Team Coconut Cowboys

Die Blockwoche MedTech-DIY ist eine Intensivwoche der Hochschule Luzern Technik & Architektur, welche einen hohen Fokus darauf liegt, Studenten Medizintechnik durch kleinere Experimente näher zu bringen. Mithilfe von verschiedenen Inputs der Dozenten und ehemaligen Teilnehmer des Moduls werden verschiedene Hinweise zu Tools und Applikationen gegeben, welche die Studierenden unterstützen sollen, ein grundlegendes Verständnis für die Technik zu erarbeiten.

Das Modul basiert auf dem Prinzip "DIY" was so viel wie "Do" + "It" + "Yourself" bedeutet. "DIY" bezieht sich auf die Praxis, Dinge eigenständig und ohne professionelle Hilfe herzustellen, zu reparieren oder zu verbessern. Der DIY-Ansatz betont die Selbstständigkeit und Kreativität der Personen.

Organisatorisches

Team Introduction

• 

  Marcel Bossard Medizintechnik
  Automatiker EFZ

• 

  Alexander Hein Wirtschaftsingenieur
  Gymnasium

• 

  Maxim Häussler Medizintechnik
  Gymnasium

Standort & Wochenplan

Montag, 12. Februar - Samstag 17. Februar 2024

Täglich von 9:00 - 12:00 Uhr und 13:00 - 16:30 Uhr

Dienstag bis 19:00 Uhr

Samstag 10:00 - 13:00 Uhr

Workspace

Das Arbeiten unterscheidet sich im FabLab drastisch von der gewöhnlichen Studienatmosphäre. Die lebhafte Umgebung mit allen Teams auf engem Raum sorgt für eine motivierende Stimmung und fördert den Innovationsgehalt. Ausserdem ist der schnelle Austausch mit anderen Teams und den Coaches rasch möglich, um Unklarheiten direkt zu beheben und um neue Lösungsansätze zu validieren. Allerdings kann die Konzentrationsfähigkeit unter der lauten und hektischen Umgebung leiden. Für solche Fälle steht der Raum E202 zur Verfügung, in dem eine ruhige Arbeitsatmosphäre herrscht. Dieser wird ebenfalls für theoretische Inputs genutzt.

Einleitung

Vom 12.02.2024 bis am 17.02.2024, wurde die Blockwoche Medizintechnik durchgeführt. Dafür arbeiten Studenten aus dem Bereich Wirtschaftsingenieurwesen, Medizintechnik und Maschinenbauwesen zusammen. Ein wichtiges Merkmal der Blockwoche ist ebenfalls das «Open Source». Damit soll sichergestellt werden, dass Informationen von überall und für jeden zugänglich sind. Mit diesen Ansätzen ist das Erstellen von Prototypen in kurzer Zeit möglich. In diesem Kapitel ist die Einleitung in das Modul „MedTechDIY“ erläutert. Der erste Tag der Blockwoche steht hier vor allem im Fokus.

Modulziel

In unserer Gruppenarbeit betrachten wir ein Modul, das Medizintechnik mit Do-It-Yourself (DIY) Ansätzen kombiniert, um Studierenden praktische Erfahrungen und ein tiefgreifendes Verständnis für elektrophysiologische Messgeräte wie EMG, EKG, EOG und EEG zu vermitteln. Durch die Arbeit in Teams entwickeln und testen wir innovative Projekte unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden. Dieser Ansatz fördert interdisziplinäres Lernen und vereint Technik, Design, Kunst und Wissenschaft, wodurch wichtige Fähigkeiten wie Teamarbeit, Problemlösung und kreatives Denken gestärkt werden. Wir nutzen fortschrittliche Technologien wie den ESP32-Mikrocontroller, erforschen Open-Source-Prinzipien und die DIY-Kultur, um eigene Lösungen zu entwickeln. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Dokumentation und Präsentation unserer Ergebnisse, was für wissenschaftlichen Austausch und berufliche Praxis essentiell ist. Die Einbindung in eine Community, die den Wissens- und Ressourcenaustausch fördert, erweitert unsere Fähigkeiten und Perspektiven. Dieser Bildungsansatz verändert, wie wir lernen, indem aktives, selbstgesteuertes Lernen mit dem Erwerb von Fachwissen und Schlüsselkompetenzen verbindet wird.

