Team Giraffe

Category:MedTech-DIY



Allgemein
Herzlich willkommen auf der Seite des Teams G. Wir sind ein interdisziplinäres Team, aus dem Departement Medizintechnik. Niedergeschrieben werden die Ereignisse, Ergebnisse und Erkenntnisse des Teams Giraffe vom 12.02.2018 bis 17.02.2018. Diese Seite dient zukünftigen Durchführungen der Blockwoche Medizintechnik DIY.

Dieses Modul verbindet Anwendungen der Medizintechnik mit Do It Yourself (DIY) Ansätzen. Dadurch wird das tiefere Verständnis von medizintechnischen Geräten durch einen direkten, interdisziplinären und möglichst selbstgesteuerten Zugang gefördert. Basierend auf verschiedenen elektrophysiologischen Messmodulen (EMG, EKG, EOG, EEG) entwickeln die Studierenden im Team Ideen für innovative Produkte. Erste Prototypen werden mit den Mitteln der Digitalen Fabrikation hergestellt und getestet.

Team
Muster Hans, Maschinentechnik

Ich wohne in Entenhausen und studiere Vollzeit Maschinentechnik im 5. Semester.

Mister T, Maschinentechnik

Wohnhaft in Narnia und pendle täglich vom schönen Kleiderschrank nach Horw. Ich studiere vollzeit Maschinentechnik im 5. Semester. Vor dem Studium habe ich eine Ausbildung als Konstrukteur.

Tobias Baumgartner, Medizintechnik

Ich komme ursprünglich aus Bichwil im Kanton St. Gallen, bin aber für das Studium an der HSLU nach Emmenbrücke in eine WG gezogen. Ich studiere Medizintechnik vollzeit in Horw und beginne mein 4. Semester. Meine Ausbildung habe ich bei der Huber+Suhner AG begonnen, wo ich die Lehre zum Phyiklaboranten machte.

Projekte


Am Vormittag lernten wir erstmals unsere Kursleiter kennen. In etwas langen Präsentationen stellten Urs Gaudenz und Mark Dusseiller sich und ihren beruflichen Werdegang vor. Am Nachmittag nahmen wir das FabLab in Beschlag, stellten uns in unsere Gruppen auf und richteten unsere Arbeitsplätze ein. Anschließend begannen wir uns bereits an unser erstes Projekt.

Muscle Spiker Shield
Als erstes Projekt wurde allen Teams ein Set von Backyard Brains verteilt. Darin enthalten war die Printplatte für das MUSCLE SPIKER SHIELD, die noch gelötet werden musste. Aus dem Internet konnte eine detaillierte Anleitung zur Herstellung des fertigen Prints heruntergeladen werden. Darin ersichtlich ist das Schaltschema und die Komponentenliste. Bei der Sortierung der Bauteile gab es einige Schwierigkeiten, da ein spezifischer elektrischer Widerstand fehlte und es dafür drei falsche Widerstände hatte. Das Löten selbst war für keine schwierige Aufgabe, da alle schon Erfahrung hatten. Nach ein, zwei Komponenten waren alle wieder eingewärmt und kamen zügig voran. Etwas Glück mussten wir beim Einlöten der LEDs in Anspruch nehmen: Beim ersten LED achteten wir nicht auf die Ausrichtung der Leuchtdiode. Glücklicherweise hatten wir sie korrekt eingebaut.

Experimentieren mit dem Muscle Spiker Shield
Nachdem wir die Printplatte erfolgreich bestückt hatten, befestigten wir zwei Elektroden an einem Unterarm. An diesem können wir die vom Arm eingehenden nervösen Erregungen messen. Eine weitere Elektrode auf dem Handrücken gebrauchten wir als Referenz. Das Muscle Spiker Shield wird auf ein Arduino UNO angebracht, welches den Print mit Strom versorgt und eine Kommunikation mit einem Laptop ermöglicht. Dafür muss ein Arduino-Code auf das Arduino-Board geladen werden. Das Muscle Spiker Shield wird nun mit einem Kabel mit den Elektroden verbunden. Je stärker man nun die Faust ballt, leuchten mehr LEDs auf. Wird die Faust nur leicht zusammengepresst, gehen nur die grünen Lichter an, wird sie fester zusammengepresst, leuchten auch die orangen und sogar die roten LEDs auf.

