1.4 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 Peristaltik-Pumpen erreicht wird. Die Kalibrierung solcher Pumpen bedarf jedoch aufwändigen Messungen, was den breiten Einsatz solcher Systeme beeinträchtigt. Mittels eines Simulationsmodells soll das fluiddynamische Verhalten von Pumpe und Infusionssystem abgebildet werden. Dies ermöglicht eine effizientere Kalibrierung und erleichtert es dem Kunden, unterschiedliche Konfigurationen des Produkts in Anwendung zu bringen.

Mitwirkende: M. Hostettler, G. Boiger Partner: Codan Argus AG Finanzierung: Innosuisse Dauer: 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 Peristaltik-Pumpen eingesetzt. Da insbesondere sehr kleine Volumenströme angestrebt werden, ist die direkte volumetrische Bestimmung der Durchflussmenge nicht möglich und die Durchflussrate muss aus den System- und 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.

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 Peristaltik-Pumpe untersucht und ein Modell entwickelt, um die Kalibrierung solcher Systeme effizienter gestalten zu können. 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 und des viskoelastischen Verhaltens des Peristaltik-Schlauches werden verschiedene numerische Modelle (von simplen eindimensionalen Methoden bis hin zu detaillierten CFDSimulationen inklusive Fluid-Struktur-Kopplung) untersucht und mit Messungen verglichen. Anhand der Messdaten der Einzelkomponenten und der Erkenntnisse aus der Pumpen- und Schlauchcharakterisierung wird das strömungsdynamische Modell entwickelt (siehe Abb. 2), und mittels spezifischer Experimente validiert.