Bärenbrüder

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Prolog

If you want a job done right, do it yourself!

Abstract

Einleitung

Die Blockwoche Medizintechnik/DIY (do-it-yourself) des Herbstsemesters 18 findet vom Montag 11.02.19 bis Samstag 16.02.19 im Fablab Luzern statt. Die Studierenden wurden in 4er oder 3er Grupppen eingeteilt, sodass die Disziplinen Maschinentechnik (Ma), Medizinitechnik (Mt) und Wirtschatfsingeniuer (Wi) möglichst durchmischt sind.

Die Gruppe Bärenbrüder setzt sich aus den Teammitgliedern David Bühlmann (Ma), Quentin Frei (Ma), David Fäh (Mt) und Adrian Spichtig (Ma) zusammen. Im Sinne des "Do-it-yourself" erarbeiten die Studierenden selbstständig ein Projekt. Das Projekt soll basierend auf elektrophysiologischen Messmodulen etnwickelt werden. Für die Ptototypenfertigung stehen Laser Cutter, 3D-Drucker sowie Handwerkzeuge und Elektromaterial zur Verfügung. Am Ende der Woche wird das Projekt vorgestellt. Die für das Projekt benötigten Informationen werden selbstständig in den Teams erarbeitet. Zu Hilfe können jederzeit die Dozierenden Urs Gaudenz, Effi Tanner und Dr. Marc R. Dusseiller sowie Fabmanager Chris Obrist gezogen werden. Weiter ist ein Ziel der Woche, dass sich die Studierenden gegenseitig Unterrichten in sogenannten "Skill-Share-sessions". Die Blockwoche strebt gezielt den etwas anderen Unterricht an. Interdisziplinär und ohne Vorgabe wir ein eigenes Projekt entwickelt, bei dem das Verständins von medizintechnischen Geräten gefördert wird.

Teammitglieder

Adrian Spichtig

Adrian Spichtig ist gelernter Metallbauer und studiert Maschinentechnik im 6. Semester an der Hochschule Luzern.

David Bühlmann

David Bühlmann ist gelernter Polymechaniker und studiert Maschinentechnik im 6. Semester an der Hochschule Luzern.

Daniel Fäh

Daniel Fäh ist gelernter Automechaniker mit einer Weiterbildung zum Maschinentechniker HF und studiert Medizintechnik berufsbegleitend im 6. Semester.

Quentin Frei

Quentin Frei hat das Gymnasium abgeschlossen und studiert Maschinentechnik im 6. Semester an der Hochschule Luzern.

Arbeitsjournal

Tag 1

Zum Start in die Blockwoche hielt Urs einen Vortrag über Medizintechnik DIY und wie er in diesem Bereich gelandet ist. Die Idee des DIY und Open Source bietet grosse Chancen für Entwichlungsländer, die sonst keinen Zugang zu den teuren medizinischen Geräten haben. Aber auch in Industrieländern wirf sie die Frage auf, warum die Geräte so teuer sind, wenn sie auch aus Spielzeugen herstellbar sind.

Es folgte die Gruppeneinteilung sowie das Einrichten des Arbeitsplatzes. Jede Gruppe bekam ein Bausatz, um ein Gerät zu bauen, das Muskelsignale messen kann. Den Nachmittag verbrachten wir mit dem Zusammenlöten des Muscle-Spiker-Shields. Die Anleitung ist auf der Homepage von Backyard Brains verfügbar (Backyard Brains). Vor dem Zusammenbauen des Bausatzes präsentierte uns Marc noch seinen beruflichen Werdegang. Überraschend ist, dass ein Doktor einen so unkonventionellen Weg gewählt/genommen hat, wie er es getan hat.

Zum Abschluss des ersten Tages wurde uns die Benutzung von Hackteria erklärt. Auf dieser Webseite werden alle Bauanleitungen und Dokumentationen, die in dieser Woche entstehen, für alle zugänglich veröffentlicht.

Resultate: Am Ende des ersten Tages waren wir im Besitz eines funktionsfähigen Muskelstrommessgeräts und haben ein besseres Verständnis über das Thema Medizintechnik erhalten.

