Entwurf und Programmierung der Ansteuersoftware zur Informationsvermittlung über die Fußsohle auf einem Vibro-Prüfstand mit Ablage der Vibrationsmuster in einer Datenbank. - 132 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
In der Arbeit werden der Entwurf und die Programmierung einer Ansteuersoftware mit Datenbank für einen Vibrationsteststand beschrieben. Im Rahmen des Forschungsprojektes Bundschuh der Fachgebiete Biomechatronik und Systemanalyse wurde hierfür ein Teststand entwickelt. Die Ansteuersoftware besteht aus den drei Komponenten Mikrocontroller, Benutzeroberfläche und der Datenbank. Zu Beginn der Arbeit werden verschiedene Prozess- und Datenbankmodelle sowie Entwurfsmuster für Benutzeroberflächen vorgestellt, welche im späteren Verlauf für den Entwurf verwendet werden sollen. Weiterhin werden unterschiedliche Schätzverfahren für die Anforderungen beschrieben. Danach folgt das Lastenheft, welches die Funktionen des Systems aus Auftraggeber-Sicht beschreibt. Ausgehend von diesem Dokument werden eine Anforderungsanalyse sowie eine Aufwandsschätzung durchgeführt um zu bestimmen, ob sich die Entwicklung des Systems lohnt. Als Schätzverfahren wird die Function-Point Methode gewählt, da diese, ausgehend von den Systemfunktionen, eine zeitliche Bestimmung durchführt. Nach dem Beweis, dass der Entwurf des Systems, da eine fertige Systemlösung nicht existiert, notwendig ist, muss ein passendes Prozess- und Datenbankmodell ausgewählt werden. Wichtig für die Entscheidung sind die gewünschten Anforderungen. Als Prozessmodell wird das V-Modell gewählt, da es durch seine Testbarkeit garantieren kann, dass die gewünschten Ziele erreicht werden. Als Datenbankmodell wird eine selbstentworfene *.txt-Struktur verwendet. Zudem müssen die Entwicklungsumgebungen festgelegt werden. Als Resultat der vorhergehenden Analysen wird das Pflichtenheft erstellt, welches die Ziele, Funktionen und Randbedingungen des Systems enthält. Es ist die Grundlage für den weiteren Verlauf. Im nächsten Schritt werden der Grobentwurf und anschließend der Feinentwurf des Systems vorgenommen. Hierbei wird das System von den hohen zu den tiefen Abstraktionsstufen hin entworfen, bevor es implementiert wird. Nachdem die Implementierung abgeschlossen ist, folgt die Überprüfung der Funktionalitäten. Diese findet ebenfalls in allen Abstraktionsstufen statt. Ausgehend von den Testergebnissen kann daraufhin ein Fazit gezogen werden, ob alle gewünschten Ziele erreicht wurden. Neben den Testergebnissen muss auch überprüft werden, ob die Aufwandsschätzung korrekt und die Anforderungsanalyse fehlerhaft war.