Servo-Motor ansteuern mit dem Muscle Spiker Shield
Mit dem Muscle Spiker Shield lässt sich auch ein Servo-Motor ansteuern. Dafür wird nochmals eine andere Arduino-Software benötigt. Da der Servo-Motor sehr viel Strom braucht, wird eine separate Energiequelle verwendet. Je nachdem wie stark man die Faust ballt, richtet sich der Servo-Motor in einem bestimmten Winkel aus.

Heart and Brain Spikershield
Am Dienstagvormittag experimentierten wir noch weiter mit der erstellten Printplatte.

Nach erfolgreichem Experimentieren mit der selbst erstellten Printplatte, widmeten wir uns dem anspruchsvolleren Teil. Mit dem Heart and Brain Spikershield Print, welches uns bereits fertig abgegeben wurde. Wir probierten am Morgen verschiedene Dinge mit den beiden Shields aus und lernten so spielerisch die Basics solcher Boards kennen. . Die Idee mit dem Heart and Brain Spikershield Print war es, die Hirnströme zu messen und darzustellen. Mit einem Stirnband welches zwei Elektrodenannschlüsse besitzt und einer zusätzlichen Elektrode am Nacken, versuchten wir diese Ströme zu messen. Dieser Versuch war aber schwieriger als gedacht. Nach mehrmaligem probieren scheiterten wir schlussendlich. Die Signale, welche auf dem PC angezeigt wurden, waren nicht identifizierbar. Nur ein rauschendes eher konstantes Signal war zu erkennen. Die Darstellung der Hirnströme war für alle Teams und auch für uns sehr schwierig. Wir gaben leider recht schnell auf mit diesem Unterfangen, ein paar wenige Teams blieben aber dran und konnten zum Schluss tatsächlich ein schönes Ergebnis vorlegen.

Mögliche Fehlerquellen:

- Die aufgenommenen Hirnströme sind sehr schwach und können schnell von Störungen überlagert werden.

- Schlecht platzierte Elektroden, dass eine Messung nicht möglich war.

Um die Hirnströme schön darstellen zu können, muss man den verwendeten Laptop von der Steckdose abnehmen, das USB-Kabel von Hand erden und anschliessend die Elektroden noch perfekt anlegen. Wir gaben leider recht schnell auf mit diesem Unterfangen, ein paar wenige Teams blieben aber dran und konnten zum Schluss tatsächlich ein schönes Ergebnis vorlegen. Nach dem gescheiterten Versuch, wurde ein der Fokus auf den nächsten Versuch gelegt. Dabei galt es den Puls eines Probanden mit Hilfe des Heart and Brain Spikershield Prints zu messen, dazu wurden Messelektroden an beide Hände angebracht, sodass Messstrecke über das Herz verlief. Das Messsignal wurde durch eine Applikation auf dem Computer angezeigt. Nach einigen Einstellungen wie Tiefpassfilter und Abtastrate konnte der Ruhepuls klar angezeigt werden. Nach ein paar Liegestütze, eine geringe Belastung des Herzes, stieg die Herzfrequenz an. Die Messwerte und das Messsignal erschien uns plausibel, jedoch konnte die Genauigkeit des Heart and Brain Spikershield Prints nicht bestimmt werden, da kein kalibrirtes Vergleichsgerät zur Verfügung stand.

Prototyp 1
Am nächstfolgendem Tag konnten wir uns dem Prototyping widmen und erste Ideen sammeln für ein Projekt. Wir entschieden uns etwas mit einem Neopixel Ring zu entwickeln. Die Realisierung der Logik unserer Idee erfolge über ein Arduino Uno (externer Verweis auf Arduino), da jedoch keiner in unserem Team grossartig Programmiererfahrungen hatte, gestallte sich die als schwiriges Unterfangen. Zunächst musste zur Kopplung von Arduino und Computer die erforderliche Software installiert werden. Danach konnten erste Versuche mit dem Arduino unternommen werden, wie zum Bespiel Ansteuerung einer LED und später von einem LED-Ring. Das gestaltete sich durch bereits vorhandene Library als einfach.

Die Komplikationen sind dann aufgetreten, als es zur Umsetzung eigener Ideen kam, beziehungsweise Verknüpfung von mehreren Funktionen. Die Bespielcodes mussten genaustens studiert werden um einen neuen Code zu erstellen. Uns war es schliesslich möglich mittels Muskelkontration den LED-Ring zum aufleuchten zu bringen.

