APPRIMO - Nachgiebiges mechatronisches System zum Platzieren von biomedizinischen Sensoren

 

Überblick

Abbildung 1: Darstellung des 3D FE (Finite Elemente) - Modells eines nachgiebigen Mechanismus zum Heranführen von Sensoren mittels translatorischer Bewegung ohne (oben) und mit (unten) Innendruck.

Das Heranführen (Annähern bis zum Kontakt) von biomedizinischen Sensoren an den menschlichen Körper stellt ein erhebliches technisches Problem dar, das bisher in der Biomedizintechnik vollkommen unzureichend gelöst ist. Als typisches Beispiel kann die Elektroenzephalographie (EEG) dienen, bei der seit über 70 Jahren und bis heute die Sensoren (Elektroden) manuell angebracht werden. Alle Versuche, technische Mechanismen (Schrauben, Federn, Magnete usw.) zum automatischen Annähern von Elektroden (oder Sensoren im Allgemeinen) zu nutzen, sind fehlgeschlagen.

Hier setzt der bionisch getriebene Ansatz des vorliegenden Projektes an. Basierend auf dem natürlichen Vorbild der Schneckententakel soll ein neues allgemeines Platzierungsverfahren für biomedizinische Sensoren entwickelt werden. Eine erste konkrete Umsetzung des Verfahrens wird für das automatische Heranführen von EEG Elektroden an die Kopfhaut in Form eines funktionsfähigen Demonstrationsmodells realisiert. Die benötigte Flexibilität an der Mensch-Maschine-Schnittstelle wird gezielt durch die Verwendung von nachgiebigen Mechanismen bestehend aus biomedizinischen Silikonen verschiedener Shore Härte erreicht.

Als Ergebnis des Projektes erwarten wir eine neue biologisch inspirierte Basistechnologie für das Platzieren, Halten und Manipulieren von biomedizinischen Sensoren am Menschen, die nachhaltig den Umgang mit Patienten und Probanden in der Klinik und den Grundlagenwissenschaften verbessern wird. Dadurch werden sich vollkommen neue Nutzungsfelder für Sensorapplikationen am Körper ergeben. Darüber hinaus erwarten wir Nutzungsmöglichkeiten in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Robotik sowie Greifertechnik.

Projektstand:

Im Laufe des ersten Projektjahres wurden EEG-Elektroden-Halter nach dem Vorbild der Natur erforscht und entwickelt. Ein erstes Ergebnis dieser Entwicklung ist eine neuartige Elektrodenhaube. Die EEG Haube bietet Platz für über 150 Elektroden im äquidistanten Abstand. Die benötigte Flexibilität an der Mensch-Maschine-Schnittstelle wird gezielt durch eine nachgiebige Gesamtkonstruktion bestehend aus verschiedenen biomedizinischen Silikonen erreicht.

Diese Haube erhielt auf der Internationalen Erfindermesse in Nürnberg im November 2009 eine Goldmedaille:

v.l.n.r. Dipl.-Ing. Stefan Griebel, Dipl.-Ing. Sascha Klee, Dipl.-Ing. Patrick Bessler

Aktuelle Arbeiten:

Die aktuellen Projektarbeiten erweitern die bisherigen Ergebnisse um weitere, komplexe Bewegungen. Auf der Konferenz ACTUATOR 2010 wurde ein neuartiger nachgiebiger Aktuator mit kombinierter translatorischer und rotatorischer Bewegung vorgestellt. Dieses Prinzip ermöglicht z.B. eine günstige Durchdringung der Haarschicht des Kopfes, um einen direkten galvanischen Kontakt zwischen trockenen EEG-Elektroden und der Kopfhaut zu ermöglichen.

Abbildung 2: EEG-Haube mit 150 Andruckmechanismen für druck-gesteuerte translatorische Bewegung.

Video zur nachgiebigen EEG Haube mit fluidmechanischen Aktuatoren

 
   

Thema:
Nachgiebige EEG Haube mit fluidmechanischen Aktuatoren

System:
Nachgiebiges, mechatronisches System zum Platzieren biomedizinischer Sensoren
Anwendung:
• EEG Ableitung in der Forschung und in der klinischen Routine
• neue Anwendungsgebiete des EEGs, wie z. B. Brain-Computer-Interface

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Ansprechpartner:
Dr. S. Griebel

Projektpartner

Förderung

Publikationen & Patente

Publikationen (Fachzeitschriften):

