MedTechDIY20 Team G2020

Das Team G2020 setzt sich aus den Mitgliedern Roger Hegglin, Dominik Roth und Silvan Rüttimann zusammen. Wir gründeten unser Team im Rahmen der Blockwoche DIY - Medizintechnik. Durch die unterschiedlichen Studienrichtungen ergänzen wir uns in unserem Wissen. Silvan Rüttimann studiert Medizintechnik, Roger Hegglin und Dominik Roth absolvieren den Studiengang Maschinenbau. Die Inspiration für die Versuche und die Projekte erfolgte gegenseitig und wir konnten diese gemeinsam weiter entwickeln.

Mitglieder:

Abstract
In der Blockwoche Medizintechnik DIY wird der Do It Yourself (DIY) Ansatz auf verschiedene Bereich der Medizintechnik angewandt. Dabei gilt es mit einfachen Mitteln teils komplexe Sachverhalte und Geräte selber nachzuvollziehen und zu bauen. Der Themenbereich beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Medizintechnik. Auch eigene Ideen können während der Blockwoche verfolgt werden und in der Gruppe entwickelt werden. Die Teilnehmer der Medizintechnik DIY Blockwoche werden in Gruppen mit 3-4 Studenten eingeteilt. Durch die interdisziplinäre Zusammensetzung der Gruppen, ist für ein breites Fachwissen gesorgt und die Gruppenmitglieder können sich gegenseitig ergänzen. Die ersten Experimente wurden mit den Bausätzen von Backyardbrains durchgeführt. Dabei werden Körperfunktionen gemessen und mit einem Arduino und der entsprechenden Erweiterung verarbeitet. Die verarbeiteten Signale können visualisiert, vertont oder weiter verarbeitet werden. So kann man die Stärke von Muskelkontraktionen durch LEDs anzeigen oder ein EKG des Herzens darstellen. Durch Skillshares wird das grosse Wissen der Teilnehmer untereinander geteilt. Dadurch bildet man sich in vielen Bereichen weiter und man beschränkt sich nicht auf ein Fachgebiet. So lernten wir in der Blockwoche viel neue "Skills". Wie z.B "Schweissen", "Arduino Programmierung", "Medizinische Untersuchungen", "Synthesizer bauen",usw.

Mit den neu erlernten Fähigkeiten und den vorhandenen Materialien haben wir unseren ersten Prototyp eines Gimbals hergestellt, welchen wir im Verlauf der Woche immer mehr modifiziert haben.

Reflexion Pflichtlektüre
Die Pflichtlektüre, die im Vorfeld des Kurses zu lesen war, beinhaltet mehrere Texte und Videos rund um die Themen Open Source, Vereinfachung und Arduinoboards. Ein Video thematisiert den Opensource Gedanken anhand mehrerer Beispiele, visualisiert durch einen Lego Animationsfilm. So werden anhand der Geschichte von der Planung bis zum fertigen Haus die wichtigsten Fragen zu Opensource geklärt. Eine weitere wichtige Lektüre war eine Infobroschüre der schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften. Sie thematisiert die "Do it yourself" Mentalität in der Bioanalytik und beschreibt, wie durch einfache und günstige Geräte einer breiteren Gesellschaft den Zugang zur Biotechnologie ermöglicht wird.

Infrastuktur FabLab
Unser Arbeitsraum ist das FabLab an der Hochschule, ein Bereich wo jeder seine Ideen verwirklichen und mit anderen Teilen kann. Das Konzept eines FabLabs ist es, mithilfe von High-Tech-Maschinen innerhalb von kurzer Zeit Prototypen für verschiedenste Anwendungen herzustellen. Diese Prototypen können für Firmen oder auch für Privatpersonen verwendet werden. Wie oben erwähnt entstehen FabLabs überall auf der Welt. Im weltweiten Netzwerk tauscht man sich über Kontinente hinweg aus und teilt so Erfahrungen, Fragen und Ideen mit anderen Spezialisten aus. Das FabLab Luzern ist ebenfalls Teil dieses Netzwerkes. Das Luzerner FabLab ist an der Hochschule Luzern angegliedert und erbringt gewisse Leistungen für diese. Gleichzeitig ist es aber öffentlich zugänglich für alle Personen, die von den Maschinen und Möglichkeiten profitieren möchten. Von 3D Druckern über Laser Cutter und einer CNC Fräsmaschine, die Möglichkeiten sind sehr vielfältig und erlauben grossen Spielraum.

