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Um medizinische Behandlungsverfahren in der Praxis besser verstehen und anwenden zu können, gewinnt die Visualisierung der Prozesse an immer größerer Bedeutung. Durch Anwendung der Computer-Simulationssoftware CST können elektromagnetische und thermische Simulationen zur Analyse verschiedener Herzrhythmusstörungen durchgeführt werden. Eine weitere Form der Visualisierung erfolgt durch haptische, dreidimensionale Druckmodelle. Diese Modelle können mit einem generativen Herstellungsverfahren, wie z. B. einem 3D-Drucker, in kürzester Zeit hergestellt werden.
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
Bei dem vorgestellten Ansatz soll der Auftreffpunkt des Pfeils durch die Kreuzkorrelation von Audio-Signalen bestimmt werden. Das Auftreffen des Pfeils erzeugt ein charakteristisches Geräusch, welches von mehreren Mikrofonen in bestimmter Anordnung um die Dartscheibe herum in elektrische Signale umgewandelt wird. Mithilfe der Schallgeschwindigkeit und den Zeitdifferenzen, welche die Schallwelle zu den einzelnen Mikrofonen benötigt soll dann der Auftreffpunkt berechnet werden.
Bach, Gas, Strom und Wasser
(2022)
Um die im Pariser Klimaschutzabkommen vereinbarte Begrenzung der Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, muss die Energiewende deutlich stärker vorangetrieben werden als bisher. Das Schaufenster C/sells in der größten der SINTEG-Modellregionen hat sich dieser Herausforderung gestellt. Über vier Jahre haben 56 Partner aus Energiewirtschaft, Wissenschaft und Politik in Baden-Württemberg, Bayern und Hessen daran gearbeitet, ein zelluläres Energiesystem zu etablieren. Sie haben Musterlösungen für eine erfolgreiche Energiewende entwickelt. In mehr als 30 Demonstrationszellen sowie in neun Partizipationszellen, den sogenannten C/sells-Citys, wurde demonstriert, wie ein Informationssystem die intelligente Organisation von Stromversorgungsnetzen und den regionalisierten Handel mit Energie und Flexibilitäten ermöglicht.
Data Science
(2019)
Data Science steht derzeit wie kein anderer Begriff für die Auswertung großer Datenmengen mit analytischen Konzepten des Machine Learning oder der künstlichen Intelligenz. Nach der bewussten Wahrnehmung der Big Data und dabei insbesondere der Verfügbarmachung in Unternehmen sind Technologien und Methoden zur Auswertung dort gefordert, wo klassische Business Intelligence an ihre Grenzen stößt.
Dieses Buch bietet eine umfassende Einführung in Data Science und deren praktische Relevanz für Unternehmen. Dabei wird auch die Integration von Data Science in ein bereits bestehendes Business-Intelligence-Ökosystem thematisiert. In verschiedenen Beiträgen werden sowohl Aufgabenfelder und Methoden als auch Rollen- und Organisationsmodelle erläutert, die im Zusammenspiel mit Konzepten und Architekturen auf Data Science wirken. Neben den Grundlagen werden unter anderem folgende Themen behandelt:
- Data Science und künstliche Intelligenz
- Konzeption und Entwicklung von Data-driven Products
- Deep Learning
- Self-Service im Data-Science-Umfeld
- Data Privacy und Fragen zur digitalen Ethik
- Customer Churn mit Keras/TensorFlow und H2O
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bei der Auswahl und Entwicklung von Data Science
- Predictive Maintenance
- Scrum in Data-Science-Projekten
Zahlreiche Anwendungsfälle und Praxisbeispiele geben Einblicke in die aktuellen Erfahrungen bei Data-Science-Projekten und erlauben dem Leser einen direkten Transfer in die tägliche Arbeit.
Data Science
(2021)
Know-how für Data Scientists
• Übersichtliche und anwendungsbezogene Einführung
• Zahlreiche Anwendungsfälle und Praxisbeispiele aus unterschiedlichen Branchen
• Potenziale, aber auch mögliche Fallstricke werden aufgezeigt
Data Science steht derzeit wie kein anderer Begriff für die Auswertung großer Datenmengen mit analytischen Konzepten des Machine Learning oder der künstlichen Intelligenz. Nach der bewussten Wahrnehmung der Big Data und dabei insbesondere der Verfügbarmachung in Unternehmen sind Technologien und Methoden zur Auswertung dort gefordert, wo klassische Businss Intelligence an ihre Grenzen stößt.
Dieses Buch bietet eine umfassende Einführung in Data Science und deren praktische Relevanz für Unternehmen. Dabei wird auch die Integration von Data Science in ein bereits bestehendes Business-Intelligence-Ökosystem thematisiert. In verschiedenen Beiträgen werden sowohl Aufgabenfelder und Methoden als auch Rollen- und Organisationsmodelle erläutert, die im Zusammenspiel mit Konzepten und Architekturen auf Data Science wirken.
Diese 2., überarbeitete Auflage wurde um neue Themen wie Feature Selection und Deep Reinforcement Learning sowie eine neue Fallstudie erweitert.
In dieser Arbeit wird ein historischer Fallbericht des bis heute weit über seine Landesgrenzen bekannten italienischen Kriminalanthropologen Cesare Lombroso (1835–1909) vorgestellt. In diesem Fallbericht wird der berüchtigte und psychisch auffällige Dieb Pietro Bersone mit Hilfe eines sog. Hydrosphygmographen überführt, einem zur damaligen Zeit neuartigen technischen Gerät, das den Puls nicht-invasiv aufzeichnen konnte. Lombroso ist vermutlich einer der ersten, wenn nicht sogar der erste, der durch den Einsatz eines solchen Geräts die Idee zum „Lügendetektor“ vorweggenommen hat. Die vorgestellte Textstelle aus Lombrosos Buch „Neue Fortschritte in den Verbrecherstudien“ ist daher ein besonderes Fundstück auch für die Geschichte der Polygraphie.
