Development of a guidance and Intra-Arterial flow monitoring catheter
Date
2016-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis entails the development and testing of devices that can aid in
guiding a needle into a blood vessel. Furthermore, a concept flow meter is
also developed and tested. Physicians often have difficulty placing a needle in
blood vessels. For a number of procedures access to blood vessels are required.
Investigating methods to ease this process is thus beneficial to the medical
field. Likewise, measuring blood flow is also of importance in the medical
field. Measuring blood flow to the brain can prevent brain ischemia, which
can lead to death of brain tissue.
Near infrared (NIR) light is used to guide the needle towards a blood vessel.
Two optic fibre strands are placed inside the needle, one to transmit NIR light
and one to receive reflected light. The reflected light, when pointing at blood,
is different from other tissue types. The in vitro and in vivo tests both showed
that there is a statistically significant difference (p < 0.001) in reflected light
when pointing at and away from a blood vessel.
Electrical impedance is used to determine when the needle enters a blood
vessel. A sine wave is generated and passed through biological tissue. The
measured impedance is different for blood and other tissue types. It was found
that when a signal of 29.85 kHz was used, there was a statistically significant
difference (p < 0.001) between blood and muscle and blood and fat.
The flow meter works on the principle of thermal convection. The concept
device that is developed, has an ambient temperature sensor and a second
temperature sensor wrapped in a heating coil. In the presence of fluid flow, heat
is carried away from the heater by thermal convection, causing a temperature
drop. The device was tested in vitro in distilled water flow and blood flow at
flow rates between 0.1 ml/s and 0.45 ml/s. Both the fluids had high variances
in the temperature difference between the ambient and heater temperature. By
removing the offsets, clear trends become visible. For the distilled water tests,
a fit in the tested flow region was obtained with a coefficient of determination
of R2 = 0:9801. The blood tests however were more erratic and the best fit
that could be obtained had a coefficient of determination of R2 = 0:6056. In
both cases however, CFD results indicate that this method is a viable method
if some of the flow meter design aspects are improved.
The results indicate that a combination of the aforementioned technologies
can be used to guide a needle into a blood vessel and measure flow rate. While
further investigation is required to make this a product in the medical practice,
the investigation in this thesis serves as a basis for future clinical trials in the
development of a guidance and intra-arterial flow monitoring catheter.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die tesis behels die ontwikkeling en toets van toestelle wat ’n naald kan lei tot in ’n bloedvat. Verder is ’n konsep vloeimeter ook ontwikkel en getoets. Dokters beskou dit gereeld as ’n uitdaging om ’n naald in ’n bloedvat te plaas. Toegang tot sulke bloedvate is nodig vir ’n verskeidenheid prosedures. Vir dié rede is dit voordelig vir die mediese veld om metodes wat die proses vergemaklik te ondersoek. Net so is die meet van bloedvloei ook belangrik in die mediese veld. Die meet van bloedvloei na die brein kan brein ischemie voorkom, wat kan lei tot die dood van breinweefsel. Naby-infrarooi (NIR) lig word gebruik om die naald te lei na ’n bloedvat toe. Twee optiese vesels is binne in die naald geplaas. Een vesel dra die NIR lig van die lig bron af en die ander vesel lei gereflekteerde lig terug na ’n sensor toe. Die gereflekteerde lig is verskillend vir wanneer die naald na ’n bloedvat wys en weg van die bloedvat af wys. Die in vitro en in vivo toetse beide dui daarop dat daar ’n statistiese beduidende (p < 0.001) verskil in gereflekteerde lig is wanneer die naald wys na ’n bloedvat en wanneer dit weg van die bloedvat af wys. Elektrise impedansie word gebruik om te bepaal wanneer die naald ’n bloedvat binnedring. ’n Sinus golf word gegenereer en deur die biologiese weefsel gestuur. Die impedansie wat gevolglik gemeet word, is verskillend vir bloed as vir ander weefsel soorte. Dit was gevind dat vir ’n golf van 29.85 kHz, daar ’n statistiese beduidende verskil (p < 0.001) tussen die impedansie van bloed en spier asook bloed en vet is. Die vloeimeter werk met die beginsel van termiese konveksie. Die konsep toestel wat ontwikkel is, het ’n omgewingstemperatuur sensor en a