Untersuchung der Nutzbarkeit einer Microsoft Kinect® zur Bestimmung des Bewegungsumfangs der menschlichen Oberextremitäten. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Ziel dieser Arbeit ist es, die Fähigkeit der Kinect®, die Bewegungen der oberen Extremitäten aufzunehmen, zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine Probandenstudie mit 13 Probanden durchgeführt, in der Schulterbewegungen in allen drei Bewegungsebenen und die Ellenbogenflexion von zwei Kinects® aus zwei verschiedenen Aufnahmewinkeln erfasst wurden. Aus den Daten wurden die Winkel der Bewegungen mittels Matlab berechnet. Außerdem wurden zum Vergleich die Winkel aus den Bilddaten der Sensoren mit Kinovea ausgemessen. Es wurden die Abweichungen der beiden Kinects® von den Referenzwinkeln aus Kinovea bestimmt und dann der Mittelwert und die Standardabweichung berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Daten der Kinect®, die frontal zu den Probanden stand, insgesamt näher an den Referenzwinkeln liegen und weniger fehlerbehaftet sind als die Daten der seitlich stehenden Kinect ®. Durch die vorliegende Arbeit wurde außerdem festgestellt, dass die Kinect® für die exakte Winkelbestimmung der oberen Extremitäten nicht geeignet ist, während die Darstellung von Bewegungen gut möglich ist.
Definition eines ultraschallbasierten Funktionsprinzips zur Entfernung von Knochenzementen und polymeren Knochenfüllstoffen. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Von Jahr zu Jahr nimmt die Zahl der Implantations- und Revisionseingriffe von Endoprothesen in Deutschland zu. Mit ihr steigt der Bedarf an alternativen Methoden zur Knochenzemententfernung, welche sowohl kraft- als auch zeiteffektiv, jedoch vor allem gewebeschonend arbeiten sollen. Für diesen Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Funktionsprinzip untersucht, welches auf der Basis von Ultraschallschwingungen beruht. Dabei soll sowohl mechanisch als auch thermisch auf den Knochenzement eingewirkt werden, um diesen auf seine Glasübergangstemperatur und in einen zähflüssigen Zustand zu versetzen. Im Zuge dieser Untersuchung wurden die Eigenschaften und Einflussfaktoren, welche relevant für das gewählte Funktionsprinzip sind, ermittelt und zusammengetragen. Aufgrund der Vielzahl der gefundenen Eigenschaften und Einflussfaktoren wurde die vorliegende Arbeit auf die drei funktionswichtigsten Eigenschaften begrenzt: Frequenz des Leistungssignals, Amplitude des Leistungssignals und Temperatur der Arbeitssondenspitze. Es wurde ein Testaufbau entwickelt, mit dem das Optimum dieser Eigenschaften ermittelt werden sollte. Dazu wurden sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des elektrischen Leistungssignals variiert, mit dem die Ultraschallschwingung erzeugt wurde. Gleichzeitig wurde die Temperatur des Werkzeuges gemessen, mit dem der Knochenzemente entfernt werden sollte. Der entwickelte Testaufbau erwies sich als bedingt funktionstüchtig, da es mit ihm nicht möglich war Knochenzement von einer Probe abzutragen. Dennoch konnte eine Korrelation zwischen der Temperatur des Werkzeugs und einer Kombination aus der Frequenz und der Amplitude des Leistungssignals nachgewiesen werden. Die vorliegende Arbeit kann als Grundlage für die Weiterentwicklung des ultraschallbasierten Funktionsprinzips genutzt werden. Der empfohlene nächste Schritt ist die Umwandlung des Leistungssignals von einer rechteckförmigen in eine sinusförmige Schwingung. Ermöglicht wird dies durch eine Pulsweitenmodulation des Steuersignals mit Hilfe eines Mikrocontrollers. Weiterhin gilt es die Temperatursteuerung so zu optimieren, dass die Glasübergangstemperatur des Knochenzementes erreicht wird. Dazu muss eine zuverlässige Temperaturmessmethode entwickelt werden, welche auch unter den Bedingungen einer realen Operation praktikabel ist. Der in dieser Arbeit entwickelte Testaufbau besitzt ein großes Potential für ein zukünftiges Produkt, welches die Technik in der Endoprothetik revolutionieren und zum Wohl vieler Patienten beitragen könnte.
