Team Hacker

Kurzbeschreib des Moduls Medizintechnik DIY

Die Verantwortlichen des Moduls beschreiben es auf der Wikiseite Medizintechnik DIY folgendermassen: "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."

Das Modul findet mehrheitlich im FabLab der Hochschule Luzern statt, wo die Studenten ihrer Kreativität freien Lauf lassen können. Die Verantwortlichen geben nur wenige Vorgaben, damit möglichst viele verschiedene Prototypen entstehen bis am Ende der Woche. Organisierte und geplante Skill Share Sessions ermöglichen einen Austausch von Fachkenntnissen, sodass alle Teilnehmer die Woche mit neu gewonnenem Wissen verlassen.

Team

Das Team Hacker besteht aus vier Studenten der Studienrichtungen Wirtschaftsingenieur, Maschinentechnik und Medizintechnik. Sie befinden sich in verschiedenen Semestern und haben sich für dieses Modul als Blockwoche eingeschrieben. Durch die Interdisziplinarität entsteht ein breites Wissen in verschiedenen Fachgebieten, sodass sich die Studenten gegenseitig weiterhelfen können.

Bissig Christian | Wirtschaftsingenieur

Gnos Marco | Maschienentechnik

Kaufmann Michaela | Medizintechnik

Schnider Patrick | Wirtschaftsingenieur

Teamevent

Um den Kopf zu verlüften und neue Ideen zu sammeln, machte das Team einen Teamevent. Sie spielten zwei gegen zwei im Tischfussball. Dies hat den Teamzusammenhalt gefördert und Spass gemacht. Die bessere Zweiergruppe hat gewonnen.

Backyard Brains Experimente

Muscle SpikerShield Experiment

Mittels dem Muscle SpikerShield von Backyard Brain und dem Mikrocontoller Arduino will die Gruppe die elektrische Muskelaktivität messen. Zunächst mussten alle benötigten Komponenten auf das Muscle SpikerShield gelötet werden. Dabei ist die Gruppe nach der Anleitung vorgegangen. Sie hat die Löthalterung auf der Abbildung unten links ausprobiert, aber schnell gemerkt, dass sich diese nicht gut eignet, da sie nicht sehr stabil ist. Deswegen haben sich zwei Gruppenmitglieder abgewechselt mit Löten und Halten des Shields. Dieses Vorgehen ist auf der rechten Abbildung unten zu sehen. Obwohl die Gruppenmitglieder keinerlei Erfahrung im Bereich des Lötens mit sich brachten, hat es sehr gut funktioniert. Lediglich einmal musste eine Komponente neu angelötet weden und einmal gab es ein Kontakt des Lötzinns, der aber wieder entfernt werden konnte.

Auf das Arduino wurde der Code led_strip2014 geladen. Das vollständige SpikerShield wurde dann auf das Arduino gesteckt. Ein Gruppenmitglied klebte zwei Elektroden auf den Bizeps und verkabelte diese mit dem SpikerShield. Schliesslich konnte die Muskelaktivität nachgewiesen werden. Die LED-Lämpchen auf dem Shield beginnen zu leuchten, sobald der Bizeps kontrahiert wird und hören wieder auf, wenn der Muskel entspannt wird. Die Sensitivität des SpikerShields musste manuell auf dem Shield eingestellt werden. Der Ablauf des Experiments ist dem nachfolgenden Video zu entnehmen.

Muscle SpikerShield Experiment

Heart and Brain SpikerShield Experiments

Mit diesen Experimenten soll es möglich sein, die Potenziale des Herzens und des Hirns zu visualisieren und aufzunehmen. Für diese Experimente muss das Heart and Brain SpikerShield wie rechts abgebildet auf das Arduino Board montiert werden. Beim Brain SpikerShield musste nicht selbst gelötet werden. Das Shield wurde bereits fertig geliefert, sodass der Aufbau durch das Zusammenstecken mit dem Arduino sehr einfach war.

