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Biomechatronik

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Biomechatronik

Die Forschungsgruppe arbeitet interdisziplinär in Forschung und Lehre auf den Gebieten (Bio-)Mechanik, Elektronik, Sensorik, Signalverarbeitung, Software und Simulation. In enger Kooperation mit klinischen Anwendern und Herstellern werden unter Beachtung regulatorischer Rahmenbedingungen medizintechnische Produkte und Systeme für Diagnostik und Therapie entwickelt. Folgende Anwendungsfelder bilden die Schwerpunkte in der angewandten Forschung:

  • Analyse komplexer menschlicher Bewegungsabläufe durch Sensorik, Simulation und Bewegungsanalyse 
  • Individualisierte Medizintechnik für Rehabilitation und Prävention
  • Intelligente Implantat-Technologien für die Osteosynthese und Tumortherapie
  • Patientenindividualisierte Auslegung und -anfertigung von Prothesen
Ansprechpartner:
Institut für Medizintechnik und Mechatronik

Corona - Maskenprojekt

Effiziente und schnelle Herstellung leistungsfähiger Atemschutzmasken in der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik – ausgestattet mit Sonderbudget der Technischen Hochschule Ulm.

Initiiert durch die Forschungsgruppe Biomechatronik wurde an der THU eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe zusammengestellt, um ein Konzept wiederverwendbarer, partikelfiltrierender Atemschutzmasken auf FFP2-Niveau zu entwickeln. Die Masken sollen mit handelsüblichen Stoffen/Materialien hoher Verfügbarkeit und 3D-Druckbauteilen auch im Eigenbau herstellbar sein. Ein entsprechendes Anforderungsprofil wird mit Medizinern der Uniklinik Ulm sowie niedergelassener Allgemeinarztpraxen erstellt. Eigene Prüfstandaufbauten werden für die Materialvorauswahl und Testung von Protoypen genutzt. Gleichzeitig werden Kooperationspartner insbesondere für die Prüfung gesucht mit Kompetenzen in den Gebieten Filterstoffe, 3D-Druck sowie Prüfverfahren im Zusammenhang mit dem Prüfgrundsatz für Corona SARS-Cov-2.

Das Projekt ist mit den Aktivitäten der Gläsernen Lunge verzahnt (Ansprechpartner: Prof. Heiko Peuscher).

Kontakt: Prof. Thomas Engleder, Prof. Felix Capanni, Prof. Schneider, Prof. Andreas Häger, Prof. Martin Hessling


Projektberichte

1) Atemwiderstand und Filterleistung haushaltsüblicher Filtermaterialien

2) Maskenprüfstand zur Bestimmung des Atemwiderstandes und der (indirekten) Gesichtsleckage

3) Atmungsaktivitäten haushaltsüblicher Filtermaterialien

4) Zugprüfung haushaltsüblicher Filtermaterialien



1) Atemwiderstand und Filterleistung haushaltsüblicher Filtermaterialien

(Stand 30.04.2020 – spätere Aktualisierung vorbehalten)

 

1. Einleitung

Vor dem Hintergrund der weltweiten Ausbreitung des Coronavirus SARS-CoV2 steigt die Nachfrage nach Atemmasken nicht nur für medizinisches Personal. In einer Vielzahl von Bastel- und Nähanleitungen zur Herstellung sogenannter Community- oder DIY-Masken wird die Verwendung haushaltsüblicher Filterstoffe wie Kaffeefilter oder Staubsaugerbeutel empfohlen. Wichtige Anforderungen an derartige Materialien stellen die Filterleistung, Luftdurchlässigkeit, toxikologische Unbedenklichkeit sowie eine gewisse Stabilität der Stoffe dar. Dieser Beitrag liefert einen Überblick zu Messungen des Atemwiderstandes und der Filterleistung (Aerosol-Durchlass) an ausgewählten Filterstoffen. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zusammenstellung rein informativer Art ist und keine Handlungsempfehlung darstellt.

2. Versuchsdurchführung

Die Prüfung von Flachfiltermaterialien hinsichtlich Atemwiderstand und der Durchlässigkeit eines Paraffinöl-Prüfaerosols erfolgte durch die Firma LORENZ Meßgerätebau GmbH & Co. KG in Anlehnung an DIN EN 149 [1] bzw. DIN EN 13274-7 [2] in einem Atemmaskenprüfsystem vom Typ FMP03/04. Die Messungen wurden bei einem Volumenstrom von 30 l/min und einer Prüffläche von 100 cm² durchgeführt, woraus sich eine Strömungsgeschwindigkeit von 50 mm/s ergibt.

