Institutsbericht 2020
1.4
Institute of Computational Physics
Simulationsbasierte Kalibrierung von Infusionssystemen
Infusionssysteme ermöglichen die kontinuierliche Verabreichung von Medikamenten in flüssiger Form. Für den medizinischen Betrieb ist es notwendig, einen exakten Volumenstrom aufrechtzuerhalten, was mit dem Einsatz von Peristaltikpumpen erreicht wird. Die Kalibrierung solcher Pumpen bedarf jedoch aufwändiger Messungen, was den breiten Einsatz solcher Systeme beeinträchtigt. Mittels eines Simulationsmodells soll das fluiddynamische Verhalten von Pumpe und Infusionssystem abgebildet werden, um eine effizientere Kalibrierung zu ermöglichen und unterschiedliche Konfigurationen des Produkts in Anwendung zu bringen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
M. Hostettler, G. Boiger Codan Argus AG Innosuisse 2019–2021
Beim Einsatz von medizinischen Infusionssystemen ist eine hohe Genauigkeit betreffend der effektiv injizierten Medikamentenmenge erforderlich. Um einen gewünschten Volumenstrom einstellen zu können, werden unter anderem Peristaltikpumpen eingesetzt. Da insbesondere sehr kleine Volumenströme angestrebt werden, ist die direkte volumetrische Bestimmung der Durchflussmenge nicht möglich, die Durchflussrate muss aus den Systemund Pumpenparametern bestimmt werden. Für die dafür notwendige Kalibrierung der Pumpe sind jedoch individuelle und höchst umfangreiche Messungen notwendig, welche den effizienten Einsatz solcher Geräte wesentlich einschränken.
Damit lassen sich auch beliebige Konfigurationen der im Infusionssystem verbauten Komponenten (siehe Abb. 1) besser realisieren und es wird eine breitere Anwendung des Produkts ermöglicht.
Abb. 2: Modell des Infusionssystems mit Pumpe und verschiedenen Komponenten.
Im Rahmen des Projekts werden umfassende experimentelle Messungen eingesetzt, um das Verhalten von sämtlichen strömungsführenden Komponenten individuell charakterisieren zu können. Für die Charakterisierung der Pumpe werden verschiedene numerische Modelle (von simplen eindimensionalen Methoden bis hin zu detaillierten CFD-Simulationen inklusive Fluid-Struktur-Kopplung) untersucht und mit Messungen verglichen. Anhand der Messdaten der Einzelkomponenten und der Erkenntnisse aus der Pumpencharakterisierung wird das strömungsdynamische Modell entwickelt (siehe Abb. 2) und mittels spezifischer Experimente validiert.
Abb. 1: Verschiedene Komponenten eines Infusionssystems (v. l. n. r. Durchflussregler, Tropfenzähler, Filter und Schlauch).
In der vorliegenden Arbeit wird das grundlegende Strömungsverhalten in Schlauchsystem und Peristaltikpumpe untersucht und ein Modell entwickelt, um die Kalibrierung solcher Systeme effizienter gestalten zu können.
Zürcher Fachhochschule
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