Konstruktion sensorisierter Textilien für die biomedizinische Technik, 2013. - XVII, 18-187 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2013
Enth. außerdem: Thesen
Im Rahmen dieser Arbeit werden die bestehenden Definitionen und Funktionen von intelligenten Textilien anhand von Beispielen und Entwicklungen erläutert. Schwerpunkt liegt dabei in der Teilkomponente der textilen Sensorik. Darauf aufbauend wird auf Basis der bestehenden Fadenkonfiguration, elektrisch leitfähige Fäden in ein Gewebe einzubinden, der vollständige Entwicklungsprozess eines neuen Medizinprodukts dargelegt. Es handelt sich um ein sensorisiertes Textil zur Erkennung einer venösen Nadeldiskonnektion. Gemeinsam mit den dazugehörigen Schnittstellenkomponenten Datenverarbeitung, Kommunikation und Energieversorgung wird das sensorisierte Textil unter dem Oberbegriff der intelligenten Textilien geführt.Das Funktionsprinzip beruht dabei auf Integration zweier getrennter Leiterbahnen im Textil. Benetzung des Textils, hervorgerufen durch Blutverlust an der Punktionsstelle des Patienten erzeugt einen Kurzschluss der beiden Leiterbahnen, dies führt zu einem messbaren Abfall des Widerstandswertes.Die dafür notwendigen Bestandteile der Entwicklung unterteilen sich in verschiedene Abschnitte. Neben der Motivation zur Entwicklung des Textils wird eine Übersicht der bereits für diese Anwendung verfügbaren Produkte aufgelistet.Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit den Merkmalen, welche bei der allgemeinen Konstruktion sensorisierter Textilien zu beachten sind. Herleitung des eigentlichen Produkts, welcher einer Untersuchung vieler Parameter bedarf, dient dabei als Leitfaden. Unter anderem muss hierfür die Auswahl der Rohstoffe, die Konstruktion des Textils und die Auslegung der Schnittstellen betrachtet werden. Die Festlegung von produktspezifischen Parametern erfolgt dabei aufgrund der Eingangs definierten Anforderungen an die Aufgabenstellung. Weiterhin ist die Betrachtung von möglichen A Querempfindlichkeiten und Defektmöglichkeiten mit deren Auswirkungen auf die Funktion des intelligenten Textils erforderlich. Die Bewertung der eruierten Lösungswege erfolgt durch Validierung des Textils an objektiven Prüfmethoden. Dies beinhaltet die Betrachtung definierter Inprozess- und Endkontrollen sowie die Beurteilung des Alterungsverhaltens. Dadurch wird eine Aussage über die Produktstabilität ermöglicht.Neben einer allgemeinen Systembeschreibung für intelligente Textilien schließt die Arbeit mit einer Aufzählung artverwandter Anwendungsgebiete, die für mögliche Weiterentwicklungen des Textils geeignet sein könnten, ab. Dafür wird eine Anleitung erarbeitet, mit deren Hilfe die Konstruktion zukünftiger Entwicklungen auf dem Gebiet der intelligenten Textilien vereinfacht wird. Die Eingrenzung liegt dabei in der Ausnutzung der elektrischen Eigenschaften des Textils.