Erkenntnisse: Zwei Hände sind beim Löten oft nicht ausreichend und man sollte mit den kleinsten Bausteinen beginnen. Die Elektroden kann man an verschiedenen Muskeln des Körpers aufkleben und man bekommt fast immer ein Resultat, jedoch ist es schwierig zu klassifizieren, ob die Signale effektiv vom Muskel oder von sonstigen Bewegungen der Elektroden kommen.

Tag 2

Der zweite Tag wurde mit einer Skill-Share Session [[1]] gestartet.

Signal Muscle Spyker Shield.jpg

Lötlen & Experimentieren

Mit dem Muscle SpykerShield DIY v2.11 von Backyard Brains [2] wurde die elektrische Muskelspannung an verschiedenen Körperstellen gemessen und am Rechner dargestellt.

Im Bild rechts ist die Aufzeichnung des Signals des Unterarm Muskels zu sehen. Schwierigkeiten bereitete die Einstellung des Muscle-Spyker-shields. Die Ausschläge, Anspannungen des Muskels sind jedoch noch einigen Einstellungen deutlich erkennbar. Weiter rauschte das signal nach einiger Zeit aus unerklärlichen Gründen stark. Reset des Arduinos und/oder Neukalibrierung des Muscle-Spyker-Shields behebt das Problem. In einem weiteren Schritt gilt es herauszufinden, woher das Rauschen kommt.

Mit dem Heart and Brain Spyker-Shield wurde die Herzfrequenz gemessen und am Rechner mit dem Programm Spike Recorder von Backyard Brains [3] dargestellt. Verglichen mit einem optischen Herzfrequenzmesser stimmten die Messergebnisse gut überein.

Fab Share

Beim Fab Share gaben die Dozierenden sowie der Fabmanager Chris Obrist eine Einführung zur Benutzung der Laser Cutter (ACCTEK AKJ 9060) und der 3D Drucker von Ultimaker.

Anleitungen zur Nutzung der Geräte siehe Fablab Luzern [4].

Kulturbeitrag

Am gab es eine Live-Performance der Künstler Daniel Maszkowicz und Emma Souharce. Sie entführten uns die Welt zwischen Musik (Geräuschen) und DIY-engineering.

Weiter Infos zu den Künstlern siehe Link [5].

Im Video unten ist ein Ausschnitt ihrer Performance zu sehen.


Tag 3

Am Mittwochmorgen besuchten wir die erste Skill Share Session von Marc. Marc brachte uns das Arduino näher. Er lehrte uns wie das Arduino-Programm aufgebaut ist. An Beispielprogrammen haben wir den Counter und Switch-Anweisung kennengelernt. Die Skill Share Session war sehr hilfreich für den weiteren Verlauf der Blockwoche.

Vom FABLAB Luzern wird eine Anleitung für Arduino-Einsteiger (PDF & Code-Beispiele) zur Verfügung gestellt:

Link: http://fablab-luzern.ch/anleitungen/

Im Verlauf des morgens haben wir den 3D-Drucker in Betrieb genommen. Beim ersten Versuch hat sich die Grundplatte des Kunststoffteils an den Ecken stark verformt. Das Werkstück kann jedoch noch gebraucht werden, da die Ecken keine Funktion haben. Vor dem Mittag haben wir uns in der Klasse getroffen. Jede Gruppe stellte ihren aktuellen Stand der Projekte vor. Einige Gruppen hatten mit den gleichen Problemen zu kämpfen. Durch den Austausch untereinander konnten die Probleme gelöst werden. Beim Vortrag von Effi ging es um Ihre Arbeiten, welche Sie während ihrer Laufbahn erarbeitet hat. Eindrücklich war ihr Mut neues zu Entwickeln. Neue Projekte sucht Effi im täglichen Leben, so entstand zum Beispiel eine automatische Pflanzengiessanlage. Auch bei ausgefallenen Projekten fühlt sich Effi wohl. Nach dem Vortrag besuchten wir die zweite Skill Share Session zum Thema Löten. Im Elektrotechniklabor konnten wir an mehreren Lötkolben das Löten kennenlernen. Dank der guten Einführung der Gruppe XNXX haben wir das Löten schnell gelernt.


Im Verlauf des Nachmittags konnten wir noch das Kit "Human-Human-Interface" von backyardbrains.com ausprobieren.

