Team Krokodil

Das Team Krokodil besteht aus Faruk Yildiz (Studiengang: Medizintechnik) und Matija Savora (Studiengang: Medizintechnik). Zu beginn war noch Mathias Müller (Studiengang: Wirtschaftsingenieur) dabei, er hat aber nach 2 Tagen aus privaten Gründen aufgehört. In dieser Blockwoche wird das Thema "Medizintechnik DIY" behandelt und die DIY-Kultur gelebt.

MedTech DIY
Das 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 Projekte. Erste Prototypen werden mit den Mitteln der Digitalen Fabrikation hergestellt und getestet. (Modulbeschrieb HSLU, 2017)

Arbeitsplatz FabLab
Ein FabLab ist eine offene Werkstatt, die zum Ziel hat Privatpersonen den Zugang zu Produktionsmitteln und modernen industriellen Produktionsverfahren für Einzelstücke zu ermöglichen. Typische Geräte sind 3D-Ducker, Laser-Cutter, CNC-Maschinen usw. Diese Geräte erlauben dem Nutzer eine grosse Anzahl unterschiedlicher Materialien zu bearbeiten und eine unkomplizierte Anfertigung von individuellen Einzelteilen.

Quelle: Wikipedia Fablab

Der Arbeitsplatz konnte individuell im FabLab eingerichtet werden. Unser Arbeitsplatz für diese Blockwoche war das FabLab Luzern. Dazu wurden viele Ressourcen zur Verfügung gestellt, die jedes Team je nach Gebrauch verwenden konnte.

Wer ein FabLab nutzt hat auch Verantwortung,.Jeder ist Verantwortlich das weder Menschen noch Maschinen Schaden zugefügt wird, die Arbeitsplätze sind sauber zu verlassen, das Wissen teilen (zu Dokumentationen beitragen und Einführungen geben).

Tag 1 Backyard Brains, Muscel SpikerShield V2
Am ersten Tag gab es eine Einführung in die DIY-Welt, die Gruppen wurden eingeteilt und die Arbeitsplätze im Fablab eingerichtet. Nachdem alles eingerichtet worden ist, starteten wir mit dem ersten Projekt, mit dem zusammenbauen/zusammenlöten der Muscle SpikeShield Printplatte, welche wir von BackyardBrains gesponsert bekommen haben. Das Löten und zusammenbauen bereitete uns keine weiteren Probleme, da Erfahrung vorhanden ist. Die Muscle SpikeShield Printplatte wird dann benötigt um in kombination mit dem Arduino gewisse Experimente durchführen zu können.



Anleitung für Muscle SpikerShield

Experiment 1 (Muskelaktivität messen)
Beim erstem Experiment wurden die Aktivitäten der Muskeln gemessen, einmal am Unterarm und einmal am Bizeps. Nach erfolgreichem Löten der Muscle SpikerShield Printplatte, wurde diese mit dem Arduino verbunden und der Code draufgeladen. Am Anfang gab es Schwierigkeiten, weil die Empfindlichkeit zu hoch eingestellt war und wir somit nur hohe Werte bekommen haben. Als wir das Problem identifiziert haben, waren die Muskelaktivität anhand der LEDs und auf dem Rechner auf dem Serial Monitor des Arduinos zu erkennen. Am Bizeps gab es mehr Muskelaktivitäten, da der Muskel grösser/stärker ist und nicht so eine hohe Präzision erfordert, kann das Neuron mehrere Muskelfasern steuern.

Muskelaktivität messen

Anleitung zum Muscle SpikerShield Experiment

Experiment 2 (Hirnaktivität messen)
Beim zweiten Experiment sind die Aktivitäten des Gehirns gemessen worden. Dabei wurde der getesteten Person ein Stirnband aufgesetzt und eine Elektrode hinter dem Ohr befestigt. Hierfür kam die Printplatte «SpikerShield-Heart and Brain» in Verwendung. Der richtige Code, welches man in der Internetseite Backyardbrains findet, wurde kompiliert und ausgeführt. Mit der Software Spike Recorder konnte man die Graphen darstellen, welches die Aktivität des Gehirns visualisierte. Ein effektiver Unterschied war bei geschlossenen Augen zu erkennen. Die Messungen waren ebenfalls unterschiedlich, wenn die getestete Person geredet hat.