Einführung in das System DIY
Am Anfang der Blockwoche haben uns Marc und Urs einen Einblick in Ihren Lebenslauf gegeben und uns über das weitere Vorgehen des Moduls aufgeklärt. Weiter haben sie uns nähergebracht wie man die Anwendungen der Medizintechnik mit Do It Yourself (DIY) Ansätzen verbindet. Es wurden viele Kleinteile aus verschiedenen Bereichen auf einem Tisch ausgelegt. Die Studenten stellten sich untereinander vor, indem jeder sein Name sagte und eines der Kleinteile aus der Kiste mit sich in Verbindung brachte. Am Nachmittag hat sich Marc vorgestellt und über seine Projekte in Yogyakarta berichtet. Er gab Einblicke in seine getätigten Arbeiten im Ausland.



Arbeiten mit Wiki
Zum Schluss des ersten Tages brachte uns Marc das Wiki noch näher. Dabei wurde vermittelt wie das Wiki genutzt und mit Inhalten gefüllt werden kann, wie bspw. Fotos oder Videos. Das Wiki soll die gesamt Dokumentation der Blockwoche Medizintechnik DIY beinhalten. Es gilt das Prinzip "learning by doing", denn vieles kann man selber herausfinden und dann anwenden.

Skillshare
Am zweiten Tag der Blockwoche erklärten uns Marc und Urs das Prinzip vom Skillsharen. Ziel der Übung besteht darin, dass ein Austausch von vorhandenen Skills der Teammitglieder vollzogen wird. Zu Beginn schreibt jeder Teilnehmer auf was er beibringen kann und was er gerne lernen möchte. Durch die Vielfältigkeit der vorhandenen Fähigkeiten der Gruppe entsteht ein Wissensaustausch untereinander. Nicht ein Dozent der das ganze führt ist hier das Prinzip sondern, alle bringen sich etwas bei und lernen durch andere Teilnehmer dazu.

3D Drucker
Im FabLab befinden sich vier 3D Drucker, welche von allen genutzt werden können. Der Aufbau oder die Funktionsweise ist im einfachen Sinne wie bei einer Heissleimpistole. Anstelle des Klebers wird hier Kunststoff erwärmt, hauptsächlich PLA, da sich dieser sehr gut zum Drucken eignet, aufgrund seiner geringen Schmelztemperatur und leichten Verarbeitung.



Die Daten, welche auf den 3D Drucker geladen werden, können sind sogenannte stl Files. Diese können mithilfe eines CAD Programmes generiert werden. Diese Files kann man dann mithilfe eines Programmes des jeweiligen 3D Drucker Herstellers oder einem kompatiblen Programm öffnen. Nun gibt es einige Einstellungen, welche man vornehmen kann, so zum Beispiel die Druckgeschwindigkeit, die Fülldichte oder die Druckplattenhaftung. Einführung in Cura

Wenn kein CAD vorhanden ist, hat man die Möglichkeiten auf Plattformen wie thingiverse aus unzähligen Teilen das gewünschte auszuwählen.

Laserschneiden
Zur Verfügung stehen drei verschiedene Schnittarten. Es wird zwischen Schneiden, also durchgehendes Trennen, Ritzen für Markierungen und Gravieren z.B. für Bilder unterschieden. Für jedes der drei Verfahren gibt es gewisse Erfahrungswerte vom FabLab mit den dazugehörigen Laserstärken sowie den möglichen Geschwindigkeiten. Die zu bearbeitende Geometrie muss als Vektordatei vorhanden sein. Vorzugsweise soll die Datei im DXF Format vorhanden sein. Die genaue Maschinennutzung, das Einrichten und das Kalibrieren kann der Anleitung entnommen werden. Für Unterstützung stehen die Assistenten im FabLab zur Verfügung.