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3. Ergebnis/Fazit

Die Filterleistung von Staubfiltrationsbeutel wird typischerweise mit Prüfstäuben bei hohen Volumendurchsätzen geprüft und klassifiziert, während an partikelfiltrierende Halbmasken nach DIN EN 149 Anforderungen hinsichtlich der Durchlässigkeit von Aerosolen gestellt werden. Da diese Spezifikationen nicht miteinander vergleichbar bzw. übertragbar sind, soll hier ein Beitrag zur Frage geleistet werden, in wie fern die Anforderungen der DIN EN 149 hinsichtlich Atemwiderstand und Aerosol­durch­lässigkeit durch hochverfügbare Filterstoffe aus der Staubfiltration erfüllt werden können.

In Abb. 2 sind exemplarisch die Messungen an zwei haushaltsüblichen sowie zwei industrietypischen Staubfiltrationsbeuteln für Geräte der Schutzklassen M und H nach DIN 60335-2-69 [3] und eines HEPA-Filters der Klasse H14 nach DIN EN 1822-1 [4] dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Vorgaben und Prüfbedingungen der DIN EN 149 auf die Prüfung fertiger Halbmasken, nicht jedoch auf die Prüfung von Flachfiltermaterialien beziehen. Da die Prüfbedingungen (u.a. verwendetes Prüfaerosol, Strömungsverhältnisse, Prüfzeiten) jedoch in enger Anlehnung an diese normativen Vorgaben gewählt wurden, scheint ein Abgleich mit den normativen Grenzwerten, wie sie in Abb. 2 für Masken der Klassen FFP1-3 für einen Volumendurchsatz von 95 l/min verzeichnet sind, unter Vorbehalt möglich. Unter Annahme einer direkten Übertragbarkeit der Messergebenisse auf fertig konfektionierte Atemmasken, erfüllen alle getesteten Staubfiltrationsbeutel die Anforderungen hinsichtlich des maximal zulässigen Atemwiderstandes. Auch gibt es unter den verfügbaren Filtertüten durchaus Vertreter, welche die Anforderungen hinsichtlich des Durchlassgrades der Klassen FFP 1 & 2 erfüllen. Dies gilt jedoch nicht allgemeingültig für alle verfügbaren Produkte, sondern hängt stark von der Art und Anzahl der verwendeten textilen Einzellagen ab und bedarf stets der individuellen Prüfung. Ein HEPA-Filter weist hingegen einen solch geringen Aerosoldurchlass auf, dass das Niveau einer FFP3-Maske erreicht werden könnte. Allerdings weisen diese Stoffe einen extrem hohen Atemwiderstand auf. Unabhängig davon sei darauf hingewiesen, dass die Auswahl eines Filterstoffs für Behelfsmasken immer unter Einbeziehung aller einleitend genannten Gesichtspunkte erfolgen sollte.

4. Quellenverweise

[1]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 149:2009-08 „Atemschutzgeräte –

Filtrierende Halbmasken zum Schutz gegen Partikeln – Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung (Deutsche Fassung EN 149:2001+A1:2009)"

[2]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 13274-7:2019-09 „Atemschutzgeräte –
Prüfverfahren – Teil 7: Bestimmung des Durchlasses von Partikelfiltern (Deutsche Fassung EN 13274-7:2019)"

[3]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 60335-2-69 (VDE 0700-69): 2015-07 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke –
Teil 2-69: Besondere Anforderungen für Staub- und Wassersauger für den gewerblichen Gebrauch (IEC 60335-2-69:2012, modifiziert); Deutsche Fassung EN 60335-2-69:2012"

[4]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 1822-1:2019-10 „Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA) – Teil 1: Klassifikation, Leistungsprüfung, Kennzeichnung (Deutsche Fassung EN 1822-1:2019)"


5. Kontakt:

Technische Hochschule Ulm
Fakultät Mechatronik und Medizintechnik
Prof. Dr.-Ing. Andreas Häger
andreas.haeger@thu.de
www.thu.de

LORENZ Meßgerätebau GmbH & Co. KG
37191 Katlenburg-Lindau
Herr Tobias Regenhardt
tregenhardt@lorenz-messgeraetebau.de
www.lorenz-messgeraetebau.de

 


2) Maskenprüfstand zur Bestimmung des Atemwiderstandes und der (indirekten) Gesichtsleckage

(Stand 18.04.2020 – spätere Aktualisierung vorbehalten)

 

1. Einleitung

Vor dem Hintergrund der weltweiten Ausbreitung des Coronavirus SARS-CoV2 steigt die Nachfrage nach Atemmasken nicht nur für medizinisches Personal. Zwischenzeitlich wurde bereits eine Vielzahl von Konzepten zur Herstellung von Behelfsmasken entwickelt, verbreitet und von Privatpersonen wie auch gewerblichen Anbietern umgesetzt. Diese Masken stellen im Allgemeinen nur einen Fremd-, jedoch keinen Eigenschutz dar und durchlaufen kein Zulassungsverfahren, wie es für medizinische Schutzmasken vorgeschrieben ist.

