Flowsensorik in bewegten Systemen - Medizinische Sensor

Einführung
Flowsensorik in bewegten Systemen
Untersuchung von Nanoflowsensoren in einer
realistischen Umgebung
Jörg Schroeter
•
Gasgetriebene implantierbare Medikamentenpumpen liefern immer einen konstanten
Volumenstrom und können nach der Implantation nicht mehr den Bedürfnissen des
Patienten angepasst werden.
•
Voraussetzung für ein geregeltes System ist die Erfassung des Istzustandes, also des
Medikamentenflusses.
•
Es soll geprüft und getestet werden, inwiefern sich für technische Anwendungen
entwickelte miniaturisierte Flowsensoren für einen Einsatz in implantierbaren
Medikamentenpumpen eignen.
[email protected]
Medizinische Sensor- und Gerätetechnik www.msgt.fh-luebeck.de
Intrafraktionäre Organbewegung
•
Hauptverursacher der
intrafraktionären Bewegung sind die
Herz- und Lungenbewegungen.
Anforderungen an einen Messstand
1.
•
Die Anforderungen an einen
Messstand zur Simulation der
Bewegungen ergeben sich zum einen
aus den erwartenden
Bewegungsamplituden und der
Frequenz.
•
1. Fluidisches System mit kleinem
Volumen von ca. 60 µl
•
2. Implantierbare Infusionspumpe mit
einem Volumen von ca. 35 ml.
2.
•
Daten, gemessen von Nehrke et. Al,
Druckgefäß
haben die Bewegung
des rechten
Diaphragmas sowie des linken
Herzventrikels bei normaler Atmung
gemessen.
Kapillare
• Es lässt sich deutlich die kranio-kaudal
Ventil Absperrhahn
Bewegung des Herzens durch die
K. Nehrke, P. Börnert, D. Manke, and J. C. Böck. Free-breathing cardiac mr imaging: study of
Atmung erkennen.
Drucksensor
implications of respiratory motion–initial results. Radiology, 220(3):810–815, Sep 2001.
Sensor
Atemsimulation in horizontaler und vertikaler Lage
•
1.
100
•
75
50
25
Smoothed
no motion
Smoothed
vertical motion
Smoothed
horizontal motion
•
0
0
250
500
750
1000
time [s]
0.1
AmplitudePeak
no motion
AmplitudePeak
vertical motion
AmplitudePeak
horizontal motion
0.075
Das fluidische System wird
aus der horizontalen Position
in die vertikale Position
gekippt.
Die Quelle fördert konstanten
Volumenstrom (130 nl/min;
300 nl/min).
Die Lageänderung verursacht
einen deutlichen Abfall
(aufstehen) bzw. Anstieg
(hinlegen) unabhängigig vom
eingestellten Flow.
1.
Flow[nl/min]
•
flow [nl/min]
•
•
Simulation der Bewegung, die
durch die Atmung in aufrechter oder liegender Position im unteren Bauchraum
verursacht wird.
Schwarz: Ohne Bewegung.
Blau: Harmonische,
periodische Bewegung mit
genau einer Frequenz (0,22
Hz) in horizontaler oder grün
in vertikaler Richtung.
Der Einfluß der Bewegung
kann nur im Amplitudenspektrum nachgewiesen
werden. Die Modulierung des
Flows ist nur sehr gering.
amplitude [dB]
•
Lageänderung von horizontaler in vertikale Lage
350
300
250
200
horizontal
150
vertical
100
0.05
50
0.025
0
0
200
400
600
800
Time[s]
0
0
0.25
0.5
0.75
1
frequency [Hz]
Herzschlag und Atemsimulation in horizontaler und
vertikaler Lage
Lageänderung von horizontaler in vertikale Lage
2.
•
•
•
•
2.
•
Flow [nl/min]
Simulation der Bewegung, die
durch die Atmung und den
Herzschlag in aufrechter oder
liegender Position im unteren
Bauchraum verursacht wird.
Schwarz: Vertikale Bewegung
stehend (nur Atmung 0,3 Hz).
Blau: Vertikale Bewegung
(Atmung 0,15 Hz; Herzschlag
1 Hz).
Rot: Horizontale Bewegung
liegend (Atmung 0,16 Hz;
Herzschlag 1 Hz)
Bei diesem realen fluidischen
System ist die durch die Bewegung verursachte Modulation
des Flows deutlich messbar.
70
60
50
40
vertical b 0.286Hz
vertical b 0.153Hz+h 1,07Hz
horizontal b 0.163Hz+h 1,07Hz
30
0
amplitude [dB]
•
10
20
30
1.5
40
50
•
60
time [s]
vertical b 0.286Hz
vertical b 0.153Hz+h 1,07Hz
horizontal b 0.163Hz+h 1,07Hz
0.153Hz
1.25
0.286Hz
1
•
0.75
0.5
1.13Hz
0.163Hz
0.25
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency [Hz]
Das ganze fluidische System
wird aus der horizontalen
Position (liegend) in die
vertikale Position (stehend)
gekippt und nach ca. 7 min
wieder zurück in die horizontale
Position.
Die Lageänderung verursacht
einen deutlichen Abfall
(aufstehen) bzw. Anstieg
(hinlegen)
Erst nach 5 min hat sich der
ursprüngliche Flow wieder
eingestellt.