Tag 1 - Montag
Am Montagmorgen 03.02.2020 fanden wir uns im FabLab an der Hochschule Luzern ein und lernten das Dozententeam kennen. Urs gab uns am Vormittag einen Einblick und eine Übersicht auf die bevorstehende Blockwoche. Die Teameinteilung und eine kurze Vorstellungsrunde beendete den ersten Morgen in dieser Woche. Am Nachmittag fand der Input von Marc im Raum F200 statt und wir konnten spannende Einblicke in die vielschichtige Welt der Hacks und DIY-Kultur nähere Infos zu seinem Werdegang, den Ihn bereits in Projekte auf der ganzen Welt involviert hat. Der letzte Input behandelte eine Einführung in die Mediawiki-Software und die Teamseite G2020 wurde eröffnet.

Versuch 1: Muskelaktivität mit LED darstellen
Mit dem Arduino und dem Muscle Spiker Shild wir als erstes versucht die elektrische Muskelerregung zu erfassen und mit den LEDs wiederzugeben. Der Versuch dient dazu das Aurduino und der Muscle Spiker Shild zu testen und erste Erfahrungen zu machen. Nach dem umlegen des Schalters auf der Mitte des Muscle Spiker Shild und dem Anpassen der Schwellenwerte im Arduino-Code, funktioniert der Versuch einwandfrei. Der Versuch zeigt, das die Muskelsignale erfasst und wieder gegeben werden. Diese Signale könnten zu einem späteren Zeitpunkt auch dazu verwendet werden um einen Motor oder Servo zu steuern.

Versuch 2: EKG-Kurve messen
Bei diesem Versuch wird ein Elektrokardiogramm (EKG) gemessen und dargestellt. Dazu benötigt wird ein Arduino mit passendem Code, ein Heart and Brain SpikeShield von BYB und das BYB Spike Recorder - Programm, um die EKG-Wellen darzustellen. backyardbrains.com/experiments/heartrate

Zuerst wurde das Programm Spike Recorder auf dem PC installiert und der Code auf das Arduino geladen. Danach befestigte die Elektroden an der Testperson. Die EKG-Messung mit den Elektroden an den Handgelenken war nicht sehr genau und sehr verrauscht. Um eine bessere Kurve zu erhalten, werden die Elektroden auf der Brust moniert. Das Resultat ist viel, besser jedoch ist ein starkes Rauschen noch vorhanden. Mit den Tools von Spike Recorder konnte das Rauschen minimiert werden und das EKG wurde klarer.



Versuch 3: Musik mit Muskeln
Mit dem Arduino und dem Muscle Spike Shiled soll die Muskelaktivität erfasst werden, um sie dann durch einen Lautsprecher wieder zugegeben. Die gemessene Muskelaktivität wird je nach Intensität einem gewissen Ton zugeordnet. Eine kleine Intensität entspricht einem tiefen Ton und vice versa. Dazu benötigt werden ein Lautsprecher, ein Aux-Kabel, 2 Verbungskabel (male to male) und 2 Alligatorklemmen. Die Verbindungskabel werden beim Arduino beim Port GND und beim Port 8 eingesteckt und mit den zwei Klemmen mit dem Aux-Kabel verbunden. Der benötigte Arduino Code kann von der Website heruntergeladen werden. Mit dem Schalter S2 auf dem Muscle Spike Shiled kann durch die verschiedenen Modi des Programms geschaltet werden.

Nach der Justierung der Mini- und Maximalwerte funktioniert der Versuch einwandfrei und die Testperson kann mit seinen Muskeln Musik machen.



backyardbrains.com/experiments/music

Tag 3 - Mittwoch
Am Morgen ging es los mit den Skillsharesession's.