Kinematik der räumlichen Führung carpaler Vibrissen. - 70 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Trajektorien der Vorderextremität von Rattus norvegicus bei der ungestörten Lokomotion ermittelt mit dem Ziel, diese für eine mechanische Führung zu verwenden. Ein abgetrenntes Rattenbein soll dabei mit einem sogenannten Pedipulator auf den analysierten Bewegungsbahnen geführt werden, um weiterführende Untersuchungen der carpalen Tasthaare am Handgelenk der Ratte mit Hilfe von Nahaufnahmen zu ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Laufbewegung von Rattus norvegicus zu analysieren und eine natürliche Bewegungsbahn der einzelnen Gelenkpunkte zu ermitteln, damit diese für die Führung der Vordergliedmaße mit dem Pedipulator verwendet werden können. Durch diese Analyse soll festgestellt werden, wie eine mögliche Einspannung des Beines in den Pedipulator aussehen und welche Regionen der Extremität für die Pedipulation verwendet werden können. Für die technische Nutzung von Vibrissen muss zunächst die biologische Vorlage vollständig erforscht und ihre genaue Funktionsweise verstanden werden. Einen Ausgangspunkt dafür bilden Experimente sowie Bewegungsstudien und mikroskopische Untersuchungen. Die theoretische Grundlage dieser Arbeit ist eine Untersuchung der Knochen der Vorderextremität sowie die verbindenden Gelenke und ihre Freiheitsgrade. Zum besseren Verständnis der Bewegung werden die Muskeln, die bei der Lokomotion eine Rolle spielen, sowie die Definition des Schrittzyklus und seine Einteilung in verschiedene Gangphasen eingehend erläutert. Ebenso werden die Grundlagen der Bewegungsanalyse, beginnend bei den historischen Anfängen bis hin zu den heutigen Verwendungszwecken und Methoden der Bewegungsanalyse beschrieben. Dabei wird auf die Vor- und Nachteile von 2D- und 3D- Bewegungsanalysen eingegangen und der Stand der Technik bei Arbeiten mit ähnlicher Zielstellung dargelegt. Im Hauptteil wird nach einer Gegenüberstellung verschiedener für diese Analyse in Frage kommenden Softwaretools die Entscheidung für das verwendete Analyseprogramm SkillSpector begründet. Für die Analyse werden vom Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena zur Verfügung gestellte, dynamische Röntgenaufnahmen verwendet. Fünf geeignete Aufnahmen werden für die Analysen ausgewählt. In den Aufnahmen werden die Anatomical Landmarks Zehenspitze, Handgelenk, Ellenbogen, Schultergelenk und das Ende des Schulterblattes manuell identifiziert und mit dem Mauszeiger markiert. Die Kalibrierung erfolgt mit einem würfelförmigen Kalibrierkörper mit einem Rasterabstand von 1 cm. Zur Minimierung der Fehler werden die Analysen jedes Videos fünf Mal durchgeführt und gemittelt. Die mit SkillSpector erfassten Daten werden mit Microsoft Excel weiterverarbeitet und dabei die Trajektorien einer gemeinsamen Modellbewegung sowie die Öffnungswinkel des Schulter- und des Ellenbogengelenks ermittelt. Aus den Ergebnissen folgen Empfehlungen, an welcher Stelle ein abgetrenntes Rattenbein in einen Pedipulator eingespannt werden kann, sowie ein Vorschlag, wie diese Einspannung aussehen könnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit für die Öffnungswinkel des Schulter- und Ellenbogengelenks sind durchaus mit den Ergebnissen anderer Forschungsgruppen vergleichbar. Die gewonnen Trajektorien der Gelenkpunkte können in einem nachfolgenden Projekt für die Aufprägung der Bewegung mit dem Pedipulator genutzt werden um so die carpalen Tasthaare am Handgelenk der Ratte mit Hilfe von Nahaufnahmen untersuchen zu können.
Herstellung und Charakterisierung von organischen Bauelementen auf flexiblen Trägern für die Anwendung in BioMEMS. - 50 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und Charakterisierung von organischen Bauelementen. Diese sollen auf flexiblen Substraten aufgebracht und schlussendlich in sogenannte BioMEMS (bio micro-electro-mechanical systems) integriert werden. Organische Halbleitereffekte und Bauelemente sind seit einigen Jahren Forschungsfeld vieler Institute und Arbeitsgruppen. Diese Erweiterung der klassischen Halbleitertechnik und die Herstellung der Strukturen auf flexiblen polymeren Trägern erweitert das Anwendungsspektrum erheblich. Feldeffekttransistoren und Leuchtdioden sind die wichtigsten Vertreter der organischen Halbleitertechnologie. Diese Arbeit beschreibt die Eigenschaften und die Realisierung organischer Halbleiterbauelemente auf flexiblen Trägern. Es wird außerdem diskutiert, ob die in dieser Arbeit gefertigten organischen Bauelemente als Sensorelemente für Bio-Mikrosysteme geeignet sind. Diese Möglichkeit wäre eine weitere erhebliche Erweiterung des Forschungsfeldes. Dazu wurden verschiedene Materialkombinationen bzw. Herstellungsvarianten getestet und elektrische Strom- und Spannungsmessungen an den Komponenten durchgeführt.
Biomimetic synthesis of n-doped TiO2 on si templates. - 42 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Biomimetische Mineralisierung ist eine nützliche Methode für die Synthese von modernen Materialien komplexer Form, hierarchischer Organisation und kontrollierter Größe, Form und Modifikation. Sie bietet Zukunftspotential für die Steigerung der Biokompatibilität vom Implantatmaterialien. Bei der biomimetischen Mineralisierung können biologische Moleküle oder synthetische Analoga als Templates verwendet werden, welche die Bildung von anorganischen Oxiden katalysieren. Gegenstand dieser Arbeit ist die Konsolidierung der werkstoffkundlichen Grundlagen solcher erhofften biomedizintechnischen Anwendungen mittels Testung und darauf aufbauende Optimierung eines neuen biomimetischen Synthese-Verfahrens zur Synthese von Titanoxid-basierten Materialien. Mit dem im Folgenden detaillierten Verfahren (s. "Synthese") entstehen Partikel und Oberflächen, deren potentielle Biokompatibilität aus den Ergebnissen des Standes der Wissenschaft und Technik, der Laborerfahrungen und der ausgewählten Prüfverfahren (s. "Analyse") nicht widerlegt werden kann. In den Versuchen werden nanoporöse Si-Nanopillars-Arrays als Träger verwendet, welche in die Lösung von Protamin (PA) und die Lösung eines Titandioxid-Vorläufers (Ti-BALDH) eingetaucht werden. Durch Kapillarwirkung und elektrostatische Anziehung werden positiv geladene Protamine an den Si-Nanosäulen absorbiert, dann werden Hydrolyse und Kondensation von Ti-BALDH induziert, dabei werden die negativ geladenen TiO2 gebildet. Damit wird das schichtweise Abscheiden von Protamin/TiO2-Hybridmaterialien auf der Oberfläche der Si-Nanosäulen ermöglicht. Nach einer anschließenden Calcinierung stehen N-dotierte TiO2/Si-Nanopillar-Arrays mit nanoporöser Struktur zur Verfügung, deren Dicke durch Veränderung der Abscheidungszyklen gesteuert werden kann. Die TiO2-Nanopartikel werden mit Hilfe von XRD, SEM und UV-Vis charakterisiert. In einem Ausblick werden potentielle Anwendungen von TiO2 in der Medizin diskutiert.
Konzeption und Durchführung von Probandentests zur Ermittlung und Überprüfung von Vibrationsmustern zur Informationsvermittlung über die Fußsohle auf einem Vibroprüfstand. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Diese Bachelorarbeit ist Teil des Projektes Bundschuh, welches unter anderem eine Orientierungshilfe für die ältere Bevölkerung und Demenzkranke beinhaltet. Sie soll als Vibrationsmechanismus in die Schuhsohle integriert werden. Ziel der Arbeit war es Vibrationsmuster zu entwickeln, die Informationen codieren. Dies wurde einerseits durch an den Morsecode angelehnte Muster realisiert und andererseits durch logische Navigationsmuster, die z. B. ein Abbiegen nach rechts symbolisieren. Des Weiteren wurden fünf Hypothesen aufgestellt, die mittels entwickelter Sensibilitätstests überprüft wurden. Der Teststand für diese Sensibilitätstests wurde in diesem Fall mit vier Unwuchtmotoren bestückt, wobei jeweils eine Motor unter Hallux, Ballen links, Ballen rechts und Ferse platziert war. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass eine räumliche Differenzierung des Hallux und der beiden Motoren unter dem Ballen möglich war. Eime räumliche Differenzierung an der Ferse war nicht möglich. Bei einer Frequenz von 200 Hz war in dieser Testreihe das Sensitivitätsminimum. Die aufgestellten Hypothesen konnten teilweise belegt, teilweise widerlegt werden.
Methoden zum Nachweis der Sterilität von Mikrobauelementen. - 72 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die Sterilisation bzw. Desinfektion ist eine etablierte Methode, um Materialien und Gegenstände weitestgehend von lebenden Mikroorganismen und Viren zu befreien. Um den Erfolg der Sterilisation/ Desinfektion gewährleisten zu können, muss eine Keimzahlreduktion von mindestens 10^6 für hochresistente Mikroorganismen erfolgen. Gegenstand dieser Arbeit ist, eine geeignete Methode zum Nachweis der Sterilität an einem Mikrobauelement zu finden, damit ein Mikro-Zellkultivierungs-system stabil in Betrieb genommen werden kann. Um die Eignung einer Sterilisationsmethode und den Nachweis der Keimfreiheit an einem Mikrobauelement experimentell zu testen, müssen die Dimensions- und Material-parameter beachtet werden, da standardisierte Verfahren nicht uneingeschränkt auf diese übertragbar sind. Voraussetzung für die Planung und Durchführung der Experimente waren die biologischen und medizintechnischen Grundlagen. Dabei stellte sich heraus, dass Bakterien und Viren unterschiedliche Resistenzstufen besitzen. Vor allem Bakteriensporen können nur mit Hilfe von stark dosierten Sterilisationsmitteln abgetötet werden. Auch die Gegenüberstellung der Prüfmethoden zeigte, dass ausschließlich biologische Methoden den direkten Nachweis der Keimfreiheit liefern. Demzufolge wurde nach ausführlicher Planung der experimentellen Untersuchung die Kontamination mit nichtsporenbildenden Bakterien, die Desinfektion mit Alkohol, den Nachweis mit Hilfe eines Nährmediums festgelegt und erfolgreich durchgeführt. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse, dass sich die Desinfektions- und Nachweismethode an einem Mikrobauelement erfolgreich durchführen lässt, ohne diese zu beschädigen.
Optimierung eines Testsystems zur inhalativen Applikation von Wirkstoffen. - 98 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Das COAALA MOUSE-System ist ein präklinisches Testsystem, das in Zusammenarbeit des Helmholtz Zentrum München mit der Activaero GmbH entwickelt wurde. Dieses Inhalationssystem soll das Drug Targeting ermöglichen, also die zielgerichtete Applikation von aerosolisierten Wirkstoffen in spezifische Lungenregionen im Mausmodell. Durch den speziellen Aufbau des Systems können verschiedene Arten von Verneblern angewendet werden. Dieser Prototyp muss jedoch zunächst aus Tierschutz- und Kostengründen mittels einer passenden in vitro-Methode optimiert werden, um später die Anwendung für in vivo-Wirkstofftests zu ermöglichen. Zur Optimierung des COAALA MOUSE-Systems wurde im Rahmen dieser Arbeit eine in vitro-Methode entwickelt. Diese wurde zunächst in experimentellen Untersuchungen an einem bereits opti-mierten kommerziellen Inhalationssystem, dem FLEXIVENT-System (Scireq, Kanada), getestet und lieferte vielversprechende Ergebnisse. Durch die in vitro-Methode konnte die vollständige inhalierbare Dosis gesammelt werden, sodass anschließend daraus die Applikationseffizienz des Inhalationssystems FLEXIVENT bestimmt werden konnte. Anschließend daran wurde diese in vitro-Methode zur Optimierung des COAALA MOUSE-Systems verwendet. Die dazu durchgeführten Experimente lieferten jedoch keine Ergebnisse, die auf die Applikationseffizienz des COAALA MOUSE-Systems schließen ließen. Der Wirkstoff verdunstete fast vollständig in diesem Testsystem, sodass mit der hier verwendeten in vitro-Methode nur der gasförmige Wasseranteil des Wirkstoffs anstatt Aerosol gemessen wurde. In die Lunge des Versuchstiers würde somit in späteren in vivo-Versuchen kein flüssiges sondern lediglich trockenes Aerosol appliziert werden. Es zeigte sich, dass sowohl die in vitro-Methode als auch das präklinische Testsystem COAALA MOUSE weiterhin optimiert werden müssen.
Etablierung von biogel-basierten, dreidimensionalen Zellkulturen in Scaffolds. - 90 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
In den letzten Jahrzehnten hat sich das Tissue Engineering weiterentwickelt, um eine große Anzahl von Geweben und Organen rekonstruieren und reparieren zu können. Diese Arbeit beschäftigt sich damit, Scaffolds mit Hilfe von Hydrogelen einzugelieren. Scaffolds bieten Zellen ein Gerüst für den Aufbau einer 3D-Matrix. Ein vielversprechender Ansatz ist, Zellen in Hydrogele einzubetten und dadurch eine Matrix ananlog zur nativen 3D-Umgebung zu schaffen. Ein Nachteil der Einbettung von Zellen in Hydrogelen besteht darin, dass der Stofftransport innerhalb der Gele gehemmt wird und es dadurch zu einer Unterversorgung der eingelierten Zellen mit Nährstoffen kommt. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollte die Eignung verschiedener Gele für die Etablierung einer stabilen 3D-Zellkultur getestet werden. Zum Einsatz kamen dabei auf Alginat, Kollagen und Gelatine basierende Biogel-Systeme. Zusammenfassend können folgende Ergebnisse der Arbeit extrahiert werden: 1. Zellen konnten mit Hydrogelen in Scaffolds eingeliert werden. Es wurde eine geeignete Besiedlungsmethode entwickelt, um die Scaffolds mit unterschiedlichen Zell/Hydrogel-Systemen zu besiedeln. Mit der Rasterelektronenmikroskopie und der Konfokalen-Laser-Scanning-Mikroskopie konnte eine Aussage über die Verteilung des Hydrogels auf und in dem Scaffold getroffen werden. 2. Ein positiver Einfluss auf die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen konnte bei einer dynamischen Kultivierung der Scaffolds festgestellt werden. 3. Mit Hilfe der erarbeiteten Methoden war es möglich ein Ranking zwischen den eingesetzten Biogel-Systemen zu treffen.
Entwicklung eines Verfahrens zur mechanischen Testung von biogenen Sehnenersatzmaterialien. - 105 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist die mechanische Testung biogener Sehnenersatzmaterialien, welche aufgrund des häufigen Auftretens von Sehnenverletzungen und den noch verbesserungswürdigen Behandlungsmethoden im Rahmen eines Fachpraktikums an der Medizinischen Hochschule Hannover entwickelt wurden. Im Laufe der Recherchen zeigte sich jedoch, dass die in der heutigen Zeit eingesetzten Prüfverfahren für den Zugversuch an Sehnen - besonders in Bezug auf die Einspannung - noch nicht ausgereift sind. Eine Reihe von immer wiederkehrenden Problemen, wie das Auftreten von Quetschungen und Einkerbungen, das Abgleiten der Proben und die zu erwartende Beeinflussung ihrer Eigenschaften (zum Beispiel durch Kälte), führten dazu, dass ein neues Verfahren zur Befestigung der Testobjekte in der Zugprüfmaschine entwickelt werden musste. Zu diesem Zweck wurde in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Hochschule Hannover ein Anforderungskatalog erstellt. Daran orientiert wurde ein neuer Einspannmechanismus entwickelt, welcher die relativ weichen und dünnen Sehnenkonstrukte auf eine schonendere Art und Weise fixieren soll. Der grundsätzliche Gedanke hinter der Konstruktion war eine gleichmäßige Verteilung der Spannkraft auf eine größere Fläche als es bei den heute verwendeten Einspannklemmen der Fall ist. Umgesetzt wurde dies über einen Silikonhohlzylinder, welcher sich durch eine von außen aufgezwungene Verformung um die in seinem Innenraum platzierte Probe schließt und sie somit fixiert. Dies ermöglicht dementsprechend eine gleichmäßige Verteilung der aufgebrachten Kraft über die gesamte Oberfläche der Sehnenkonstrukte und somit eine punktuell geringere Belastung, wodurch eine schonendere Einspannung realisiert werden kann.
Entwicklung eines Prototyps für ein anatomisches Trainingsmodell der Brustwirbelsäule mit operationsrelevanten Weichstrukuren zur Simulation einer Rückenmarkstimulation. - 50 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Thema dieser Arbeit ist die Konstruktion und Evaluierung eines anatomischen Modells der Brustwirbelsäule, welches eine wirtschaftlichere Alternative zu Leichenpräperaten darstellt. Dafür werden medizinische Bilddaten individueller Anatomie genutzt und für die genutzten Fertigungs-Verfahren aufbereitet. Die stufenweise Entwicklung und Erprobung des Systems erfolgt durch Unterstützung von Medizinern. Für die Fertigung der Prototypen wurden geeignete Werkstoffe und Fertigungsverfahren ermittelt und angewandt.