Um einen Beitrag zur Bewertung und Weiterentwicklung solcher Behelfsmasken zu leisten, wurde an der Technischen Hochschule Ulm ein einfacher Maskenprüfstand aufgebaut, der es in Anlehnung an einschlägige Normen für partikelfiltrierende Halbmasken erlaubt, den Atemwiderstand prototypischer Masken zu ermitteln und zudem eine Bewertung der mit der Passform einhergehenden Gesichtsleckage zu treffen. Dieser Kurzbeitrag stellt das Prüfkonzept sowie erste Ergebnisse anhand kommerziell verfügbarer Halbmasken vor.

 

2. Prüfkonzept

Maskenpruefstand_B01.jpg
Abb. 1:  Versuchsaufbau an der „gläsernen Lunge" zur Testung von Atemschutz- und Behelfshalbmasken


Die an der technischen Hochschule Ulm vorhandene „gläserne" (künstliche) Lunge [1] wurde zur Testung von Atemschutz- und Behelfsmasken um einen Prüfkopf erweitert. Zur Simulation von Ein- und Ausatemluftströmen verfügt dieser über eine mundseitig angebrachte Adaption an den Lungenprüfstand, welcher zur Erzeugung der benötigten Luftströme genutzt wird. Dabei lassen sich alle notwendigen Volumenströme mit höchster Genauigkeit darstellen und auch die Simulation eines realen zyklischen Atemverhaltens ist möglich. Durch einen Drucksensor, lässt sich die Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck innerhalb des am Prüfkopf angelegten Maskenkörpers bestimmen, was ein Maß für den Atemwiderstand der Maske darstellt. Dieser Prüfstandaufbau erfolgte in Anlehnung an das in DIN EN 149 [2] beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Atemwiderstandes partikelfiltrierender Halbmasken und lässt näherungsweise einen Vergleich mit den darin enthaltenen normativen Vorgabewerten zu. Zur Atemwiderstandsmessung werden die Masken-Prüflinge am Prüfkopf mittels umlaufender Klebung abgedichtet. Die relative Veränderung der Druckverhältnisse bei Wiederholung der Messungen auch im nicht abgedichteten Zustand lässt indirekt Rückschlüsse auf die bauart- und passformbedingte Gesichtsleckage zu und ermöglicht damit Designoptimierungen und die Verbesserung von Dichtungskonzepten.

 

3. Erste Ergebnisse

Maskenpruefstand_B02.jpg.png
Abb. 2: Atemwiderstandsmessungen an kommerziellen, partikelfiltrierenden Halbmasken

Die exemplarische Prüfung zweier partikelfiltrierender Halbmasken mit Ausatemventil ergab, dass diese erwartungsgemäß die Vorgaben der DIN EN 149 hinsichtlich des Atemwiderstandes ent­sprechen. Gleichzeitig konnte aufzeigt werden, dass auch diese Masken eine Gesichtsleckage aufweisen, die sich Druckabfall zwischen den Messungen mit/ohne Abdichtung zeigt. Die oben dargestellten Werte bedeuten nicht zwangsläufig, dass die hier exemplarisch getestete FFP3-Maske eine höhere Gesichtsleckage aufweist, da neben dem absoluten Druckniveau auch die Strömungs­verhältnisse innerhalb des Maskenkörper eine Rolle spielen. Daher sind die relativen Unterschiede nur innerhalb eines Bautyps aussagefähig, erlauben für diesen Fall aber beispielsweise eine differenzierte Bewertung unterschiedlicher Dichtkonzepte zur Verringerung der Gesichtsleckage.