Am Nachmittag konnten wir mit dem Hack 1 starten. Gemeinsam entscheiden wir uns einen Gimbal aufzubauen. Dazu schauten wir uns Videos an mit welchen Gimbals mithilfe von Arduino programmiert wurden. Für den Aufbau eines Gimbal's wurden zuerst auch die Grundfunktionen einer solchen Aufhängung genauer studiert. | Beschreibung Gimbal | Gimbal mit Arduino programmiert

Mithilfe des CAD wurde ein erstes Modell ausprobiert und die Halterungen gedruckt.



Tag 4 - Donnerstag
Am Donnerstag verfolgten wir weiter unsere Idee mit dem Gimbal. Roger und Silvan befassten sich mit dem Arduino und Dominik setzte sich mit der Montage und dem Drucken der Teile auseinander. Im Verlauf des Morgen, wurden die verschiedenen Projekte besprochen, Ziel war es so offene Probleme untereinander zu besprechen und so voneinander zu lernen. Nach der Besprechung machten Marc und Urs noch einmal darauf aufmerksam für Hack 2 eine neue Idee zu verfolgen oder andere Einflüsse einzubeziehen.

Nach der Mittagspause hatte Christian Gehringer eine kleine Präsentation, in welcher er kurz seinen Werdegang erläuterte und auch noch zwei Arbeiten, welche er im Laufe seines Medizinstudiums absolvierte näher brachte. Ein spannender Einblick bei dem klar wurde wie vielseitig Christian unterwegs ist.

Hack 2
Im Laufe des Nachmittags begann Hack 2. Anstelle die Idee von Hack 1 komplett über den Haufen zu werfen, entschieden wir uns die Idee weiterzuverfolgen aber auch mit einem neuen Ansatz. Anstelle nur eines einfachen Gimbals hatten wir die Idee eine Halterung zu gestalten, die am Körper oder mit dem Körper verbunden ist. Sinn des Ganzen für die Zukunft, eine mögliche Stabilisierung der Hände für Leute welche an Parkinson oder ähnlichen Krankheiten leiden. So Beispielsweise die Ausbalancierung eines Glases wenn der Mensch es greift oder auch das Essen einer Suppe mit dem Löffel. Für eine geeignete Halterung testeten wir auch die Verwendung von unter Wärme formbaren Material, welches sich danach beim abkühlen wieder aushärtet. So könnte eine Halterung speziell für eine Person angepasst werden.



Gegen Ende des Tages konnten wir einen ersten Test mit den Motoren machen. Roger und Silvan hatten ein Programm für die Stabilisierung gefunden und dieses auf den Prozess angepasst. Am Anfang bestand die Schwierigkeit darin, den vorhandenen Code im Arduino so umzugestalten und zu strukturieren, dass es für unsere Motoren einwandfrei funktionierte.

Tag 5 - Freitag
Nachdem wir die Motoren getestet haben, bauten wir den Gimbal zusammen. Mithilfe der 3D Druckteile und der Steckplatte ergab sich eine kleine Baugruppe, welche den gewünschten Effekt erzielte.

Ziel dieses Aufbaus ist es mithilfe einer solchen Stabilisation, Menschen mit Einschränkungen oder Erkrankungen zu helfen. Ziel wäre es bei einer Nachverfolgung dieser Idee die Grösse der Baugruppe sehr viel kleiner zu gestalten, und eine Halterung zu entwickeln welche man an seinem Körper beziehungsweise an der Hand befestigen kann. Den Rest des Nachmittages verbrachten wir damit, den Gimbal zu modizifieren oder einfach mal etwas Verrücktes aufzubauen.

