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

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Recommended prerequisites

• Contents of B.Sc. lecture „Introduction to Medical Technology”

Goals
Based on the fundamentals of vital sign measurement, upon completion of the module, participants will be able to:

• Explain the physiological and physical principles underlying the generation of vital signs
• Analyze, apply, and implement different methods for extracting vital signs
• evaluate vital sign measurement methods in terms of their suitability under various environmental conditions
• develop concepts for combining different sensors to improve robustness and coverage
• extract and interpret vital signs from various modalities using appropriate signal processing methods

Content

1. Physiology and Physics of the Cardiorespiratory System
2. Electrocardiography
3. Photoplethysmography
4. Mechanocardiography
5. Measurement of Respiratory Activity
6. Radar and Time-of-Flight Sensors
7. Camera-Based Vital Sign Measurement
8. The Measurement Chain form Anlog to Digital
9. Time-Frequency Analysis
10. Blind Source Separation

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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

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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.

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Recommended prerequisites

• Introduction to biomedical engineering
• Introduction to engineering physiology
• Systems theory

Goals
After successful completion of this module, students will be able to:

• have a basic understanding of systems physiology and selected pathophysiologies;
• understand disease mechanisms and medical processes;
• describe physiological systems by dynamical models and simulate their dynamical behavior on a computer;
• describe and explain the operating principles of therapeutic devices and techniques, particularly in the
• context of therapies for selected organs (heart, lung, kidney, liver, pancreas and the brain);
• demonstrate an advanced understanding of the interaction between the human body and electromedical devices;
• independently analyze engineering problems in medical technology and develop appropriate technical solutions

Content
In this course, students are introduced to a quantitative approach to describe physiological systems and therapeutic devices including the patient-device interaction. The course covers the following topics:

• Allometry
• Principles of Dynamic Modelling
• Compartment Models
• Electrophysiology I and II
• Muscle Physiology
• Cardiovascular Physiology
• Arterial Wave Equation
• Heart Pacemakers
• Ventricular Assist Devices
• Lung Physiology
• Mechanical Ventilation I and II
• Functional Electrical Stimulation
• Extracorporeal Membrane Oxygenation (ECMO)
• Anaesthesia Devices
• Kidney Failure and Renal Replacement Therapy
• Liver Support Systems
• Diabetes and Blood Glucose Control
• Intracranial Pressure Physiology and Control
• The impact of Modelling for Hardware-in-the-Loop (HiL) Testin

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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.

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