Brain Waves Experiment

Mit diesem ersten Experiment wurde versucht, die Hirnströme zu messen und in einem Elektroenzephalogramm (EEG) darzustellen. Dies gibt Aufschluss über die Aktivität des Gehirns. Dazu werden die Spannungsschwankungen an der Oberfläche des Kopfes gemessen und mit der Software BYB Spike Recorder aufgezeichnet. Die Elektroden befanden sich wie auf dem Bild zu sehen hinten am Kopf und wurden mit dem Elektroden-Gel befeuchtet. Leider hat das Experiment auch nach mehrmaligem Probieren nicht funktioniert. Möglicherweise lag es an den Haaren, die den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Haut verhinderten. Eine andere Fehlerquelle könnte sein, dass zu viele Störsignale der Umgebung aufgenommen wurden und deswegen die kleinen Änderungen der Signale der Hirnströme nicht sichtbar waren. Vielleicht hat die Gruppe auch falsche Einstellungen an der Software getroffen.

Heartbeat Experiment

Mit dem zweiten Experiment wurde versucht, die Herzschläge zu messen und in einem Elektrokardiogramm (EGK) darzustellen. Dies gibt Aufschluss über die Aktivität des Herzens. Dazu werden die Spannungsschwankungen an der Hautoberfläche gemessen und mit der Software BYB Spike Recorder aufgezeichnet. Die Elektroden wurden wie auf den Bildern zu sehen an den Handgelenken und auf dem Handrücken angeklebt, da der Puls dort einfach zu messen ist. Die erste Messung geschah im Ruhezustand. Dann bewegte sich der Proband, bevor die zweite Messung gemacht wurde. Er lief mehrmals hintereinander die Treppe hoch und runter. Der Unterschied war deutlich zu erkennen. Bei der zweiten Messung hat das Herz schneller geschlagen und es gab mehr Ausschläge pro Minute. Das Experiment hat sehr gut funktioniert und die Resultate sind nachvollziehbar. In den Abbildungen unten sind die Herzschläge zu sehen, die mit der Software aufgezeichnet wurden.

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  Elektroden auf den Handgelenken

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  Elektroden auf Handgelenk und Handrücken

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  Puls im Ruhezustand

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  Puls nach Bewegung

Eye Movementment Experiment

Mit der Elektrookulografie (EOG) kann die Bewegung der Augen gemessen werden. Dazu werden Schwankungen des Potentials auf dem Netzhaut gemessen und mit der Software BYB Spike Recorder aufgezeichnet. Zwei Elektroden wurden links und rechts der Augen und eine hinter dem Ohr angeklebt. Dann schaute der Proband abwechselnd mit beiden Augen nach rechts und nach links. Beim Wechsel der Richtung schlägt die Kurve auf dem Computer wie auf der Abbildung unten dargestellt aus. Sie springt nach oben, wenn der Proband nach links schaut und nach unten, sobald er nach rechts schaut. Das Experiment hat sehr gut funktioniert.

Skill Share Sessions

Studenten bringen ihr Fachwissen eines Themengebietes anderen interessierten Studenten bei. Die folgenden Kurse wurden vom Team Hacker besucht:

Arduino Basics

Der Arduino ist ein Mikrocontroller mit Ein- und Ausgängen. Auf einen Arduino kann genau ein Programm geladen werden. Im Workshop haben wir die Arduino-Software heruntergeladen und einige Programme ausprobiert. Zum Beispiel wurde als erstes Pogramm "Blink" verwendet, um das LED-Lämpchen auf dem Arduino-Shield alternierend zum Leuchten zu bringen.

Mehr dazu: DIY-MedTech Arduino Basics - Team Tamberg

Bread Boarding

Bei dieser Skill Share Session wurden die Grundlagen von elektrischen Schaltkreisen angeschaut. Es wurde weniger darauf geschaut theoretische Inhalte im Detail anzuschauen. Hauptsächlich wurden praktische Erfahrungen mit elektrischen Komponenten und Schaltkreisen gesammelt. LED's, Widerstände, Kondensatoren und Spannungsquellen wurden auf Prototyplatten zusammengeschaltet.

Photoshop

Es gab einen Crashkurs zum Thema Photoshop. Die Studenten, welche ihn leiteten zeigten mit ihrem Fachwissen nützliche Tipps um das Programm noch effizienter nutzen zu können. Alle Besucher des Kures brachten bereits erste Erfahrungen zum Thema mit. Die wichtigsten Funktionen wurden noch einmal erläutert und es gab viele Aha-Momente.

Mehr dazu: DIY-MedTech Photoshop - Team Lion

3D Druck

Beim 3D-Druck können Gegenstände gedruckt werden, indem ein Material schichtweise aufgetragen wird. In dem Workshop wurden die Grundlagen der 3D-Druck-Technik erklärt. Beispielsweise gibt es verschiedene Arten von 3D-Druck wie Extrusion, pulverbasiert, Harze oder Jetting. Zudem hat ein Mitstudent erklärt, wie man eine STL Datei mit dem Slicer in eine druckbare Datei umwandelt.