 

5. Quellenverweise

[1]

Technische Hochschule Ulm, „Die gläserne Lunge der THU", https://youtu.be/ssFJrhjCaZM (Zugriff 14.04.2020)

[2]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 149:2009-08 „Atemschutzgeräte –
Filtrierende Halbmasken zum Schutz gegen Partikeln – Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung (Deutsche Fassung EN 149:2001+A1:2009)"


6. Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Andreas Häger (andreas.haeger@thu.de)



3) Atmungsaktivitäten haushaltsüblicher Filtermaterialien

(Stand 22.04.2020 – spätere Aktualisierung vorbehalten)

 

1. Einleitung

Vor dem Hintergrund der weltweiten Ausbreitung des Coronavirus SARS-CoV2 steigt die Nachfrage nach Atemmasken nicht nur für medizinisches Personal. In einer Vielzahl von Bastel- und Nähanleitungen zur Herstellung sogenannter Community- oder DIY-Masken wird die Verwendung haushaltsüblicher Filterstoffe wie Kaffeefilter oder Staubsaugerbeutel empfohlen. Wichtige Anforderungen an derartige Materialien stellen die Filterleistung, Luftdurchlässigkeit (Atmungsaktivität), toxikologische Unbedenklichkeit sowie eine gewisse Stabilität der Stoffe dar. Dieser Beitrag liefert einen Überblick zu Messungen der Atmungsaktivität an ausgewählten Filterstoffen. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zusammenstellung rein informativer Art ist und keine Handlungsempfehlung darstellt.

2. Versuchsdurchführung

Zur Bestimmung der Atmungsaktivität wurde die Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck bei Durchströmung einer kreisrunden Filterprobe (d = 25 mm) mit Volumenströmen von 8 l/min in beide Richtungen bei Raumtemperatur gemessen. Dieser Versuchsaufbau erfolgte in Anlehnung an DIN EN 14683:2019 Anhang C [1]. Zur Erzeugung der Volumenströme kam eine künstliche Lunge [2] zum Einsatz.

 

Atmungsaktivitaet_B01.png

Abb. 1:  Versuchsaufbau zur Bestimmung der Atmungsaktivität von Filterstoffen an der „gläsernen Lunge"


3. Ergebnisse

Atmungsaktivitaet_B02.png
Abb. 2: Gegenüberstellung/Einordnung von Atmungsaktivitäten haushaltsüblicher Filtermaterialien

4. Zusammenfassung/Fazit

Alle getesteten Filtermaterialien weisen eine symmetrische Luftdurchlässigkeit auf, d.h. die Stoffe können in beide Richtungen gleichermaßen gut durchströmt werden. Die Atmungsaktivität von Staubsaugerfiltertüten kann nicht pauschalisiert werden. Sie ist von der Art und Anzahl der textilen Einzellagen abhängig. Die getesteten Mikrovliesstoffe mit bis zu drei Einzellagen und einem Flächengewicht von bis zu 137 g/m² liegen jedoch allesamt unterhalb des in der DIN EN 14683 [1] festgelegten Grenzwertes für medizinische Gesichtsmasken des Typs IIR. Auch liegt die Größenordnung ihrer Atmungsaktivität im Bereich typischer Filtermaterialen, die in kommerziellen partikelfiltrierenden Halbmasken zum Einsatz kommen (was jedoch nichts über die Filterwirkung dieser Materialien aussagt). Ein Kaffeefilter bietet hingegen einen deutlich höheren Atemwiderstand, während ein Aktivkohleinnenraumfilter aus dem Kfz-Bereich trotz der höheren Grammatur deutlich leichter durchströmt werden kann. Die Auswahl eines Filterstoffs für eine Behelfsmaske sollte niemals alleine von der Atmungsaktivität des Materials abhängig gemacht werden, sondern muss unter Berücksichtigung aller oben genannten Gesichtspunkte erfolgen.

5. Quellenverweise

[1]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 14683:2019-10 „Medizinische Gesichtsmasken – Anforderungen und Prüfverfahren (Deutsche Fassung EN 14683:2019+AC:2019)"

[2]

Technische Hochschule Ulm, „Die gläserne Lunge der THU", https://youtu.be/ssFJrhjCaZM (Zugriff 14.04.2020)


6. Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Andreas Häger (andreas.haeger@thu.de)



4) Zugprüfung haushaltsüblicher Filtermaterialien

(Stand 22.04.2020 – spätere Aktualisierung vorbehalten)

 

1. Einleitung

Vor dem Hintergrund der weltweiten Ausbreitung des Coronavirus SARS-CoV2 steigt die Nachfrage nach Atemmasken nicht nur für medizinisches Personal. In einer Vielzahl von Bastel- und Nähanleitungen zur Herstellung sogenannter Community- oder DIY-Masken wird die Verwendung haushaltsüblicher Filterstoffe wie Kaffeefilter oder Staubsaugerbeutel empfohlen. Wichtige Anforderungen an derartige Materialien stellen die Filterleistung, Luftdurchlässigkeit (Atmungsaktivität), toxikologische Unbedenklichkeit sowie eine gewisse Stabilität der Stoffe dar. Dieser Beitrag liefert Ergebnisse zur Festigkeit, Steifigkeit und dem Längenänderungsvermögen ausgewählter Filtermaterialien. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zusammenstellung rein informativer Art ist und keine Handlungsempfehlung darstellt.

