Studierendenprojekte im Biomaterial Labor

2019

Demonstrationsmodell einer levitierenden axialen Blutpumpe

Studierendenprojekt 2019

Demonstrationsmodell einer levitierenden axialen Blutpumpe

Moderne axiale Blutpumpen kommen als Herzunterstützungssystem immer häufiger zum Einsatz. Die Pumpen zeichnen sich durch eine kleine Bauweise bei hoher Flussrate aus.

In dem von der Senatskommission für Studium und Lehre (K1) geförderten Projekt werden die Studierenden eine solche axiale Blutpumpe in offener Bauweise als Demonstrations- und Studienmodell aufbauen.

Interessant ist der interdisziplinäre Ansatz des Projektes, da maschinenbautechnische, elektrotechnische und physiologische Fragestellungen bearbeitet werden müssen. 

Im Rahmen des Studierendenprojektes konnte nun ein funktionsfähiges axiales Blutpumpenmodell erfolgreich entwickelt werden. Die Pumpe wird durch einen selbstkonstruierten bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) angetrieben. Die sechs Wicklungen (A+/A-/B+/B-/C+/C-) am Stator des Motors wurden per Hand gewickelt. Die Rotorflügel wurden im 3D-Druck hergestellt und sind mit Dauermagneten ausgestattet. Eine Übertragung von elektrischer Energie auf den Rotor im inneren des Motors ist bei dieser Konfiguration nicht erforderlich. Der Motor wird durch eine elektronische 3-Phasen-Kommutierung angesteuert worüber auch die Drehzahlregelung realisiert wird. Der hierzu eingesetzte Motorregler benötigt zur Rotorpositionserkennung drei Hallsensoren (HA/HB/HC) die im Abstand von jeweils 120° am Stator positioniert sind. Die axiale Blutpumpe ist auf der rechten Seite mit einer Magnetlagerung ausgestattet.

Technische Details:

  • Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
  • Stator manuell gewickelt, ca. 300 Windungen/Statorspule
  • Motorsteuerung mit 3-Phasen Hochleistungstreibern 
  • Sensorgesteuerte Kommutierung 
  • Hallsensoren zur Erkennung der Rotorposition
  • Rotor bestehend aus Impeller/Inducer, Diffuser, Straightener 
  • jeweils mit 3D Drucker erstellt
  • Einseitig mit magnetischer Lagerung ausgestattet

Vorteile der axialen Blutpumpe:

  • Kleine, leichte Bauweise bei hohem Durchfluss
  • Geringe Blutschädigung durch spezielles Rotordesign
  • Magnetische Lagerung mit geringer Reibung und Wärmeentwicklung, dadurch verschleißfrei und blutschonend
  • geringe Geräuschentwicklung

 

 

Betreuender Professor

Prof. Dr.-Ing. Mehdi Behbahani

Raum 01E12
T.: 0241-6009-53727
behbahani(at)fh-aachen.de

Ansprechpartner

Betreuender Ingenieur
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Gatzweiler
Raum 01E09
Heinrich-Mußmann-Str. 1
52428 Jülich | Germany
T.: 0241 6009 53722
gatzweiler(at)fh-aachen.de

Studentische Projektleiter
Simon Habicht
Chloe Radermacher
B. Bukhtawer

Stellv. studentische Projektleiter
Smit Nandu
Yashothan Sivarajah
Jan Faheem

Studentische Mitarbeiter
Yuyang Mao
Tobias Küster
Naeem Assasa
Arefan, Aishan
Abdallah El Noaymi

 

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Video zum Modell der levitierenden axialen Blutpumpe

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Video zur aktuellen Weiterentwicklung des axialen Blutpumpenmodells

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Text Weiterentwicklung

Durch die Verwendung eines größeren Drahtquerschnittes der Statorwicklungen und somit einer höheren Strom- bzw. Leistungsaufnahme des bürtstenlosen Gleichstrommotors konnte das Drehmoment der axialen Blutpumpe deutlich erhöht werden. Nun können auch Flüssigkeiten durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt werden können. Dies ermöglicht Strömungsuntersuchen z. B. mit dem im Labor vorhandenen PIV-System (Particle Image Velocimetry).