Wiki Nutzung

Allen Teams wurde die Hackteria Seite vorgestellt, welche auf der Software MediaWiki basiert und die Teammitglieder erstellten ihre Logins. Während des Inputs erhielten wir Kenntnisse im Umgang mit MediaWiki. Hierzu gehörten das Erstellen von Titeln, das Einbinden von Verlinkungen, das Hinzufügen von Bildern sowie das Erstellen von Seiten. Diese Fähigkeiten sind für die gesamte Woche relevant, um als Team die Wiki Seite zu bearbeiten und alles zu dokumentieren, was erarbeitet wurde.

Hackteria

Hackteria ist eine Online-Plattform, die Open-Source-Projekte sammelt und der Öffentlichkeit zugänglich macht. Die Ausrichtung von Hackteria liegt auf Projekten im Bereich der biologischen Kunst und wurde 2009 in Madrid von Andy Gracie, Marc Dusseiller und Yashas Shetty ins Leben gerufen. Das vorrangige Ziel von Hackteria besteht darin, Wissenschaftler, Künstler und Hacker dazu zu ermutigen, ihr Wissen zu teilen. Daraus sollen entweder neue Erfindungen geschafft, oder bestehende weiterentwickelt werden.

3D Drucken und LaserCutter

Während des zweiten Tages wurden uns der 3D-Drucker und der Lasercutter vorgestellt, damit diese Verfahren während der Blockwoche anwenden können. 3D-Druck und Lasercutter sind zwei revolutionäre Fertigungstechnologien, die die Art und Weise verändern, wie wir Objekte herstellen. Der 3D-Druck ermöglicht es, dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aufzubauen, indem Materialien wie Kunststoffe, Metalle und sogar Lebensmittel verwendet werden. Dies bietet eine unglaubliche Flexibilität bei der Gestaltung und Herstellung von Prototypen, maßgeschneiderten Produkten und Ersatzteilen. Auf der anderen Seite ermöglicht der Lasercutter das präzise Schneiden und Gravieren verschiedener Materialien wie Holz, Acryl, Leder und Stoff. Mit seiner hochpräzisen Steuerung können komplexe Designs und feine Details mit Leichtigkeit umgesetzt werden. Lasercutter finden Anwendungen in der Herstellung von Schmuck, Schildern, Modellen und sogar bei der Prototypenentwicklung.

Skill Share

Am Mittwochvormittag führten wir die Einführung zur Skill Share Session durch, an der alle Teams beteiligt waren. Jeder Teilnehmende erhielt drei gelbe und drei rote Post-Its. Auf den gelben Notizzetteln sollten die bereits vorhandenen Fähigkeiten notiert werden, während auf den roten vermerkt wurde, welche Kompetenzen man sich während der Blockwoche aneignen möchte. Unsere Gruppe wählte Neurobiologie als das Thema, das wir im Rahmen des Skill Shares der Klasse präsentieren wollten.

Ideensammlung

Skill Share Zeitplan

Präsentation Skill Share

In unserer Präsentation haben wir das menschliche Nervensystem untersucht, indem wir seine Hauptteile wie das zentrale und periphere Nervensystem dargestellt und ihre Funktionen erklärt haben. Weiterhin sind wir auf die Bauweise und Funktion von Nervenzellen eingegangen, einschließlich der Prozesse der Signalübertragung und der elektrischen Aktivitäten, die durch die Aktionspotenzialkurve veranschaulicht wurden. Wir präsentierten dies, um ein tieferes Verständnis der biologischen Vorgänge zu fördern, die lebenswichtige Funktionen in unserem Körper regulieren.

Zuerst wurde eine Übersicht über das menschliche Nervensystem gezeigt, mit Fokus auf die Unterscheidung zwischen dem zentralen Nervensystem und dem peripheren Nervensystem, sowie deren Komponenten und Verbindungen zu den Sinnesorganen, Muskeln und inneren Organen. Ebenfalls wurde eine detaillierte Darstellung des Aufbaus einer Nervenzelle beschrieben. Sie zeigt die verschiedenen Teile des Neurons, einschließlich Zellkörper, Dendriten, Axon, Myelinscheide und synaptische Endknöpfchen, und erklärt deren Funktionen im Prozess der neuronalen Signalübertragung. Der Ablauf eines Aktionspotentials in einer Nervenzelle, eine fundamentale elektrochemische Erscheinung, die für die Weiterleitung von Signalen im Nervensystem essentiell ist, wurde auch beschrieben. Sie zeigt die Phasen der Depolarisation, Repolarisation und Hyperpolarisation und deren Auswirkungen auf das Membranpotenzial, welche eine Elektrische Spannung ist, auf die Nervenzelle.

