Einsatz modellbasierter Verfahren im Rahmen der Entwicklung von Intensivbeatmungsgeräten

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1 Einsatz modellbasierter Verfahren im Rahmen der Entwicklung von Intensivbeatmungsgeräten Symposium: Modelle und Simulationen in der Medizintechnik Lübeck, , Ralf Lorenzen

2 Inhaltsverzeichnis 1. Modellierung des Druckregelkreises 2. Modellierung des Inspirationsventils 3. Modellierung der Mischventile 4. Simulation der Misch-/ Dosierfunktion 5. Fazit 2 19

3 Modellierung des Druckregelkreises Intensivbeatmungsgerät V

4 Modellierung des Druckregelkreises Anatomisches Modell/ Ersatzschaltbild V & pat Nase Rachen Kehlkopf Trachea R pat C pat p aw p p R _ pat lung = R pat pat V = C V& pat Tau pat = R pat C pat Rechte Lunge Linke Lunge 4 19

5 Modellierung des Druckregelkreises Elektrisches Ersatzschaltbild Abschätzung der Zeitkonstanten Tau_pat /[s] Erwachsene: Kinder: Frühgeborene: Tau_schlauch/ [ms] Erwachsene ~ 2 Neonaten ~ 10 Totzeit T_Schall 3m/333m/s 9ms 5 19

6 Modellierung des Druckregelkreises Pneumatikschema des Intensivbeatmungsgerätes V500 Welche Ventildynamik und Tankgröße wird für eine schnelle Druckregelung/ Gasmischung benötigt? O2 Sensor O 2 E Pressure Sensor O2 Air High Pressure Servo Valves V E Flow Sensors V E Dosage Valve V E Flow Sensor P E Temperature Sensor T E Mixing Volume V E Expiration Valve Lung Blower Flow Sensor P E Pressure Sensor 6 19

7 Modellierung des Druckregelkreises Toolkette Matlab/Simulink/Toolboxes Matlab Coder Embedded Coder Realtime -Interface Interface Generated Production C-Code Generated Code for dspace Target Production Target dspace Target Sensors Actuators Control Desk (dspace GUI) 7 19

8 Modellierung des Druckregelkreises Simulierte druckkontrollierte Beatmung eines Erwachsenen 8 19

9 Modellierung des Druckregelkreises Simulierte druckkontrollierte Beatmung eines Erwachsenen insp. Ventildynamik des Altgerätes: T90~2ms, Abtastzeit=8ms benötigte insp. Ventildynamik für Neuentwicklung: T90~7ms, Abtastzeit=1ms 9 19

10 Inhaltsverzeichnis 1. Modellierung des Druckregelkreises 2. Modellierung des Inspirationsventils 3. Modellierung der Mischventile 4. Simulation der Misch-/ Dosierfunktion 5. Fazit 10 19

11 Modellierung des Inspirationsventils Elektrodynamischer Linearantrieb Tauchspulprinzip S N N S S S Dauermagnet r F r F Lorentz Lorentz = ~ r r q ( v B) I ~ I l B -> bidirektionales Antriebsprinzip 11 19

12 Modellierung des Inspirationsventils Elektrischer Kreis mit Dämpfung FSoll - - Antriebsspule mit I Stromregler - F 1/ m Antrieb a v x F dämpf k A U ind v D U dämpf k mess Eigenschaften: hochdynamisch geringe interne Dämpfung ->empfindlich gegenüber Störgrößen instabil durch doppelten Integrator Antrieb wird zusätzlich bedämpft: -> unempfindlich gegenüber Störungen -> benötigt dynamische Regelung 12 19

13 Inhaltsverzeichnis 1. Modellierung des Druckregelkreises 2. Modellierung des Inspirationsventils 3. Modellierung der Mischventile 4. Simulation der Misch-/ Dosierfunktion 5. Fazit 13 19

14 Modellierung der Mischventile Physikalisches Prinzip Ventil wird eingekauft keine exakten Daten über interne Größen Modell wird aus Identifikation gewonnen Proportionalventil nach dem Reluktanzprinzip: 1 2 dl( x) F = I 2 dx 2 µ 0 A mit : L = N l F ~ I 2 Luft -> unidirektionales Antriebsprinzip 14 19

15 Modellierung der Mischventile Identifikation + vordruckabhängiges Kennlinienmodell ordnungsreduziertes dyn. Modell aus ARX-Identifikation -> PT1 mit 4ms 15 19

16 Inhaltsverzeichnis 1. Modellierung des Druckregelkreises 2. Modellierung des Inspirationsventils 3. Modellierung der Mischventile 4. Simulation der Misch-/ Dosierfunktion 5. Fazit 16 19

17 Simulation der Misch-/ Dosierfunktion Vergleich dspace Target vs. Simulation Simulation dspace Target Sprung (2->100)l/min mit O2-Konzentration=60% gute Übereinstimmung Modell <-> Prototyp geforderte T90-Zeit ist realisierbar Tankvolumen von ~0.7l bei 400mbar nötig große O2-Welligkeit am realen System -> Strömungssimulation des Mischtanks 17 19

18 Simulation der Misch-/ Dosierfunktion Flowworks Strömungssimulation praktisch keine Durchmischung beim Prototypen es werden zufällig O2- oder Airpakete am Ausgang dosiert das Einspeisen der Gase erfolgt zu symmetrisch -> Abhilfe: Kreuzen der Gasströme im Einspeisebereich 18 19

19 Fazit vereinfachte Simulationen (~80% Übeinstimmung) sind häufig ausreichend zur Konzepterstellung und initialen Komponentenauslegung frühzeitige Inbetriebnahme von Prototypen in dspace Echtzeitumgebung minimiert Projektrisiken Projektlaufzeit kann reduziert werden, da Iterationen in einer frühen Projektphase erfolgen können Projektlaufzeit kann durch die Verwendung identischer Sourcen in Modell, Versuchsstand und Zielgerät reduziert werden 19 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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