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Vorlesungen

Die Lehrveranstaltungen des MedIT sind in RWTHonline zu finden.

Achtung: Im WS 22/23 wurden die Vorlesungen Medical Systems1 und MS2 getauscht.

Wintersemester

Die Studierenden sollen

  • ein grundlegendes Verständnis der Physiologie des Menschen, insbesondere der elektrophysiologischen Vorgänge, erwerben, und
  • Verständnis für die Interaktion zwischen dem menschlichen Körper und elektromedizinischen Geräten entwickeln

Inhalt:

  • Einführung in die Anatomie und Physiologie
  • Grundlagen der Elektrophysiologie
  • Stromwirkung auf biologisches Gewebe
  • Physiologische Regelkreise

Ausgewählte Kapitel der Elektromedizin:

  • Medizinische Messtechnik
  • Intensivmedizinische Gerätetechnik
  • Herzschrittmacher und Defibrillatoren
  • Tragbare Medizintechnik (Personal Health Care)

Literatur zur Vorlesung:

  • Das Skript für die Vorlesung Einführung in die Medizintechnik ist bei uns im Sekretariat erhältlich.

Vertiefungsmaterial zur Vorlesung:

  • Das Lehrbuch "Medizintechnische Systeme", herausgegeben von S. Leonhardt und M. Walter, wird als Zusatzliteratur empfohlen

Die Studierenden entwickeln ein fortgeschrittenes Verständnis moderner Methoden der linearen Mehrgrößenregelung. Die beinhaltet die Anwendung von moderner Mehrgrößenanalyse und Werkzeugen für den Reglerentwurf in komplexen Systemen mit Unsicherheiten. Die Studierenden lernen Zustandsraum- und Frequenzbereichsmethoden für Mehrgrößensysteme zu verstehen und anzuwenden. 

Inhalt:

  • Grundbegriffe von Mehrgrößensystem und Repräsentation
  • Analyse von Mehrgrößensystemen, Modellierung von Unsicherheiten
  • General control configuration, Robustheit und Güte
  • H2- (LQR/LQG) Regelung
  • Einführung in die robuste Hinf-Regelung
  • Implementierungsaspekte von robusten Reglern
  • µ-Synthese

Nach der Teilnahme an der Modulveranstaltung "Medizintechnische Systeme 2: Messtechnik und Signalverarbeitung" sind die Studierenden zu folgenden Leistungen in der Lage: 

  • Die Studierenden verstehen wichtige messtechnische Grundlagen der Medizintechnik.

  • Sie haben die Fähigkeit Messschaltungen für physiologische Signale zu entwerfen

  • Sie sind in der Lage eine Messkette vom Sensor über die analoge Schaltung bis zur digitalen Signalverarbeitung zu entwerfen und an applikationsspezifische Anforderungen anzupassen

  • Die Studenten verstehen die Funktionsweise von diagnostischen Geräten und Techniken, am Bespiel der Ultraschall-Untersuchung, der elektrischen Impedanz Tomographie oder des Cochlea-Implantats.

  • Die Studenten haben ein fortgeschrittenes Verständnis für die Interaktion zwischen dem menschlichen Körper und elektromedizinischen Geräten entwickelt.

  • Sie kennen spezielle Methoden der digitalen Signalverarbeitung z.B. der Zeit-Frequenzanalyse oder der Quellentrennung

  • Sie können eigenständig ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen der Medizintechnik analysieren und Lösungen entwickeln.

Vertiefungsmaterial zur Vorlesung:

Das Buch Medizintechnische Systeme wird als Zusatzliteratur empfohlen

    Nach der Teilnahme an den Modulveranstaltungen sind die Studierenden in der Lage Methoden der theoretischen Modellierung dynamischer Systeme zu verstehen. Sie sind des Weiteren fähig, in Analogien zu denken und die grundlegenden Gemeinsamkeiten zwischen elektrischen und mechanischen Systemen zu benennen. Ferner können sie Teilkomponenten integrierter mechatronischer Systeme einheitlich analysieren und beschreiben.

    • Einführung - Was ist Mechatronik?

      • Überblick

      • Motivation

      • Struktur
         

    • Grundlagen der Modellbildung
       

    • Systembegriff und Definition
       

    • Konstitutive Gleichungen:

      • Erhaltungsgrößen in globalen Bilanzräumen

      • Zustandsgleichungen

      • Phänomenologische Gleichungen
         

    • Modellbildung mechanischer Systeme:

      • Grundlagen der Mechanik (Kinematik, Kinetik/Dynamik)

      • Newton'sche Gleichungen

      • Dynamische Modellierung von Maschinenelementen

      • Feder-Masse-Dämpfer-Systeme

      • Lagrange-Gleichungen 2. Art
         

    • Modellbildung elektrischer Systeme:

      • Grundlagen der Elektrotechnik (Kirchhoff'sche Gleichungen komplex)

      • Dynamische Modellierung von elektronischen Schaltungen

      • Dynamische Modellierung von Linearaktoren und Antrieben

      • Lagrange-Gleichungen 2. Art für elektrische und elektromechanische Systeme
         

    • Modellierung hydraulischer und thermischer Systeme

      • Bilanzierung der Energie

      • Strömungseigenschaften

      • Elektrische Analogien
         

    • Verallgemeinerte Vierpol-Theorie:

      • Grundlage der Vierpoltheorie

      • Analogiebetrachtungen: mechanische/elektrische/chemische/thermische Systeme

      • Generalisierte Ströme und Potentiale
         

    • Robotische Systeme:

      • Einführung

      • Beschreibung einer seriellen kinematischen Kette

      • Dynamische Modellierung mit Hilfe der Lagrange-Gleichungen 2. Art
         

    Literatur zur Vorlesung:

    Das Skript für die Vorlesung Modellierung Mechatronischer Systeme ist bei uns im Sekretariat erhältlich

     

    Sommersemester

    Die Studierenden sollen ein Verständnis für das Konzept von Signal und System entwickeln, das es ihnen erlaubt, Signale und Systeme in realen technischen Problemstellungen zu identifizieren und soweit zu abstrahieren, dass eine mathematische Beschreibung mit Hilfe der in dieser Vorlesung vorgestellten Darstellungsweisen möglich ist.

