600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Repetitive und unphysiologische Bewegungsabläufe führen zu körperlichen Ermüdungsreaktionen bei manuellem Arbeiten mit Lasten am Arbeitsplatz. Die aus solchen Ermüdungszuständen entstehenden Fehlbelastungen können zu Erkrankungen des Muskel-Skelett-Apparates führen, die eine der häufigsten Gesundheitsrisiken für Arbeitnehmer in Deutschland darstellen. Das Exoskelett Cray X entlastet, als am Körper getragenes, aktives Unterstützungssystem, die Lendenwirbelsäule bei der Handhabung von Lasten. Die für die Regelung des Cray X notwendige Sensorik soll nun einen weiteren Verwendungszweck eröffnen, nämlich die Detektion des Erschöpfungszustandes des Trägers aus Bewegungsparametern.
In dieser Arbeit wird die aktuelle Version dieser sog. Fatigue Detection auf ihre Fähigkeit zur Detektion eines, mit physiologischen Beanspruchungsparametern in Einklang stehenden, Erschöpfungslevels untersucht. Ein dafür konzipiertes Messprotokoll wird vorgestellt und die zugrundeliegenden wissenschaftlichen Thesen erläutert. In einem Laboraufbau wurden elf freiwillige Probanden durch eine repetitive Hebetätigkeit in stetiger Weise erschöpft. Dabei wurden die physiologischen Parameter Herzrate und Elektromyographie des M. erector spinae, sowie die Selbsteinschätzung des Ermüdungszustandes und die Erschöpfungsdetektion des Cray X über den Verlauf des Experiments erhoben. Mittels einer Frequenzanalyse der Elektromyographie soll die lokale Erschöpfung der Rückenmuskulatur abgebildet werden, während die globale Erschöpfung durch einen standardisierten Herzfrequenzwert nachvollzogen werden soll. Diese Parameter werden anschließend mit der Einschätzung der Fatigue Detection verglichen und die Übereinstimmung bewertet. Die Selbsteinschätzung dient zur Einordnung der objektiven Messergebnisse gegenüber der subjektiven Eigenwahrnehmung.
Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die aktuelle Version der Fatigue Detection des Exoskeletts Cray X sowohl die lokale, als auch die globale Erschöpfung des Trägers systematisch unterschätzt. Die lokale Erschöpfung der rückenstreckenden Muskulatur wurde innerhalb der Stichprobe besser abgebildet, als die globale Erschöpfung. Die Einordnung lokaler Erschöpfung durch die Fatigue Detection zeigte weniger Abweichung vom Erschöpfungsparameter als die Selbsteinschätzung. Allerdings war die Eigenwahrnehmung der globalen Erschöpfung deutlich näher an den Werten der Herzfrequenz als die Zuordnung durch die Fatigue Detection. Die Fatigue Detection zeigt bei der Einordnung in differenzierte Erschöpfungszustände sowohl in Bezug zur lokalen, als auch zur globalen Erschöpfung deutliche Defizite.
Entwicklung und Validierung polyurethanbasierter Femora für die Evaluation von Osteosynthesen
(2022)
Für die Evaluation von Osteosynthesen werden biomechanische Tests verwendet. Hierbei wird die Interaktion der Osteosynthese mit einem Substrat betrachtet. Als Substrat können entweder Humanpräparate oder künstliche Knochenmodelle verwendet werden. Künstliche Knochenmodelle haben z. B. in Bezug auf Lagerkosten, Lageranforderungen und der Sicherheit des Laborpersonals viele Vorteile gegenüber den Humanpräparaten. Das Problem der derzeit verfügbaren künstlichen Knochenmodelle ist jedoch, dass sie die mechanischen Eigenschaften von Humanknochen nicht zufriedenstellend nachbilden. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Validierung neuer künstlicher Oberschenkelknochen. Diese künstlichen Femora sollen dabei eine möglichst realistische Nachbildung eines Humanknochens in Bezug auf die mechanischen und morphologischen Eigenschaften darstellen. Als Grundmaterial wurden verschiedene Zwei-Komponenten Polyurethangießharze für die Herstellung der Kortikalis und der Spongiosa verwendet. Mit Hilfe einer Vierpunktbiegung, einer axialen Kompression und einer Torsion werden die Biegesteifigkeit, die axiale Steifigkeit sowie die Torsionssteifigkeit ermittelt. Nach einem Vergleich mit Daten aus der Literatur von gesunden und osteoporotischen Humanknochen hat sich gezeigt, dass die hergestellten Knochen im Bereich eines osteoporotischen Humanknochens liegen. Dies gilt für die Biegesteifigkeit bei lateraler Dehnung und die axiale Steifigkeit. Die hergestellten Knochen erzielten bei einer anterioren Dehnung eine Biegesteifigkeit von 121 ± 8 Nm² und bei einer lateralen Dehnung 123 ± 14 Nm². Die axiale Steifigkeit liegt bei 587 ± 101 