Video zur Zentrierung der magnetischen Lagerung

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Video einer Vorgängerversion (Prototyp) der levitierenden axialen Blutpumpe

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Bilder zum Blutpumpenmodell

Weiterentwicklung des axialen Blutpumpenmodells

Das Demonstrationsmodell wird nun weiterentwickelt, so dass auch Flüssigkeiten gepumpt werden können. Dazu muss die Leistung bzw. das Drehmoment des Motors erhöht werden. Das erreicht man u.a. durch eine Statorwicklung mit größerem Drahtquerschnitt. Des Weiteren muss ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf realisiert werden. In dieser Ausbaustufe lassen sich dann Strömungsuntersuchungen mit dem im Labor vorhandenen PIV-System (Particle Image Velocimetrie) durchführen.

2021

Entwicklung eines Demonstrationsmodells für das Coiling von intrakraniellen Aneurysmen

Studierendenprojekt 2020

Studierendenprojekt 2020

Entwicklung eines Demonstationsmodells für das Coiling von intrakraniellen Aneurysmen

In diesem Projekt werden die Studierenden ein Modell eines intrakraniellen Aneurysmas in offener Bauweise als Demonstrations- und Studienmodell erstellen. Am Modell soll die Vorgehensweise beim Coiling von intrakraniellen Aneurysmen gezeigt werden, d.h. das Vorschieben eines feinen Drahtes aus einer Formgedächtnislegierung durch einen Katheder zum Ausfüllen des Aneurysmas. Hierzu ist zusätzlich die Entwicklung einer Vorrichtung zum Einfädeln und Abtrennen des Drahtes erforderlich

 

 

Betreuender Professor

Prof. Dr.-Ing. Mehdi Behbahani

Raum 01E12
T.: 0241-6009-53727
behbahani(at)fh-aachen.de

Ansprechpartner

Betreuender Ingenieur
Dipl.-Ing. Andreas Horbach
Raum 01E09
Heinrich-Mußmann-Str. 1
52428 Jülich | Germany
T.: 0241 6009 53209
horbach(at)fh-aachen.de

Studentische Projektleiter
Jenny Pretzner FB9
Shiva Pour Mohsen FB9
Patrick Hannak FB5

Stellv. studentische Projektleiter
n.n.

Studentische Mitarbeiter
n.n.

 

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Entwicklung eines Demonstrationsmodells eines Rotationsatherektomie-Systems

Studierendenprojekt 2020

Entwicklung eines Demonstrationsmodells eines Rotationsatherektomie-Systems

Das Verfahren der Rotationsatherektomie bietet eine schnelle und effiziente Behandlungsmethode hinsichtlich Stenosen des Gefäßsystems.

Die Atherektomie ist ein minimal-invasiver Eingriff, bei welchem Koronargefäß- und periphere arterielle Verschlüsse unter geringem chirurgischem Aufwand mechanisch behandelt werden. Dies umfasst das Entfernen von Plaque- und Kalkablagerungen, welche im Rahmen von Gefäßerkrankungen auftreten können. „Mechanisch behandeln“ definiert in diesem Fall die Dilatation (Aufweitung) des Gefäßlumens, ohne die Gefäßwand durch eine Überdehnung oder Verletzung zu schädigen [01–03].

Abb.: Rotationsatherektomie-Katheter im Einsatz

Im Vergleich zur Ballonangioplastie ist die Rotationsatherektomie ein Eingriff, bei dem die Gefäßwand weniger beansprucht wird. Hierbei wird das Verschlussmaterial „herausgefräst“ und nicht an die Gefäßwand komprimiert [04].

In dem von der Senatskommission für Studium und Lehre (K1) geförderten Projekt haben die Studierenden nun ein Demonstrationsmodell eines Jetstream Rotationsatherektomie-Systems entwickelt.

Interessant war der interdisziplinäre Ansatz des Projektes, da maschinenbautechnische, elektrotechnische und physiologische Fragestellungen bearbeitet werden mussten.

Bei dem Demonstrationsmodel liegt der Schwerpunkt auf die Visualisierung der Behandlungsmethode, wobei die Studierenden den Aufbau und die Funktionen des Kathetersystems kennenlernen. Einzelne Gruppen von Studierenden haben an den Aufgabenstellungen der verschiedenen Bearbeitungsbereiche gearbeitet und in Absprache miteinander ein Konzept zur Entwicklung des Modells erstellt, welches anschließend die Grundlage zur praktischen Umsetzung bildete. Bezüglich des Modells konnten Fragen zum Strömungsverhalten innerhalb des Gefäßsystems hinsichtlich Stenosen und die Notwendigkeit der Biokompatibilität solcher Medizinprodukte diskutiert werden.
Das Demonstrationsmodell dient dem Zweck der Vorführung in Lehrveranstaltungen und Praktika. Außerdem kann das System zukünftig im Rahmen von studentischen Abschlussarbeiten und Miniprojekten fortgeführt werden.