Hirnaktivität messen

Anleitung zum Heart and Brain SpikerShield Experiment

Experiment 3 (Eye Potentials)
Beim drittem Experiment wurde das Potential der Augen gemessen. Für dieses musste die Testperson ein Stirnband mit Elektroden anziehen und eine Elektrode als Ground hinter dem Ohr. Als Resultat kam heraus, dass das Potential bei geschlossenen, offenen Augen und bei Bewegung der Augen unterschiedlich ist. Sobald das Auge bewegt wird, steigt das Potential.



Anleitung zu Eye Potentials Experiment

Experiment 4 (EKG)
Für das EKG benötigt man die Printplatte «SpikerShield-Heart and Brain». Für die optimalen Ergebnisse klebt hat man die Elektroden am inneren Handgelenk zu kleben. Die genaue Anleitung ist in der Internetseite Backyardbrains unter «Heart Action Potentials» zu finden. Das Kit wurde mit zwei verschiedenen Tests analysiert. Als erstes hat die getestete Person den Atem angehalten so lange es geht. Die Software «Spike Recorder» ermöglichte uns zu sehen, dass die Spitzen mit einem grösseren Abstand erschienen sind als im Normalfall. Der zweite Test wurde durchgeführt, nachdem die getestete Person einige Meter gejoggt ist. Nach der sportlichen Aktivität war deutlich zu sehen, dass die Abstände der Herzimpulse viel kürzer waren als davor.



Anleitung zum EKG-Experiment

Tag 3 Skill Share Session
Bei unserer Skill Share Session untersuchen wir wozu eigentlich die Experimente, die wir in dieser Blockwoche durchführen, geeignet oder gebraucht werden in der Medizin.

Sinnvolle Anwendungen - Muskelaktivität messen
Soll ein Muskel bewegt werden, sendet das Gehirn ein Signal (elektrischer Impuls) über einen Nerv bis zur neuromuskuläre Endplatte, diese liegt zwischen Nerv und Muskelfaser. Dort werden durch den Impuls Botenstoffe ausgeschüttet, welche zu einer Öffnung der Ionen Kanale führen. Somit entsteht eine elektrische Spannung. Das Muskelaktionspotential breitet sich über die Zelle aus und verursacht kleine Muskelzuckungen, diese können als Potential gemessen werden.

Die Elektromyografie dient der Bestimmung und Diagnose von Nerven- und Muskelerkrankungen. Bei Verletzungen oder Lähmungen kann die Elektromyografie Hinweise auf die Schwere und die Heilungschancen geben.

Quelle: https://www.netdoktor.de/diagnostik/elektromyografie/

Sinnvolle Anwendungen - Hirnaktivität messen
Die Messung der Hirnaktivität (Elektroenzephalografie – EGG), wird zum Beispiel bei der Diagnostik von Epilepsie verwendet.

Beim EEG wird die elektrische Aktivität der Hirnrinde gemessen, dazu werden nach festem Schema Elektroden auf der Kopfhaut befestigt. Die gemessene elektrische Aktivität entsteht durch die Entladung von Nervenzellverbänden.

Das EEG dient vor allem zur Überprüfung der Gehirnaktivität. Eine Epilepsie führt zur «Erkrankung» des Gehirns. Eine Epilepsie ist eine Störung des Zentralen Nervensystems, die Nervenzellen die Bewegung, Gedanken usw. steueren, funktionieren mit elektrischer Ladung. Bei einem epileptischen Anfall kommt es zu einer Art Kurzschluss. Bei verdacht auf Epilepsie kann der Arzt anhand eines EEGs feststellen ob der Patient gefährdet ist oder nicht

Quelle: https://www.netdoktor.de/diagnostik/eeg/

Sinnvolle Anwendungen - EKG
Das EKG steht für Elektrokardiographie und bezeichnet eine Untersuchungsmethode, bei der die elektrischen Aktivitäten des Herzens gemessen wird.