An engineering contribution to human gait biomechanics. - Hamburg : Kovač, 2013. - 132 S.. - (Schriftenreihe naturwissenschaftliche Forschungsergebnisse ; 81) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
ISBN 3-8300-6858-1
Der menschliche Gang ist Gegenstand der Forschung in zahlreichen Wissenschaftsdisziplinen, von der Biologie über die Medizin, Sportwissenschaft, Psychologie und Physik bis zu den Ingenieurswissenschaften. Die Motivationen, sich mit der Fortbewegung auf zwei Beinen auseinander zu setzen sind dabei höchst unterschiedlich. Dies führt zu einer Vielzahl von methodischen Ansätzen und erschwert die interdisziplinäre Kommunikation. Der Weg vom Experiment im Ganglabor zur Beinprothese oder Laufmaschine führt über das Verständnis der neuro-mechanischen Funktionen des menschlichen Beines. Die Integration von Erkenntnissen aus Computermodellen zum menschlichen Gang in die Konstruktion technischer Geräte gelingt aufgrund des großen fachlichen Abstandes, der sich in sehr unterschiedlichen wissenschaftlichen Herangehensweisen ausdrückt, häufig nicht oder nur sehr oberflächlich. Gleichzeitig wird die Relevanz technischer Erkenntnisse zur Mechanik und Regelung der zweibeinigen Fortbewegung für das Verständnis biologischer Systeme aufgrund der Komplexität der technischen Systeme häufig nicht wahrgenommen. Dieser Arbeit liegt die Frage nach einem methodischen Ansatz zur Überprüfung und Veranschaulichung biomechanischer Konzepte zugrunde. Durch die technische Umsetzung einfacher biomechanischer Funktionsmodelle lassen sich deren Vorhersagen überprüfen und deren Anwendbarkeit zeigen. Es wurde ein modularer, zweibeiniger Roboter in einer für die Ganganalyse geeigneten Experimentierumgebung entwickelt und in einem modularen Simulationsmodell abgebildet. Anhand von zwei Studien zur Überprüfung der Vorhersagen unterschiedlicher Gangmodelle wurde die Anwendbarkeit demonstriert. Vorhersagen aus Modellstudien zum Fersenabdruck im Gehen wurden anhand eines Roboters mit elastischem Sprunggelenk und flachem Fußsegment überprüft und mit Hilfe eines Mehrkörper-Simulationsmodells widerlegt. In einer zweiten Studie wurden Vorhersagen eines Feder-Masse-Modells zu Dynamik und Stabilität des zweibeinigen Ganges mit einem angepassten Robotermodell untersucht. Dabei konnte das vorhergesagte Verhalten teilweise reproduziert werden. Werte zur Leistungsaufnahme, die mit dem energiekonservativen Feder-Masse-Modell nur indirekt möglich sind, konnten ermittelt und in Beziehung zu Beobachtungen an biologischen und technischen Systemen gesetzt werden. Bei der Entwicklung und Umsetzung des Roboters wurde auf einfache Bedienbarkeit, Reproduzierbarkeit des Verhaltens und Anpassbarkeit durch Modularität besonderes Augenmerk gelegt. Diese Konzeption ermöglicht einen vielseitigen Einsatz. Durch die Kombination wissenschaftlicher Techniken unterschiedlicher Disziplinen eines Roboters als Erklärungsmodell in einer bewegungswissenschaftlichen Experimentierumgebung lassen sich der Transfer und das Verständnis fachfremder Erkenntnisse deutlich erleichtern.
Verbundprojekt: Erforschung faser-/folienförmiger IPMC-Aktuatoren und darauf basierender Bewegungsmodelle (IPMC-Aktuator) - Teilvorhaben: Verbund vorstrukturierter Polymeraktoren zu Bewegungssystemen und Festlegung funktioneller Parameter : Schlussbericht. - Ilmenau. - Online-Ressource (32 S., 1,86 MB)Förderkennzeichen BMBF 13N10279. - Verbund-Nr. 01074361
https://edocs.tib.eu/files/e01fb13/766860760.pdf
Weitblick - Wissensbasierte Technologie und bedarfsgerechte Leistungen für Senioren : Verbundprojekt ; [Ergebnisse des Projektes "Weitblick"] ; gefördert durch das Bundeministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative "Technologien und Dienstleistungen im demografischen Wandel" ; [Projektlaufzeit 10/2009 - 09/2011]. - Ilmenau [u.a.]. - Online-Ressource (167 S., 10,5 MB)Förderkennzeichen BMBF 01FC08029-32. - Verbund-Nr. 01066216
https://edocs.tib.eu/files/e01fb13/749361204.pdf