Herzfehler sind weltweit die häufigste Form von angeborenen Organdefekten. In unterschiedlichen Studien wird die Inzidenz zumeist zwischen vier und elf von 1.000 Lebendgeburten angegeben (1–5). Im Rahmen der multizentrischen PAN-Studie (PAN: Prävalenz angeborener Herzfehler bei Neugeborenen), welche die Häufigkeit angeborener Herzfehler bei Neugeborenen in Deutschland zwischen Juli 2006 und Juni 2007 untersuchte, ergab sich eine Gesamtprävalenz von 107,6 pro 10.000 Lebendgeburten. Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen an Implantaten zur Behandlung von Atriumseptumdefekten (ASD). Vorhofseptumdefekte machen mit 17,0%, nach den Ventrikelseptumdefekten (VSD) mit 48,9%die zweithäufigste Art von Herzfehlern aus (6, 7).Als Vorhofseptumdefekte werden Öffnungen in der Scheidewand zwischen den Herzvorhöfen bezeichnet. Bei der Therapie eines ASD ist der minimalinvasive Verschluss mittels sogenannter Okkluder heute das Mittel der Wahl. Diese werden über einen femoralen Zugang im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung unter Ultraschallkontrolle und Durchleuchtung an die Implantationsstelle vorgeschoben und dort platziert(8). Die Okkluder bestehen in der Regel aus einem Drahtgeflecht aus Nitinol und haben die typische Form eines sogenannten Doppelschirmchens. Dabei weichen die unterschiedlichen Okkluder der einzelnen Firmen hinsichtlich Form und Beschaffenheit oft erheblich voneinander ab. Derzeit gibt es keine Untersuchungsmethode, die die auf dem Markt befindlichen Okkluder hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften vergleichbar macht. Diese Arbeit solleinen Beitrag erbringen, um grundlegende, die Okkludermodelle charakterisierende Parameter zu schaffen, um so deren interindividuelle Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Hierzu werden in-vitro Messungen durchgeführt, welche geeignet sind das Verhalten der untersuchten Modelle unter unterschiedlichen Bedingungen und bei variierenden Defektgrößen zu charakterisieren.
Im Archiv für Kriminologie wurden bislang drei Arbeiten zur 3-D-CAD-Rekonstruktion der ersten "Eisernen Hand" des berühmten Reichsritters Gottfried ("Götz") von Berlichingen (1480-1562) vorgestellt. Mittlerweile sind einige neue Gesichtspunkte herausgearbeitet worden, die hier kurz als Ergänzung mitgeteilt werden sollen.
Im Beitrag wird gezeigt, wie sich die Ackermann’sche Formel zur Polvorgabe bei zeitkontinuierlichen
Ein- und Mehrgrößenzustandsregelungen in einfacher
Weise auf nicht vollständig steuerbare Regelstrecken
erweitern lässt. Das vorgestellte Verfahren basiert
auf einer teilsystemorientierten Zustandstransformation
in Verbindung mit der Einführung zusätzlicher fiktiver Stellgrößen, über die nichtsteuerbare Streckeneigenwerte
formal beeinflusst werden könnten, aber durch Nullsetzen
dieser Stellgrößen nicht beeinflusst werden. Dem
Reglerentwurf vorausgehende Maßnahmen zur Elimination
von nicht steuerbaren Anteilen aus dem Streckenmodell
sind daher nicht erforderlich. Im Vergleich zum Fall
einer vollständig steuerbaren Regelstrecke erfordert die
Anwendung des vorgestellten Verfahrens kaum Mehraufwand,
was am Beispiel eines Eingrößen- und eines Mehrgrößensystems
illustriert wird.
Einleitung
(2019)
Smart Home-/Smart-Building-Anwendungen sind ein stetig wachsender Markt. Smart Gardening ist ein Beispiel dafür, Nutzern mehr Komfort und eine bessere Lebensqualität zu Hause oder in Bürogebäuden zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Entwicklung eines Indoor-Smart-Gardening-Systems mit dem Fokus auf energieautarkes Arbeiten vorgestellt. Herzstück des Systems ist ein 3D-gedruckter Blumentopf für einzelne Pflanzen mit integrierter Elektronik zum Monitoring der wichtigsten Pflanzenparameter und einem integrierten Wasserreservoir mit Tauchpumpe für das automatisierte Bewässern der Pflanze. Energy Harvesting per Solarzellen ermöglicht ein energieautarkes Arbeiten des Blumentopfes. Eine selbstentwickelte Low-Power-Funkschnittstelle im Blumentopf und ein externes Gateway ermöglichen die drahtlose Vernetzung mehrerer Pflanzen. Das Gateway dient zur Auswertung der Pflanzenparameter, der Ansteuerung der im Netzwerk vorhandenen Blumentöpfe und als Benutzerinterface.