Laminar Flow Hood

Laminarströmungshauben spielen eine zentrale Rolle in der Kultivierung von Pilzen, da sie für die Einhaltung steriler Bedingungen unerlässlich sind. Diese Geräte sorgen dafür, dass die Luft gleichmäßig und in eine einzige Richtung fließt, was die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Fremdpartikeln und Mikroben in den Arbeitsbereich erheblich reduziert. Für die Filtration der Luft setzen diese Hauben üblicherweise auf HEPA-Filter, die effektiv Partikel und Mikroorganismen abfangen, um so eine kontaminationsfreie Umgebung zu schaffen. In der Pilzzucht sind bestimmte Schritte besonders wichtig, wie zum Beispiel die Sporeninokulation. Dieser Vorgang beinhaltet das Einbringen von Pilzsporen in ein Nährmedium oder direkt auf Agar, um das Wachstum der Pilzkulturen zu starten. Für solche sensiblen Verfahren sind Laminarströmungshauben unverzichtbar, da sie eine saubere und kontrollierte Umgebung sicherstellen. Sie minimieren das Risiko einer Kontamination, was wiederum die Erfolgsrate und die Qualität der Zucht positiv beeinflusst.

Seilbrücken bauen

Der nächste Programmpunkt war ein Workshop, der sich dem Bau von Seilbrücken und den Grundlagen des Knotenbindens widmete. Anfänglich wurden uns wichtige Knoten vorgestellt, die wir dann praktisch an Seilen üben konnten. Diese Einführung in die Knotentechnik ermöglichte es uns, die Theorie direkt in die Praxis umzusetzen und ein grundlegendes Verständnis für deren Anwendung zu entwickeln. Im weiteren Verlauf des Workshops nutzten wir diese Kenntnisse, um in einem praktischen Ansatz zwei Seile zwischen Bäumen zu spannen und so eine einfache Slackline zu konstruieren. Diese Aufgabe bot eine hervorragende Gelegenheit, das Gelernte anzuwenden und gleichzeitig die Bedeutung von Präzision und Teamarbeit zu erfahren.

Spaghetti Turm

Es fand ein kreativer Workshop statt, bei dem die Teilnehmenden mit einfachen Materialien wie Spaghetti, Marshmallows und Klebeband herausgefordert wurden, den höchsten und gleichzeitig stabilen Turm zu konstruieren. Der Workshop begann mit einer Aufgabe, bei der mit einer begrenzten Anzahl von Spaghetti und Marshmallows gearbeitet werden musste. Im Verlauf des Workshops wurden die Bedingungen verändert, indem zusätzliche Materialien bereitgestellt und spezielle Anforderungen gestellt wurden, wie beispielsweise die Platzierung eines Marshmallows an der Spitze des Turms. Ein besonderes Element war die Einführung von Teamarbeit, bei der die Teilnehmenden in kleinen Gruppen zusammenarbeiten mussten, um ihre Türme zu bauen. Es war eine Gelegenheit, Teamarbeit und Problemlösungsfähigkeiten in einer entspannten und spielerischen Umgebung zu fördern.

MedTech DIY Projects

In diesem Kapitel sind alle Hacks und Projekte, die während der Blockwoche erfolgten dokumentiert.

Hack 0

Arduino LED Intro

Ziel war es sich erstmal mit der Hardware des Arduinos und weiteren elektronischen Komponenten vertraut zu machen. Dafür wurde ein einfacher Schaltkreis in Serie (ohne Arduino Sketch) mit einer Leuchtdiode (LED) und einen ohmschen Widerstand. Durch die 5V Speissung und das schliessen des Schaltkreises auf den Ground (GND), leuchtete die Diode erfolgreich.

Aufgabenstellung "Ansteuerung Servomotor"

Ziel ist es eine Ansteuerung eines Servomotors zu realisieren. Der Servomotor soll seine Position über einen Potentiometer erhalten.