N/mm und die Torsionssteifigkeit bei 2,4 ± 0,1 Nm²/deg. Die Biegesteifigkeit bei anteriorer und lateraler Dehnung der gesunden sowie osteoporotischen Humanknochen liegen bei 317 ± 73 Nm² und 290 ± 122 Nm² sowie 71 ± 9 Nm² und 69 ± 43 Nm². Die axialen Steifigkeiten und Torsionssteifigkeiten der gesunden und osteoporotischen Humanknochen liegen bei 2480 ± 620 N/mm und 419 ± 169 N/mm und bei 4,4 ± 1,6 Nm²/deg und 0,3 ± 0,2 Nm²/deg. Somit liegen die hergestellten Knochen bei der Biegesteifigkeit bei lateraler Dehnung (p = 0,41) sowie die axiale Steifigkeit (p = 0,85) im Bereich eines osteoporotischen Humanknochens. Durch diese Arbeit wurde eine Datengrundlage geschaffen, um auf Grundlage dieser weitere künstliche Knochen zu entwickeln. Des Weiteren wurde eine Technik zur Herstellung der künstlichen Femora etabliert sowie der Nachweis erbracht, dass diese Knochen geeignet sind, um einen osteoporotischen Humanknochen nachzubilden.
This study explores the development of a quantitative PCR (qPCR) method for measuring fungal biomass in mixed fermentation of Aspergillus oryzae strains grown on soy okara. The research aimed to address the challenge of differentiating between fungal and plant biomass during the bioconversion of food industry by-products. Key steps included optimizing biomass harvesting techniques, developing a selective qPCR assay, and establishing a correlation between qPCR output and dry mycelial biomass.
A 100 µm strainer method was identified for reliable biomass harvesting. The qPCR assay development involved in-silico and in-vitro primer analysis, with the ITS5 and 58A2R primer pair selected. Despite challenges with high GC content affecting the melting curve, the assay was optimized for selectivity and sensitivity.
Correlation between qPCR copy number and dry mycelial biomass was established for A. oryzae WK and KS strains, with R² values of 0.9795 and 0.9326, respectively. This enabled the quantification of mycelial biomass throughout the fermentation process, revealing that after 48 hours, mycelial biomass accounted for 24.92% and 31.95% of the total mixed biomass for White Koji and Koji Shoyu strains, respectively.
Developed method provides a tool for monitoring fungal growth in mixed biomass systems, supporting research in sustainable food production and the valorization of food industry by-products through fungal fermentation.
Die vorliegende Bachelorarbeit behandelt die Konzeption, Konstruktion und Inbetriebnahme eines Lehrprüfstandes für Pedelecs, mit besonderem Fokus auf die Analyse und Entschlüsselung der CAN-Bus-Signale innerhalb der Antriebssysteme. Pedelecs, die im Straßenverkehr immer häufiger genutzt werden, verwenden meist den CAN-Bus zur Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten des Antriebssystems. Diese Arbeit legt Fokus auf die Signale, die innerhalb des Pedelecs zirkulieren und zeigt auf, wie und was für ein Datenfluss zwischen den einzelnen Teilsystemen, wie Motoreinheit oder dem Human-Machine-Interface herrscht.
Ein zentrales Ziel dieser Arbeit war es, die Signale des CAN-Bus zu entschlüsseln und ein tiefes Verständnis für deren Funktionsweise zu entwickeln. Dazu wurde eine spezielle Schnittstelle zum CAN-Bus des Pedelecs entwickelt, die es ermöglicht, die Signale sowohl in Echtzeit als auch im Nachhinein zu analysieren. Hierfür kam verschiedene Hardware zum Einsatz, um den CAN-Bus abzugreifen. Die Signale werden anschließend mittels Software wie Matlab visualisiert und ausgewertet.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Arbeit war die Robustheit und Sicherheit des Prüfstands, da dieser für den Lehrbetrieb entwickelt wurde. Die Konstruktion des Prüfstands erfolgte unter strengen Sicherheitsvorgaben und einer detaillierten Gefährdungsbeurteilung, um eine sichere und zuverlässige Nutzung im Laborbetrieb zu gewährleisten. Der Prüfstand ist sowohl lokal als auch standortunabhängig einsetzbar, was eine flexible Nutzung in verschiedenen Lehrumgebungen ermöglicht.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die meisten Signale des CAN-Bus erfolgreich entschlüsselt und analysiert werden konnten. Dies ermöglicht eine detaillierte Betrachtung und Überwachung eines Antriebssystems und bietet wertvolle Einblicke in deren Betrieb. Der entwickelte Prüfstand stellt somit ein wertvolles Werkzeug für die Lehre dar, dass die Ausbildung im Bereich der Elektromobilität und der Fahrzeugtechnik erheblich bereichert.