Für die Ansteuerung des Greifers verwendeten wir einen Joystick, welchen wir wie folgt programmierten:


 * 1) include 

Servo myServo1; Servo myServo2; int servo1 = 3;  //Digitaler PWM Pin für Servo 1// int servo2 = 5;  //Digitaler PWM Pin für Servo 2// int joyX = 0;    //Analoger Pin fuer X-Achse Joystick// int joyY = 1;    //Analoger Pin fuer Y-Achse Joystick//

void setup { myServo1.attach(servo1); myServo2.attach(servo2);

}

void loop { int valX=analogRead(joyX);         //liest Wert von Joystick X-Achse aus// int valY=analogRead(joyY);         //liest Wert von Joystick Y-Achse aus// valX=map(valX, 0, 1023, 0, 180);   //Skaliert den Joystick X-Wert// valY=map(valY, 0, 1023, 170, 10);  //Skaliert den Joystick Y-Wert//

myServo1.write(valX);              //Stellt den Servo gemaess ValX// myServo2.write(valY);              //Stellt den Servo gemaess ValY// delay(5); }

Tag 6 - Samstag
Am letzten Tag der Blockwoche MedTech DIY präsentierte jede Gruppe in 15 Minuten ihren Prototypen, das Vorgehen und die Problem, auf die sie gestossen sind. Die Studierenden im Publikum konnten ihre Fragen stellen. Anschliessend gaben wir den Dozenten Feedback zur Blockwochen. Danach räumten wir gemeinsam das Fablab auf und wurden ins wohlverdiente Wochenende entlassen.

Lernen voneinander - Skillshare
Um das gegenseitige Wissen jedes Teilnehmers zu erhöhen wurde eine Skillsharesession ins Leben gerufen. Dabei trafen wir uns alle gemeinsam im Klassenraum und bekamen die Aufgabe jeweils ein Zettel zum Thema "Was kann ich beibringen" und "Was will ich lernen" an die Pinnwand zu kleben. Diese Themen wurden gegliedert und zu einem Programm gestaltet. Jede Gruppe musste eine Session organisieren und durchführen. Roger hat durch die Lehre als Baumaschinenmechaniker grosse Erfahrungen im Bereich Schweissen gesammelt. Deshalb haben wir uns entschieden den Teilnehmern das Schweissen näher zu bringen.



Angebotener Skill Schweissen
Roger hat durch die Lehre als Baumaschinenmechaniker grosse Erfahrungen im Bereich Schweissen gesammelt. Deshalb haben wir uns entschieden den Teilnehmern das Schweissen näher zu bringen. Im Schweissraum der Hochschule wurden Elektrodenschweissen sowie MAG und TIG Schweissen gezeigt. Begonnen wurde mit einer kleinen Theorie, einem Handout das die wichtigsten Punkte der jeweiligen Schweisstechnik enthält. Danach ging es auch schon ans Schweissen. Nach einer kleinen Einführung konnten die Teilnehmer sich selber am Schweissen versuchen.



MIG/MAG Schweissen
Lichtbogenschweissverfahren mit einer endlosen, abschmelzenden Drahtelektrode  unter einer Schutzgasabdeckung. Das MIG/MAG-Schweissen kann teilmechanisch mit von Hand geführtem Brenner oder vollmechanisiert eingesetzt werden. Es wird Gleichstrom verwendet, die Drahtelektrode ist in der Regel am Pluspol. Mit dem MSG-Schweissen (MSG = Metallschutzgasschweissen, umfasst sowohl MIG als auch MAG) können fast alle schweissgeeigneten Werkstoffe verbunden werden. Unlegierte und legierte Stähle, sowie nichtrostende CrNiMo-Stähle werden mit dem MAG-Schweissen verschweisst. Andere Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium, Nickelbasiswerkstoffe, Kupfer, Titan usw. erfordern das MIG-Schweissen mit inerten Schutzgasen. Die erreichbare Abschmelzleistung und Schweissgeschwindigkeit sind hoch, bei ausreichender Nahtqualität. Bauteile von 0,8 bis > 10 mm Dicke können im Stumpf- oder T-Stoss verschweisst werden.

Etwa 70 % des verbrauchten Schweisszusatzwerkstoffes fallen auf MSG-Schweissverfahren. Das MSG-Schweissen wird in Industrie, Handwerk und Gewerbe eingesetzt, vor allem in der • metallverarbeitenden Industrie,

• im Stahlbau,

• Schiffbau,

• Behälterbau und

• Fahrzeugbau

Geschweisst werden vorwiegend Kehl- und Überlappnähte in unterschiedlichen Positionen an Blechen bis etwa 10 mm Dicke, bei Einzelfertigung bis zur Grossserie.