Bei bimodaler Cochlea-Implantat-/Hörgerät-Versorgung kann es aufgrund seitenverschiedener Signalverarbeitung zu einer zeitlich versetzten Stimulation der beiden Modalitäten kommen. Jüngste Studien haben gezeigt, dass durch zeitlichen Abgleich der Modalitäten die Schalllokalisation bei bimodaler Versorgung verbessert werden kann. Um solch einen Abgleich vornehmen zu können, ist die messtechnische Bestimmung der Durchlaufzeit von Hörgeräten erforderlich. Kommerziell verfügbare Hörgerätemessboxen können diese Werte häufig liefern. Die dazu verwendete Signalverarbeitung wird dabei aber oft nicht vollständig offengelegt. In dieser Arbeit wird ein alternativer und nachvollziehbarer Ansatz zum Design eines simplen Messaufbaus basierend auf einem Arduino DUE Mikrocontroller-Board vorgestellt. Hierzu wurde ein Messtisch im 3D-Druck gefertigt, auf welchem Hörgeräte über einen 2-ccm-Kuppler an ein Messmikrofon angeschlossen werden können. Über einen Latenzvergleich mit dem simultan erfassten Signal eines Referenzmikrofons kann die Durchlaufzeit von Hörgeräten bestimmt werden. Frequenzspezifische Durchlaufzeiten werden mittels einer Kreuzkorrelation zwischen Ziel- und Referenzsignal errechnet. Aufnahme, Ausgabe und Speicherung der Signale erfolgt über einen ATMEL SAM3X8E Mikrocontroller, welcher auf dem Arduino DUE-Board verbaut ist. Über eigens entworfene elektronische Schaltungen werden die Mikrofone und der verwendete Lautsprecher angesteuert. Nach Abschluss einer Messung (Messdauer ca. 5 s) werden die Messdaten seriell an einen PC übertragen, auf dem die Datenauswertung mittels MATLAB erfolgt. Erste Validierungen zeigten eine hohe Stabilität der Messergebnisse mit sehr geringen Standardabweichungen im Bereich weniger Mikrosekunden für Pegel zwischen 50 und 75 dB (A). Der Messaufbau wird in laufenden Studien zur Quantifizierung der Durchlaufzeit von Hörgeräten verwendet.
Im Beitrag wird ein zweistufiges Verfahren für den Entwurf eines Störgrößenbeobachters für lineare, zeitinvariante Systeme vorgestellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Beobachterrückführung für den Beobachter ohne Störmodell bereits vorliegt. Es wird dargestellt, wie darauf basierend mit einfachen formelmäßigen Zusammenhängen die Rückführkoeffizienten für den Störgrößenbeobachter ermittelt werden können. Die beschriebene Methode erhöht die Übersichtlichkeit hinsichtlich des Einflusses des Störmodells auf die Beobachterrückführkoeffizienten und ist außerdem für Modelle mit geringer Systemordnung rechenzeitsparender.
The visual-inertial mapping and localization system maplab is analyzed by its implementation and subsequent evaluation. The mapping or localization is based on environmental feature detection. In addition to creating maps, there is also the option of fusion of several maps and thus mapping extensive areas and using them for further analysis of data. In this way, various software tools can be used to optimize the existing data sets.
Two sensor components are needed: an inertial measuring unit (IMU) and a monochrome camera, which are combined by a hardware rig and put into operation for the analysis of the visual-inertial system. System calibration is crucial for precision and system functioning and is based on nonlinear dynamic state estimation. This ensures the best possible estimate of the position of the environmental feature and the map. Maplab is particularly suitable for mapping rooms or small building complexes as the implementation and evaluation of the results in different application scenarios show. Special emphasis is laid on the evaluation of larger scenarios, in which is shown, that the system is struggling to keep up geometric consistencies and thus provide an accurate map.
Evaluierung von Kalman Filter Konfigurationen zur Roboterlokaliserung mittels Sensordatenfusion
(2023)
In dieser Arbeit werden drei verschiedene Konfigurationen der von Tom Moore, für das Robot Operating System, entwickelte Kalman-Filter vorgestellt. Diese bilden die Grundlage für eine Lokalisierung mittels Sensorfusion in dem verwendeten ROS-Framework. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau und die Verifikation einer Lokalisierung für ein mobiles Robotersystem Husky A200 der Firma Clearpath Robotics. Hierzu wurden die Möglichkeiten des bestehenden Systems untersucht und mehrere Versionen von Lokalisierungsfiltern konfiguriert. Am an Ende, wird eine Verifikation der Ergebnisse in verschiedenen Szenarien gegeneinandergestellt. Hierzu werden die Ergebnisse einer Variante des Extended Kalman-Filters in 2D (EKF2D), eine Variante des Unscented Kalman-Filter in 2D (UKF2D) und eine Variante des Extended Kalman-Filters in 3D (EKF3D) verifiziert und verglichen. Die Untersuchungen ergaben das der EKF2D die besten und robustesten Ergebnisse für eine Lokalisierung erbringt, trotz, im Vergleich zu der UKF2D Variante, 17,3 % höhere Endpositionsabweichung aufweist. Die in diesem Projekt gewählte EKF3D Konfigurationsvariante eignet sich, wegen seinen starken Ungenauigkeiten in der Höhenbestimmung nicht für eine aussagekräftige Positionsbestimmung.