2. Versuchsdurchführung

Aus Flachfiltermaterialen wurden Streifenproben mit einer Breite von 50 mm in Längs- und Querrichtung entnommen, welche einer Zugprüfung nach DIN EN 29073-3 [1] zur Bestimmung der Höchstzugkraft FH und der Höchstkraftdehnung εH unterzogen wurden. Zusätzlich wurde die elastische Steifigkeit S der Stoffe durch lineare Regression über der initialen Dehnung ermittelt. Die Einspannlänge L0 betrug je nach Materialverfügbarkeit 200 mm bzw. 150 mm. Die Prüfung wurde bei einer konstanten Prüfgeschwindigkeit von 100 mm/min an einer Zugprüfmaschine vom Typ Zwick Roell Z005 durchgeführt.

 

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Abb. 1 (links): Zugprüfung einer Vliesstoffprobe

Abb. 2 (rechts): Zugkraft-Längenänderungs-Diagramm einer Vliesstoffprobe (exemplarisch) & Definition der Kennwerte


3. Ergebnisse

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Abb. 3: Gegenüberstellung/Einordnung von Atmungsaktivitäten haushaltsüblicher Filtermaterialien

4. Zusammenfassung/Fazit

  • In Abb. 3 sind exemplarisch die Ergebnisse der Zugprüfung von haushaltsüblichen Staubsaugerbeuteln und einem industrie-typischen Staubfiltrationsbeutel für Geräte der Schutzklasse M nach DIN 60335-2-69 [2], sowie eines Aktivkohle-Innenraumfilters aus dem Kraftfahrzeugbereich dargestellt. Folgende Rückschlüsse können festgehalten werden:
  • Die Festigkeit, gekennzeichnet durch FH, und das Längenänderungsvermögen, indiziert durch εH, deuten auf eine hinreichend hohe Stabilität der getesteten Stoffe für die Verwendung in Behelfsmasken hin.
  • Es liegt eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) der ermittelten Eigenschaften vor. Diese sollte beim Materialzuschnitt zur Herstellung von Behelfsmasken beachtet werden, um die höhere Festigkeit und Steifigkeit der in bauartbedingt höher belastete Richtungen zu orientieren.
  • Die Kennwerte können in Abhängigkeit der Art und Anzahl der verwendeten Einzellagen der unterschiedlichen Produkte stark variieren. Im Einzelfall ist zu prüfen, ob eine ausreichende mechanische Belastbarkeit der Stoffe vorliegt.
  • Das vorliegende industrietypische Staubfiltrationsmaterial weist gegenüber den haushaltstypischen Stoffen deutlich höhere Kennwerte auf.

    Neben der Belastbarkeit in der Ebene stellt der Zusammenhalt zwischen den Einzellagen ein wesentliches Kriterium für die Verarbeitbarkeit der Vliesstoffe dar. Viele der verfügbaren Filterstoffe aus Staubfilterbeutel delaminieren sehr leicht, sobald die umlaufenden Fügenähte aufgetrennt bzw. weggeschnitten werden. Es bietet sich daher die Verwendung von mehrlagigen Vliesstoffen mit regelmäßigen, punktuellen Verbindungsstellen („Punktschweißraster") in der gesamten Filterfläche an. Unabhängig davon sei darauf hingewiesen, dass die Auswahl eines Filterstoffs für Behelfsmasken immer unter Einbeziehung aller einleitend genannten Gesichtspunkte erfolgen sollte.


5. Quellenverweise

[1]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 29073-3:1992 „Textilien – Prüfverfahren für Vliesstoffe, Teil 3: Bestimmung der Höchstzugkraft und der Höchstzugkraftdehnung (Deutsche Fassung EN 29073-3:1992)"

[2]

Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 60335-2-69 (VDE 0700-69): 2015-07 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke –
Teil 2-69: Besondere Anforderungen für Staub- und Wassersauger für den gewerblichen Gebrauch (IEC 60335-2-69:2012, modifiziert); Deutsche Fassung EN 60335-2-69:2012"


6. Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Andreas Häger (andreas.haeger@thu.de)




Aktuelle Forschungprojekte

Entwicklung eines innovativen elektromechanischen Seilsicherungssystems

Projektleiter: Prof. Dr. Michael Munz
Projektlaufzeit: 01.05.2019 - 30.04.2022
Mittelgeber: Bund BMWi
Programmname: ZIM