WIG/TIG Schweissen
WIG oder auch TIG Schweissen ist dasselbe. Tungsten ist einfach das Englische Wort für Wolfram. Beim Wolfram-Inertgasschweißen kommen nur inerte Schutzgase zur Anwendung, allenfalls zusätzlich ein reduzierend wirkendes Gas wie Wasserstoff. Die glühende Wolframelektrode darf keinen chemischen Reaktionen ausgesetzt werden.



Skill 1: Photoshop/Gimp
Im ersten Skill Share am Morgen wurden die Teilnehmen in die Bildbearbeitung eingeführt. Das gratis Opensorce Programm Gimp wurde verwendet. Es ist sehr ähnlich zu Photoshop und biete sehr viele Möglichkeiten. Die Gruppe stellte die wichtigsten Werkzeuge und Funktionen vor, welche man direkt ausprobieren konnte. Sie boten einen guten Überblick über das Programm. Leider war die Zeit etwas zu kurz, um einen tieferen Einblick ins Thema zu erhalten.



Skill 2: Elektrotechnik
Bei diesem Skill Share wurden unsere Elektrotechnik-Kenntnisse aufgefrischt. Die Moderatoren erklärten und demonstrierten uns alle grundlegenden Bauteile der Elektrotechnik, wie Wiederstand, Kondensator oder Diode. Sie erklärten ebenfalls wie ein Multimeter funktioniert und wie man es einsetzt. Zuletzt schauten wir uns gemeinsam das Schema des Arudino Uno's an und es wurde uns erklärt, wie man es lesen muss. Diese kurze Auffrischung in der Elektrotechnik war sehr hilfreich und das Wissen konnte direkt in den Hacks angewendet werden.

Skill 3: Autnomes Nervensystem und das Hören in der Medizin
Christian gab uns einen sehr kompakten und eindrücklichen Einblick in die Welt des Hörens in der Medizin. Wir lernten einige Methoden kennen, die mit Hilfe von einfachen Mitteln wie Stethoskop oder einem einfachen Trichter, Aussagen über z.B. Grösse oder Zustand der Leber, der Lunge und des Herzens gemacht werden können. So kann z.B. mit Hilfe von abklopfen die Grösse der Leber bestimmt werden. Durch wechselseitiges Abhören der Lungenflügel kann eine Aussage über deren Zustand getroffen werden. Der Aufbau eines Herzes erklärte Christian anhand selber gezeichneten Skizzen. Tonaufnahmen von gesunden und fehlerhaften Herzen spielte er über einen Lautsprecher ab. So lernten wir, dass auch in der modernen Medizin das Gehör eines Arztes in Kombination mit seiner Erfahrung durchaus eine wichtige erste Untersuchungsmethode darstellt.

Reflexion
Durch das offen gestaltete Programm wurden uns viele Freiheiten gelassen. Dies konnten wir Nutzen und Dinge ausprobieren, für welche man im normalen Studienalltag keine Zeit hat. Begonnen hat alles mit dem Hack 0, das Musclespikershield von Backyardbrains gab uns erste Eindrücke, für das Zusammenspiel von Medizintechnik verbunden mit Programmierung. Das Ganze ging dann über in den Hack 1 wo wir als Team selbst ein Projekt aussuchen konnten in dem wir verschiedene Komponenten aus unseren Studienrichtungen einfliessen lassen konnten. Durch die gemeinsamen Besprechungen der verschiedenen Projekte fand ein stetiger Wissensaustausch statt, welcher dazu führte, dass ständig neue Ideen generiert wurden. Alles in allem war die Woche sehr aufschlussreich und spannend, da eine Arbeitsmethodik fern ab vom der "normalen" Studienarbeit aufgezeigt und nähergebracht wurde.