In dieser Arbeit wird die Präsenz von Kupfer, Schwefel und Chlor, Bestandteile von Pflanzenschutzmitteln, in verschiedenen Bioproben aus Weinbergen untersucht. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) werden luftgetrocknete und lyophilisierte Proben analysiert und verglichen. Proben von der Rinde der Reben, Ameisen und Pflanzen aus dem Randstreifen werden monatlich über einen Zeitraum von drei Monaten in Doppelbestimmung entnommen. Zudem werden Bodenproben, Weinblätter, Rebholz, Marienkäfer und Spinnen untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass lyophilisierte Proben in den REM-Aufnahmen mehr Details aufweisen, insbesondere bei höherer Vergrößerung. Die REM-Aufnahmen der luftgetrockneten Bioproben zeigen ebenfalls eine hohe Qualität und liefern detaillierte Bilder.
Bei den untersuchten Spinnen und Marienkäfern ist Schwefel, Chlor und Kupfer nachweisbar. Die Konzentrationen der Elemente Kupfer, Schwefel und Chlor auf der Rinde der Reben liegen unter 0,25 Massenprozent und zeigen über den Beobachtungszeitraum keinen Anstieg. In Ameisen werden Chlor- und Kupferkonzentrationen von 0,1 bis 1,5 % festgestellt. Pflanzen im Randstreifen zeigen Höchstwerte für Chlor und Kupfer von etwa 1 %. Es besteht ein Zusammenhang zwischen den nachgewiesenen Elementen und den eingesetzten Pflanzenschutzmitteln der Winzer. Die Elementanalyse des Erdbodens zeigt keinen signifikanten Unterschied zwischen Bioanbau und konventionellem Weinanbau. Schwefel, Chlor und Kupfer sind nicht nachweisbar.
Im Rebenholz wird in einer Probe Chlor in einer Konzentration von etwa 1 % nachgewiesen. Im Weinstein des Bio-Weinbergs werden keine der untersuchten Elemente nachgewiesen.
Zusätzlich werden Bergahorn Kallusproben analysiert, sowohl gewöhnliche als auch potenziell embryogene. Bei der Elementanalyse zeigt sich, dass ein potenziell embryogener Kallus einen erhöhten Kaliumgehalt von etwa 18 % aufweist, was ein Hinweis darauf ist, dass die Zellen tatsächlich embryogen sind. Die potenziell embryogenen Kalli unterscheiden sich in den REMAufnahmen deutlich von den gewöhnlichen Kalli. Sie sind in ihrer Struktur kompakter, was ebenfalls auf embryogene Zellen hinweist.
Die Ergebnisse weisen insgesamt klare Parallelen zwischen dem Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und den nachgewiesenen Elementkonzentrationen in den Bioproben auf. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer sorgfältigen Überwachung und Regulierung des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln, um die Umweltbelastung zu minimieren, die ökologische Balance zu erhalten und dem Artensterben entgegenzuwirken.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung verschiedener Ansätze zur automatisierten Klassifikation von Mammographieaufnahmen, um die Erkennung von Brustkrebs zu verbessern. Im Rahmen der Evaluierung wurden insbesondere Convolutional Neural Networks (CNNs) wie InceptionV3 sowie das Foundation Model CLIP und ConvNeXtSmall berücksichtigt. Im Rahmen der Experimente wurden sowohl binäre als auch mehrklassige Klassifikationen unter Verwendung der DDSM- und MIAS-Datensätze durchgeführt. Ein Zero-Shot-Learning wurde für CLIP angewandt, jedoch ohne zufriedenstellendes Resultat. Die Ergebnisse legen nahe, dass InceptionV3 beim Nachtrainieren eine überlegene Leistung erbringt, während ConvNeXtSmall durch die Verwendung von Feature-Maps in Kombination mit einem Random Forest-Klassifikator bessere Ergebnisse zeigt als beim Nachtrainieren. Der Vergleich der hier vorgestellten Ansätze liefert wertvolle Einblicke und Perspektiven für künftige Forschungsarbeiten im Bereich der automatisierten Brustkrebsdiagnostik.