Link: https://backyardbrains.com/products/HHI

Das Kit ist darauf ausgerichtet, einen fremden Arm anlaog den eigenen Armbewegungen zu steuern. Tatsächlich hat das auch wirklich funktioniert. Die vom System empfangenen Muskelaktivitäten des "steuernden-Arms" werden dabei verstärkt und an den "zu steuernden Arm" weitergeleitet. Durch die elektrische Stimmulation werden die Muskeln des "zu steuernden Arms" zur Kontraktion angeregt. Wichtig zu wissen ist, dass die Intensität der elektrischen Impulse von Person zu Person unterschiedlich wahrgenommen werden. Daher sollte die Person, desssen Arm elektrisch stimmuliert wird, die Intensität auch selber regulieren können.

HHI Bild1.jpeg

Tag 4

Den Donnerstagmorgen begannen wir mit der Durchführung unseres Skill-Shares über die Benützung von LaTeX. Es wurden vor allem Befehle, die für schulische Arbeiten üblich sind, behandelt, da es auch das primäre Interessengebiet der Teilnehmenden war. Bei Unklarheiten bezüglich den Befehlen von LaTeX bietet das Internet gute Erklärungen und Beispiel-Codes, der in das eigene LaTeX Dokument kopiert werden kann.

Bis um 11:00 Uhr hatten wir dann Gelegenheit, an unserem Prototyp 1 weiterzuarbeiten. Wir diskutierten über verschiedene Befestigungsmöglichkeiten für unsere Stirnlampe und wie sie die Elektroden, die ebenfalls auf der Stirn befestigt werden, nicht behindern/beeinflussen.

Eine Stunde vor Mittag präsentierte jede Gruppe den anderen Kursteilnehmern kurz, was sie in den letzten paar Tagen gebaut hatten. Es war interessant zu hören, mit welchen Problemen sich die anderen Gruppen auseinandersetzen mussten und wie sie diese gelöst haben. Die einen Gruppen setzten sich mehr mit Software Problemen auseinander, während andere einen mehr mechanischen Ansatz verfolgten.

Am Nachmittag war die Idee, sich mit etwas Neuem zu befassen, um nicht zu lange an einem Projekt zu verweilen. Wir versuchten mittels einem Lichtschrankensensors ein LED Ring zu steuern. Den Anschluss des Sensors bereitete uns kaum Schwierigkeiten. Jedoch gelang es uns nicht, mit den Signalen des Sensors das Relais für den Ring anzusteuern. Auch Messungen durch das Multimeter lieferten uns keine Informationen, woran es scheiterte.

Um 14:00 Uhr hatten wir die Gelegenheit mit dem Gründer (Greg Gage) von Backyard Brains per Skype Kontakt aufzunehmen. Er beantwortete die von den Studenten auf der Webseite gestellten Fragen. (Link zu den Fragen: Q & A with Greg - Backyard Brains 2019)

Einer der Gründe, wieso medizinische Geräte so teuer sind, ist wahrscheinlich der Grund, dass es in den Staaten extrem kostspielig ist, ein neues Gerät prüfen zu lassen, um es überhaupt als medizinisches Gerät verkaufen zu dürfen. Die Idee für die Unternehmung entstand während Greg an einer Universität studierte. Der Ursprung basiert auf einer Zombie-Apokalypse, in der sich die Leute selber helfen müssten und somit in der Lage sein sollten, die benötigten Geräte selber herzustellen.

Tag 5

Am Freitag Morgen gelang es uns die Signale des Lichtschrankensensors auszulesen, jedoch bestanden sie quasi nur aus Rauschen, auch wenn die LED Anzeige auf dem Sensor scheinbar richtig funktionierte. Den Rest des Morgens verbrachten wir damit, ein Gehäuse für den LED Ring sowie ein Verstauort für das Akkupack und das Arduino zu bauen. Die Intensität des Lichts, dass der LED Ring von sich gibt, war so gross, dass es in den Augen schmerzte. Um dieses Problem zu lösen, entschieden wir uns, die Plexiglasscheibe, die als Abdeckung dient, zu gravieren.

