Universität Waterloo: Abschlussprojekt bekämpft körperliche Belastung in der medizinischen Bildgebung

Die diagnostische medizinische Ultraschallbildgebung erfordert, dass Sonographen über einen längeren Zeitraum mit einer Ultraschallsonde kontinuierlichen Druck auf den Patienten ausüben. Diese praxisorientierte Bildgebungsmodalität verlangt präzise Positionierung und gleichbleibende Bildqualität über lange Zeitspannen hinweg.

Das Capstone Symposium Team der Universität Waterloo in Ontario, Kanada, nahm sich dieses Problems für sein Abschlussprojekt an. In ihrer Recherche stellten die Studierenden fest, dass aufgrund dieses hochgradig repetitiven und körperlich anspruchsvollen Arbeitsablaufs eine Lösung benötigt wurde, um zur medizinischen Innovation beizutragen. Sie stellten fest, dass fast neunzig Prozent der Sonographen berufsbedingte Schmerzen erleiden, wobei dreiundachtzig Prozent der Befragten die Kraftaufwendung beim Einsatz von Ultraschallgeräten als Hauptursache ihrer Beschwerden nannten.

Um diese biomechanische klinische Herausforderung zu lösen, entwickelte das Studierendenteam das Load Assistance for Reduced-Strain Sonography-System, bekannt als das LARS-System. LARS ist ein semi-robotischer Gelenkarm, der entwickelt wurde, um bei der Kraftaufbringung auf die Sonde zu helfen, während der Sonograph die volle Kontrolle über den Eingriff behält.

Im Gegensatz zu großen und kostspieligen Roboteralternativen integriert sich dieses System direkt in bestehende klinische Arbeitsabläufe und bietet unterstützende Hilfe, ohne die etablierten Scanmethoden des medizinischen Fachpersonals zu beeinträchtigen. Sehen Sie sich eine Demonstrationsveröffentlichung von LARS durch Progressive Automations auf Instagram an.

Integration von Kraftsensoren in medizinische Robotik

Die Entwicklung eines Systems, das natürlich auf menschliche Interaktionen reagiert, erfordert eine hochpräzise Kraftrückmeldung. Das Studierendenteam integrierte den WMC-110 Sealed Stainless Steel Miniature Load Cell von Interface sowie einen DMA2 DIN Rail Mount Signalkonditionierer in das strukturelle Design. Die Miniatur-Kraftmessdose ist direkt oberhalb des Ultraschall-Befestigungsmechanismus positioniert, um die in Echtzeit auf den Patienten ausgeübte Kraft zu messen.

Wie funktioniert es? Der Sensor speist Daten kontinuierlich in ein geschlossenes Regelkreissystem ein. Diese Architektur stützt sich auf eine äußere Admittanzschleife und eine innere PID-Positionsschleife. Die äußere Schleife dient als primäre Krafterfassungsschicht, bei der ein Admittanzregler den Fehler zwischen dem Sollwert der Zielkraft und der gemessenen Kraft der Kraftmessdose verarbeitet. Dieser Positionsfehler wird dann an den inneren PID-Regler weitergeleitet, der die Rückmeldung des Linearaktuators auswertet und die Position entsprechend anpasst. Der Signalkonditionierer wandelt das Ausgangssignal der Kraftmessdose in ein nutzbares 0–3,3-V-Signal für die ordnungsgemäße Kommunikation mit der Mikrocontrollereinheit um.

TIPP: Lesen Sie die vollständige Interface-Fallstudie: University of Waterloo LARS Project Redefines Sonography Application.

LARS-Projektergebnisse und akademische Anerkennung

Die Integration präziser Kraftrückmeldung ermöglichte es dem LARS-System, eine schnelle Reaktionszeit von 0,12 Sekunden Anstiegszeit und kein Überschwingen zu erreichen. Diese Reaktionsfähigkeit gewährleistet eine gleichmäßige, stabile Kraftaufbringung während einer Live-Untersuchung. Das System hält erfolgreich das vom Bediener gewählte Kraftniveau aufrecht und passt sich dabei dynamisch an subtile Bewegungen an – einschließlich des Atmens oder Hustens des Patienten.

Das LARS-Abschlussprojekt erzielte eine bedeutende Anerkennung in der akademischen und ingenieurtechnischen Gemeinschaft und erhielt mehrere Auszeichnungen für seine technische Umsetzung und Designtreue:

• Norman Esch Entrepreneurship Award (2026): Verliehen für die Identifizierung eines klaren Marktbedarfs und die Darstellung eines tragfähigen kommerziellen Wegs zur klinischen Implementierung.
• Biomedical Engineering Capstone Best Prototype Winner (2026): Dem Team für den Prototyp mit der höchsten Genauigkeit innerhalb der Abteilung verliehen.
• Baylis Medical Capstone Design Award (2025): Anerkannt für ein innovatives und technisch komplexes Design mit einem ausgeprägten biomedizinischen Schwerpunkt.

Projektbeteiligte: Das Capstone Symposium Team der Universität Waterloo, bestehend aus Luke Coulter, Alexa Daly, Rylin Soto und Serena Wittenberg (Foto oben). Bildmaterial und technische Ressourcen werden direkt der Universität Waterloo zugeschrieben.

Interface investiert in die Ingenieure von morgen

Der Erfolg des LARS-Projekts unterstreicht die wichtige Beziehung zwischen akademischen Einrichtungen und präzisen Messtechnikwerkzeugen und -ressourcen. Die Bereitstellung grundlegender Hardware-Unterstützung für Ingenieurstudenten ermöglicht den Übergang vom theoretischen Entwurf zu hochpräzisen, funktionsfähigen Prototypen. Diese gemeinschaftliche Investition hilft dabei, die nächste Generation von Ingenieuren darauf vorzubereiten, komplexe, reale Probleme in den Bereichen Biomedizin, Robotik und industrieller Automation zu lösen.

Um sicherzustellen, dass Studierende und Lehrende Zugang zu den Ressourcen für fortgeschrittene Tests und Abschlussprojekte haben, können akademische Programme spezielle Forschungsförderstrukturen nutzen. Interface bietet Bildungsförderung und Rabattprogramme an, um Hochschultestlabors und Studierendenteams dabei zu helfen, hochpräzise Instrumentierung innerhalb ihrer Budgetvorgaben zu beschaffen.

Wir führen unser Investitionserbe in der Messtechnik und Bildung durch unser ForceEDU-Programm fort, einen fokussierten Online-Ressourcen-Hub mit Materialien und Referenzen, die das Lernen über Metrologie, Kraftmessung und Prüfverfahren unterstützen.