Betreuender Professor

Prof. Dr.-Ing. Mehdi Behbahani

Raum 01E12
T.: 0241-6009-53727
behbahani(at)fh-aachen.de

Ansprechpartner

Betreuender Ingenieur
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Gatzweiler
Raum 01E09
Heinrich-Mußmann-Str. 1
52428 Jülich | Germany
T.: 0241 6009 53722
gatzweiler(at)fh-aachen.de

Studentische Projektleiter
Melissa Rasiah
Marcel Spiertz

Stellv. studentische Projektleiter
Patrick Hannak

Studentische Mitarbeiter
Smit Nandu
Insaf Issoul
Albakir Hala
Tesh Hamzeh

 

 

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Abb.: Prototyp des Bohrkopfes eines Rotationsatherektomie-Katheters

Die Studierenden haben mit Hilfe von CAD und einem 3D Drucker ein Modell des Bohrkopfes (s. Abb. oranges Bauteil) entwickelt. Der Katheter (s. Abb. Plexiglasrohr) wurde mit Unterstützung der Mechanischen Werkstatt der FH Aachen/Campus Jülich hergestellt.

Abb. : Bohrkopf jeweils in Seiten- und Vorderansicht

  • links: Original-Bohrkopf
  • Mitte: Modell-Bohrkopf, Version 1 (symmetrisch), inkl. Profilschnitt
  • rechts: Modell-Bohrkopf, finale Version mit Schneidkante und Schneckenform zur Ableitung der gelösten Partikel, inkl. Profilschnitt

Abb.: Vorderansicht auf das von den Studierenden entwickelte Demonstrationsmodell eines Rotationsatherektomie-Systems, vorne rechts ist das Simulationsgefäß sowie der Katheter mit dem roten Bohrkopf zu erkennen

Abb.: Abtragen der Plaque bzw. Kalkablagerungen durch den Bohrkopf, Seitenansicht (links), Vorderansicht (rechts)

 

Im Rahmen des Studierendenprojektes konnte ein funktionsfähiges Demonstrationsmodell eines Rotationsatherektomie-Systems entwickelt werden. Einer der Schwerpunkte lag auf der Visualisierung der Behandlungsmethode, hierzu wurde ein geeigneter Maßstab des Modells von 20:1 gewählt. Der Aufbau und die Funktionen des Kathetersystems können so genau analysiert werden. Die Zusammenarbeit der Studierenden untereinander wurde durch das Projekt gefördert, das zeigte sich abschließend auch beim Zusammenbau der verschiedenen Komponenten des Modells, die optimal aufeinander abgestimmt sind. Bezüglich des Ersatzmaterials für die Stenose besteht allerdings noch Optimierungsbedarf.

Das Demonstrationsmodell soll schon im nächsten Semester bei den Lehrveranstaltungen zum Einsatz kommen. An einer Versuchsanleitung für die Anwendung des Modells im Praktikum wird noch gearbeitet. Beabsichtig sind auch Strömungsuntersuchungen mit Hilfe des im Labor vorhanden PIV-Systems (Particle Image Velocimetry), um das Spülsystem, d.h. den Abfluss der gelösten Partikel, zu verbessern.

Video zum Demonstrationsmodell eines Rotationsatherektomie-Systems

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Quellennachweise:

[1] (2016) Perkutane mechanische Atherektomie zur Behandlung der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit. www.springermedizin.de/perkutane- mechanische-atherektomie-zur-behandlung-der- peripheren/8070018?fulltextView=true. Accessed 09 Feb 2020

[2] (2020) Atherektomie: Ein Putztrupp für die Arterien. www.kardionet.de/atherektomie/. Accessed 10 Feb 2020

[3] DocCheck Medical Services GmbH (2020) Dilatation - DocCheck Flexikon. flexikon.doccheck.com/de/Dilatation. Accessed 10 Feb 2020

[4] Vortrag Rotablator (2019) Boston Scientific