Projektbeschreibung:
In diesem Projekt wird ein intelligentes Sicherungssystems für den Klettersport entwickelt, das eine hervorragende und absolut zuverlässige mechanische Funktionalität mit smarten Assistenz- und Überwachungsfunktionen koppelt. Dieses elektromechanische Sicherungssystem verhindert nicht nur potentiell schwere Unfälle durch eine automatische Abbremsung des Seils bei einem Sturz, sondern kann auch Bedienfehler über eine intelligente Sensorik erkennen und dem sichernden Kletterer zurückmelden. Kernstück des Systems ist ein mechanischer Halbautomat, der unabhängig von Energieversorgung und Elektronik im Falle eines zu schnellen Durchlasses von zu viel Seil eine Brems- bzw. Stoppwirkung realisiert. Die Sensorik misst dabei die Geschwindigkeit des Seildurchlaufs und die Bewegung des Sicherungsgerätes.
Ein intelligentes Klassifikationsverfahren kann auf Basis der Messdaten einen Sturz von der schnellen Seilausgabe unterscheiden. Hierzu kommen Verfahren des maschinellen Lernens zum Einsatz.

Entwicklung eines Verfahrens für die mechanische Prüfung und numerische Simulation von Ostheosynthese-Systemen unter realistischen und physiologischen Testbedingungen

Projektleiter: Prof. Dr. Felix Capanni
Projektlaufzeit: 01.06.2018 - 31.05.2021
Mittelgeber: Bund BMWi
Programmname: ZIM


Projektbeschreibung:
In diesem Projekt wird ein Testverfahren für die numerische und mechanische Prüfung von Implantatsystemen entwickelt werden. Physiologisch realistische Lastkollektive wer- den über einen komplexen Algorithmus zur Klassifikation der Implantate anhand geeigneter messbarer Implantatparameter ermittelt, in Simulationen zur mechanischen Be- lastbarkeit sowie notwendigen geometrischen und materialtechnischen Dimensionen der Implantate überführt und über Prüfaufbauten zur physiologischen Testung der Implantatsysteme in statischen und dynamischen Belastungsfällen mit kombinierter Biege- und Torsionsbelastung verifiziert.


Entwicklung eines Verfahrens zur automatisierten Konstruktion, Auslegung und Fertigung patientenindividueller orthopädischer Hilfsmittel im 3D-Druck

Projektleiter: Prof. Dr. Felix Capanni
Projektlaufzeit: 01.04.2019 - 31.03.2021
Mittelgeber: Bund BMWi
Programmname: ZIM

Projektbeschreibung:
Orthopädische Hilfsmittel werden als Sonderanfertigung durch das Orthopödiehandwerk größtenteils manuell hergestellt. Dies erfolgt u.a. mit Hilfe von Faserverbundwerkstoffen sowie unter Anwendung klassischer Fertigungsprozesse wie Tiefziehen. In diesem Projekt soll ein Verfahren für die Orthopädietechnik zur Konstruktion und Auslegung additiv gefertigter Hilfsmittel entwickelt werden. Hierfür wird ein hybrides Konstruktionsverfahren für Aufbau, Skalierung und Fertigung individualisierter Hilfsmittel erarbeitet. Die angeschlossene Fertigung soll im 3D-Druck erfolgen.
Im Teilprojekt der Technischen Hochschule Ulm wird ein intelligentes, biomechanisches Modell entwickelt, welches die Skalierung und Auslegung von Hilfsmitteln auf Basis weniger, vom Orthopädietechniker erhebbarer Parameter, erlaubt. Herausforderungen im Projekt sind die mathematische Modellierung biomechanischer Prozesse, wie beispielsweise unterschiedliche Hebelverhältnisse, die sich aus spezifischen physiologischen Merkmalen der Patienten ergeben.


 

Abgeschlossene Projekte

Entwicklung eines intelligenten, vernetzten Sensorsystems für die Instrumentierung von Hilfsmitteln zur evidenzbasierten Fertigung und Optimierung am Beispiel einer Orthoprothese