Anschliessend versuchten wir anstelle des LED-Rings einen Servomotor anzusteuern. Dies war jedoch eine schwierige Aufgabe, da es wieder am Programmieren scheiterte. Als LED und Motor über die selbe Leitung liefen, sprach nur die LED's auf die Muskelkontraktion an. Der Servomotor bewegte sich auf Inputs nur spontan an. Durch Erweiterung des Muscle Spiker Shield konnte der Servomotor über andere Pins des Prints gesteuert werden. Allerdings war ein konstantes pulsierendes Signal auf der Steuerleitung, sodass auch der Servomotor hin und her pulsierte.

Aus unseren ersten Versuchen hatte sich verschiedene mögliche Anwendungen ergeben können. Vorstellbar wäre eine Brust-, Schultermuskulaturgesteuerte Protese mit anzeigbare Greifkraft. Sodass das zugreifende Objekt nicht zerquetscht wird. Einen physischen Prototyp konnte aus programmiertechnisch und zeitlichen Gründen nicht umgesetzt werden.

Prototyp 2
Nach unseren bescheidenen Programmiererfahrungen beschlossen wir, nach etwas Eifacherem zu sehen. An der Prototypenpräsentation aller Gruppen konnten wir einige Ideen sammeln und bemerkten, dass die meisten Gruppen sich auf das Muscle Spike Shield oder etwas ähnliches fokussierten. In einer Gruppendiskussion kamen wir zum Schluss, uns mehr mechanisch mit einem Prototypen zu befassen und dazu auch den Lasercutter oder den 3D-Drucker zu gebrauchen. Wir sammelten einige Ideen, aber es war zu Beginn schwierig etwas zu finden, das nicht auf eine Steuerung oder Sensoren angewiesen ist. Wir schauten die auf dem Tisch ausgelegten Medizinprodukte an und kamen auf die Idee ein Produkt zu entwickeln, das es uns ermöglicht einen gebrauchten Deckverband schnell und einfach wieder aufzurollen. Diese Wickelmaschine soll einfach über einen Potentiometer einen Gleichstrommotor steuern, der eine Wickelrolle antreibt. Inspiration fanden wir auf Youtube, wo ein bereits bestehendes Modell gezeigt wird. Das Gelernte aus den Skill-Share-Session konnten wir nutzen und bereiteten erste CAD-Modelle für den 3D-Druck und Laser vor. Nach einigem Suchen fanden wir auch einen DC-Motor und schlossen diesen an ein Potentiometer an.

Unser Gehäuse für die Wickelmaschine besteht aus vielen kleinen Teilen, die mit dem Lasercutter geschnitten und dann zusammengesetzt werden müssen. Die Erstellung des Modells ist recht zeitintensiv und kurz vor dem Lasern merken wir, dass wir eine falsche Dicke angenommen haben. Diese Anpassungen benötigten wieder einige Zeit, so dass wir erst nach dem Mittag lasern konnten.

Anschließend musste noch die Welle bearbeitet werden, welche den Verband aufdreht. Dazu wurde die Welle auf zwei Seiten angefräst, so dass dort eine kleine Ebene vorhanden ist.

Der Motor ist grundsätzlich ebenfalls funktionstüchtig, allerdings beginnt er erst zu drehen, wenn das Potentiometer etwa 90% aufgedreht ist. Auch ist es recht schwierig, eine angemessene Drehgeschwindigkeit einzustellen. Der Speisungsstrom des DC-Motors schien zu hoch für den Potentiometer zu sein, da teilweise ein Funken im Potiometer entstanden. Dieses Problem wollen wir lösen mit dem Einsetzen eines einfachen Widerstandes parallel zum Motor, der den Gesamtwiderstand etwas verringern soll und der Motor damit weniger Strom erhält.

Reflektion Prototypen
Am letzten Tag dieser produktiven Blockwoche versammeln wir uns alle nochmals, um unsere letzten Prototypen vorzustellen. Alle Ideen treffen auf sehr viel Zustimmung, einige sind nützlich, andere sind vor allem unterhaltend. Auch wenn einige Prototypen noch nicht super ausgereift sind, konnten doch alle Teams die Blockwoche erfolgreich abschliessen. Auch wir sind zufrieden mit unserem Verbandsaufwickler. Elektronisch ist er sicherlich nicht sehr interessant oder ausgefeilt, allerdings hat er einen Nutzen und es hat uns Spass gemacht, diesen Prototypen zusammen zu entwickeln. Da wir zeitlich recht unter Druck standen am Vortag, konnten wir keine sehr ausgereifte Präsentation vorbereiten allerdings hatten wir trotzdem die Lacher und den Applaus auf unserer Seite, als wir unseren Aufwickler 3001 präsentierten und einen Verband innerhalb einer gefühlten Sekunde aufwickelten.

