 2
- Griffstück
- 3
- Isolation
- 4
- Superkondensatoren
- 5
- Akku/Batterie
- 6
- Lademodul
- 7
- Gehäuse des Griffstücks
- 8
- Elektronik
- 9
- Abzüge
- 10
- Motorengehäuse
- 11
- System
- 12
- Aufladestation
- 13
- Ladezustandsanzeige
- 14
- Aufnahme
- B
- Boden des Griffstücks
- d
- Größenunterschied