Mikrosystembasierte Zellkultivierung und Zellmanipulation zur Applikation mechanischer Reize auf Zellen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: 200 S.,11,08 MB). - (Berichte aus der Biomechatronik ; 6) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Parallel als Druckausg. erschienen
Die übergeordnete Fragestellung der vorliegenden Arbeit ist biomedizinischer Art und seit mehr als 150 Jahren anhängig: Wie verhalten sich Zellen unter definierter Belastung? In vivo ist die Beobachtung zellulärer Prozesse bisher nicht ohne invasive Methoden möglich. Das verlangt nach einer Lösung in vitro, welche die natürlichen Bedingungen adäquat nachahmt und gleichzeitig optimale Bedingungen für die Beobachtung und Beeinflussung der Prozesse bietet. Dass sich dafür Mikrozellkultivierungssysteme (MZKS) eignen, wird in dieser Arbeit nachgewiesen. Anhand der Analyse des Standes der Technik zur herkömmlichen und zur mikrosystembasierten Zellkultivierung sowie zur Zellmanipulation erfolgt die Ableitung von Anforderungen, welche die Zellkultur und die Nutzer an ein MZKS stellen. Ein Mikrosystem bildet mit der Kultivierungskammer, den Schlauchanschlüssen, dem integrierten Scaffold, dem optischen und mechanischen Zugang und anderen Bestandteilen die physische Basis des Gesamtsystems. Es wird durch periphere Module zur Versorgung der Zellen und zur Einstellung der Umgebungsbedingungen, zur Beobachtung der Prozesse und Zustände und zur Manipulation der Zellen und technischen Komponenten ergänzt. Dieser Aufbau wird anhand exemplarischer Umsetzungen erläutert. Die Sicherstellung der Biokompatibilität erlaubt die stabile Kultivierung von Zellen außerhalb eines Inkubators. Diese Infrastruktur bildet die Ausgangsbasis für Konzepte zur definierten Applikation von Reizen auf Zellen. Die existierenden makroskopischen und mikroskopischen Methoden werden dargestellt und ihre Adaptierbarkeit an das vorgestellte mikrosystembasierte Zellkultivierungssystem in Form von Realisierungsvorschlägen wird belegt. Abschließend wird der Gesamtaufbau anhand durchgeführter technischer und biologischer Tests diskutiert. Nach zellspezifischer Integration der vorgeschlagenen Belastungsvarianten kann nunmehr den Lebenswissenschaften das bisher fehlende Instrument zur Beantwortung der übergeordneten Fragestellung zur Verfügung gestellt werden.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17492
An approach to the design of surface stress-based PDMS micro-membrane biosensors : concept, numerical simulations and prototypes, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 157 S., 6078 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2010
Die BioMEMS (Biological Micro-Electro-Mechanical Systems)-Technologie spielt vor allem für Biosensoren eine entscheidende Rolle im Prozess der Informationsbeschaffung für die technologisch fortschreitende Entwicklung unserer Zivilisation. "Oberflächenspannungsbasierte Biosensoren" sind eine relativ neue Klasse von Biosensoren, welche die Änderung der freien Energie nutzen (das zugrunde liegende Prinzip jeder Bindungsreaktion), und bieten somit eine universelle Plattform für biologische oder chemische Sensorik. In der Dissertationsschrift wird ein neuer oberflächenspannungsbasierter Polydimethylsiloxan (PDMS)-Mikro-Membran-Biosensor vorgeschlagen, konstruiert, gefertigt und getestet. Der Biosensor besteht aus zwei Haupt-Funktionskomponenten: Mikrofluidik und Sensorik. Jeder Sensor besteht aus zwei Mikro-Membranen, einer aktiven Membran und einer Referenzmembran. Die Biosensoren wurden erfolgreich unter Bewältigung vieler Herausforderungen aufgebaut. Diese lagen insbesondere in den Bereichen Design und Herstellung, wie zum Beispiel der Integration der PDMS-Mikroverarbeitung mit herkömmlichen Verfahren, der Herstellung von "perfekten" PDMS-Dünnschichten und der Gewinnung der PDMS-Membran. Darüber hinaus wurde eine Klebetechnik, welche unausgehärtes PDMS als Zwischenschicht für die Bindung zwischen Biosensor und Mikrofluidikkomponenten oder -bauteilen nutzt, untersucht und getestet. Für die Prüfung und Anwendung der Biosensoren wurden zwei Biosensor-Testsysteme eingerichtet. Eines mit einem "smart Weißlichtinterferometer" (smartWLI) und ein anderes mit einem "Fiberoptic Interferometer" (FOI). Drei Alkanthiol-Moleküle mit verschiedenen funktionellen Endgruppen wurden als Biosensor-Überzugsschichten für die Anwendung getestet. MUA ist das derzeit beste "funktionelle" Material, um die Membran für den Nachweis von E. coli zu funktionalisieren. Der PDMS-Mikro-Membran-Biosensor auf Basis der Analyse von Oberflächenspannungen besitzt gute Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Biokompatibilität. Der Zustand von E. coli-Bakterien kann auf der Grundlage der Analyse der Oberflächenspannungen gemessen werden.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17539