Mehr dazu: DIY-MedTech 3D Druck - Team Dr. Octopus

Laser Cutter

Der Laser Cutter kann sehr gut MDF-Platten, Sperrholz-Platten und Plexiglas-Platten durchtrennen. Am besten macht man als Student eine Zeichnung in einem CAD Programm. Diese fügt man in den Adobe Illustrater ein, um die Datei vorzubereiten, die auf den Laser Cutter geladen wird. Schliesslich muss der Koordinatenursprung des Lasers auf der Platte eingestellt werden, bevor das Teil ausgeschnitten werden kann.

Mehr dazu: DIY-MedTech Laser - Team CreateIt

Roboter

Das Thema Roboter wird von der Gruppe Hacker vorgestellt.

Mehr zum Thema steht auf der Seite DIY-MedTech Roboter Basics - Team Hacker.

Prototyping

Mitsubishi Movemaster EX Roboter

Da sich die Mitglieder des Teams Hacker für Roboter interessieren, entschieden sie sich diese Woche dafür zu nuten um dieses Thema zu erforschen. Mit gegenseitiger Unterstützung eigneten sich die vier Studenten während sechs Tagen ein Grundwissen in diesem Bereich an. Um nicht nur trockene Theorie zu büffeln, durfte die Gruppe den zur Verfügung gestellten Roboter "Mitsubishi Movemaster EX" auseinandernehmen, neu verkabeln und versuchen mit eigenen Arduino Bords anzusteuern. Die Bilder rechts zeigen die ersten Arbeiten am Greifarm.

Die ersten Testbewegungen am Roboterarm erfolgten noch ohne Arduino-Ansteuerung. Der Motor für die Grundrotation liess das Team lediglich durch eine simple Einspeisung mit dem Labor-Netzgerät einseitig drehen. Nach erfolgreicher Einspeisung des Motors für die Drehbewegung des Grundaufbaus, testete das Team die Funktionalität der weiteren Drehachsen sowie des Greifers.

Im weiteren Vorgehen folgten parallel zwei Aufträge. Einerseits starteten die ersten „Programmier-Gehversuche“ des Arduinos, andererseits mussten die diversen Kabelstränge zu den einzelnen Motoren zugeordnet werden. Beim Entwirren der einzelnen Litzenpaare musste als erstes der passende Motor und anschliessend die Zuteilung für die Vor- und Rückbewegung evaluiert werden.

Im nächsten Schritt schlossen die Mitglieder des Teams Hacker Litze um Litze am „Motor Shield v 2.0“ von Arduino an. Im Video „Mitsubishi Movemaster EX gesteuert von Arduino mit MotorShield“ ist die erste selber programmierte Bewegung dokumentiert.

Mitsubishi Movemaster EX Bewegung um Z-Achse bzw. um vier Achsen

Das genutzte Board verfügt über vier Klemmen für die Ansteuerung von verschiedenen Motoren. Dies erlaubte dem Team damit acht Bewegungsabläufe in Betrieb zu nehmen. Bewegungsumfang und Greifintensität der einzelnen Gelenke konnten mit einigen Testläufen und einem ersten Probe-Programm herausgefunden werden.

Diese Tests führten zu einem erweiterten Code, welche die Funktionalität und den Einsatz des Greifarms zeigt. Im Video „Mitsubishi Movemaster EX gesteuert von Arduino mit MotorShield“ ist ein simples versetzen eines Gegenstands mit Hilfe des Roboterarms dokumentiert.

Motiviert durch diesen ersten erfolgreichen Ablauf von Motorbewegungen, baute die Gruppe weitere Funktionen ein. Neu verdrahtete das Team zusätzlich ein „Muscle SpikerShield“ sowie ein weiteres „MotorShield“ in das System. Das verfolgte Ziel lag darin, einzelne Bewegungen durch Muskelbewegungen anzuregen. In den folgenden drei Videos („Drehung der z-Achse mit Muskel“, „Drehung K-L-Achse mit Muskel“, „Greifer mit Muskel gesteuert“) sind die ersten Schritte der Befehlsgabe an die Motoren durch Muskelinpulse gezeigt.