Projektleiter: Prof. Felix Capanni, Prof. Michael Munz, Prof. Thomas Engleder
Projektlaufzeit: 01.04.2017 - 31.03.2019
Mittelgeber: Bund – BMWi
Programmname: ZIM
Projektbeschreibung:
Die Fa. Häussler ist Spezialist im Bereich der Herstellung orthetischer und prothetischer Hilfsmittel. In Zusammenarbeit mit der Hochschule Ulm plant das Unternehmen Häussler die Entwicklung eines mobilen, in das Hilfsmittel integrierbaren Sensorsystems. Dieses sogenannte instrumentierte Hilfsmittel soll die Erhebung aussagekräftiger Messdaten über die Nutzungsform und Aktivität des Trägers sowie der Belastungsverteilung im Hilfsmittel und am Stumpf des Patienten ermöglichen. Zudem soll die korrekte Interpretation des Gangbildes im Alltagsbereich ermittelt werden, um beispielsweise Belastungsspitzen zeitlich einordnen zu können. Durch die Instrumentierung der Hilfsmittel soll dem Orthopädie-Techniker erstmals die evidenzbasierte Entwicklung und Optimierung von Hilfsmitteln ermöglicht werden. Die Entwicklungs- und Optimierungsmaßnahmen sollen somit zukünftig nicht mehr rein auf der Erfahrung des Technikers und den subjektiven Eindrücken des Patienten beruhen.

Mikrocontroller basiertes LED-Implantat für die postoperative intrakraniale photodynamische Therapie von Glioblastomzellen, PDT-Implantat

Projektleiter: Prof. Dr. Felix Capanni
Projektlaufzeit: 01.06.2015 - 31.05.2018

Projektbeschreibung:
Die chirurgische Behandlung von Glioblastomen (Hirntumor) durch intraoperative photodynamische Therapie (PDT) wird unterstützt und ergänzt durch weitere Therapien wie die externe Strahlen- und Chemotherapie. Allerdings ist die PDT auf die intraoperative Anwendung beschränkt und wird daher mit hoher Strahlungsintensität und kurzen Bestrahlungsintervallen durchgeführt. Trotz aggressiver Behandlung mittels der genannten therapeutischen Verfahren ist ein Tumorrezidiv innerhalb von 12 Monaten zu erwarten.

Das Vorhaben verfolgt ein Microcontroller gesteuertes, intrakranielles Implantat für die adjuvante PDT von postoperativ an der Resektionswand verbleibenden Glioblastomzellen. Das Implantatsystem soll vollkommen implantierbar ausgeführt werden und im Wesentlichen aus zwei Komponenten bestehen. Dem Implantat, welches im Anschluss an die Tumorresektion in der Resektionshöhle platziert werden soll sowie der Steuereinheit, verantwortlich für die Energieversorgung und Bestrahlungssteuerung des Implantats. Das Implantat soll mit Leuchtdioden (LEDs) der für die PDT spezifischen Wellenlängen 280 nm und 635 nm ausgestattet werden.

Aktive Orthopädietechnik für die obere Extremität, Orthoprothese-EXIST

Projektleiter: Prof. Dr. Felix Capanni
Projektlaufzeit: 01.10.2015 - 30.09.2017

Projektbeschreibung:
Das Konzept für die Orthese beinhaltet einen alltagsfähigen Exoskelett-Handschuh mit Smartphone-Applikation, dessen Finger über Seilzüge von einer Antriebseinheit ausgehend bewegt werden. Die zugehörige Software erlaubt dem Patienten eine Nutzung der Orthese in den Modi „Reha“ und „Alltag“. Die Möglichkeiten reichen von einfacher Mobilisierung der Fingergelenke mit zugehöriger Muskulatur, über Training von Kraft und Feinmotorik (Reha-Modus), bis hin zum Einsatz als Bewegungsunterstützungssystem bei bleibenden Beeinträchtigungen (Alltags-Modus). Die entsprechenden Modi und patientenspezifischen Einstellungen können via Smartphone-Applikation durch den Therapeuten oder den Patienten selbst festgelegt werden. Der Entwicklungsschwerpunkt liegt auf einem unauffälligen, kompakten Design, durch Patienten und Therapeuten intuitiv bedienbar. Derzeit sind den Gründern keine Produkte mit vergleichbarem Funktionsumfang bekannt.

Entwicklung eines lastadaptierten Orthoprothesensystems zur Individualver-sorgung von vorfußamputierten Patienten mit hohem Mobilitätsanspruch, Orthoprothese - ZIM

Projektleiter: Prof. Dr. Felix Capanni
Projektlaufzeit: 01.04.2015 - 31.03.2017

Projektbeschreibung:
Die Projektpartner entwicklen ein innovatives Konzept zur standardisierten Anpassung und Herstellung von Schaft- und Sohlenpassteilen für die Prothesen- und Orthesenversorgung vorfussamputierter Patienten mit hohem Mobilitätsgrad (MOB 3-4). Hierfür soll eine Datenbank mit charakteristischen Belastungskollektiven basierend auf sportlichen Aktivitäten (z.B. Wandern, Radfahren, Volleyball, etc.) aufgebaut werden. Basierend auf den gewonnenen Referenzdaten soll die Entwicklung von an den Patienten angepassten Schaft- und Sohlenpassteilen erfolgen. Die mechanische Prüfung der Orthoprothesen soll auf einem speziell entwickelten und angefertigten Prüfstand erfolgen. Des Weiteren soll ein mobiles Bewegungsanalysesystem zur Gangbildanalyse und häuslichen Gangbildkontrolle entwickelt werden. Die Validierung und Verifikation des Systems erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Orthopädietechnikern und Physiotherapeuten.