In vitro Tests zur Untersuchung der Primärstabilität von Revisionsversorgungen des Acetabulums. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die Revision einer Hüftpfannenendoprothese steht häufig im Zusammenhang mit einem großen Knochenverlust, der in der erneuten Versorgung der Patienten rekonstruiert werden muss. Neben der Wiederherstellung des knöchernen Lagers und des Rotationszentrums ist als wesentliches Ziel der Revision die primär stabile Verankerung zu nennen, die sich anhand der Relativbewegungen zwischen Hüftpfanne und Pfannengrundlager beurteilen lässt. Überschreiten diese einen Grenzwert von etwa 150 [my]m, kann eine erfolgreiche Osseointegration verhindert werden und es kommt im weiteren Verlauf zu einer Lockerung des Implantats. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss eines acetabulären Defekts auf die Primärstabilität einer Pressfit-Hüftpfanne in einem Acetabulummodell zu untersuchen. In einem weiteren Schritt galt es herauszufinden, inwieweit diese Primärstabilität durch das Auffüllen des Defekts mit synthetischem Knochenersatzmaterial verbessert werden kann. Hierzu wurden die Relativbewegungen, die während einer zyklischen Belastung zwischen Pfanne und Pfannengrundlager auftraten, von drei verschiedenen Messreihen mit Hilfe eines optischen Messsystems bestimmt und miteinander verglichen. Messreihe I stellt eine Primärversorgung ohne Knochendefekt dar (Nativmodell). In Messreihe II liegt ein acetabulärer Defekt vor und in Messreihe III wird derselbe Defekt mit synthetischem Knochenersatzmaterial aufgefüllt. Durch die Versuche konnte nachgewiesen werden, dass die Nativmodelle die geringsten Relativbewegungen aufweisen und die Defektmodelle ohne Knochenersatzmaterial sehr viel größere Relativbewegungen zeigen (2,7-mal so große reversible Bewegungen und eine 11,8-mal so große Migration bei 1800 N). Durch den Einsatz von Knochenersatzmaterial kann die Primärsituation, so wie sie von den Nativmodellen dargestellt wird, zwar nicht vollständig wiederhergestellt werden (1,4-mal so große reversible Bewegungen und eine 3,4-mal so große Migration bei 1800 N), jedoch lassen sich die Relativbewegungen im Vergleich zum Defektmodell ohne Knochenersatzmaterial stark reduzieren.
Charakterisierung der Eigenschaften einer einstellbaren, nachgiebigen Lagerung. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Nahezu alle Säugetiere nutzen Tasthaare um sich in ihrem Lebensraum zu orientieren. Diese ermöglichen es ihnen beispielsweise, Kontaktkräfte und Schwingungen wahrzunehmen. Hierbei heben sich die Sinushaare hervor, da sie einen Follikel-Sinus-Komplex (FSC) besitzen, welcher ein komplexes Sensorsystem darstellt. Aktuelle wissenschaftliche Hypothesen zur Funktionalität dieses Komplexes zielen darauf ab, den Komplex als hydromechanisches bzw. viskoelastisches Lager zu betrachten. Im Fachgebiet Biomechatronik wurde dazu ein Demonstrator entwickelt, welcher auf makroskopischer Ebene die mechanischen Eigenschaften des FSCs wiederspiegelt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es nun, zu validieren, ob das Modell seinem biologischen Ursprung gerecht wird und erfolgreich veranschaulicht, wie sich die Nachgiebigkeit im System parametrisch ändern lässt. Die Nachgiebigkeit kann über den Abstand zweier Riemenscheiben zueinander variiert werden. Die Riemenscheibe, an der exemplarisch ein Stab als Verkörperung des Tasthaares angebracht ist, ist drehbar gelagert, wohingegen die andere fest steht, jedoch auf einem Schlitten durch eine schrittmotorgetriebene Spindel linear zugestellt werden kann. Die Nachgiebigkeit des Modells beruht auf Druckfedern, die zwei symmetrisch angeordnete, linear geführte Rollenstößel gegen den Riemen pressen und damit spannen. Je nach Auslenkung des Stabes weichen die Rollenstößel gegen den Federdruck aus. Dazu wurde ein geeignetes Messprinzip entworfen, welches den Hall-Effekt nutzt. Mit Hilfe des Hall-Sensors kann der Auslenkungswinkel des Sinushaarmodells erfasst und ausgewertet werden. Um die mechanischen Eigenschaften des Demonstrators zu charakterisieren, wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Begonnen mit der Validierung des ausgewählten Messprinzips, bis hin zur finalen Validierung des Demonstrators. Für die Erhebung der Messdaten wurde in der Softwareumgebung MATLAB (MathWorks®, Natick, Massachusetts, U.S.A.) ein GUI (engl. Graphical User Interface) entwickelt, welches dem Nutzer ermöglicht, während des Messprozesses Graphen zu erstellen und alle erhobenen Daten zu archivieren.