Ansreuerung verschiedener Achsen mit Muskelimpulsen

Diese Teilschritte konnten schlussendlich in einen bereits erfolgreich getesteten Bewegungsablauf integriert werden. Dabei konnte die Greifbewegung nach dem automatischen Positionieren des Roboterarms durch Schliessen der menschlichen Hand bewerkstelligt werden (siehe Video „Mitsubishi Movemaster EX" gesteuert von Arduino und Muskelimpuls“).

Mitsubishi Movemaster EX gesteuert von Arduino und Muskel

Mit diesem finalen Prototyp konnte die Gruppe Hacker zeigen, wie es heute möglich ist, Roboterfunktionen in menschliche Bewegungen einzubinden. Da Roboter ruhigere Bewegungen kombiniert mit grösseren Kräften als der Mensch vollziehen können, sind Einsätze solch gesteuerter Roboter heutzutage sehr empfehlenswert.

Arduino Code

Der verwendete Arduino Code, um den Roboter zu steuern finden Sie auf der Seite Arduino Code für Mitsubishi Roboter.

Fieberthermometer

Nicht alle Gruppenmitglieder haben am Roboter weitergearbeitet. Zwei haben Ideen für einen zweiten Prototypen gesucht. Sie haben den Temperatursensor rechts im Bild an eine Spannungsquelle geschlossen und mit 12V Spannung ausprobiert. Der Sensor hat auf Änderungen der Temperatur in seiner Umgebung reagiert, jedoch war nicht klar, ob der Sensor genau die richtige Temperatur anzeigte. Die Idee war es dann, mithilfe dieses Sensors ein Fieberthermometerband zu entwickeln. Bei herkömmlichen Fieberthermometer, die die Temperatur unter den Achseln messen, muss man das Fieberthermometer für eine bestimmte Zeit unter der Achsel einklemmen. Für einige Patienten ist das eine Anstrengung oder ein unangenehmes Gefühl. So dachte sich die Gruppe, dass es eine gute Idee wäre, ein Schulterband zu entwickeln, an dem der Temperatursensor befestigt ist. So kann man das Band um die Schulter anziehen und das Band wiederum zieht den Sensor in die Achsel. So muss der Arm nicht während der gesamten Messung nach unten gedrückt werden. Das Display könnte an einer Verlängerung etwas weiter unten am Arm befestigt werden, sodass der Patient darauf blicken kann. Die Idee wurde verworfen. Die Stelle unter dem Arm müsste immer frei und über das Band zugänglich sein. Das setzt voraus, dass die Person ein Kleidungsstück trägt, das bis über die Schulter zurückgekrempelt werden kann. Zudem braucht das Band inklusive Anzeigedisplay mehr Platz zum Verstauen als ein herkömmliches Fieberthermometer und die Anwendung ist doch etwas komplizierter. Die Gruppe dachte sich, dass die Patienten dann doch lieber den Arm während der Messung an den Körper drücken, als das imaginäre Band zu verwenden.