Das hier vorgestellte System verbindet das neue Konzept der Peer-to-Peer-Navigation mit dem Einsatz von Augmented Reality zur Unterstützung von bettseitig durchgeführten externen Ventrikeldrainagen. Das sehr kompakte und genaue Gesamtsystem beinhaltet einen Patiententracker mit integrierter Kamera, eine Augmented-Reality-Brille mit Kamera und eine Punktionsnadel bzw. einen Pointer mit zwei Trackern, mit dessen Hilfe die Anatomie des Patienten aufgenommen wird. Die exakte Position und Richtung der Punktionsnadel wird unter Zuhilfenahme der aufgenommenen Landmarken berechnet und über die Augmented-Reality-Brille für den Chirurgen sichtbar auf dem Patienten dargestellt. Die Methode zur Kalibrierung der statischen Transformationen zwischen Patiententracker und daran befestigter Kamera beziehungsweise zwischen den Trackern der Punktionsnadel sind für die Genauigkeit sehr wichtig und werden hier vorgestellt. Das Gesamtsystem konnte in vitro erfolgreich getestet werden und bestätigt den Nutzen eines Peer-to-Peer-Navigationssystems.
Die Corona-Semester erforderten die Übertragung der Brückenkurse Mathematik in ein digitales Lehr-format. Gerade beim Studieneinstieg spielen persönliche Unterstützung und soziale Eingebundenheit für Studierende eine besonders wichtige Rolle. Deshalb lag die besondere Herausforderung bei der Übertragung in ein digitales Format darin, die wegfallenden üblichen Kennenlern- und Kommunika-tionsmöglichkeiten, die sich in Präsenzformaten beispielsweise in den Pausen oder im Gespräch mit den Sitznachbarn ergeben, zu kompensieren. Vorliegender Beitrag stellt vor, inwieweit der Transfer in ein digitales Format gelungen ist. Das digitale Brückenkurskonzept wurde in ein didaktisches Entwurfsmuster übertragen, um durch die strukturierte und nachvollziehbare Darstellung den Transfer und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erleichtern.
In diesem Beitrag werden grundlegende Aspekte und Methoden der Data Science erläutert. Nach dem Vorgehensmodell CRISP-DM sind in den Phasen Data Unterstanding und Data Preparation vor allem Verfahren der Datenselektion, Datenvorverarbeitung und der explorativen Datenanalyse anzuwenden. Beim Modeling, der Hauptaufgabe der Data Science, kann man überwachte und unüberwachte Methoden sowie Reinforcement Learning unterscheiden. Auf die Evaluation der Güte eines Modells anhand von Qualitätsmaßen wird anschließend eingegangen. Der Beitrag schließt mit einem Ausblick auf weitere Themen wie Cognitive Computing.
Hatte Maria einen Jodmangel?
(2019)
Auch wenn sie im Internet-Zeitalter zu einer Normalität werden, bleiben Ferndiagnosen unter Medizinern umstritten. Erst recht vorsichtig sollte man sein, wenn es sich bei dem Patienten um die leibliche Mutter Gottes handelt. Doch wenn man in diesem Gemälde eine authentische Dokumentation sieht, ist der Befund eindeutig: Maria hatte zum Zeitpunkt der Geburt ihres berühmten Sohns auffällig lange und schlanke Finger sowie eine Struma des Grads II bis III.
Kleinstlebewesen vorgestellt, das Vitalparameter erfasst und diese in einem FRAM-Speicher bis zum Auslesen abspeichert. Durch eine drahtlose RFID-/NFC-Ausleseschnittstelle kann die erfasste Körpertemperatur und der Puls der letzten Wochen ausgelesen werden. Alle Einstellungen des Messsystems können durch einen geeigneten RFID-Reader für Laptops oder durch Smartphones über die NFC-Schnittstelle geändert werden. Das vollständige Aufladen des nur 3 g leichten und 15 mm x 25 mm großen Messsystems erfolgt durch eine selbstgedruckte RFID-Reader-Antenne in Verbindung mit einem RFID-Reader und benötigt hierzu weniger als 21 Stunden. Bei vollständig aufgeladenem Energiespeicher ist ein Betrieb von 47 Tagen möglich. Dies wird durch ein speziell für das Messsystem konzipiertes Lade- und Powermanagement erreicht. Neben der Auswahl von energiesparenden Komponenten für die Hardware und deren bestmöglichen Nutzung, wurde die Software so optimiert, dass das Programm schnell und stromsparend abgearbeitet wird. Die Erweiterbarkeit und Anpassung wird durch das modulare Konzept auch in anderen Bereichen gewährleistet.
Metallische Gehäuse stellen eine große Herausforderung für die Schnittstelle von aktiven medizinischen Implantaten dar. Ihre elektrische Leitfähigkeit und die sich dadurch ergebenden Wirbelströme verhindern das Eindringen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Feldern. Aus diesem Grund werden die Antennen außerhalb des Gehäuses platziert. Niederfrequentere magnetische Felder dringen jedoch durch das metallische Gehäuse, wenn auch abgeschwächt. Damit kann eine induktive Kommunikation realisiert und so elektrische Durchführungen durch das ansonsten hermetisch dichte Gehäuse vermieden werden.
In dieser Arbeit wird die induktive Datenübertragung durch ein metallisches Gehäuse untersucht. Ein Modell wird entwickelt, das die Effekte des metallischen Gehäuses auf die Übertragung berücksichtigt. Hierzu werden in einem neuen Ansatz anhand von FEM Simulationen Korrekturfaktoren ermittelt. Diese Korrekturfaktoren können visualisiert und direkt auf die Auslegung der Antennenspulen angewendet werden. Im Gegensatz zu anderen Modellierungen werden nur frei zugängliche Software-Lösungen verwendet. Zudem werden die Feldverteilungen durch die im metallischen Gehäuse entstehenden Wirbelströme untersucht. Die unterschiedlichen Gehäuse- und Spulenparameter werden im Hinblick auf deren Einfluss auf das Übertragungsverhalten diskutiert, was in dieser Form bisher noch nicht veröffentlicht wurde. Das resultierende Modell kann auf unterschiedliche Ausführungen der metallischen Kapselung angepasst werden um damit die Grenzen und Einschränkungen unterschiedlicher metallischer Gehäuse-Materialien zu untersuchen.
