Konzipierung einer mechatronischen Lösung zur kontinuierlichen Erregung und synchronen Messung von elektrischen Muskelaktivitäten. - 55 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Der Inhalt dieser Masterarbeit ist die Beschreibung des Entstehungsprozesses, des Aufbaus und der Erprobung einer Schaltung, die eine kontinuierliche Erregung und eine synchrone Messung von elektrischen Muskelaktivtäten ermöglicht. Zunächst wird ein Einstieg in die Thematik gegeben, bei der die grundlegende Funktion der Elektromyographie und die Problematik der zeitgleiche Stimulation erläutert wird. Nachfolgend werden die einzelnen Schritte zur Lösungsfindung erläutert und die verschieden Lösungsansätze in ihren Vor- und Nachteilen beschrieben. Anschließen wird auf die einzelnen Funktionsblöcke der ausgewählten Lösung eingegangen und deren Funktion und Zusammenspiel erklärt. Eine gesonderte Stellung erhalten dabei die Komparatoren und Operationsverstärker, anhand derer das Durchlaufen eines Iterationsprozesses zur Auswahl der geeigneten Komponenten dargestellt wird. Der Einfluss und das Zusammenspiel zwischen diesem Iterationsprozesses und der parallel durchgeführten Simulationen werden anhand der Auslegung eines Signalzweiges exemplarisch beschrieben. Anschließend werden die während der Erprobung vorgenommen Modifikationen und deren Ursache beschrieben. Ein gesondertes Kapitel befasst sich dabei mit der Auslegung von Filtern, die nachträglich verbaut wurden. Im letzten Kapitel wird der aktuelle Stand zusammengefasst und ein Ausblick für weitere Verbesserungen am System gegeben.
Nutzung der Eigenfrequenzen von Endoprothesen und Operationswerkzeugen zur Optimierung der Im- und Explantation von Endoprothesen. - 99 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Eine Endoprothesenentfernung ist notwendig, wenn septische oder aseptische Lockerung auftritt. 2009 wurden 23.000 Hüft- und 11.000 Knieendoprothesen in Deutschland gewechselt. Klassische Methoden, zum Beispiel hämmern, fräsen und meißeln sind nicht schonend zum Knochengewebe und erfordern hohen Kraftaufwand. Um den Entfernungsprozess zu verbessern, wird in dieser Arbeit eine alternative Methode vorgestellt. Es sollen Schwingungen, unter Ausnutzung der Eigenfrequenzen von gelockerter Endoprothese und Operationswerkzeug, angewendet werden, um die Endoprothese zu lösen und zu entfernen. Für die Durchführung von Eigenfrequenzanalysen wurde ein 3D-CAD-Modell einer Endoprothese und eines Operationswerkzeugs erstellt. Um Eigenfrequenzen, Messbereiche und Positionen (Eigenformen der Anordnung) von Sensoren zu bestimmen, wurden verschiedene Randbedingungen simuliert, die verschiedene Lockerungsgrade abbilden. Zur Evaluierung des Modells und der Simulation wurden Vergleichsexperimente durchgeführt. Unter den verschiedenen Randbedingungen wurden Eigenfrequenzen zwischen 29,9 Hz und 1352,5 Hz ermittelt. Die Charakterisierung der Eigenformen zeigten die Positionen von Schwingungsbäuchen und -knoten. Die Simulation der Validierungsanordnung ergab Werte zwischen 70 Hz und 1233,7 Hz. Die Ergebnisse der akustischen Messungen und der Beschleunigungsmessungen lieferten Werte zwischen 50 Hz und 970 Hz. Simulation und Messungen indizieren Eigenfrequenzen in einem vergleichbaren Intervall, weshalb die Simulationsergebnisse gültig sind. Zusammengefasst wurden durch die Eigenfrequenzanalysen Eigenfrequenzen, Sensormessbereiche und Sensorpositionen ermittelt. Für weitere Untersuchungen sollte eine experimentelle Modalanalyse mit entsprechenden Beschleunigungssensoren durchgeführt werden.