Projekthilfestellung

Für dieses Projekt werden folgende Komponenten benötigt:

1. Arduino UNO
2. Breadboard
3. Potentiometer
4. Servomotor
5. Jumpercables

Diese Komponenten werden gemäss nachfolgendem Schema miteinander verbunden:

Hier sieht man den Aufbau welcher benötigt wurde um den Servomotor anzusteuern, dies benötigte eine Verbindung mit dem Servomotor über einen Arduino und einem Potentiometer .Der Arduino steuert den Motor, indem er die Signale von dem Potentiometer liest, welcher dementsprechend die Funktion als Steuerelement aufweist. Der Arduino konvertiert die Spannung, die vom Potentiometer abgegriffen wird, in einen digitalen Wert, um die genaue Position zu bestimmen, in die der Servomotor sich drehen soll. Der Motor bekommt seine Energie von der 5V Versorgung des Arduino, und das Potentiometer verändert die Spannung, die an einem analogen Eingang (A0) des Arduino gelesen wird. Der Servo wird über Pin 9 des Arduino angesteuert. Die gesamte Schaltung ist geerdet durch den GND-Anschluss des Arduino.

Code

Der untenstehende Code realisiert die Ansteuerung.

Bilder/Videos:

Aufgabenstellung “Ansteuerung des Schrittmotors“

Gleich wie ein Servomotor kann auch ein Schrittmotor angesteuert werden. Für die Ansteuerung eines Schrittmotors wird ein Motor Shield benötigt. In unserem Fall haben wir folgende Komponenten eingesetzt:

1. STEP MOTOR 28BYJ-48
2. ULN 2003 Driver Board
3. Arduino Uno
4. Jumpercables

Code

Messen der Lichtsensitivität

In diesem kleinen Projekt verwenden wir einen Arduino, um die Lichtintensität mit einem Fotowiderstand zu erfassen. Der Arduino liest den Widerstandswert über den analogen Eingang A0 aus. Abhängig von der Lichtintensität verändert sich der Widerstand des Fotowiderstands, was zu variierenden Spannungswerten führt. Diese Spannungswerte, die der Arduino von A0 ausliest, werden als "sensorWert" erfasst. Pin A0 wird als Eingang für den Fotowiderstand genutzt, während Pin 10 als Ausgang konfiguriert ist, um eine LED zu steuern. Diese LED agiert als visuelles Signal, das auf Änderungen in der Lichtintensität reagiert, indem sie bei bestimmten Sensorwerten aufleuchtet oder erlischt.

LED Button Control

In diesem kleinen Zwischenprojekt wurde eine LED über das Betätigen eines Buttons gesteuert. Ziel war es die Leuchtdiode zum Leuchten zu bringen, solange der Knopf gedrückt wird.

Steuern eines Displays

In diesem Projekt wurde ein Arduino-Sketch entwickelt, um EKG-Daten in Echtzeit zu erfassen und diese auf einem 128x32 Pixel OLED-Display, das über I2C kommuniziert, zu visualisieren. Der Kern des Projekts ist die Integration eines EKG-Sensors, dessen Signale über einen analogen Eingang (A0) des Arduino gelesen werden. Diese Signale werden dann in digitale Werte umgewandelt, die den Herzschlag darstellen. Zur Visualisierung der EKG-Daten auf dem OLED-Display wurde die Adafruit SSD1306-Bibliothek verwendet. Diese Bibliothek erleichtert das Zeichnen von Grafiken und Texten auf dem Display. Im spezifischen Fall dieses Projekts wurde eine kontinuierliche Linie gezeichnet, die die EKG-Daten in Echtzeit repräsentiert. Die X-Koordinate der Linie bewegt sich mit jeder neuen Messung nach rechts, während die Y-Koordinate basierend auf dem gelesenen EKG-Wert angepasst wird, um die Höhe der Herzschlagwelle auf dem Display darzustellen. Dieses Projekt demonstriert die Fähigkeit, biomedizinische Signale in Echtzeit zu erfassen und darzustellen, was für medizinische Überwachungsanwendungen von Bedeutung sein kann.

Hack 1

Visualisierung des Herzschlags

In unserem Teamprojekt haben wir ein kompaktes EKG-Messsystem entwickelt, das in der Lage ist, Herzsignale zu erfassen und visuell auf einem OLED-Display darzustellen. Unsere Lösung nutzt einen Arduino als Mikrocontroller, um die analogen Signale des EKGs über einen spezifischen Pin zu erfassen. Diese Signale werden dann durch einen digitalen Bandpassfilter verarbeitet, um Rauschen zu reduzieren und die Qualität der Herzsignal-Darstellung zu verbessern. Für die Anzeige der Signale auf dem OLED-Display verwenden wir die Adafruit_GFX und Adafruit_SSD1306 Bibliotheken, welche eine einfache Handhabung des Displays ermöglichen. Ein wesentlicher Teil unseres Projekts ist die Implementierung einer Funktion zur Darstellung des EKG-Graphen auf dem Display. Dabei wird das gefilterte EKG-Signal in Echtzeit als fortlaufende Linie gezeichnet. Zusätzlich haben wir eine Methode integriert, um die Herzfrequenz (BPM) aus den Signalen zu berechnen und diese auf dem Display anzuzeigen. Dieses Projekt kombiniert Hardware- und Softwarekomponenten zu einem funktionellen System welches das Potenzial hat, in Bildungszwecken oder sogar in gesundheitsbezogenen Anwendungen eingesetzt zu werden, um grundlegende Herzfunktionsdaten visuell darzustellen.