Mit der Weiterentwicklung eines Transceivers, der mit 10 kBit/s bei 125 kHz Trägerfrequenz arbeitet, wird ein Übertragungsbaustein entwickelt, der mit herkömmlichen Mikrocontrollern verwendet werden kann. Der Transceiver wird in einem ASIC mit 32 Pin QFN-Gehäuse implementiert. Anschließend werden die Funktionalität überprüft und die elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf Temperatur-, Spannungs- und Frequenz-Verhalten charakterisiert. Durch die geringe Stromaufnahme und die hohe Datenrate bei niedriger Trägerfrequenz eignet sich dieser Transceiver für Langzeitanwendungen in medizinischen Implantaten. Das Neue an dem Transceiver ist seine Einsatzfähigkeit für metallische Gehäuse, die wegen der schmalen Bandbreite mit \approx\unit[4]{kHz} eine effiziente Datenübertragung trotz hoher Dämpfung ermöglicht und darüber hinaus die frequenzabhängige Verzerrung der Impedanz- und Übertragungsparameter minimiert.
Anhand einer konkreten Anwendung für eine implantierbare steuerbare Infusionspumpe werden die gesamte Elektronik des Implantats sowie eines kleinen und ein großen Bediengerätes konzipiert, entwickelt, programmiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Darin werden sowohl das induktive Übertragungsmodell als auch der Transceiver verwendet und somit deren Funktionalität und Einsatzfähigkeit demonstriert. Mithilfe dieser Entwicklung ist es möglich, über einen Abstand von 65 mm, die Dosierung eines Medikaments einzustellen und an den Tagesrhythmus der Patient*innen anzupassen sowie die Funktionalität des Implantats zu überprüfen. Aktuell gibt es auf dem Markt ein weiteres ähnliches Produkt, zu dem jedoch keine wissenschaftlichen Veröffentlichungen vorliegen. Diese Arbeit liefert damit einen wissenschaftlichen Beitrag für die Entwicklung langlebiger metallisch gekapselter Implantate mit induktiver Schnittstelle.
Im Jahre 2010 bot die Hochschule Offenburg ein Medizintechnikstudium mit dem Schwerpunkt ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ als Bachelor- und später auch Masterstudiengang an. Ziel des auf diesen Schwerpunkt ausgelegten didaktischen Lehrkonzeptes ist die Vermittlung sofort anwendungsbereiten theoretischen Wissens und praktischen Könnens, welches die Absolventinnen und Absolventen in ihrer künftigen Berufsausübung in der Industrie oder als technische Partner der behandelnden Ärztinnen und Ärzte in hochspezialisierten klinischen Einrichtungen benötigen.
Aufgrund fehlender kommerzieller Angebote ist zur Umsetzung dieses Lehrkonzeptes die ingenieurtechnische Realisierung geeigneter Lehrmittel zwingend erforderlich. Dies betrifft die hard- und softwareseitige Erstellung visueller Demonstrationsmöglichkeiten für pathologische und implantatinduzierte Herzrhythmen, sowie die synthetische Bereitstellung originalgetreuer elektrokardiographischer Ableitsignale aus der klinischen Routine. Des Weiteren den Aufbau von in-vitro Trainingssystemen zu Therapien mit elektronischen kardiologischen Implantaten sowie zur Hochfrequenz-Katheterablation.
Insbesondere die Wahlfächer ’Programmierung von Herzschrittmachern’ und ‚Programmierung von Defibrillatoren’, deren Besuch den Teilnehmenden einen besonders raschen Berufseinstieg ermöglichen sollte, wurden in didaktischer Hinsicht in engem Bezug zum 4-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell der Lehre gestaltet.
Durch den kontinuierlichen Einsatz der Instrumente der formativen Evaluation gelangen sowohl deutliche Verbesserungen am Gesamtkonzept der Lehrveranstaltungen als auch an den dort eingesetzten, selbst realisierten Lösungen des benannten speziellen Lehr- und Trainingsequipments.
Eine summative Evaluation des Lehrkonzeptes ist aufgrund seines Alleinstellungsmerkmals schwierig. Aus diesem Grund erschien die quantitative Prüfung des Einflusses eines Besuchs des praktisch orientierten Wahlfachs ’Programmierung von Herzschrittmachern’ auf die Note der kombinierten Abschlussklausur in den Fächern ’Elektrokardiographie’ und ’Elektrostimulation’ sinnvoll. In diese Evaluation eingeschlossen wurde eine Kohorte von 221 Studierenden, 76 Frauen und 145 Männer, von denen 93 am Wahlfach nicht teilnahmen und 128 die es besucht hatten.
Über 7 zusammengefasste Studienjahre zeigte sich, dass die praktische Ausbildung im Wahlfach ’Programmierung von Herzschrittmachern’ das Leistungsniveau der Studierenden der Medizintechnik in der kombinierten Abschlussprüfung ’Elektrokardiographie und Elektrostimulation’ deutlich beeinflusste.
Das im Rahmen dieser Arbeit mitgestaltete Lehrkonzept, die realisierten Lehrmaterialien und Lehrumgebungen wurden im Bachelor- und Masterstudiengang der Medizintechnik an der Hochschule Offenburg in den Praktika, Seminaren und Vorlesungen des Schwerpunktes ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ vielfältig genutzt. Sie ermöglichten die Gestaltung interaktiver praktischer Weiterbildungsveranstaltungen für ärztliches und mittleres medizinisches Personal und für auf diesen Gebieten tätige medizintechnische Firmen.