Getränkehalter an Krücke mit Temperaturmesser

Weil an Krücken gebundene Personen keine freie Hand mehr zur Verfügung haben, ist es ihnen nicht möglich, ohne Rucksack/Tasche ein Getränk mitzunehmen. Deshalb hat die Gruppe Hacker einen Getränkehalter für Krücken entworfen. Das Grundgerüst besteht aus 3mm dicken Teilen, die mit dem Laser Cutter im FabLab der HSLU aus MDF Platten ausgelasert wurden. Dazu wurde von den entsprechenden Teilen zuerst ein CAD Modell erstellt. Mit den daraus abgeleiteten Zeichnungen konnte eine Datei abgeleitet werden, die schliesslich laserbar war. Die Teile wurden zuerst, ohne sie zu befestigen, an ihre vorbestimmte Position gehalten oder zusammengebaut. Dies ist auf den beiden Bildern rechts zu sehen. Da es sich lediglich um einen funktionalen Prototypen handelt, wurde dann das Grundgerüst mit Heissleim fixiert. Eine Querstrebe aus Aluminium verleiht der Konstruktion Stabilität. Sie ist mit Schrauben an der Krücke befestigt und stützt den Boden. Erste Tests zeigten, dass durch die Gehbewegung möglicherweise etwas von dem Inhalt der Dose ausgeschüttet wird, wenn diese ganz voll ist. Deswegen hat die Gruppe entschieden, noch einen Deckel zu konstruieren. Zudem hat sich die Gruppe in einem vorherigen Versuch mit einem Temperatursensor auseinandergesetzt und sich mit dessen Funktionsweise angefreundet. Es kam die Idee, dass man den Prototypen mit dem Sensor erweitern könnte, sodass die Temperatur des Getränkes noch gemessen werden kann. Durch das Tempmess-Shield wird die gemessene Temperatur auf einem Display angezeigt. Auf dem Deckel (ebenfalls aus MDF) befindet sich also das Tempmess-Shield. Der dazugehörige Temperatursensor befindet sich am Ende eines Kabels und kann mit einem Magneten an der Halterung befestigt werden. Diese, auf den Deckel geschraubte Halterung, kann mit einem kurzen Handgriff zur Seite geschoben werden (siehe Video: Getränkehalter mit Temperaturmessung für Krücken). So ist es möglich, entweder die Temperatur des Getränkes zu messen oder dieses aus der Halterung zu nehmen. Die Spannungsquelle für das Tempmess-Shield liefert momentan noch eine Powerbank. Diese kann in der Hosentasche mitgetragen werden (wie im zweiten Bild von links dargestellt). Der Prototyp ist noch nicht ausgereift, aber kann funktioniert vollständig und kann ausprobiert werden. Würde der Prototyp weiterentwickelt werden, wäre ein nächster Schritt sicherlich die Spannungsversorgung über eine Batterie, die am Krückenstock befestigt werden könnte.

Getränkehalter mit Temperaturmessung für Krücken

Schwierigkeiten

Da für das Befestigen des Grundgerüstes nur Heissleim verwendet wurde, liess die Verbindung einmal nach. Dies stellte aber keine grosse Herausforderung dar. Das FAB LAB, in welchem die Blockwoche stattgefunden hat, war nicht komplett mit den mechanischen Werkzeugen einer Polymechaniker Werkstatt ausgerüstet. Daher musste bei einigen Arbeitsschritten improvisiert werden. Da es sich lediglich um einen Protoypen handelt, welcher auch nicht perfekt sein muss, spielte dies keine Rolle. Das Messen der Temperatur mit dem Temperatur-Messure-Shield und Sensor klappte recht gut. Obwohl es noch Abweichungen festgestellt wurden. Leider gab es bei der Stromversorgung noch etwas Wackelkontakt. Dieser müsste in einem weiteren Schritt behoben worden.

LASERN

Weiterführende Links

Arduino

Arduino - Open Source Elektronik Platform mit einfach zu bediender Hard und Software
https://www.arduino.cc/

Backyard Brains

Backyard Brains - Neuroscience For Everyone!
https://backyardbrains.com/

Backyard Brains - Muscle SpikerShield
Maschinen, Elektronik und Prozesse steuern über die elektrische Aktivität deiner Muskeln
https://backyardbrains.com/products/muscleSpikerShield
DIY Version
https://backyardbrains.com/products/diyMuscleSpikerShield

Heart and Brain SpikerShield Bundle
Mit dem Brain SpikerShield kannst Du actions Potentiale deines Herzen und Hirn (EEG/EKG) visualisieren und aufnehmen.
https://backyardbrains.com/products/heartAndBrainSpikerShieldBundle

Backyard Brains - Experimente
https://backyardbrains.com/experiments/

Hackteria

Hackteria - Globales Netzwerk und Webplaform für Open Source Biological Art, DIY Biology, Generic Lab Equipement

https://www.hackteria.org/

HSLU

Hochschule Luzern
https://www.hslu.ch/de-ch/

Medizintechnik - Experten an der Schnittstelle von Technik und Medizin
https://www.hslu.ch/de-ch/technik-architektur/institute/medizintechnik/

Innovation und Technologiemanagement - Gemeinsam überzeugt die Zukunft gestalten
https://www.hslu.ch/de-ch/technik-architektur/institute/innovation-und-technologiemanagement/

Maschinen- und Energietechnik - Innovationstreiberin an der Schnittstelle der Ingenieursdisziplinen
https://www.hslu.ch/de-ch/technik-architektur/institute/maschinen-und-energietechnik/

Löt(l)en

Soldering is easy
https://mightyohm.com/files/soldercomic/FullSolderComic_EN.pdf

Roboter

Roboter Basics von Team Hacker

https://www.hackteria.org/wiki/DIY-MedTech_Roboter_Basics_-_Team_Hacker