Der Herzschlag wird durch eine elektrische Erregung ausgelöst, die im Herzen selbst gebildet wird und sich ausbreitet. Dieser schwache elektrische Strom wird beim EKG über Elektroden an den Extremitäten oder der Brust gemessen. Durch das Elektrokardiogramm erhält der Arzt Informationen über den Rhythmus, die Frequenz sowie die Erregungsbildung, -ausbreitung und -rückbildung des Herzens.

Über Kabel werden die Elektroden mit dem EKG-Gerät verbunden, das nun die Herzaktivität aufzeichnet. Die Untersuchung dauert etwa zwei Minuten. Die einzelnen Phasen der Herzaktion werden dabei in charakteristischen gezackten Kurven auf einem Papierstreifen gegen eine Zeitachse abgebildet. Dabei steht jeder Ausschlag für eine bestimmte Phase des Herzschlags.

Quelle: https://www.netdoktor.de/diagnostik/ekg/

Tag 4 & 5 Prototyping
Die Aufgabe für das Prototyping war, aus dem vorhandenem Material im Fablab und dem Backyard Brain Kit eine sinnvolle Anwendung zu finden. Nach langem überlegen haben wir uns für zwei Prototypen entschieden, eine Art Handprothese und einen Wasserspender. Für beide ist eine Ansteuerung des Servomotors notwendig. Dies hat uns am meisten Probleme bereitet, da wir nicht viel Erfahrung mit dem Arduino Programmieren haben. Aber dank der DIY Community, haben wir Hilfe von anderen Teammitgliedern erhalten und das Problem gemeistert.

Handprothese
Die Idee war einen oder mehrere künstliche Finger zu bewegen. Die Bewegung wird gesteuert mit der Unterarmmuskulatur und einem Servomotor. Je fester der Unterarmmuskel angespannt wird, desto mehr schlägt der Servomotor aus und demzufolge wird der Finger mehr gekrümmt. Der Finger ist in 3 Gelenke unterteilt, welche mit einer Schnur verbunden sind. Das eine Ende der Schnur ist an der Fingerspitze verbunden und das andere Ende ist am Servomotor verbunden. Alle Einzelteile (Gelenke) wurden im CAD gezeichnet und mit dem Laser cutter aus MDF Platten gelasert. Die Gelenke wurden mit Schrauben verbunden und schon hatte man einen Finger. Damit sich der Finger bei der Entspannung der Kontraktion wieder in die Ursprungsform zurück bewegt, wurde ein Gummi befestigt. Der Gummi wird gespannt wenn an der Schnur gezogen wird und sobald die Schnur locker ist begiebt er sich wieder in die Ursprungsform.



Damit der Finger richtig funktioniert, wurde zuerst studiert wie überhaupt ein echter Finger funktioniert. Für das wurden mehrere kleine Prototypen hergestellt, bis die richtige Funktion erreicht wurde. Dank den Maschinen die uns zur Verfügung gestellt wurden im FabLab konnten die Prototypen schnell hergestellt und getestet werden. Nach dem unser Prototyp mit einem Finger funktioniert hat, wurden noch 3 zusätzliche Finger angefertigt und zusammengebaut. Nun kann man mit der Muskelkontraktion die Finger bewegen. Man kann nun die 4 Finger bewegen, aber nur alle gleichzeitig und nicht jeden einzeln. Damit jeder Finger Einzel bewegt werden könnte, müsste man das System etwas umdenken. Die einfachste Variante wäre mit 4 Motoren, für 4 Finger, zu arbeiten. Dies Methode braucht aber viel Platz und ist eher unrealistisch.