Mit dem Klimaschutzgesetz 2021 wurden von der Bundesregierung die Klimaschutzvorgaben verschärft und die Treibhausgasneutralität bis 2045 als Ziel verankert. Zur Erreichung dieses ambitionierten Ziels ist es notwendig, im Bereich der Mobilität weitgehend von Verbrennungsmotoren mit fossilen Kraftstoffen auf Elektromobilität mit regenerativ erzeugtem Strom umzusteigen. Dabei ist die zügige Bereitstellung einer ausreichenden Ladeinfrastruktur für die Elektrofahrzeuge eine große Herausforderung. Neben der Installation einer ausreichend großen Zahl von Ladepunkten selbst besteht die Herausforderung darin, diese in das bestehende Verteilungsnetz zu integrieren bzw. das Verteilungsnetz so auszubauen, dass weiter ein sicherer Netzbetrieb gewährleistet werden kann. Dabei sind insbesondere Lösungen gefragt, bei denen der Ausbau der Ladeinfrastruktur und der Netzbetriebsmittel durch intelligentes Management des Ladens so gering wie möglich gehalten wird, indem vorhandene oder neu zu installierender Hardware möglichst effizient genutzt wird.
Hier setzte das Projekt „Intelligente Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge auf dem Parkplatz der Hochschule Offenburg (INTLOG)“ (Projektlaufzeit 15.11.2020 – 30.09.2022) an. Inhalt des Projekts war es, einen Ladepark für den Parkplatz der Hochschule Offenburg mit 20 Ladepunkten à 11 kW und somit einer Gesamtladeleistung von 220 kW an einen vorhandenen Ortsnetztransformator mit 200 kW Nennleistung anzuschließen, der aber bereits von anderen Verbrauchern genutzt wurde. Das übergeordnete Ziel war es also, eine Ladeinfrastruktur von maßgeblichem Umfang in die bestehende Netzinfrastruktur ohne zusätzlichen Ausbau zu integrieren.
Dabei wurden zukunftsweisende Technologien genutzt und weiterentwickelt sowie teilweise in Praxis, im Labor und in der Computersimulation demonstriert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die von Wilhelm His Sr. angefertigte und im Jahr 1895 publizierte Fotografie des mutmaßlichen Skeletts von Johann Sebastian Bach auf ihre Abbildungsqualität untersucht. Dies erfolgte durch direkte Messungen an einem digitalen Scan der Fotografie. Dabei wurde der von His der Fotografie beigelegte Lineal-Maßstab in mehrere 10-cm-Stücke unterteilt und die Länge dieser Abschnitte im Digitalisat mit dem Messinstrument von Adobe Acrobat ausgemessen. Darüber hinaus wurden die Längen der Femora ermittelt und mit den Maßen verglichen, die 1895 an den tatsächlichen (realen) Knochen ermittelt wurden. In dem Digitalisat entsprachen 190 cm im Lineal 244,48 mm. Der Mittelwert der 19 bestimmten 10-cm-Abschnitte betrug 100,49 mm (Median 100,49 mm, Standardabweichung 0,49 mm). Die historische Femurlänge links betrug 443,5 mm, rechts 451,0 mm. Die im Digitalisat ermittelte Femurlänge betrug links 443,8 mm, rechts 451,1 mm. Zusätzlich wurden die projizierten Centrum-Collum-Diaphysen-Winkel bestimmt. Die Daten lassen den Schluss zu, dass die Oben/unten-Verzerrung sowie die Rechts/links-Verzerrung nicht nennenswert sind und das von His angefertigte Foto mit einer hohen Genauigkeit der Abbildungsqualität und des Linsenapparats der Kamera angefertigt wurde, die es ermöglicht, bestimmte Skelettanteile aussagekräftig zu beurteilen und auszumessen.
Das Monitoring von Industrieanlagen stellt in der Wirtschaft sicher, dass hoch-automatisierte Prozesse reibungslos ablaufen können. Meistens steht hier das Monitoring der Anlagen selbst im Mittelpunkt, die Kommunikationsleitungen für den Datenaustausch auf Ethernet-Basis (z.B. Profinet) sind gegenwärtig noch nicht Teil einer kontinuierlichen Überwachung. Zwar werden auch hier die physischen Verbindungen überprüft, jedoch geschieht häufig dies nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme, wenn die Anlage noch nicht in das Gesamtsystem integriert ist oder während eines Wartungszyklus, wenn die Maschine für die Dauer der Wartung aus dem Betriebsablauf genommen wird. Dies führt dazu, dass insbesondere heute, wo vor allem Ethernet zunehmend als Basis für die industrielle Kommunikation herangezogen wird, Maschinenausfälle aufgrund fehlender Kabelüberwachung immer wahrscheinlicher werden. Um dem entgegenwirken zu können, wurde im Projekt Ko2SiBus ein neues Messverfahren konzipiert, implementiert und validiert, das kostengünstig in neue oder bestehende Systeme integriert werden kann. Um die Tauglichkeit zu zeigen, wurden die Projektergebnisse in Prototypen und Demonstratoren implementiert, die sowohl als Stand-Alone aber auch als Integrationslösungen dienen können.
Eine kontinuierliche Überwachung von Ethernet-Leitungne beugt Maschinenausfällen in der Industrie vor. Aktuell fehlen jedoch geiegnete Methoden, um diese Überwachung flächendeckend durchzuführen. Im Projekt Ko²SiBus wurde deshalb ein kostengünstiges Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung von Ethernet-Leitungen entwickelt.