    Inhalt:

    Zeitkontinuierliche Systeme:

    • Grundbegriffe: Ziele und Aufgaben der Vorlesung.

    • Differentialgleichungen: Lösen von linearen, gewöhnlichen Differentialgleichungen; Linearisierung.

    • Laplace-Transformation: Anwendung der Laplace-Transformation zur Lösung von Differentialgleichungen im Frequenzbereich; Einführung der Übertragungsfunktion

    • Modellbildung: mathematische Beschreibung des dynamischen Verhaltens von elektrischen, mechanischen und elektromechanischen Systemen (Übertragungsglied, Blockschaltdiagramm Übertragungsfunktion, Linearisierung). 

    • Dynamisches Verhalten: Zeitverhalten von Systemen erster und zweiter Ordnung; stationäres und transientes Verhalten.

    • Eigenschaften rückgekoppelter Systeme: Stationäres Verhalten, Störgrößen, transientes Verhalten; Systematik der Systemnamen

    • Ortskurven und Bodediagramme: Hilfsmittel zur Beschreibung von Systemverhalten und für weitergehende Untersuchungen des Systemverhaltens in Abhängigkeit verschiedener Frequenzen und Verstärkungsfaktoren.

    • Stabilität: Einführung des Stabilitätsbegriffes, Berechnung der Systemstabilität durch Routh und Hurwitz-Kriterien, mithilfe des Nyquistkriteriums (allgemein und vereinfacht), durch das Wurzelortskurvenverfahren.

    • Reglerentwurf: Frequenzkennlinienverfahren im Bode-Diagramm zum Entwurf von einfachen PID-Reglern; Erläuterung des Ziegler-Nichols-Verfahrens u.a.; Kaskadenregelung.

    Literatur zur Vorlesung:

    Das Skript für die Vorlesung Systemtheorie Iist bei uns im Sekretariat erhältlich

     

    Nach der Teilnahme an den Modulveranstaltungen sind die Studierenden in der Lage Methoden der theoretischen Modellierung sowie Identifikation und Regelung dynamischer Systeme zu verstehen. Sie sind des Weiteren fähig, in Analogien zu denken und die grundlegenden Gemeinsamkeiten zwischen elektrischen, mechanischen, hydraulischen, pneumatischen, thermischen und medizinischen Systemen zu benennen. Ferner können sie Reglersysteme für mechatronische Systeme analysieren und auslegen. Zusätzlich erlernen die Studierenden die Fähigkeit, das CAE Tool Matlab/SIMULINK zur Modellierung und Identifikation von Systemen einzusetzen.

    • Identifikation dynamischer Systeme:

      • grafische Verfahren

      • Ermittlung aus Bode-Diagramm und Sprungantwort

      • Methode der kleinsten Quadrate

      • Anregungsfunktionen
         

    • Digitale Regelsysteme
       

    • Methoden der Fehlerdiagnose:

      • Merkmalsextraktion

      • Signal-basierte Verfahren

      • Modell-basierte Verfahren (Parameterschätz-Verfahren und weighted Least Squares, Zustandsschätzverfahren, Parity-Space-Methode)

      • Grundlagen der Klassifikation
         

    • Simulation mechatronischer Systeme:

      • Simulation im Zustandsraum (Analogrechner)

      • Verfahren zur digitalen Simulation (numerische Integrationsverfahren)

      • Matrix-Exponentialverfahren

      • Zeitdiskrete Modellierung linearer Systeme
         

    • Adaptive Regelsysteme:

      • Gain Scheduling

      • Self tuning Regulators

      • Model-based Adaptive Control
         

    • Rapid Control Prototyping:

      • Der V-Zyklus als Entwicklungsszenario

      • Hardware- und Software-in-the-loop

      • VZyklus für mechatronische Systeme
         

    Literatur zur Vorlesung:

    Das Skript für die Vorlesung Identifikation und Regelung Mechatronischer Systeme ist bei uns im Sekretariat erhältlich

     

    Den Schwerpunkt von Teil I der Vorlesung Medizintechnische Systeme bilden die physiologischen Grundlagen und die Modellbildung physiologischer Systeme.

    Es werden sowohl physiologische Themen wie Herz und Kreislauf, Niere und Nierenfunktion, Gehirn/Sinnesorgane, Atmung und Verdauung als auch Modelle für Hirndruckregelungen und künstliche Beatmung/Lungenfunktionsdiagnose behandelt. Des Weiteren vermittelt die Vorlesung die Prinzipien medizinischer elektrischer Geräte und deren Sensorik.

    Literatur zur Vorlesung:

    Das Skript für die Vorlesung Medizintechnische Systeme I ist bei uns im Sekretariat erhältlich.

    Vertiefungsmaterial zur Vorlesung:

    Das Lehrbuch "Medizintechnische Systeme", herausgegeben von S. Leonhardt und M. Walter, wird als Zusatzliteratur empfohlen.