Um unseren Prototypen zu verbessern, kann man die Finger aus dem 3D-Drucker ausdrucken, damit der Finger realistisch aussieht und mit dem 3D-Druck wären die Gelenke viel stabiler. Unser Prototyp ist zwar sehr abstrakt. Aber nach einigen Recherchen im Internet, sind wir auf eine Community gestossen, die 3D-Druck Prothesen herstellt. Die 3D-Drucker werden aus «dumpster diving» Materialien zusammengebaut und das Material für die Prothese besteht aus recycelten Plastik. Das Ziel der Community ist es, Menschen in armen Ländern, in Kriegsgebieten oder Mienenopfern vor Ort den Zugang zu Prothesen ermöglichen, die sie sich leisten können.

Wasserspender
Nach langem studieren kam die Idee, dass man einen Wasserspender machen kann, welches gesteuert wird durch die Muskelaktivität. Sobald man die Unterarm-Muskeln angespannt hat, soll der Motor sich ca. um 160 Grad drehen und somit auch die Flasche. Beim erreichen eines guten Winkels wird das Glas mit Wasser gefüllt. Dafür brauchte man nicht viel Material. Eine Wasserflasche, ein Servomotor, ein "MuscleSpikerShield" und eine passende Halterung genügte um einen elektrischen Wasserspender zu erstellen. Die Funktionsweise des Wasserspenders ist ähnlich wie beim ersten Experiment(Muskelaktivität messen). Angesteuert wird der Servomotor mittels "MuscleSpikerShield". Ein Programm wurde geschrieben, mit der man das Servomotor durch Muskelaktivität 180 Grad drehen kann. Angewendet haben wir den selben Code wie bei der Handprothese. Somit benötigten wir für beide Prototypen jeweils das gleiche "MuscleSpikerShield" mit dem selben Code.



Nachdem die Elektronik sattelfest war, haben wir angefangen die Hardware für die Mechanik zu konstruieren. Die einzelnen Komponente für das Gehäuse wurden auf CAD-NX gezeichnet und anschliessend ebenfalls mit dem Laser-cutter aus MDF Platten gelasert. Die Teile wurden so konstruiert, sodass sie ineinander steckbar sind. Mit ein wenig Nachhilfe vom Heisskleber wurde das Gehäuse sehr stabil. Der Motor wurde an die Frontplatte des Gehäuses angeschraubt. Anschliessend wurde die Flasche am Motor befestigt. Und schon konnte man die ersten Tests des Prototyps durchführen. Anfangs hatten wir Probleme mit dem richtigen Winkel. Die Flasche drehte sich zu viel oder zu wenig, somit konnte das Wasser nicht richtig eingeschenkt werden. Nach einigen Versuchen und Optimierungen am Prototypen ging dies auch fast immer problemlos. Um die Probleme mit der Winkeleinstellung besser in den Griff zu bekommen, würden wir für den zweiten Prototyp den Code anpassen. Die Anpassung mit dem Arduino wäre viel sauberer als eine mechanische Anpassung.



Reflexion und Zusammenfassung
Das Team Krokodil, bestehend aus zwei Teammitgliedern (aus dem Bereich Medizintechnik) hat in dieser Blockwoche versucht Medizintechnik mit Do-It-Yourself zu verbinden. In der Blockwoche wurde viel im FabLab Luzern gearbeitet, wo man seinen Ideen freien Lauf lassen konnte. Wir haben gelernt was DIY eigentlich heisst, es heisst nicht «mache etwas alleine», sondern eher «mache etwas im Team». In der DIY-Kultur kann man viel von anderen profitieren, man muss aber auch bereit sein, den anderen zu Helfen. Mit den Skill-Share-Sessions hat man sich Wissen angeeignet oder man hat das Thema schon beherrscht und hat es dann den Mitstudierenden mitgeteilt. So lernt nicht jeder für sich, sondern man profitiert voneinander.

Am Anfang der Woche konnten wir uns nicht vorstellen, dass wir etwas Sinnvolles herstellen werden. Aber nach gewisser Zeit, als wir alle Maschinen kennengelernt hatten und gesehen welche Ressourcen uns zur Verfügung stehen, sind die ersten Ideen gekommen. Und somit haben wir Ende der Woche zwei Prototypen fertiggestellt.

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