Veröffentlichungen

          2020

  • Dötzel, E.; Gaashan, M.; Mager, F.; Sergi, D.; Steinacker, J.; Capanni, F.:
    Biomechanische Analyse richtungsändernder Bewegungen – Vergleich einer vorfußamputierten Probandin mit einer gesunden Kontrollgruppe,
    in: Orthopädie Technik, 04, 2019, Orthopädie Technik (Hrsg.), Orthopädie Technik, 2019, Seiten 30-39.
  • Herbert, Cornelia; Nachtsheim, Jan; Munz, Michael (2020): Analysis of Gait-Event-related Brain Potentials During Instructed And Spontaneous Treadmill Walking -- Technical Affordances and used Methods. Online verfügbar unter http://arxiv.org/pdf/2003.00783v1.

    2019

  • Lea Paul, Christoph Hummel, Julia Janotte, Flo Hellberg, Michael Munz (2019): Untersuchungen zur Fehlertoleranz der Körpersicherung mit Tube. In: bergundsteigen - Zeitschrift für Risikomanagement im Bergsport (107), S. 24–33.
  • Munz, Michael; Engleder, Thomas (2019): Intelligent Assistant System for the Automatic Assessment of Fall Processes in Sports Climbing for Injury Prevention based on Inertial Sensor Data. In: Current Directions in Biomedical Engineering 5 (1), S. 183–186. DOI: 10.1515/cdbme-2019-0047.
  • Munz, Michael; Wolf, Nicolas (2019): Simulation of Breathing Patterns and Classification of Sensor Data for the early detection of impending Sudden Infant Death. In: Current Directions in Biomedical Engineering 5 (1), S. 401–404. DOI: 10.1515/cdbme-2019-0101.
  • Spilz, Andreas; Engleder, Thomas; Munz, Michael; Karge, Marius (2019): Development of a smart fabric force-sensing glove for physiotherapeutic Applications. In: Current Directions in Biomedical Engineering 5 (1), S. 513–515. DOI: 10.1515/cdbme-2019-0129.

    2017

  • Schorler, Hendrik, Capanni, Felix, Gaashan, Muneer, Wendlandt, Robert, Jürgens, Christian, Schulz, Arndt-Peter Bone plates for osteosynthesis - a systematic review of test methods and parameters for biomechanical testing. In: Biomedizinische Technik. Biomedical Engineering. - 2017 May 24. - Jg. 62(3). - S. 235-243.
    Doi: https://doi.org/10.1515/bmt-2015-0219, 2017.
  • Bader, Nicolas, Capanni, Felix, Halatsch, Marc-Eric, Kast, Richard Erik, Peschmann, Christian A novel treatment approach after glioblastoma resection: microcontroller-based surgical implant with light-emitting diods for postoperative irradiation of glioblastoma cells In: Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik. - 2017. - 62(s1). - S. 301-303. ISSN: 0013-5585. - DOI: https://doi.org.10.1515/bmt-2017-5059, 2017.
  • Dötzel, Eugen, Capanni, Felix, Engleder, Thomas, Steinacker, Jürgen Gait biomechanics of patients with forefoot amputation using a customized carbon fiber prosthesis In: Jahrestagung der Biomedizinischen Technik und Dreiländertagung der Medizinischen Physik. - Dresden I. - 10.-13. September 2017, 2017
  • Gaashan, Muneer, Engleder, Thomas, Capanni, Felix Simulation and development of a patient-specific carbon fiber forefoot prosthesis using finite element method In: Jahrestagung der Biomedizinischen Technik und Dreiländertagung der Medizinischen Physik, 2017. - Dresden, 10.-13.9.2017, 2017

    2015

  • Maile, Kobel, Munz, Engleder, Steinacker, Capanni, F. (2015): 3D-based visual physical activity assessment of children. In: Current Directions in Biomedical Engineering 1 (1), S. 462–465. DOI: 10.1515/CDBME-2015-0111.















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Mail: IAF@thu.de

Quicklinks