Aufbau, Verifizierung und Optimierung eines Reglers zur Steuerung eines proportionalen Beatmungsmodus. - 114 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Der Beatmungsmodus Proportional Pressure Support (PPS) stellt eine unterstützende Beatmungsform dar, bei der die Druckunterstützung proportional zur Atemanstrengung des Patienten erfolgt. Diese Beatmungsform ermöglicht eine Kompensation von Einschränkungen in der Atemmechanik des spontan atmenden Patienten zur Gewährleistung einer adäquaten Ventilation. Aktuell ist PPS in den Seriengeräten der Firma Dräger mit manueller Einstellung der Beatmungsparameter verfügbar; dies erfordert jedoch die genaue Kenntnis der Atemmechanik des Patienten. Weiterentwicklungen verfolgen das Ziel, die Ermittlung der atemmechanischen Funktionsgrößen zu integrieren und die Einstellung der Beatmungsparameter zu automatisieren. In dieser Arbeit wird ein Reglerkonzept (PPS-Controller) vorgestellt, das über die Integration eines Verfahrens zur Abschätzung der Lungenmechanik die Einstellung der Beatmungsparameter automatisiert. Die Umsetzung des Reglerkonzeptes erfolgt in einem Softwareprogramm, das in unterschiedlichen Anwendungssystemen verifiziert wird. Diese umfassen eine Softwaresimulation des Beatmungsprozesses und eine Umsetzung mit Fernsteuerung des Intensivbeatmungsgerätes Dräger Evita XL unter Verwendung eines aktiven Lungensimulators und Tests an freiwilligen Probanden. Die Funktionsfähigkeit des PPS-Controllers wird in verschiedenen Falluntersuchungen erprobt. In den Ergebnissen wird nachgewiesen, dass der PPS-Controller die Aufgabe erfüllt, die erforderliche Druckunterstützung zu gewährleisten und Erhöhungen der atemmechanischen Funktionsgrößen zu kompensieren. Weiterhin zeigt sich eine gute Dynamik des Reglerverhaltens. Ergänzend werden Optimierungsmöglichkeiten erprobt, die vor allem die aktuelle Qualität des Reglerkonzeptes bestätigen. Abschließend werden weiterführende Optimierungsansätze gegeben. Für Weiterentwicklungen im Hinblick auf die Entwöhnung von der Beatmungsunterstützung kann die vorliegende Reglereinheit als Automatisierung des Beatmungsmodus PPS an ein wissensbasiertes System gekoppelt werden, welches einen Weaning-Modus steuert.
Modifikation des Antriebsstrangs des terrestrischen Roboters RolV. - 103 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen und Änderungen am Antriebsstrang des terrestrischen, hexapoden Roboters RoLV. Dazu wird ein Teststand konstruiert und in Betrieb genommen, der es ermöglicht die Bodenreaktionskraft sowie die auf den Motor wirkende Beschleunigung während der Bewegung zu messen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden unter Verwendung eines Simulationsmodells nachgiebige Elemente und Komponenten konstruiert, welche in den Antriebsstrang eingebracht werden können. Ziel ist es den Einfluss dieser neuen Komponenten auf die wirkenden Kräfte und Beschleunigungen durch weitere Messungen zu bewerten sowie eine Empfehlung für zukünftige Änderungen am System Antriebsstrang abgeben zu können.
Erarbeitung eines technischen Design-Konzepts zur Realisierung einer emotionalen Bindung zwischen älteren Menschen und Pflegerobotern anhand ausgewählter Gestikulationen zur Erhöhung der Nutzerakzeptanz. - 73 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die Zielstellung dieser Masterarbeit liegt in der Definition und Entwicklung emotionaler Gesten für einen Serviceroboter zur Unterstützung älterer Menschen in Ihrem gewohnten Umfeld. Mithilfe dieser Gesten soll eine nutzerorientierte Bindung aufgebaut werden, die die Akzeptanzschwelle beim Nutzer herabsenkt. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf weit angelegten Nutzerbefragungen, durch die verschiedene Gesten definiert und evaluiert werden sollen, um eine abschließende Diskussion über eine mögliche Umsetzung emotionaler Gesten in einem mobilen Serviceroboter durchführen zu können.