Ritter Gottfried (Götz) von Berlichingen (1480–1562) verlor 1504 im Landshuter Erbfolgekrieg im Alter von 24 Jahren seine rechte Hand distal des Handgelenks durch eine Kanonenkugelsplitterverletzung. Schon früh ließ Götz von einem Büchsenmacher die erste „Eiserne Hand“ bauen, bei der der künstliche Daumen und zwei Fingerblöcke in ihren Grundgelenken durch einen Federmechanismus bewegt und durch einen Druckknopf gelöst werden konnten. Einige Jahre später, vermutlich um 1530, wurde eine zweite „Eiserne Hand“ gebaut, bei der die Finger in allen Gelenken mit Hilfe einer ausgeklügelten Mechanik bewegt werden konnten. In diesem Beitrag werden die in den letzten Jahren von uns entwickelten 3D-Computer-Aided-Design(CAD)-Rekonstruktionen und 3D-Multimaterial-Polymer-Nachdrucke der ersten „Eisernen Hand“ vorgestellt. Diese zeigt auch nach heutigen Maßstäben eine ausgefeilte Mechanik und durchdachte Funktionalität und bietet noch immer Inspiration und Diskussionsstoff, wenn es um die Frage nach einem künstlichen Prothesenersatz für eine Hand geht. Es wird auch skizziert, wie einige der Ideen dieser mechanischen, passiven Prothese unter Verwendung einfacher, handelsüblicher elektronischer Bauteile in eine moderne motorisierte, aktive Handprothese übertragen werden können.
Diese Arbeit befasst sich mit der Eigenentwicklung eines Biosignalmesssystems, welches die Fähigkeit besitzt, ABR-Messungen zu erheben. Die dabei oberflächlich am Schädel eines Probanden abgeleiteten Potentiale gilt es mit dem System zu erfassen, zu verarbeiten und visuell darzustellen. Herzstück dieses bildet der Teensy 4.1, ein leistungsstarker Mikrocontroller der Firma PJRC, dessen auszuführender Quellcode das Ergebnis eines großen Teils der angestellten Entwicklungsarbeiten darstellt. Als Frontend des Systems dient der ADS1299, ein Analog-Digital-Wandler der Firma Texas Instrument, welcher vom verwendeten Mikrocontroller versorgt und gesteuert wird. Durch seine hohe Wandlungsrate und die Fähigkeit, Spannungen bis im zweistelligen Nanovoltbereich differenziert messen und digitalisieren zu können, stellt der ADS1299 eine ideale Komponente zur Realisierung des Messsystems dar. Mittels dieser werden die abgeleiteten Signale erfasst und daraufhin vom Teensy 4.1 im Sinne einer Signalmittelung verarbeitet. Die verarbeiteten Signale versendet der Teensy 4.1 daraufhin an einen, an diesen angeschlossenen Rechner, auf welchem diese anschließend innerhalb der MATLAB-Umgebung visualisiert werden. Realisiert werden diese Funktionalitäten aus dem Zusammenspiel zwischen der ausgewählten Hardware, des entwickelten Quellcodes des Teensy 4.1 in C++ und eines entwickelten MATLAB-Scripts. All diese Komponenten bilden ein Biosignalmesssystem, welches in der Lage ist, gemäß gewisser technischen Standards der klinischen Praxis, ABR-Messungen zu erheben.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Integration eines digitalen Zwillings in eine Robotersteuerung. Die Basis bildet der Versuch 3 "Motion Control-Saugarmgreifer" des Labors Regelungs- und Automatisierungstechnik. Unter Verwendung der Siemens Software NX wird ein digitaler Zwilling erstellt und anschließend mit SIMIT um eine kinetische Simulation ergänzt. Nach Fertigstellung des digitalen Zwillings wird dieser mit Siemens Software virtuell in Betrieb genommen und anschließend validiert. Des Weiteren werden die Robotersteuerung erweitert und vorhandene Mängel beseitigt.
Grundlage dieser Thesis bilden vorangegangene Bachelorarbeiten, in denen der digitale Zwilling von Herrn Vitaly Nikishin aufgebaut und die Robotersteuerung von Herrn Dominik Hampel erweitert wurden.