temperatuur sensor wat in ’n verhittings spoel omvou is. Wanneer ’n vloeistof oor die verhitter vloei, word hitte weggedra en dit veroorsaak ’n verlaging in temperatuur. Die toestel was in vitro getoets in beide gedistilleerde watervloei en in bloedvloei met vloei tempo’s van tussen 0.1 ml/s en 0.45 ml/s. Beide vloeistof toetse het hoë variansies gehad tussen die omgewingstemperature en die verhittingstemperature. Met verwydering van die relatiewe verskille tussen datastelle, het duidelike tendense in die data verskyn. Vir die gedistilleerde watertoetse is ’n pas gevind met ’n bepaaldheidskoëffisiënt van R2 = 0:9801. Vir die bloedtoetse was daar slegs ’n pas gevind met ’n bepaaldheidskoëffisiënt van R2 = 0:6056. In beide gevalle alhoewel, het CFD resultate daarop gedui dat die metode wel ’n lewensvatbare metode is om vloei te meet, mits sekere aspekte van die ontwerp verbeter word. Die resultate dui aan dat ’n kombinasie van die bogenoemde tegnologieë gebruik kan word om ’n naald te lei tot in ’n bloedvat en om vloeitempo mee te meet. Verdere ondersoek word benodig om dié toestelle te omskep in ’n produk wat in die mediese praktyk gebruik kan word. Nietemin dien die ondersoek wat in dié tesis gedoen is, as ’n basis vir toekomstige kliniese ondersoeke wat kan bydra tot die ontwikkeling van ’n leidingsnaald en intra-arteriële bloedvloei monitor.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die tesis behels die ontwikkeling en toets van toestelle wat ’n naald kan lei tot in ’n bloedvat. Verder is ’n konsep vloeimeter ook ontwikkel en getoets. Dokters beskou dit gereeld as ’n uitdaging om ’n naald in ’n bloedvat te plaas. Toegang tot sulke bloedvate is nodig vir ’n verskeidenheid prosedures. Vir dié rede is dit voordelig vir die mediese veld om metodes wat die proses vergemaklik te ondersoek. Net so is die meet van bloedvloei ook belangrik in die mediese veld. Die meet van bloedvloei na die brein kan brein ischemie voorkom, wat kan lei tot die dood van breinweefsel. Naby-infrarooi (NIR) lig word gebruik om die naald te lei na ’n bloedvat toe. Twee optiese vesels is binne in die naald geplaas. Een vesel dra die NIR lig van die lig bron af en die ander vesel lei gereflekteerde lig terug na ’n sensor toe. Die gereflekteerde lig is verskillend vir wanneer die naald na ’n bloedvat wys en weg van die bloedvat af wys. Die in vitro en in vivo toetse beide dui daarop dat daar ’n statistiese beduidende (p < 0.001) verskil in gereflekteerde lig is wanneer die naald wys na ’n bloedvat en wanneer dit weg van die bloedvat af wys. Elektrise impedansie word gebruik om te bepaal wanneer die naald ’n bloedvat binnedring. ’n Sinus golf word gegenereer en deur die biologiese weefsel gestuur. Die impedansie wat gevolglik gemeet word, is verskillend vir bloed as vir ander weefsel soorte. Dit was gevind dat vir ’n golf van 29.85 kHz, daar ’n statistiese beduidende verskil (p < 0.001) tussen die impedansie van bloed en spier asook bloed en vet is. Die vloeimeter werk met die beginsel van termiese konveksie. Die konsep toestel wat ontwikkel is, het ’n omgewingstemperatuur sensor en a temperatuur sensor wat in ’n verhittings spoel omvou is. Wanneer ’n vloeistof oor die verhitter vloei, word hitte weggedra en dit veroorsaak ’n verlaging in temperatuur. Die toestel was in vitro getoets in beide gedistilleerde watervloei en in bloedvloei met vloei tempo’s van tussen 0.1 ml/s en 0.45 ml/s. Beide vloeistof toetse het hoë variansies gehad tussen die omgewingstemperature en die verhittingstemperature. Met verwydering van die relatiewe verskille tussen datastelle, het duidelike tendense in die data verskyn. Vir die gedistilleerde watertoetse is ’n pas gevind met ’n bepaaldheidskoëffisiënt van R2 = 0:9801. Vir die bloedtoetse was daar slegs ’n pas gevind met ’n bepaaldheidskoëffisiënt van R2 = 0:6056. In beide gevalle alhoewel, het CFD resultate daarop gedui dat die metode wel ’n lewensvatbare metode is om vloei te meet, mits sekere aspekte van die ontwerp verbeter word. Die resultate dui aan dat ’n kombinasie van die bogenoemde tegnologieë gebruik kan word om ’n naald te lei tot in ’n bloedvat en om vloeitempo mee te meet. Verdere ondersoek word benodig om dié toestelle te omskep in ’n produk wat in die mediese praktyk gebruik kan word. Nietemin dien die ondersoek wat in dié tesis gedoen is, as ’n basis vir toekomstige kliniese ondersoeke wat kan bydra tot die ontwikkeling van ’n leidingsnaald en intra-arteriële bloedvloei monitor.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Intra-arterial injections, Blood-vessels -- Anatomy, Circulatory system, Blood-vessels -- Endoscopic surgery, UCTD