Drahtlose Energieversorgung mobiler Robotersysteme mittels Hochfrequenztechnik auf Basis des IEEE 802.15.4 Standards. - 118 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Das Erreichen einer Energieautonomie von Robotersystemen erhöht den Lokomotionsspielraum, senkt die Häufigkeit menschlichen Eingreifens und kann somit Betriebskosten reduzieren und die Effizienz steigern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am Robotersystem MaTBot untersucht, inwiefern die zur Kommunikation genutzte Funktechnologie Potential zur Energieübertragung besitzt. Um auf die Weiterverwendbarkeit gängiger Kommunikationstechnik für die Energieübertragung zu schließen, wurde das Signalverhalten von XBee-Funkmodulen untersucht. Dabei wurden relevante Parameter und Sendemethoden hinsichtlich des Energiegehalts des Sendesignals betrachtet. Begrenzt durch die maximale Sendeleistung erreichen diese Module eine übertragbare Energie im Bereich weniger Milliwatt. Sie sind somit für die Energieversorgung von Sensoren geeignet, für Robotersysteme reicht diese Energiemenge jedoch nicht aus. Um die theoretische Umsetzbarkeit des Konzepts zu überprüfen wurden im Nahfeld gekoppelte Strahler betrachtet. Mithilfe dieser Anordnung kann die elektromagnetische Strahlenbelastung bei gleichzeitiger Erhöhung der übertragbaren Energiemenge verringert werden. Anhand von Simulationsdaten wurde nachgewiesen, dass geeignete Strahler genügend Energie übertragen können, um den Energiespeicher des Roboters MaTBot in akzeptabler Zeit drahtlos zu laden. Die Umsetzbarkeit wurde durch die Betrachtung einer Vorentwicklung entlang der Richtlinie VDI 2206 beleuchtet. Es konnte gezeigt werden, dass eine drahtlose Energieübertragung für MaTBot mittels Hochfrequenztechnik in ausreichendem Maße möglich ist, kommerzielle Module nach Standard IEEE 802.15.4 ohne weitere Leistungsverstärkung und Maynahmen der Strahlerkopplung jedoch nicht für diese Anwendung geeignet sind.
Untersuchungen zu altersspezifischen Schadensfällen und Verletzungsrisiken der Hand beim Schließen von Türseitenscheiben im Kraftfahrzeug und Formulierung eines Modells. - 73 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Der Großteil der neuen Kraftfahrzeugmodelle verfügt aktuell über elektrische Fensterhebersysteme, meist auch mit der Funktion des automatischen Schließens. In diesem Fall kommt dem Einklemmschutz eine besondere Bedeutung zu, da die sich schließende Fensterscheibe vor allem für Finger ein erhebliches Verletzungsrisiko im Einklemmfall darstellt. Um solche Situation simulieren und anschließend analysieren zu können, wird zu den existierenden Modellen von Scheibe und Dichtungsprofil auch ein Modell eines Fingers benötigt. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, ein solches Fingermodell alters- und geschlechtsspezifisch unter Beachtung der Anatomie und der Materialeigenschaften der beteiligten Gewebe aufzubauen. Abschließend werden die mit der Simulationssoftware Ansys® Workbench erstellten Modelle in einem einfachen Einklemmfall auf ihre Funktion überprüft, um Verformungen und Vergleichsspannungen des Fingers sichtbar zu machen.
Entwicklung eines Implantatsystems zur Versorgung proximaler Femurfrakturen bei osteoporotischem Knochen. - 130 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die proximale Femurfraktur ist eine bei älteren Menschen häufig auftretende Verletzung. Zur Versorgung dieser Fraktur können je nach Allgemeinzustand des Patienten und Zustand des Gelenkes auf endoprothetische oder osteosynthetische Verfahren angewendet werden. Gerade bei letzteren Verfahren stellt die Osteoporose durch die Minderung der Knochensubstanz eine Herausforderung in der Versorgung dieser Fraktur und verlangt nach speziell ausgelegten Implantaten. Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein Implantatsystem zur osteosynthetischen Frakturversorgung bei osteoporotischem Knochen entwickelt werden. Das Ziel war die Erstellung konstruktiver Entwürfe möglicher Implantate, sowohl zur intra- als auch zur extramedullären Frakturversorgung. Aus verschiedenen Lösungsansätzen konnten durch eine Bewertung mit Hilfe von Kriterien einer vorher erstellten Anforderungsliste geeignete Ansätze gefunden und in Entwürfe in CATIA V5 umgesetzt werden. Nach einer weiteren Bewertung dieser erfolgte die Umsetzung eines Entwurfes in mögliche intra- und extramedulläre Implantate. Daneben konnte der Einfluss der Augmentation durch eine Versuchsreihe ermittelt und eine für dieses System geeignete Variante ermittelt werden. Das Ergebnis dieser Arbeit sind konstruktive Entwürfe möglicher Implantate sowohl zur intra- als auch zur extramedullären Frakturversorgung. Durch die optional anwendbare Augmentationsschraube ist es möglich, gezielt osteoporotische Frakturen zu versorgen. Die Endgültige Zusammenstellung dieses System gilt es im weiteren Entwicklungsprozess zu bestimmen. Darüber hinaus wurde noch das zur gezielten Applikation von Knochenzement nötige Instrumentarium entwickelt
Untersuchung zur Verwendung von Ionomer-Membranen bei ionensensitiven Sonden. - 120 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Das Ionomer Nafion wird kommerziell bereits in vielzähligen Anwendungen eingesetzt, vor allem sehr erfolgreich im Bereich der Brennstoffzellen. In dieser Arbeit wurde eine bis jetzt noch nicht erprobte Anwendung des Nafion untersucht. Es betrifft die Verwendung als vorgeschaltete Membran für die pH-Wertelektrode als eine ionensensitive Sonde. Es wurden geeignete Verfahren zur neutralisierenden Vorbehandlung der Membran gefunden, die in ihrem ursprünglichen sauren Zustand nicht in der pH-Wertmessung angewendet werden kann. Weiterhin wurden in einem eigens entwickelten Messaufbau die Verzögerung der Messung eines vorgegebenen pH-Wertes an der pH-Elektrode durch die vorgeschaltete Nafion-membran wiederholt gemessen. Durch die Versuche konnte gezeigt werden, dass das Ionomer Nafion prinzipiell auch bei der pH-Wertmessung verwendet werden kann. Das Nafion als protonenleitende Membran soll auf diese Weise verhindern, dass bei Langzeit-pH-Wertmessungen in stark heterogenen Lösungen die pH-Glaselektrode vor mechanischen Belastungen und molekularen Verunreinigungen geschützt ist.