  • Fiedler, P.; Cunha, L. T.; Pedrosa, P.; Brodkorb, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Haueisen, J.: Novel TiNx-based biosignal electrodes for electroencephalography; Measurement Science and Technology, Vol. 22, No.12, Institute of Physics and the Physical Society, United Kingdom, ISSN: 09570233
  • Pedrosa, P.; Alves, E., Barradas, F.N.P.; Fiedler, P.; Haueisen J.; Vaz, F.; Fonseca, C.: TiNx Coated Polycarbonate for Bio-Electrode Applications; Corrosion Science, 2012, Vol. 56, pp. 49-57

Publikationen (Konferenzen):

  • Fiedler, P.; Strohmeier, D.; Griebel, S.; Zanow, F.; Haueisen, J.: A Novel, Inexpensive Electrode and Cap System for Dry Multichannel EEG; 45. DGBMT Jahrestagung (BMT 2011), Freiburg, Germany, 2011
  • Griebel, S.; Fiedler, P.; Klee, S.; Bessler, P.; Zentner, L.; Haueisen, J.: Novel concept for an EEG measurement device with dry electrodes; 45. DGBMT Jahrestagung (BMT 2011), Freiburg, Germany, 2011
  • Fiedler, P.; Griebel, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Zentner, L.; Haueisen, J.: Novel Ti/TiN dry electrodes and Ag/AgCl: A direct comparison in multichannel EEG; European IFMBE MBEC 2011 (EMBEC 2011), Budapest, Hungary, 2011
  • Fiedler, P.; Pedrosa, P.; Griebel, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Zanow, F.; Haueisen, J.: Novel Flexible Dry PU/TiN-Multipin Electrodes: First Application in EEG Measurements; 33rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC '11), Boston, USA, 2011
  • Griebel, S.; Linß, S.; Fiedler, P.; Haueisen, J.; Zentner, L.: Classification, design and application of fluid-driven compliant structures for rotary, translatory and screw motion; Second International Symposium on Compliant Mechanisms (CoMe2011), Delft, The Netherlands, 2011
  • Fiedler, P.; Griebel, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Zanow, F.; Haueisen, J.: Ein integrierter Ansatz neuartiger, trockener Titan-Nitrid-Elektroden für Multikanal-EEG-Anwendungen; 7. Deutsches BioSensor Symposium, Heilbad Heiligenstadt, Germany, 2011
  • Fiedler, P.; Brodkorb, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Zanow, F.; Haueisen, J.: Novel dry biosignal electrodes based on TiN: Influence of electrode number and arrangement on contact impedance and signal quality in EEG measurements; 55th IWK – Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Ilmenau, Germany, 2010
  • Griebel, S.; Fiedler, P.; Streng, A.; Haueisen, J.; Zentner , L.: Neuartiger nachgiebiger Mechanismus zur Platzierung trockener EEG-Elektroden über eine Schraubenbewegung; Proceedings BMT 2010 / Jahrestagung der DGBMT 2010, Rostock; de Gruyter, Berlin, Germany, 2010
  • Fiedler, P.; Brodkorb, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Zanow, F.; Haueisen, J.: Novel TiN-based dry EEG electrodes: Influence of electrode shape and number on contact impedance and signal quality; Proceedings of the 12th Mediterranean Conference on Medical and Biological Engineering and Computing - MEDICON 2010; Chalkidiki, Greece, 2010
  • Cunha, L.T.; Fiedler, P.; Pedrosa, P.; Brodkorb, S.; Fonseca, C.; Vaz, F.; Haueisen, J.: Novel biosignal electrodes based on TiNx: First application in EEG measurements; Proceedings of the 4th International Conference on Sensing Technology - ICST 2010; Lecce, Italy, 2010
  • Griebel, S.; Fiedler, P.; Streng, A.; Haueisen, J.; Zentner, L.: Medical sensor placement with a screw motion; Actuator 10 / International Conference on New Actuators, Bremen; WFB Wirtschaftsförderung Bremen, Division Messe Bremen, Bremen, Germany, 2010, S. 1047-1050

Patentanmeldungen:

  • Griebel, S.; Streng, A.; Zentner, L.: Nachgiebiger Fluidantrieb zur Erzeugung einer komplexen räumlichen Bewegung und dazugehöriges Verfahren. Vom 09.06.2010 unter Aktenzeichen 10 2010 024 056.7
  • Griebel, S., Spillner, R., Bessler, P., Klee, S., Haueisen, J., Zentner, L., Zanow, F.: Vorrichtung und Verfahren zum Positionieren, Halten und Manipulieren von Sensoren auf der Oberfläche eines biologischen Objektes. Vom 01.07.2009 unter Aktenzeichen 10 2009 032 246.9