Einfluss der Gestaltung des Einschlaginstrumentes auf die bei der minimal-invasiven Hüftgelenkimplantation wirkenden Kraftgrößen. - Ilmenau. - 105 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die Etablierung minimal-invasiver Operationsverfahren in der Ersatzchirurgie des Hüftgelenks bedingt die Notwendigkeit einer Veränderung der verwendeten Instrumentarien. So werden Handgriffe, die das Einschlagen der Raspatorien (technisch: Raspeln) zur Präparation des Schaftlagers im Femur ermöglichen, mit Kurvaturen versehen, durch welche die Weichteile umgangen werden und eine Implantation auch durch einen verkleinerten Zugang erfolgen kann. Die Linie der Kraftwirkung, die sich bei einem Schlag auf der Schlagfläche des Handgriffs ergibt, gewinnt auf Grund dieser Geometrieänderung einen vergrößerten Hebelarm gegenüber der angestrebten Einschlagrichtung des Implantates in die Markhöhle. Es entsteht ein Versatz, welcher bisher nicht einschätzbare Querkräfte und Momente über die Raspel auf das Femur überträgt. Im Rahmen dieser Arbeit sollten diese Querkräfte und Momente ermittelt, der aus ihnen resultierende Schaden am Schaftlager untersucht und Aussagen über die Möglichkeit des Operateurs, die entstandenen Kraft- und Momentkomponenten durch seine Schlagtechnik auszugleichen, getroffen werden. Eine Abhängigkeit der wirkenden Kraftgrößen von der Geometrie des Raspelhandgriffs konnte nachgewiesen werden. Der Einfluss auf die Schaftlagerqualität ist trotz dessen gering. Es ergibt sich jedoch das Risiko einer Fehlpositionierung des Implantats durch die Lateralverlagerung des Ortes und der Richtung der Schlagkrafteinleitung. Dem Operateur ist es zwar möglich, ausgleichende Kräfte und Momente aufzubringen, deren Ausmaß konnte jedoch nicht klar definiert werden. Diese Feststellungen führen zu der Annahme, dass eine Anpassung der Geometrie der Raspelhandgriffe sinnvoll ist, um die Linie der Krafteinwirkung besser an die Operationsnotwendigkeiten anzupassen, aktuelle Designs aber noch Optimierungspotentiale bieten.