Methoden zur Analyse massengeometrischer Parameter der menschlichen Ossikel auf Basis hochauflösender CT-Datensätze. - 118 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Entwicklung einer Messkette zur automatisierten in vivo-Bestimmung massengeometrischer Parameter der menschlichen Ossikel auf Basis hochaufgelöster Computertomographie (CT)-Datensätze. In diesem Zusammenhang wird ein Verfahrensweg erstellt und über eine MATLAB®-Implementierung praktisch realisiert. Die Messkette beinhaltet zunächst die Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Datenakquisition. Da die Ortsauflösung klinischer CT-Geräte für eine in vivo-Datenerhebung zu gering ist, wird auf die ex vivo-Datenerhebung an humanen Felsenbeinpräparaten mittels Mikro-CT-Technik ([my]CT) ausgewichen. In diesem Rahmen werden Aufnahmeparameter für den Erhalt geeigneter Datensätze festgelegt. Es folgt eine Vorstellung möglicher Rekonstruktionsebenen für die erhobenen [my]CT-Daten und die Bestimmung eines für die Weiterverarbeitung der Daten geeigneten Speicherstandards. Anschließend werden die Ossikelstrukturen über Konturierung und Segmentierung aus den rekonstruierten Datensätzen extrahiert und separat weiterverarbeitet. Im Rahmen dessen erfolgt die Erstellung eines Volumendatensatzes für jeden Ossikel. Da dieser Volumendatensatz eine starke Abhängigkeit von der Qualität der Segmentierung aufweist, wird er nicht direkt zur Bestimmung der massengeometrischen Parameter herangezogen. Stattdessen wird die Volumenmodellerstellung über den Umweg einer Oberflächenmodellbildung aus den segmentierten Volumendaten durchgeführt. Das Oberflächenmodell wird im Zuge dessen über Ray Intersection in ein diskretisiertes Volumenmodell gewandelt. Anhand des Volumenmodells werden die Massenmittelpunkte sowie Hauptträgheitsmomente und -achsen für die einzelnen Ossikel ermittelt. Dabei wird eine homogene Dichteverteilung angenommen. Mit der entwickelten Messkette ist eine in vivo-Bestimmung patientenspezifischer massengeometrischer Eigenschaften nicht möglich. Es können demnach auch keine direkten Informationen für ein besseres patientenindividuelles Verständnis der Ossikelkette und einen daran angepassten Prothesenentwurf gewonnen werden. Um dennoch einen klinischen Nutzen der Messkette zu ermöglichen, wird diese um eine teilautomatisierte geometrische Vermessung der Ossikel erweitert. Über die Erweiterung kann mit der Messkette eine statistische Erhebung zur Streubreitenvariation massengeometrischer und geometrischer Parameter auf Basis humaner Felsenbeinpräparate erfolgen. Aufbauend auf den erhaltenen Daten können statistische Modelle der Ossikel erstellt werden. Mit diesen kann wiederum die patientenindividuelle Ausrichtung der Ossikel in der Paukenhöhle festgestellt werden. Im Rahmen dessen müssen die erstellten Modelle über Registrierung in klinisch akquirierten, hochaufgelösten CT-Datensätzen ausgerichtet werden. Basierend auf den so erhaltenen Daten kann in späteren Arbeiten ein Vergleich zwischen Simulation und Messung der Schallübertragung durch das Mittelohr durchgeführt werden. Außerdem können Anhaltspunkte für ein patientenspezifisches Prothesendesign gewonnen werden.