Die Pulmonalvenenisolation (PVI) mithilfe von Kryoballonkathetern ist eine anerkannte Methode zur Behandlung von Vorhofflimmern (AF). Diese Methode bietet eine kürzere Behandlungsdauer als die klassische Therapie durch die Hochfrequenz- (HF) Ablation. Ziel dieser Studie war es, verschie-dene Kryoballonkatheter, HF-Ablationskatheter und Ösophaguskatheter in ein Herzrhythmusmodell zu integrieren und mit statischer und dynamischer Simulation elektrische und thermische Felder bei PVI unter Vorhofflimmern zu untersuchen.
Machine Learning als Schlüsseltechnologie für Digitalisierung: Wie funktioniert maschinelles Lernen?
(2019)
Memento mori!
(2022)
MINT-College TIEFE
(2021)
Das Projekt MINT-College TIEFE konnte in der zweiten Förderperiode die verschiedenen Maßnahmen der vorangegangenen Förderperiode weiter ausbauen und verstetigen. Die Angebote im Rahmen des Projekts MINT-College TIEFE begleiteten die Studierenden über den Student-Life-Cycle hinweg über das komplette Studium der technischen Studiengänge, beginnend in der Schule und endend beim Übergang in den Beruf. Um die Qualität der Lehre an der Hochschule Offenburg zu verbessern, wurden darüber hinaus verschiedene digital unterstützte Lehrformate weiterentwickelt und ausgebaut. Zentrale Angebote des MINT-College, das 2019 zentrale Einrichtung der Hochschule Offenburg wurde, sind die für die Studieneingangsphase entwickelten Angebote der Einführungstage, des Mentorenprogramms, der Brückenkurse, des Lernzentrums und Angebote für den Übergang in den Beruf, wie das Gründerbüro. Die mediendidaktischen Unterstützungsangebote für Lehrende unterstützten den Lernkulturwandel an der Hochschule. Es wurden systematisch nachhaltige Strukturen aufgebaut, um Innovationen für das Lehren und das Lernen auch künftig entwickeln, erproben und etablieren zu können.
Modelbasierte Zustandsschätzung elektrischer Betriebsmittel der Mittel- und Niederspannungsebenen
(2022)
Im Projekt MOBCOM wird ein neues Verfahren zur Zustandsüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln in Niederspannungsnetzen und Anlagen entwickelt. Mittels PLC (power line communication) Technologie werden hochfrequente transiente Vorgänge auf dem Stromkanal und dessen Übertragungseigenschaften erfasst und bewertet.
In dem Abschlussbericht wird ein Prototyp für Powerline-Kommunikation zur Netzüberwachung beschrieben. Der Prototyp basiert auf einem PLC-Empfänger, welcher den Kanal misst, um so Informationen über den PLC-Kanal und den aktuellen Zustand des Stromnetzes zu erhaltet. Der PLC-Empfänger verwendet das Kommunikationssignal, um eine genaue Schätzung des Stromkanals zu erhalten und liefert Informationen zur Erkennung von Teilentladungen und anderen Anomalien im Netz. Diese Überwachung des Stromnetzes macht sich die bestehende PLC-Infrastruktur zunutze und verwendet die ohnehin übertragenen Datensignale, um eine Echtzeitmessung der Kanalübertragungsfunktion und des empfangenen Rauschsignals zu erhalten. Da dieses Signal im Vergleich zu einfacheren Messsensoren mit einer hohen Abtastrate abgetastet wird, enthält es wertvolle Informationen über mögliche Beeinträchtigungen im Netz, die behoben werden müssen. Während die Kanalmessungen auf einem empfangenen PLC-Signal beruhen, können Informationen über Teilentladungen oder andere Störquellen allein durch einen PLC-Empfänger gesammelt werden, d. h. ohne eine PLC-Übertragung. Es wurde ein Prototyp auf Basis von Software Defined Radio entwickelt, der die gleichzeitige Kommunikation und Erfassung für ein Stromnetz implementiert.
Hintergrund: Die Pulmonalvenenisolation (PVI) mit Hilfe von Kryoballonkathetern ist eine anerkannte Methode zur Behandlung von Vorhofflimmern (AF). Diese Methode bietet eine kürzere Behandlungsdauer als die klassische Therapie durch die Hochfrequenzablation (HF). Ziel dieser Studie war es, verschiedene Kryoballonkatheter, HF-Katheter und Ösophaguskatheter in ein Herzrhythmusmodell zu integrieren und mittels statischer und dynamischer Simulation elektrische und thermische Felder bei PVI unter Vorhofflimmern zu untersuchen.
Methodik: Die Modellierung und Simulation erfolgte mit der elektromagnetischen und thermischen Simulationssoftware CST (CST Darmstadt). Zwei Kryoballons, ein HF-Ablationskatheter und ein Ösophaguskatheter wurden auf der Grundlage der technischen Handbücher der Hersteller Medtronic und Osypka modelliert. Der 23 mm Kryoballon und ein kreisförmiger Mappingkatheter wurden in das Offenburger Herzrhythmusmodell integriert, insbesondere die left inferior pulmonary vein (LIPV) zur Simulation der thermischen Feldausbreitung während einer PVI. Die Simulation einer PVI mit HF-Energie wurde mit dem integrierten HF-Ablationskatheter in der Nähe der LIPV durchgeführt. Der im Herzrhythmusmodell platzierte TO8 Ösophaguskatheter ermöglichte die Ableitung linksatrialer elektrischer Felder bei AF und die Analyse thermischer Felder während PVI.
