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
In dieser Vorlesung werden die grundlegenden Konzepte der unauffälligen und kontaktlosen Messmethoden von Vitalparametern aufbauend auf den physiologischen und physikalischen Ursprüngen der jeweiligen Signale eingeführt. Dabei werden die folgenden Vorlesungsinhalte behandelt:
1. Physiologie und Physik des kardiorespiratorischen Systems
2. Kapazitive Elektrokardiographie
3. Reflektive Photoplethysmographie
4. Ballistokardiographie und Seismokardiographie
5. Magnetische Induktionsmessung
6. Laser-Doppler Vibrometrie und Radar
7. LIDAR und Time-of-Flight Sensoren
8. Photoplethysmography Imaging
9. Infrarotthermographie
10. Fusionsalgorithmen zur Vitalparameterextraktion
11. Kompensation von Bewegungsartefakten
12. Anwendungsfall: Vitalparameterüberwachung im Auto
13. Anwendungsfall: Sensorfusion im Inkubator
Auf Basis der Grundlagen der unauffälligen und kontaktlosen Messmethoden von Vitalparametern können die Teilnehmer nach dem Besuch des Moduls:
• die physiologischen und physikalischen Ursprünge von Vitaldaten verstehen
• unterschiedliche Konzepte der unauffälligen und kontaktlosen Extraktion von Vitalparametern verstehen und implementieren
• die Vor- und Nachteile bestimmter Konzepte für unterschiedliche Umgebungsvariablen beurteilen
• Konzepte zur Kombination unauffälliger und kontaktloser Sensorik zur Optimierung der Abdeckung erstellen
• Bewegungsartefakte in Vitaldaten erkennen und durch entsprechende Algorithmen kompensieren
Inhaltliche Voraussetzungen (erwartete Kenntnisse):
Empfohlen: Inhalte der B.Sc.-Vorlesung „Einführung in die Medizintechnik“
Empfohlene Literatur (Deutsch):
Medizintechnische Systeme,
Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, 2016, Erste Edition
Steffen Leonhardt, Marian Walter
ISBN 978-3-642-41238-7
Literatur auf Englisch:
Upcoming book on
“Unobtrusive and Contact-free Monitoring of Vital Signs”
Steffen Leonhardt, Markus Lueken and Mohanasankar Sivaprakasam
C. Brüser, C. H. Antink, T. Wartzek, M. Walter and S. Leonhardt, "Ambient and Unobtrusive Cardiorespiratory Monitoring Techniques," in IEEE Reviews in Biomedical Engineering, vol. 8, pp. 3043, 2015, doi: 10.1109/RBME.2015.2414661
S. Leonhardt, L. Leicht, D. Teichmann. „Unobtrusive Vital Sign Monitoring in Automotive Environments - A Review”. Sensors (Basel). 2018 Sep 13;18(9):3080. doi: 10.3390/s18093080
Sommersemester
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.