Definition und exemplarische Realisation eines modularen Systems für die Kletterrobotik. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 183 S., 10,20 MB). - (Berichte aus der Biomechatronik ; 5) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Enth. außerdem: Thesen
Kletterroboter finden heute schon vielfältige Anwendung bei Reinigungs- und Inspektionsaufgaben. Dennoch sind aktuelle Kletterroboter Spezialentwicklungen mit einem oft eingeschränkten Anwendungsbereich. Mit Hilfe des modularen Ansatzes wird die Funktionsvariabilität solcher Systeme erweitert. Ein modularer Kletterroboter wird im Rahmen eines dreistufigen mechatronischen Entwurfsprozesses entwickelt, der sowohl mechanische als auch elektronische und informationelle Aspekte berücksichtigt. Ergebnisse dieses Konstruktionsprozesses sind zwei Bewegungsmodule, drei Greifmodule, ein Energiemodul, angepasste mechanische Verbinder zur Kopplung der Module und die modulinterne und -externe Elektronik. Durch Rekombination dieser Modultypen können unterschiedliche Roboterstrukturen aufgebaut werden. Die Kletterfähigkeit auf rundem Substrat einer Beispielkonfiguration wird nachgewiesen. Das entwickelte modulare System bietet das Potential für die zukünftige Entwicklung unterschiedlicher Kletterroboter.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000399
Selbstreferenzierendes Personalisiertes Miniaturisiertes Dosimeter (PMD) zur Bestimmung individueller Belastungs-Beanspruchungs-Beziehungen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: XX, 271 S., 5,61 MB). - (Berichte aus der Biomechatronik ; 4) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Enth. außerdem: Thesen
In einer modernen Kommunikationsgesellschaft ist der Verlust des Gehörs eine tiefgreifende soziale Behinderung, die zu einer weitgehenden Isolation des Betroffenen führt. Die Erkennung lärmbedingter Funktionsveränderungen des Innenohrs ist demnach nicht nur ein humanes, sondern auch ein ökonomisches Anliegen. Präventive Gesichtspunkte sind so zu gestalten, dass Gesundheitsgefahren vermieden und /oder beginnende Erkrankungen in einem sehr frühen Stadium erkannt werden können. Die Grundlage dafür ist eine möglichst genaue und sichere Quantifizierung der äußeren Noxen und Symptome. Deshalb haben Arbeitgeber wie Arbeitnehmer Interesse an der Verfügbarkeit nichtbelastender ständig vorhandener (technischer) Möglichkeiten zur Messung und Kontrolle individueller Lärmbelastungen und -beanspruchungen. Für die Präventionsforschung und in der Folge für den Arbeitsschutz ergeben sich aus der Miniaturisierung mechatronischer Systeme vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Eine davon ist die Entwicklung eines tragbaren Personalisierten, Miniaturisierten Lärm-Dosimeters (PMD), mit dem eine (quasi-)simultane Messung der tatsächlichen Lärm-Immission in situ und der individuellen Beanspruchung des Gehörs möglich wird.Aus einem Grundkonzept einer Familie Personalisierter Miniaturisierter Dosimeter für beliebige physio-chemische Qualitäten und Größen sowie einem Messkonzept zur Bestimmung individueller Belastungs-Beanspruchungs-Beziehungen konnte in dieser Arbeit ein Anforderungskatalog für ein selbstreferenzierendes PMD zum Einsatz in der primären Lärmprävention definiert werden. Dieser wurde in eine exemplarische Umsetzung überführt und einem ausführlichen Funktionstest nach aktuellen Normen und Richtlinien der akustischen Messtechnik unterzogen.Da bisher noch kein Messverfahren existiert, um die Vulnerabilität des Innenohres zu erfassen, wurden zunächst die Möglichkeiten individueller Risikoanalyse mittels otoakustischer Emissionen (OAE) untersucht. Dabei konnte die Wirkung des Lärms auf TEOAE-Eingangs-/Ausgangsfunktionen als mögliche Indikatoren der Lärm-Vulnerabilität geprüft werden. Aus den Daten wurde ein neues Modell zur Quantifizierung der individuellen Vulnerabilität (IdiV-Modell) gebildet. Dieses Modell soll in die prototypische Umsetzung des PMD integriert werden.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2009000180