Tag 6

Experimente

Muscle SpikerShield DIY v2

Jede Gruppe erhielt von den Dozierenden ein "Muscle Spiker Shield". Dieses Modul sollte als Gruppe erarbeitet

Skill-Share Session

Den Studierenden wurden grüne und Orange Zettel verteilt. Grün für beherrschte Fähigkeiten (Skills) und Orange für Fähigkeiten die man sich aneignen möchte. Auf dem SkillShare Board wurden diese gesammelt und sortiert. Daraus ergaben sich 12 Share's. Jede Gruppe bietet während der Blockwoche einen Kurs (Share Session) an. Die Studierenden können sich für beliebig viele Kurse einschreiben. Die Gruppe Bärenbrüder bietet am Tag 3 den Kurs LaTex an.

Weitere Infos zu Skill Share Sessions siehe BreakOut Methoden.

LaTex ist ein Softwarepaket, das die Benutzung des Textsatzsystems TeX mit Hilfe von Makros vereinfacht. LaTeX liegt derzeit in der Version 2ε vor. LaTeX wurde Anfang der 1980er Jahre von Leslie Lamport entwickelt.[3] Der Name bedeutet so viel wie Lamport TeX. Die Entwicklung wurde seit den 1990er Jahren von einer Anzahl Entwicklern weitergeführt. Heute ist LaTeX die populärste Methode, TeX zu verwenden. (Wikipedia [6])

Projekt

Einleitung

Als Grundlage für unser Projekt im Rahmen der Blockwoche Do It Yourself – Medizintechnik (DIY) dient ein Arduino Uno und das Modul «Muscle Spiker Shield v2.11» von backyardbrains.com.

Link: https://backyardbrains.com/products/musclespikershield .


Was ist das «Muscle Spiker Shield v2.11» und was kann es ?

Das «Muscle Spiker Shield v2.11» ist ein Elektronikbausatz welcher in Zusammenarbeit mit einem Arduino Uno den Anwender dazu befähigt, Muskelkontraktionen mit Hilfe von Body-Elektroden als elektrische Signale zu erfassen (EMG = Elektromyographie) und weiter zu verwenden.


Was ist EMG (Elektromyographie) ?

Bei der Elektromyographie (EMG) wird die Muskelaktivität anhand elektrischer Signale ermittelt. Genau genommen handelt es sich in unserem Fall um ein Oberflächen-EMG. Das heisst, die Elektroden werden auf die Hautoberfläche, über der zu messenden Muskelgruppe, aufgeklebt und nicht wie beim intramuskulären-EMG in das Muskelgewebe eingeführt.


Exkurs: Wie funktioniert ein Muskel ? Kurz und einfach ausgedrückt, wird ein Muskel bzw. eine Muskelzelle durch ein elektrisches Signal zur Kontraktion angeregt. Wer es genau wissen möchte, hier der Link zur ausführlichen Beschreibung:

Link: https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/emg1.htm.


Und wie funktioniert nun das EMG ?

Nun, die Quelle für das EL-Signal ist das sogenannte (Zell-)Membranpotenzial welches zwischen dem inneren der Muskelzelle gegenüber seiner äusseren Umgebung ungefähr -70mV beträgt. Dieses Membranpotenzial wird auch Ruhepotential genannt und wie der Name es schon sagt, besteht dieses bei der ruhenden Zelle. Wird die Muskelzelle nun zur Kontraktion angeregt, steigt das Membranpotential sprunghaft auf ca. +30mV an. Die Amplitude des Signals beträgt somit bis zu 100mV. Die effektiv an der Hautoberfläche messbare Spannung beträgt aber nur ungefähr 50 µV bis 100µV. Dies aufgrund des Körper- / Gewebe-Innenwiderstandes.


Bedeutung für unser Projekt

Während der DIY-MedTech Blockwoche möchten wir nun eine Entwicklung generieren bei welcher wir die oben gewonnen Erkenntnisse in einem möglichst sinnvollen Kontext anwenden können.