Ergebnisse: Elektrische Felder konnten bei Sinusrhythmus und AF mit einem AF-Fokus in der LIVP statisch und dynamisch im Herzen und Ösophagus simuliert werden. Bei einer simulierten 20 Sekunden Applikation eines Kryoballon-Katheters bei -50°C wurde eine Temperatur von -24°C in einer Tiefe von 0,5 mm im Myokard gemessen. In einer Tiefe von 1 mm betrug die Temperatur -3°C, bei 2 mm Tiefe 18°C und bei 3 mm Tiefe 29°C. Unter der 15 sekündigen Anwendung eines HF-Katheters mit einer 8-mm-Elektrode und einer Leistung von 5 W bei 420 kHz betrug die Temperatur an der Spitze der Elektrode 110°C. In einer Tiefe von 0,5 mm im Myokard betrug die Temperatur 75°C, in einer Tiefe von 1 mm 58°C, in einer Tiefe von 2 mm 45°C und in einer Tiefe von 3 mm 38°C. Im Ösophagus konnte bei den meisten Simulationen eine konstante Temperatur von 37°C gemessen und die Gefahr einer Ösophagus-Fistel ausgeschlossen werden. Bei Kryoablation der LIPV wurde eine Abkühlung des Ösophagus auf 30°C gemessen.
Schlussfolgerungen: Die Herzrhythmussimulation elektrischer und thermaler Felder ermöglichen mit Anwendung unterschiedlicher Herzkatheter eine statische und dynamische Simulation von PVI durch Kryoablation, HF-Ablation und Temperaturanalyse im Ösophagus. Unter Einbeziehung von MRT- oder CT-Daten können elektrische und thermale Simulationen möglicherweise zur Optimierung von PVIs genutzt werden.
Im Kern dieser Arbeit geht es um das Begreifen von Kognition. Der Kognitionsbegriff wird zur Schlüsselkategorie in den basalen Gedanken- bzw. Modellgebäuden und den daraus entwickelten Algorithmen. Es ist eine Arbeit, die unter anderem die philosophischen Positionen des Reduktionismus, Funktionalismus und Konstruktivismus mit einer kognitiven Theorie so in Verbindung bringt, um diese erkenntnistheoretischen Ismen mit den Erkenntnissen einer technologisierten Kognitionswissenschaft zu synchronisieren und als algorithmisierte Theorie im Rahmen eines Entwicklungsprojekt als artifizielle Kognition zu realisieren. Die Arbeit ist somit theoretisch fundiert und praktisch orientiert.
Neurostimulation durch Musik
(2020)
Was ist die Musik und wie wirkt sie sich auf den menschlichen Körper aus? Historisch betrachtet wird die Musik als etwas Göttliches aufgefasst, da sie eine äußerst große Wirkung auf die Emotionen des Menschen besitzt. Dieser Effekt wirkt sich auch psychosomatisch aus und kann das Denken und Handeln des Zuhörers beeinflussen und steuern. So lässt sich beispielsweise das Kaufverhalten allein durch die musikalische Begleitung deutlich manipulieren. Selbst die Motivation lässt sich mit passender Vertonung entweder steigern oder reduzieren. In der heutigen Zivilisation begleitet die Musik den Menschen alltäglich und wird zu vielen verschiedenen Zwecken verwendet. Somit ist die musikalische Stimulation als eine Art Psychotherapie zu werten, die häufig gezielt angewendet wird, aber im Beeinflussten unterbewusst stattfindet. Da natürlich immer noch offene Fragen bezüglich der genauen Wirkung von Musik auf das Gehirn bestehen, werden derzeit im Bereich der Neurowissenschaften viele Studien durchgeführt, um dieses Phänomen nachvollziehen zu können.
In der vorliegenden Arbeit werden fotografische Aufnahmen zweier verschiedener Abgüsse von Paganinis rechter Hand vorgestellt und näher beschrieben. Es handelt sich um einen mutmaßlich originalen Bronzeabguss, der vermutlich kurz nach Paganinis Tod auf dessen Totenbett abgenommen wurde, und eine in heutiger Zeit angefertigte Kopie aus Fiberplastik mit goldfarbenem Anstrich. Die Hand ist im proximalen Handgelenk stark abgewinkelt, was dafür spricht, dass die Hand des Toten auf einem Kissen gelegen haben könnte, um den Abguss vorzunehmen. Überdies zeigt sich eine verkrampfte Stellung der Finger und Hand, am ehesten infolge Totenstarre. Man findet zudem arthrotische Veränderungen sowie hervortretende Sehnen und atrophierte Muskulatur. Beim Bronzeabguss sind die beschriebenen Auffälligkeiten deutlicher zu erkennen. Ein 3D-Scan des Bronzeabgusses der rechten Hand Paganinis mit einem Strukturlichtscanner würde die Möglichkeit eröffnen, Messdaten der Hand zu erhalten.
Als Einstieg in den Diskurs über zivile Netzwerktechnologien, mobile Geräte, Onlinedienste und die Frage, wie sich die „Kirche der Zukunft“ (zumindest aus medienwissenschaftlicher Sicht) positionieren kann, dienen drei Zitate. Die Gegenüberstellung der darin vertretenen Positionen soll den Nutzen und die Folgen der zunehmend vollständigen Durchdringung (fast) aller Lebensbereiche mit Digitaltechnik für den Einzelnen wie für die Gesellschaft aufzeigen.