Bestimmung der elastischen Materialeigenschaften des Parodontalen Ligaments. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Der Zahnhalteapparat bestimmt grundlegend die Nahrungsaufnahme vieler Lebewesen. Bei dieser sind oft hohe Kräfte beteiligt. Das parodontale Ligament spielt bei der Funktion des Zahnes eine tragende Rolle. Nach aktuellem Stand der Wissenschaft und Forschung schützt es den Zahn und hilft bei der Verteilung der wirkenden Kräfte, jedoch sind bezüglich dieses Gewebes noch viele Fragen offen. In dieser Bachelorarbeit wird ein Beitrag zur Untersuchung des parodontalen Ligaments geliefert. Mittelpunkt der Arbeit ist die Entwicklung und Testung einer Methode mit der die elastischen Materialeigenschaften des parodontalen Ligaments ermittelt werden können. Hierbei wird auf den aktuellen Stand der Wissenschaft und Forschung hinsichtlich der Bewegung des Zahnes, der Struktur des parodontalen Ligaments und den Vergleich von mechanischen Testmethoden eingegangen. In der Arbeit wird ein einachsiger Zugversuch durchgeführt und das Verhalten des parodontalen Ligaments auf Zug untersucht. Die Testung der Methode wird mit Material von Ratten durchgeführt. Die Arbeit erfolgt am Fachgebiet Biomechatronik der Technischen Universität Ilmenau in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig und dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm-Potsdam.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Allein im Jahr 2016 wurden in Deutschland 122 961 Erstimplantationen und 14 334 Folgeoperationen an der Hüfte durchgeführt. Betrachtet man die Entwicklung in den vorangegangenen Jahren ist ein stetiger Anstieg zu beobachten. Das Ergebnis einer Explantation von Hüftgelenkendoprothesen ist von der Erfahrung des durchführenden Chirurgen abhängig. Dabei gibt es eine Vielzahl an individuellen Vorgehensweisen, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Es wurde die Hypothese verfolgt, dass eine Identifikation der auftretenden Schlagmuster zu besseren Ergebnissen in der allgemeinen Chirurgie beitragen wird. Anhand der Aufnahme eines Schlagmusters soll die Möglichkeit geschaffen werden, unerfahrenen Chirurgen außerhalb des Operationssaals zu erlauben, individuelle Vorgehensweisen eines erfahrenen Chirurgen zu erlernen. Ziel dieser Bachelorarbeit war es, mithilfe des von Michael Ehrhardt konstruierten Messaufbaus, die von Phillip Wagner entwickelnde Software zu optimieren und die Inbetriebnahme zu dokumentieren. Dieses Auswertinstrument wurde hinsichtlich der Softwarewahl, Datenaufbereitung, Dokumentation, Darstellung und Auswertungsgeschwindigkeit verbessert. Dabei wurden neue Anforderungen definiert, die Nutzerinformationen an den Nutzungskontext angepasst, sowie eine neue Darstellung der Messwerte in Form einer virtuellen Umgebung ermöglicht. Des Weiteren wurde die Möglichkeit geschaffen, CAD-Konstruktionen zu importieren und die Funktion abgespielte Schlagmuster zu pausieren. Die Realisierung einer weichen Echtzeitanforderung wurde entwickelt und implementiert. Für die Inbetriebnahme des gesamten Setups wurde eine Anleitung entworfen und daraufhin die Auswertungsgeschwindigkeit mithilfe von Videoaufzeichnungen evaluiert. Durch die Optimierungen wurden bessere Voraussetzungen zum Erlernen der Schlagmuster und zur Optimierung der Explantation von Hüftgelenkendoprothesen geschaffen, um schließlich den steigenden Anforderungen der Prozessoptimierung in der Anwendung gerecht zu werden.