Entwicklung eines Messsystems zur Untersuchung arthrotischer Knorpelschäden mittels naher Infrarot-Spektroskopie für den Einsatz in der Arthroskopie, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 115 S., 28,3 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Enth. außeerdem: Thesen
Arthrose ist die häufigste Erkrankung des Knorpels großer Gelenke und stellt eine enorme soziale und ökonomische Belastung für die Allgemeinheit und einen hohen Leidensdruck für den Patienten dar. Die zerstörungsfreie Diagnose von Ort und Schwere des Knorpelschadens, insbesondere in den primären Stadien, ist eine klinische Fragestellung. Als Goldstandard der Diagnose gilt z. Z. der optische Eindruck und das Betasten (Palpieren) des Knorpels während einer Arthroskopie in vivo. Diese Arbeit beschreibt ein Messsystem zur Diagnose von Arthrose auf Basis der nahen Infrarot (NIR) Spektroskopie und mehrere Experimente zum Nachweis der Eignung dieser Technologie. Es wird gezeigt, dass pathologische Veränderungen von Knorpelgewebe sich in den entsprechenden NIR-Spektren abzeichnen, dass die Aussagekraft der NIR-Spektroskopie vergleichbar ist mit der von klassischen medizinischen Laborverfahren, dass die biomechanischen Eigenschaften von Knorpel mit seinen optischen korrelieren und dass die während der Messung auftretenden Druckbelastung auf den Knorpel dessen Spektren nicht verändern.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=13056
Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIX, 203 S., 13,5 MB). - (Berichte aus der Biomechatronik ; 3) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2008
Parallel als Druckausg. erschienen
Die Natur bietet ein unerschöpfliches Potential an Phänomenen mit technischer Relevanz. Oft scheitert die breite Anwendung von Ideen aus der Biologie am Fehlen einer effektiven Transfermethode zwischen Forschung und industrieller Anwendung. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf einer vergleichenden Betrachtung biologischer Sinnesorgane und technischer Sensorsysteme ein Konzept zur systematischen Analyse der funktionell entscheidenden Grundprinzipien biologischer Sinnesorgane dargestellt. Dieses Konzept des Reizleitungsapparates ermöglicht die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens und eignet sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen.Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird das Konzept zum Reizleitungsapparat als methodische Leitlinie angewandt. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen. Daher erfolgt die Aufarbeitung der biologischen Kenntnisse unter Zuhilfenahme ingenieur-wissenschaftlicher Methoden und Modelle. Die Peripherie des Tasthaar-Sinnesorgans wird als Biegebalken mit nachgiebiger Lagerung interpretiert, deren Steifigkeit aktiv einstellbar ist. Während der Haarschaft bezüglich seiner Struktur und der mechanischen Eigenschaften mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht werden kann, muss bei der Analyse des Follikel-Sinus-Komplexes auf deduktive Methoden der Modellbildung zurückgegriffen werden. Es wird ein auf Grundprinzipien reduziertes mechanisches Modell vorgestellt und dessen Reaktion einerseits als statisches und andererseits als dynamisches System auf verschiedene Erregerkräfte analysiert. Abschließend werden Ansatzpunkte zur Optimierung taktiler stiftführender Sensoren entwickelt. Schwerpunkte liegen neben Gestaltungsvorschlägen für die reizaufnehmende Struktur auf der Umsetzung einer nachgiebigen und in ihrer Steifigkeit einstellbaren Lagerung.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=12023