Skill Share - Fotografie
Zum DIY-Gedanken gehört auch das gemeinsame Lehren und Lernen. Deshalb wurde jedes Team verpflichtet eine Skill-Share Session durchzuführen und darin allen Interessierten ein Thema in einer kurzen Lektion näher zu bringen und zu diskutieren. Bei der Zuweisung der Skill-Sessions an die Teams ging sehr viel Zeit verloren und auch die zeitliche Planung nachher war aufwendig. Am Ende des Nachmittags hatten wir aber endlich einen Zeitplan, bereits kurz vor Feierabend wurden die ersten Kurse durchgeführt. Unsere Skill-Share Session über Fotografie wurde erst am Donnerstagnachmittag abgehalten. Somit hatten wir genügend Zeit um uns vorzubereiten und selbst einzulesen.

DIY-MedTech Fotografie - Team Giraffe

Bei diesem Input wird auf die wichtigsten Punkte der Fotografie eingegangen und kurz erklärt: der ISO-Wert, die Verschlusszeit sowie die Schärfentiefe.

Inputs
Von den meisten unserer Mentoren erhielten wir Einsicht in viele kleine und grosse Projekte. Vor allem Urs und Marc haben uns immer wieder zwischendurch eines ihrer abgeschlossenen oder momentanen Projekte gezeigt und damit den "Unterricht" etwas aufgelockert. Wann immer wir Fragen hatten, konnten wir jemanden von unseren 6 Mentoren fragen (allerdings waren nicht alle zu jederzeit da) und erhielten meist auch nützliche Antworten.

Bei Wilhelm Hilger erhielten wir eine super Übersicht über die Anforderungen an ein Medizinprodukt und wie diese reguliert werden. Wie die Medizintechnik-Studenten schon wussten, erweist sich die Regulierung als grosser Stolperstein, da sie eine lückenlose Dokumentation und Überwachung in jeder Lebensphase des Produktes fordert. Gerade im Moment ist der europäische Markt in einem grossen Umbruch, da von einer alten Regulierung (MDD) auf die modernere MDR umgestellt wird. Aus Willis Sicht besteht eine grosse Gefahr, dass Innovation verhindert wird, da vor allem kleinere Firmen extremen Mehraufwand erfahren werden und viele Produkte allgemein wirtschaftlich nicht mehr attraktiv sein werden durch den extrem erhöhten Überwachungsbedarf.

Skill Share Sessions
Bei den Skill Share Sessions 3D-Druck und Lasercutter lernten wir nützliche Maschinen kennen, die im FabLab stehen und die wir selber (nach einer kurzen Einführung) auch benutzen können. Für die Erstellung unserer Prototypen und natürlich auch für die Zukunft ist dieses Wissen sicherlich nützlich. Beide Maschinen sind sehr benutzerfreundlich und liefern schnell gute Ergebnisse ab. Mit steigender Erfahrung können auch die Einstellungen so verbessert werden, dass hergestellte Objekte noch etwas besser aussehen.

Bei der Photoshop Skill Session erhielten wir eine gute Übersicht über einige vorhandene Werkzeuge und wofür sie genutzt werden können. Das Program ist viel zu komplex, um die meisten Funktionen darin nur anzukratzen, allerdings wurden uns nützliche Tipps gegeben, die die zukünftige Nutzung vereinfachen. Für einfachere Aufgaben reichen die Grundwerkzeuge, die auch von Laien schnell gefunden und benutzt werden können.

Beim Arduino programmieren schlussendlich erhielten wir einen grundlegenden Überblick und einen einfachen Einstieg ins Programmieren mit Arduino. Arduino ist open-source basiert und bietet daher schon extrem viele Ideen und Beispiele von einfach bis kompliziert. Mit Arduino ist programmieren leicht und schnell und das am Computer angehängte Board gibt einem nach dem Hochladen sofort eine brauchbare Rückmeldung.