Erarbeitung einer Konzeption für ein Mensch-Roboter-Kollaborationssystem in einer Sensorikfertigung. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
In der Fabrik der Zukunft sollen Roboter und Menschen enger zusammenarbeiten. Im Rahmen des Forschungsfeldes "Industrie 4.0" hat sich eine neue Generation von Robotern entwickelt: Die kollaborierenden Roboter. Diese schutzzaunlosen Robotersysteme bieten aufgrund sensorischer Ausstattung eine sichere Interaktion mit Menschen und ermöglichen dadurch viele innovative Lösungsansätze für die Herausforderungen des modernen Produktionsumfeldes. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeptionierung eines Mensch-Roboter-Kollaborationssystems für eine Handhabungsaufgabe in einer Sensorikfertigung. Nach der Präzisierung der Aufgabenstellung wird zunächst auf die Grundlagen des Themas eingegangen und der Stand der Forschung und Technik erfasst. Hinsichtlich der Sensorikfertigung wird der Handhabungsteilschritt analysiert und bewertet. Nach der Analyse werden nach einem Syntheseprinzip unterschiedliche Lösungsvarianten systematisch konzipiert und schließlich mit Hilfe einer Nutzwertanalyse bewertet. Dabei steht die Sicherheit des Mitarbeiters im Vordergrund. Als Ergebnis steht ein ausgearbeitetes Verwendungsszenario wodurch eine ergonomische und flexible Ausrichtung der Produktion ermöglicht wird
Relativkinematik einer Analyseeinheit zur Beurteilung des Leitmerkmals Körperhaltung beim Ziehen und Schieben. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems sind die häufigste Ursache arbeitsbedingter Erkrankungen. Die "Leitmerkmalmethode Ziehen, Schieben" ermittelt das gesundheitliche Risiko des Arbeitnehmers, bei der Lastenhandhabung Ziehen und Schieben. Die Tiefenkamera Microsoft® Kinect® V2 soll die Körperhaltungsbeurteilung nach "Leitmerkmalmethode Ziehen, Schieben" unterstützen. Das Ziehen und Schieben sind dynamische Prozesse, sodass eine Positionskorrektur der Analyseeinheit notwendig ist. Die Arbeit befasst sich mit der optimalen Positionierung der Microsoft® Kinect® V2 zum Bezugssystem Mensch beim Ziehen und Schieben. Diese wird anhand eines Probandenversuches mit 15 Probanden ermittelt. Die Datenauswertung erfolgt mittels Scilab®. Anschließend werden, zur Bestimmung der Relativbewegung der Analyseeinheit, Berechnungsgrundlagen formuliert.
Entwurf eines 6DOF-Kraftsensors zur Erfassung von mechanischen Reaktionen bei der Explantation von Hüftgelenk-Endoprothesen (Setup in vitro). - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Das Ersetzen eines Hüftgelenks mit einer künstlichen Endoprothese ist einer der häufigsten orthopädischen Eingriffe. In Deutschland alleine wurden 2016 über 120.000 Neuimplantationen an der Hüfte registriert. Üblicherweise müssen nach 10 bis 20 Jahren die Prothesen oder Teile davon auf Grund von Abnutzungserscheinungen ersetzt werden. Diese Austauschoperationen, auch Revisionen genannt, sind oftmals individuell auf den Patienten zugeschnitten. Grund dafür sind die unterschiedlichen Arten von Prothesen und der Gewebezustand des Knochens, in dem sich die Prothese befindet. Deshalb müssen die ausführenden Chirurgen ein großes Maß an praktischer Erfahrung besitzen. Es wird angenommen, dass bestimmte, sich wiederholende Schlagmuster während des Eingriffs im besonderen Maße dazu beitragen, dass sich der Prothesenschaft einfach aus dem Knochen löst. Um diese Muster erkennen zu können, müssen Informationen über die, während der Operation wirkenden, Kräfte und Momente gesammelt werden. Für diese Aufgabe wurde von Herrn Erhardt ein spezieller Messaufbau entwickelt. Ziel ist es, diese Schlagmuster zu erkennen und in Zukunft mechanisch reproduzieren zu können, um die Ärzte bei Austauschoperationen zu unterstützen. Der Aufbau kann ebenfalls genutzt werden um jungen Chirurgen die notwendigen Techniken für eine solche Operation beizubringen. Dazu können die Kräfte und Momente am Testobjekt aufgenommen werden. Anschließend können diese Daten mit dem Vorgehen eines erfahrenen Chirurgen verglichen werden. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll ein 6DOF-Kraftsensor entworfen werden, der als Alternative zur aktuell genutzten Kraftmessplatte verwendet werden kann. Der Sensor soll Kräfte und Momente in drei senkrecht zueinander stehenden Achsen aufnehmen können. Zunächst wurde in dieser Arbeit der aktuelle Aufbau der Messvorrichtung erklärt und unterschiedliche elektrische Kraftmessprinzipe vorgestellt. Anschließend wurden Konzepte für den Aufbau eines 6DOF-Sensors entwickelt und miteinander verglichen. Das am besten geeignetste dieser Prinzipe wurde ausgewählt und darauf aufbauend der Sensor konstruiert. Abschließend wurde ein Demonstrator Modell aufgebaut, anhand dessen die Funktionalität der Konstruktion getestet werden kann.