Development of shell for next generation ultrasound probe

Abstract

Teknologien for ultralyd blir bedre og bedre etter hvert som elektronikken og programvare utvikler seg. En oppgradering i elektronikken krever ofte mer plass grunnet større komponenter. Denne oppgaven ser på mulighetene som finnes for å løse framtidens problemer med plass, ergonomisk utforming og varmegenerering i probeskall. Oppgaven er skrevet i samarbeid med GE Vingmed Ultrasound, og tar for seg utforming og utvikling av skallet til neste generasjons ultralydprobe.

Målet for prosjektet har vært å utvikle en prototype for nytt probeskall med mulighet for videre tekniske løsninger som kan tas med tilbake til bedriften. Målet for oppgaven har vært å komme frem til ett design som har gode varmeledningsegenskaper, plass til all nødvendig elektronikk, og et godt ergonomisk grep.

Prosjektet er bygd opp i henhold til Pugh sin metode for oppbygning av et utviklingsprosjekt og IPD metoden er brukt for å sikre god dataflyt igjennom hele prosjektet. SCAMPER metoden og modulisering metoden er brukt for generering av ideer og konsepter. Utviklingen av det endelige konseptet har gått i iterasjoner, hvor det først ble sett på eksisterende løsninger, før egne ideer ble generert. Ideene ble vektet opp imot hverandre og på grunnlag av dette ble forskjellige konsepter generert. De forskjellige konseptene ble 3D-printet, testet og det ble innhentet tilbakemeldinger fra fagpersonell. Fra den første konseptfasen som førte frem til to ulike konseptretninger, disse ble igjen testet med brukerscreening og analyser. Fra denne konseptutviklingen ble resultatene fra testingen og brukerscreeningen tatt med videre for å utvikle ett endelig konsept.

Det har blitt benyttet forskjellige dataprogrammer for CAD modellering, FEM og termiske analyser. Det har blitt gjort en utredning om teknologien og hvordan ultralyd fungerer, samt sett på eksisterende løsninger for varmeledning og ergonomi. Valgene som har blitt tatt igjennom oppgaven er basert på teori og egen screening av konsepter. Forskjellige ideer og konsepter har blitt testet ut og 3D-printing er benyttet som et verktøy for testing av ideer. Valg og vurderinger er også tatt på bakgrunn av erfaringer gjort igjennom ett tidligere prosjekt på 3D-printing gjort høsten 2018 [1].

Det endelige konseptet har ett godt ergonomisk grep med de gitte rammebetingelsene, basert på teori om ergonomi og tilbakemeldinger fra fagpersonell. Den totale lengden på proben er 140 mm og den har en bredde på 53 mm. Vekten på det nye skallet er sirka 37 gram. Skallet har plass til all nødvendig elektronikk og temperaturen på overflaten mot operatør er 23,6 °C, temperatur mot pasient er 37,6 °C. Den nye proben består av tre deler, en nesedel og to skalldeler.

For videre arbeid vil det i første rekke produseres opp en liten serie, der all elektronikk settes inn i skallet for å se at geometrien passer. Deretter innhente mer data for de termiske simuleringene for å få en endelig bekreftelse på at temperaturene er innenfor de gitte grensene før termisk testing gjennomføres. Med dette på plass, vil godkjenning i henhold til ISO60601 måtte gjennomføres og verifisere at skallet og proben oppfyller alle nødvendige krav. Dernest må det ses nærmere på markedsmessige utfordringer.

The ultrasound technology improves continuously with the development of electronics and software. An upgrade in the electronics often requires more space due to larger components. This thesis investigates the possibilities to solve problems of the time to come regarding space, ergonomics, and heat generation in probe shells. The thesis is written in cooperation with GE Vingmed Ultrasound, and deals with design and development of the shell for the next generation ultrasound probe. The goal for the project was to develop a new shell with the possibilities for further technical solutions that could be brought back to the company. The goal for the thesis has been to achieve a design with good thermal properties, that fits all necessary electronics and has a good ergonomic grip. The project is built up according to Pugh’s method for structure of a development project, while the IPD method was used to secure good dataflow through the project. The SCAMPER method and the modularity method has been used for generating ideas and concepts. The development of the final concept has been done in iterations, where existing solutions first was analyzed, before own ideas was generated. The ideas were weighted and compered against each other and based on these ideas different concepts was made. The different concepts were 3D printed, tested and feedback from professionals was obtained. From the early concept generation there was reached two different concept directions, that was tested with user screening and analyzes. From the further concept development, the results from the testing and the user screening was used to form the final concept. Different computer programs were used for CAD models, FEM and thermal analyzes. An investigation was done on technology and how ultrasound works, and existing solutions for heat conduction and ergonomics. The decisions made through the thesis is based on theory and own screening of concepts. Different ideas and concepts have been tested and 3D printing is used as a tool for testing of ideas. Choices and assessments are also made on the experiences done in an earlier project on 3D printing done in autumn 2018 [1]. The concept which emerged have a good ergonomic grip given the framework, based theory on ergonomics and feedback from professionals. The total length of the probe is 140 mm and the width are 53 mm. The weight of the new shell is approximately 37 grams. The shell fits all necessary electronics and the temperature towards the operator is 23,6 °C the temperature towards the patient is 37,6 °C. The new probe consists of the three parts, one nose-piece and two shell parts. For further work a small series needs to be produced, where all the electronics should be placed to see that the electronics fits. Then it should be collected more data for the thermal simulations to get a final confirm that the surface temperatures are within the given limits. With this in place approvals according to ISO60601 needs to be carried out and verify that the shell and probe fulfills all requirements. Then, it must be looked more closely at market related challenges.