Druckerzeugungssystem für medizinisches Analysegerät

Druckerzeugungssystem für medizinisches Analysegerät

Thomas Annen

Problemstellung
Die Firma Roche Diagnostics International AG entwickelt und produziert in-vitro Analysegeräte. Zur Vermeidung von Patientenproben- und Reagenzverschleppungen werden gewisse Komponenten als Wegwerfteile konzipiert, während andere Komponenten gewaschen werden. Für das Waschen wird momentan mit rein mechanischen Komponenten zentral im Gerät ein hydraulischer Druck erzeugt. Ziel der Bachelorarbeit ist es, aufzuzeigen, dass anstelle einer mechanischen Druckerzeugung eine aktive Druckregelung machbar ist und dies entscheidende Vorteile bezüglich Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit, Flexibilität, Kosten und Diagnose des Fluidsystems mit sich bringt.

Lösungskonzept
Mit einem Sensor wird der Druck im Fluidsystem erfasst. Die Stellgrösse der Pumpe soll neu basierend auf dem Messwert dynamisch angepasst werden.

Realisierung
Das gesamte Fluidsystem des Analysegeräts wird an einem Testaufbau nachgebildet. In einem ersten Schritt wird die Regelstrecke des Systems charakterisiert. Basierend auf Erkenntnissen der Charakterisierung wird eine alternative Pumpe evaluiert, welche besser für das neue Konzept und die konkrete Anwendung geeignet ist als die bestehende Pumpe. Anschliessend wird auf einem Mikrocontrollersystem in C ein PID-Regler mit diversen Sicherheitsfunktionen implementiert, welcher die Druckregelung und Überwachung übernimmt. Mit einer eigens erstellten C#-Software können über den CAN-Bus Kommandos an den Mikrocontroller gesendet werden, um mit dem Regler zu interagieren. Zu Analysezwecken wird in der Firmware ein Tool zur Signalaufzeichnung mehrerer interner Variablen des Reglers implementiert. Diese können anschliessend über den CAN-Bus hochgeladen und direkt in der graphischen Oberfläche der Software angezeigt werden.
In einer ausführlichen Testkampagne werden beide Pumpen getestet und mit der Performance der bestehenden Serienlösung verglichen. Abschliessend wird ein Konzept für die Umsetzung der Regelung in der Serie erstellt.

Ergebnisse
Die Resultate des Projektes beweisen, dass eine aktive Druckregelung realisierbar ist. Die Firmwarefunktion zur Signalaufzeichnung bietet zudem nachweislich die Möglichkeit, bestimmte Störungen im Fluidsystem zu erkennen. Zusammenfassend ist das neue Konzept flexibler, robuster, ruhiger und erschwinglicher als die bestehende Lösung.

Studienbetreuer Prof. Rolf Mettler
Preisstifter Roche Diagnostics International AG

Nachbildung des Fluidsystems des Analysegeräts an einem Testaufbau
Druck- und Stellgrössenverlauf während dem Waschvorgang dreier Pipettiernadeln (Start bei t = 0.5 s, Dauer = 3.25 s)
C#-Software zur Interaktion mit der Firmware und dem Testaufbau

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