Hack 2

Hammer Schlag Spiel

Das Projekt beinhaltet die Entwicklung eines interaktiven Spiels, das mittels eines Arduino betrieben wird und auf der Erkennung von EMG-Signalen (Elektromyografie) sowie auf Joystick-Befehlen basiert. Das System besitzt einen Servomotor zur Steuerung der Richtung des Hammers, sodass dieser an der richtigen Postion zuschlägt, dieser wird hierbei durch die Bewegungen des Joysticks gesteuert. Zudem gibt es noch einen zweiten Servomotor, der zum Zuschlagen des Hammers dient, dieser wird durch EMG-Signale aktiviert, welche Muskelbewegungen erkennen. Der Hammer wird ausgelöst, wenn die EMG-Werte einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. Dabei wurden zudem vier verschiedene Knöpfe installiert, welche dazu dienen den Hammerschlag wahrzunehmen, sodass geschaut werden kann ob der Spieler getroffen hat. LED-Leuchten signalisieren, ob ein Treffer erfolgreich war oder nicht, abhängig davon, ob die Taste gedrückt wurde, wenn der Hammer zuschlägt. Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung dieses Spiels war der Umgang mit unerwartetem Verhalten eines der Servomotoren. Trotz korrekter Programmierung zeigte der Servomotor, der als Hammer diente, teilweise keine Reaktion auf Steuerbefehle oder drehte sich unkontrolliert, ohne dass dies vom Programmcode gefordert war.

Was haben wir gelernt

Im Kapitel "Was haben wir gelernt" unserer Dokumentation fassen wir die wichtigsten Themen zusammen, die für unser Projekt besonders wichtig waren. Wir beschäftigen uns mit der Selbsterstellung medizinischer Geräte, dem Einsatz von Geräten zur Messung elektrischer Signale im Körper, der Anwendung von digitaler Herstellungstechnik, sowie dem Nutzen von Open-Source-Materialien und der Do-it-yourself-Kultur.

DIY-Medizintechnik lehrte uns, medizinische Technologien anzupassen und zu verstehen, wodurch individuelle Lösungen ermöglicht wurden. Zudem gab uns die Entwicklung von Elektrophysiologische Geräte, einen detaillierten Einblick wie genau Medizinische Geräte Funktionieren und Arbeiten. Ausserdem erlangten wir vertiefte Kenntnisse über digitale Fabrikationsprozesse mithilfe von 3D-Druckern oder Lasercuttern. Wir lernten, diese Geräte selbstständig zu bedienen und konnten die hergestellten Objekte direkt in unsere Projekte einbauen. Hinzufügend wurde uns vermittelt, wie man Open-Source zur Projektdokumentation sinnvoll einsetzt, um Wissen mit anderen zu teilen und die allgemein verfügbaren Wissensressourcen zu erweitern.

Zukunftsaussicht

Es wäre auch nach dem Kurs sehr interessant, tiefer in die Steuerung und Programmierung des Arduino einzutauchen. Dies ist ein komplexes Thema, das viele Möglichkeiten eröffnet und andere spannende Projekte mithilfe des Arduinos ermöglicht. Zudem haben wir in dem Kurs gelernt, wie wichtig es ist, neue Technologien nicht nur zu nutzen, sondern auch zu verstehen und weiterzuentwickeln, sodass es auch für die Zukunft spannend wäre, die begonnen Projekte zum funktionieren zu bringen und weiterzuentwickeln. Wir haben zudem gesehen, wie wertvoll es ist, DIY- und Open-Source-Ideen in Schulen und Universitäten zu bringen, um Wissen zugänglicher zu machen und eine Kultur der offenen Forschung zu fördern, daher wäre es in der Zukunft sinnvoll auch diesen Aspekt noch mehr in zukünftige Projekte einzubinden und das erlernte Wissen anderen Interessierten zugänglich zu machen.