Unser Projekt: Prototyp 1

Unser Protoyp 1 ist ein Funktionsmuster einer LED-Lampe welche durch Muskelkontraktion an- / ausgeschaltet werden kann. Wir haben dazu ein Arduino Uno inkl. Muscle Spiker Shield und einen Neo-LED-Ring verwendet. Die Lichtfarbe des LED-Ringes kann mittels Spannungsveränderung geregelt werden. In unserem Anwendungsfall wollten wir allerdings ein helles/weisses Licht erzeugen. Dazu verwendeten wir keine Spannungssteuerung sondern einen fixen Digitalen Output mit 5V. Da an diesem Output der max. Strom sehr schwach ist (ca. 20mA) haben wir den LED-Ring über ein gesteuertes Relay gespiesen. Als Steuersignal verwendeten wir die elektrische Muskelaktivität von verschiedenen Muskeln. Unter anderem am Unterarm sowie die Muskeln über den Augenbrauen. Schlussendlich ist uns gelungen, den LED-Ring mittels Stirnrunzeln den LED-Ring ein- und auszuschalten. Das grösste Problem war das erstellen des Arduino-Codes, damit beim ersten Runzeln der Stirn der LED-Ring eingeschaltet wird und beim zweiten Runzeln der Stirn der LED-Ring wieder ausgeschaltet. Folgender Code hat unser Problem gelöst:


#define NUM_LED 6  //sets the maximum numbers of LEDs
#define MAX 600     //maximum posible reading. TWEAK THIS VALUE!!
int reading[10];
int finalReading;

int state = LOW;
int laststate = LOW;

byte litLeds = 0;
byte multiplier = 1;
byte leds[] = {8, 9, 10, 11, 12, 13};

void setup(){
  Serial.begin(9600); //begin serial communications
  for(int i = 0; i < NUM_LED; i++){ //initialize LEDs as outputs
    pinMode(leds[i], OUTPUT);
    pinMode(4, OUTPUT);
  }
}

void loop(){
  for(int i = 0; i < 10; i++){    //take ten readings in ~0.02 seconds
    reading[i] = analogRead(A0) * multiplier;
    delay(2);
  }
  for(int i = 0; i < 10; i++){   //average the ten readings
    finalReading += reading[i];
  }
  finalReading /= 10;
  for(int j = 0; j < NUM_LED; j++){  //write all LEDs low
    digitalWrite(leds[j], LOW);
  }
  Serial.print(finalReading);
  Serial.print("\t");
  finalReading = constrain(finalReading, 0, MAX);
  litLeds = map(finalReading, 0, MAX, 0, NUM_LED);
  Serial.println(litLeds);
  for(int k = 0; k < litLeds; k++){
    digitalWrite(leds[k], HIGH);
  }
  //for serial debugging, uncomment the next two lines.
  //Serial.println(finalReading);
  //delay(100);

  //--------------------------------------------------

  /*digitalWrite(4, HIGH);
  delay(3000);
  digitalWrite(4, LOW);
  delay(1000);
  */
if ( finalReading <= 300 )
{
  state = LOW; 
}
else
{
  state = HIGH;
}
if (state == HIGH && laststate == LOW)
{
  if (digitalRead(4) == HIGH )
  {
    digitalWrite(4, LOW);
  }
  else
  {
    digitalWrite(4, HIGH);
  }
  laststate = HIGH;
}

if (state == LOW && laststate == HIGH)
{
  laststate = LOW;
}
  /*
  if(finalReading > 250)
  {
    digitalWrite(4, LOW);
    //delay(1000);
  }
  else
  {
    digitalWrite(4, HIGH);
    //delay(1000);
  }
  */

  //--------------------------------------------------
  
}


Prototyp 1 DIY.jpeg

Unser Projekt: Prototyp 2

Reflexion

Die Blockwoche Medizintechnik DIY ist bei allen Teammitgliedern sehr gut angekommen. Das Arbeiten ohne genaue Aufgabenstellen war am Anfang sehr ungewohnt. Sobald wir uns mit dem Arduino angefreundet haben, konnten wir einige Experimente selbständig durchführen. Für das gelingen der Experimente waren auch die Skill Share Sessions verantwortlich. Das ganze Team hat die Sessions mit grosser Begeisterung besucht. Die Sessions 3D-Druck, Laser Cutting und Löten hat unserer Gruppe am besten gefallen. Das Team Bärenbrüder bedankt sich bei den unterstützenden Dozenten für die lehrreiche Woche. Das erlernte Wissen können wir sicher in unserem Berufsleben noch einmal anwenden.

Epilog

"It takes half of your life before you discover life is a do-it-yourself project, Napoleon Hill"

"Mit meiner Hilfe kannst du tanzen, Gin Tonic"