Auslegung, Konstruktion und Aufbau eines adaptierbaren Pumpsystems für die Perfusion von Ultraschallphantomen

Kurzfassung

Die Entwicklung von der minimal invasiven Chirurgie (MIC) hin zu robotergestützten Lösungen besitzt durch die kleinen Hautschnitte sowie durch die vollständige Entkopplung zwischen Patient und Chirurg viele Vorteile. Allerdings ist das Fehlen der haptischen Eindrücke in der MIC ein Nachteil. Deshalb wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) als Teillösung ein Ultraschallsensor entwickelt, der verdeckte, oberflächennahe Gefäße von Organen detektieren kann. Zur Parametrisierung und Validierung dieses Sensors soll eine standardisierte Prüfumgebung in Form eines Pumpsystem entwickelt werden, in der Ultraschallphantome pulsatil perfundiert werden können. Hierfür wurde ein Pumpsystem mit folgenden Komponenten konzeptioniert, entwickelt und aufgebaut: Pumpe, Durchflussmesser, Reservoir, Schlauchsystem, Ultraschallphantom, schallisoliertes Gehäuse sowie Ansteuerungs- und Bedieneinheit. Über ein im Gehäusedeckel integriertes Touch-Display ist eine intuitive Bedienung des Systems sowie das Verfolgen der Messwerte in Echtzeit möglich. Für zukünftige Ultraschallphantome, die mit dem System perfundiert werden sollen, wurden Schnellkupplungen angebracht, mit denen ein Wechseln der Phantome einfach und schell erfolgen kann. Das System unterstützt konstante, sinusförmige sowie vier unterschiedliche, physiologische Flussprofile. Die physiologischen Flussprofile wurden aus der Literatur entnommen und können altersspezifisch für periphere und proximale Gefäßabschnitte ausgewählt werden. Die dynamischen Verläufe sind in ihrer Amplitude frei wählbar und für die Periodendauer sind jeweils drei Zeiten auswählbar. Aufgrund der hohen Dämpfung im System muss eine Regelung für das System implementiert werden. Dafür wurde ein Regler in Matlab/SIMULINK ausgelegt sowie simuliert und anschließend auf das Pumpsystem übertragen. Mit dieser Regelung ist es möglich, auf große Sollwertänderungen zu reagieren und das gewünschte Profil nachzubilden. Zur Funktions- und Qualitätsprüfung des Systems wurde mit einem standardisierten Ultraschall-Doppler-System eine Vergleichsmessung durchgeführt, die das gestellte Flussprofil in der Messstrecke bestätigte.