Doctoral Thesis

Design and control of a peristaltic pump for biomedical applications

Final Thesis 7.02 MB Summary of Thesis 3.41 MB

Author of thesis: Ing. Martin Formánek, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D.

Reviewers: Ing. Přemysl Janů, Ph.D., prof. Ing. Petr Noskievič, CSc.

Abstract:

This doctoral thesis deals with the design and control of a rotary peristaltic pump intended for biomedical application, such as Extracorporeal Membrane Oxygenation (ECMO) or phantom organ studies. 

The primary objective of the work is the development of a complex mechatronic system capable of generating arbitrary, user-defined pressure profiles at the pump outlet. To achieve this goal, a dynamic mathematical model based on the electro-hydraulic analogy and a modified two-element Windkessel model was developed. Based on this model, a hybrid control algorithm was designed, combining low-level real-time control with high-level optimization of control variables during one period.

The thesis includes the construction of a peristaltic pump prototype that enables occlusion (tube compression) control during operation using actuators integrated into the rotor head. Experimental validation confirmed that the proposed system can track reference physiological waveforms with high precision and adapt to changes in the parameters of the connected hydraulic periphery.

Keywords:

Peristaltic pump, Pulsatile flow, Physiological waveform, Occlusion control, Phantom studies

Date of defence

15.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Konkrétním přínosem práce je formulace matematického modelu peristaltického čerpadla, jeho fyzická realizace a testování řídícího systému s možností aktivního ovlivnění časového průběhu tlakových pulzů.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Applied Mechanics (D-IME-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (předseda)
doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Petr Noskievič, CSc. (člen)
Ing. Přemysl Janů, Ph.D. (člen)
pplk. Ing. Václav Křivánek, Ph.D., MCF. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D.

Studijní oddělení

Ing. Iva Kvapilová

FSI VUT v Brně

Doktorské studium


Stanovisko školitele k obhajobě disertační práce Ing. Martina Formánka

Disertační práce p. Ing. Martina Formánka se zabývá výzkumem v oblasti modelování a řízení peristaltického čerpadla pro medicínské aplikace. Zaměření, téma a cíle práce vychází z praktických zadání a projektů realizovaných na našem pracovišti a považuji ho za vysoce aktuální.

Doktorand se podílel velmi aktivně na VaV činnosti ÚMTMB, jako člen řešitelského týmu projektů TAČR/MPO a především řady průmyslových zakázek menšího rozsahu. Své vědecké výstupy publikoval a prezentoval na mezinárodních konferencích a v časopise.

V oblasti pedagogické se kromě pravidelné výuky v rámci povinností studenta podílel i na rozvoji výuky a tvůrčí činnosti Mechatronické laboratoře, vedl řadu bakalářských a diplomových prací a konzultační formou podporoval realizaci dalších prací. Dále prezentoval fakultu i pracoviště na řadě akcí typu Noc vědců, Gaudeamus apod.

 

Disertační práci doporučuji k obhajobě.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Přemysl Janů, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 297,84 kB

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 142,80 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová