Master- und Diplomarbeiten

In dieser Arbeit wurde aus Erkenntnissen der zugkraftübertragenden Strukturen in der Anatomie des Menschen ein Endverbindungskonzept für textile Seile erarbeitet. Sehnen übertragen vorwiegend Zugkräfte von den Muskeln auf das Skelett. Dabei ist es die Aufgabe ihres Ansatzes, die unterschiedlichen Elastizitätsmodule zwischen Knochen und Sehne anzugleichen. Daher befasst sich ein Teil der Arbeit mit der Erfassung des biomechanischen Verhaltens und des physiologischen Aufbaus des Sehnen-Knochen-Ansatzes. An den Sehnen eines Schweins wurden ein Gefrierbruchversuch und anschließend mikroskopische Untersuchungen vorgenommen. Die Ergebnisse trugen den bereits gewonnenen Kenntnissen über die Physiologie und Mechanik der Sehnenanbindung bei. Die Zusammenhänge aus der Mechanik und den Phänomenen in der Mikrostruktur des Sehnenansatzes wurden in ein Erklärungsmodell überführt. Dies soll als Vorbild für eine konstruktive Entwicklung einer Seilanbindung dienen. Weitere zusätzliche Möglichkeiten für eine derartige bionisch inspirierte Umsetzung wurden im Abschluss genannt.

Die aktuelle Diagnostik von Erkrankungen der Wirbelsäule ist geprägt durch bildgebende Verfahren und manuelle Diagnostik. Aufgrund der Häufigkeit von Erkrankungen der Wirbelsäule sind objektive, kostengünstige und patientenfreundliche Diagnoseverfahren notwendig. Durch die Umsetzung eines Ansatzes zur Diagnostik von funktionellen Erkrankungen der Halswirbelsäule sollen assoziierte Bewegungen provoziert und die entstehenden Bewegungen gemessen und ausgewertet werden. Auf Grundlage von Vorarbeiten, der Analyse der anatomischen Konstellation, der möglichen Bewegung, der aktuellen klinischen Diagnostik und Entwicklungen in der Diagnostik von Erkrankungen der Halswirbelsäule wurde ein Anforderungskatalog bezüglich Verfahren, Messsystem, Provokation und Probanden erarbeitet. Die beste Lösungsmöglichkeit wurde in Form eines Provokationswürfels, mit einer LED-Matrix auf den Innenflächen zur Darstellung eines bewegten Leuchtpunktes, umgesetzt. Die resultierenden Bewegungen des Kopfes gegenüber dem Rumpf, provoziert durch zwölf unterschiedliche Provokationstrajektorien, werden über zwei Inertialsensoren gemessen, um Rückschlüsse auf die Bewegungen in der gesamten Halswirbelsäule zu erhalten. Dieses Verfahren wurde zuerst in einer Machbarkeitsstudie mit elf Probanden objektiv getestet und danach wurden die subjektiven Empfindungen durch einen Fragebogen erfasst. Die Auswertung der Ergebnisse hat gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen gemessener Kopfbewegung und Provokation mit Korrelationskoeffizienten zwischen 0,85 bis 0,99 besteht. Außerdem wurde die Differenz zwischen der gemessenen Bewegung und der Provokation ausgewertet. Hier konnten Mittelwert zwischen -8,75˚ und 1,71˚ sowie Standardabweichungen von 1,48˚ bis 6,10˚ ermittelt werden. Die Güte der Verfolgung war sehr gut, es besteht jedoch Verbesserungspotenzial bei der LED-Verteilung sowie der Anzahl der verwendeten LEDs. Diese neu erarbeitete Provokation war insgesamt sehr gut, reproduzierbar und bildet so die Grundlage für weitere Studien mit größeren Probadenzahlen zur Weiterentwicklung des objektiven, kostengünstigen und patientenfreundlichen Diagnoseverfahrens für funktionelle Erkrankungen der Halswirbelsäule.

In dieser Arbeit wurde die Variabilität der Reflektanz des Mittelohrs über mehrere Messtage überprüft um nachzuweisen, daß vergleichbare Messkurven der Reflektanz erhalten werden. Anschließend sind die gemessenen Daten auf ein elektrisches Ersatzschaltbild des Mittelohrs übertragen worden. Die Reflektanz wurde in einer kleinen Studie mit drei Probanden über fünf aufeinanderfolgende Tage gemessen. Bei der Korrelation zwischen den Messtagen gab es im Gesamtbild keine signifikanten Unterschiede. Ein Vergleich der Messungen am linken und rechten Ohr offenbarte jedoch kleine Unterschiede, die sich nicht in wesentlichen Unterschieden beider Ohren wiederspiegelten. Die gemessenen Reflektanzkurven wurden durch eine numerische Übertragungsfunktion beschrieben. Dafür standen das Pole-Zero-Fitting und die System-Identification-Toolbox aus Matlab zur Verfügung. Das Pole-Zero-Fitting resultiert aus der Anpassung einer rationalen Funktion an den Kurvenverlauf der Reflektanz. Mit steigender Anzahl an Polen verbesserte sich die Anpassung an die gemessenen Daten. Für die mathematische Beschreibung der Reflektanz durch die System-Identification-Toolbox wurde das Zustandsraummodell als bestes Modell gewählt. Die zum elektrischen Ersatzschaltbild passende Ordnung des Zustandsraumes zeigt nicht bei jedem Probanden die besten Ergebnisse. Eine Erhöhung der Ordnung des Modells ging nicht automatisch mit einem verbesserten Ergebnis der Anpassung einher. Eine mathematische Beschreibung des elektrischen Ersatzschaltbildes erfolgte über die Aufstellung einer symbolischen Übertragungsfunktion mit den Elementen der Schaltung. Das modifizierte Knotenpotentialverfahren konnte die Übertragungsfunktion über Knotenspannungen und Ströme aufstellen und zeigte eine umfangreiche und unübersichtliche Übertragungsfunktion. Im Gegensatz dazu erwies sich die Zustandsraumdarstellung als einfachere und schnellere mathematische Beschreibung des Ersatzschaltbildes. Unter Nutzung des Knotenpotentialverfahrens ließen sich auch hier die gesuchten symbolischen Zustandsgleichungen der Schaltung darstellen. In weiterführenden Arbeiten können die Parameter aus den symbolischen und numerischen Übertragungsfunktionen über einen Koeffizientenvergleich ermittelt oder die Schaltung direkt aus den Polen und Nullstellen des Pole-Zero-Fittings synthetisiert werden.

Mobile, selbstständig arbeitende Roboter gehören zu einem der großen Träume der Menschen seit Beginn des letzten Jahrhunderts. Aber erst jetzt, am Beginn des 21. Jahrhunderts, beginnt dieser Traum langsam Realität zu werden. Immer leistungsfähigere und kleinere Roboter beginnen, unseren Alltag zu erobern, aber je großflächiger sie eingesetzt werden, desto wichtiger wird es für sie, miteinander und mit dem Menschen kommunizieren zu können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie die Struktur einer Kommunikationsschnittstelle aussehen kann, welche den Menschen in die Lage versetzt, Roboter an nahezu jedem Ort der Erde steuern und Informationen von diesem erhalten zu können. Dazu wird auf das Internet für die Datenübertragung über weiten Strecken zurückgegriffen, während die Datenübertragung vom Internetzugangspunkt zum Roboter über ZigBee erfolgt. Um die Frage zu klären, ob diese beiden Datenübertragungsprotokolle geeignet sind, einen Teil der Steuerungslogik für die Robotersteuerung auf einen entfernten Computer auszulagern, wird die benötigte Zeit erfasst, bis die Antwort des Roboters auf einen Steuerbefehl beim Benutzer eingetroffen ist.

Motivation: Die Reflexionseigenschaften des Trommelfells sind für Diagnose- und Therapiemöglichkeiten, basierend auf optischen Messverfahren, von großer Bedeutung. So ermöglicht es zum Beispiel die Laser-Doppler-Vibrometrie das Schwingungsverhalten des Trommelfells anhand des Reflexionssignals zu analysieren. Für eine hohe Empfindlichkeit dieses Messverfahrens wird ein großer Reflexionsgrad der zu untersuchenden Struktur gefordert. Um die geeignetsten Wellenlängen, die diese Anforderungen erfüllen, zu finden, ist die Untersuchung des Reflexionsspektrums des Trommelfells notwendig. In dieser Arbeit wurden Grundlagen zur Aufnahme des trommelfellspezifischen Reflexionsspektrums für in vitro Messungen im Spektralbereich von 500 nm bis 1200 nm erarbeitet. Methoden/Material: Der Messaufbau bestand aus einer Halogenlichtquelle, deren Strahlung mittels einer Lichtleitfaser (in Y-Form) auf das Probenmaterial geleitet wurde. Der vom Material reflektierte Lichtanteil wurde über die Lichtleitfaser zum Spektrometer geführt und ausgewertet. Die Aufnahme des Reflexionsspektrums erfolgte für die Materialien Samt (schwarz), Papier und die Schalenhaut eines Hühnereis. Des Weiteren wurde das Spektrum eines getrockneten Trommelfellpräparates zu Orientierungszwecken aufgenommen. Diese Messreihen dienten der Eignungsprüfung des Messaufbaus. Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen für alle Materialien, außer dem Trommelfellpräparat, einen deutlichen Anstieg der Reflexion im nahen Infrarotbereich und mehr oder weniger stark ausgeprägte Reflexionsmaxima vor allem für die Schalenhaut (bei 825, 925, 1012 und 1068 nm) und das Trommelfellpräparat (bei 833, 882 und 1068 nm). Anhand der Orientierungsmessungen am Trommelfellpräparat und den Ergebnissen der Schalenhaut als Modellgewebe sind kleine Reflexionsgrade an feuchten bzw. gefrorenen Trommelfellpräparaten absehbar. Diskussion: Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden die Grundlagen für in vitro Messungen am Trommelfellpräparat erarbeitet. Die Messmethode zur Aufnahme von Reflexionsspektren kann als geeignet eingestuft werden. Künftige Untersuchungen am Trommelfellpräparat sind vor allem im nahen Infrarotbereich sinnvoll, da dort die Reflexionsmaxima erwartet werden. Ausblick: Bevor weitere Analysen folgen können sind noch Optimierungen bezüglich der Lichteinkopplung und der Lichtleiterspezifikation durchzuführen.