In der Skill Share Session "DIY-MedTech Dumpster Diving - Team Gaudi" wurde zuerst geklärt, was Dumpster Diving bedeutet. Danach wurde über die Bedeutung verschiedener Dumpster Divings und die Gründe für Dumpster Diving diskutiert. Anschliessend konnten wir noch selbst alten Elektro Müll im Keller durchsuchen nach etwas bebrauchbarem. Es fanden sich noch viele spannende und nutzbare Teile, die weiterverwendet oder ausgebaut werden können. Damit erhält man einfach und gratis Teile oder auch neue Ideen. Wir entschieden uns für eine Harddisk. Diese demontierten wir und versuchten den brushless Motor anzusteuern, welches uns schlussendlich gelang. Hier sieht man, das unsere Generation in einer Wegwerfgesellschaft lebt und brauchbare Komponeten aus elektronischen Geräten, die defekt oder veraltet sind, nicht mehr reparieren oder upcyclen.

Readings
Mit Hilfe der DIY-Methode wird nicht nur in professionellen Biologischen Labors geforscht, sondern auch in kleineren Eigenbau-Labors. In diesen DIY-Labors arbeiten Spezialisten und Laien gleichzeitig und können so ihr Wissen austauschen. Es entstanden viele Garagenlabors, in welchen mit Waagen, Mixer, etc. geforscht wird. Diese Utensilien werden günstig zusammengekauft, meist werden vor allem recycelte Einzelbauteile eingesetzt. Diese dienen als Grundlage der Forschung in den Garagenlabors. Der Vorteil der vielen Labors ist, dass schnell Wissen erarbeitet wird, da mit Hilfe des Internets und Plattformen eine Errungenschaft anderen Forschern schnell mitgeteilt werden kann.

Die DIY-Technik verbirgt aber auch Gefahren. Man fürchtet sich vor allem vor chemischen Unfällen oder biologische Kampfstoffe welche entwickelt werden könnten. Mit gewissen Regeln und Kurse möchte momentan vor allem die USA solchen Gefahren umgehen.

Zum Artikel:

How to control someone else's arm with your brain (Greg Gage)
Geor Gage möchte den Schüler die Möglichkeit geben, mit Hilfe der SpikerBox ihr Gehirn genauer zu verstehen. Denn meist sind in den Schulen professionelle Geräte viel zu teuer. Deshalb hat er eine DIY Variante entwickelt um möglichst Kostengünstig den Schülern viel beizubringen. Denn das Gehirn ist etwas sehr interessantes, aber auch hoch komplexes und die Schüler sollten mehr Wissen von ihrem eigenen Wunderwerk im Kopf.

Zum Video: How to control someone else's arm with your brain | Greg Gage

We know it when we see it (George Whitesides)
George erzählt, dass man komplexe Systeme trennen kann und somit einfache Systeme erhält. Umgekehrt kann man auch viele einfache Systeme kombinieren und komplexe Systeme erhalten. Er möchte vor allem mit den einfachen System auf die medizinische Versorgung in Drittweltländern aufmerksam machen, da dort schon mit wenig Geld und Aufwand viel bewirkt werden kann. Es entspricht natürlich nicht dem Standard, den wir hier kennen, aber für eine Diagnose z.B. reichen meist einfache Mittel aus.

Zum Video: Simplicity: We know it when we see it | George Whitesides

Why toys make good medical devices (Jose Gomez-Marquez)
Jose Gomez-Marquez möchte mit Hilfe von Spielzeugen medizinische Geräte erstellen um möglichst kostengünstig anderen Personen das Know-How weiterzugeben oder ihnen ein Forschungsumfeld zu schaffen. Spielzeuge seinen weltweit Verfügbar, auch wenn es nur Kopien sind. Meist sind schon in billigen Geräten viel Technologie vorhanden. Wenn diese in ihre Einzelteile zerlegt werden, kann man mit Hilfe dessen neue Geräte erstellen.

Zum Video: Why toys make good medical devices | Jose Gomez-Marquez

Housewives Making Drugs (Mary Maggic)
Open Source Estrogen ist ein Forschungsprojekt, mit welchem eine Östrogenbiosynthese zu entwickeln versucht. Ziel dabei ist, dass es möglich ist zu Hause selbständig synthetisches Östrogen herzustellen. Die DIY-Methode ist vor allem an Frauen gerichtet, welche dadurch mehr Kontrolle über ihren Körper haben und um nicht die von der Regierung vorgeschriebenen Östrogene zu benutzen.

Zum Video: Open Source Estrogen: Housewives Making Drugs | Mary Maggic

Weitere Links
Backyard Brains Pulsmessung:

Backyard Brains Muscle Spiker:

Arduino-Website:

Input Fotografie: DIY-MedTech Fotografie - Team Giraffe

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