LEGO-Praktikum. Entwickeln, programmieren, optimieren: Berichte der Studierenden zum Projektseminar Elektrotechnik/Informationstechnik

Seit 2018 existiert die Open-Access-Schriftenreihe "LEGO-Praktikum. Entwickeln, programmieren, optimieren", in der studentische Beiträge veröffentlicht werden, die im Rahmen des Projektseminars Elektrotechnik/Informationstechnik (bzw. dem sogenannten "LEGO-Praktikum") an der gleichnamigen Fakultät entstanden sind. Am Ende dieses Seminars verfügen die Studierenden über Kenntnisse zur Programmierung mit MATLAB und können verschiedene Sensoren und Motoren ansteuern und regeln. Sie lernen das projektorientierte Arbeiten im Team, das mündliche Präsentieren ihrer eigenen Arbeit vor einer Gruppe und die schriftliche Dokumentation ihrer Ergebnisse in Form von kurzen Berichten, die in dieser Schriftenreihe veröffentlicht sind. Durch die praxisnahen Übungen mit LEGO-Bausätzen, die Vorträge und die schriftliche Ausarbeitung sind die Studierenden in der Lage, ihre Arbeiten wissenschaftlich kritisch zu hinterfragen und strukturiert zu dokumentieren

LEGO-Praktikum. Entwickeln, programmieren, optimieren: Berichte der Studierenden zum Projektseminar Elektrotechnik/Informationstechnik

Seit 2018 existiert die Open-Access-Schriftenreihe "LEGO-Praktikum. Entwickeln, programmieren, optimieren", in der studentische Beiträge veröffentlicht werden, die im Rahmen des Projektseminars Elektrotechnik/Informationstechnik (bzw. dem sogenannten "LEGO-Praktikum") an der gleichnamigen Fakultät entstanden sind. Am Ende dieses Seminars verfügen die Studierenden über Kenntnisse zur Programmierung mit MATLAB und können verschiedene Sensoren und Motoren ansteuern und regeln. Sie lernen das projektorientierte Arbeiten im Team, das mündliche Präsentieren ihrer eigenen Arbeit vor einer Gruppe und die schriftliche Dokumentation ihrer Ergebnisse in Form von kurzen Berichten, die in dieser Schriftenreihe veröffentlicht sind. Durch die praxisnahen Übungen mit LEGO-Bausätzen, die Vorträge und die schriftliche Ausarbeitung sind die Studierenden in der Lage, ihre Arbeiten wissenschaftlich kritisch zu hinterfragen und strukturiert zu dokumentieren

LEGO-Praktikum. Entwickeln, programmieren, optimieren: Berichte der Studierenden zum Projektseminar Elektrotechnik/Informationstechnik

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Elektromagnetische Verträglichkeit im Kontext der Produktentwicklung für die interventionelle Magnetresonanztomographie

Mithilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) werden Schichtbilder der Patientenanatomie aufgenommen. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung zwischen den Wasserstoffprotonen im Gewebe und der elektromagnetischen Umgebung im MRT-Scanner. Da die Schichtbilder über einen sehr hohen Weichgewebekontrast verfügen und darüber hinaus in beliebigen Orientierungen aufgenommen werden können, ist diese Bildgebung auch zunehmend interessant als visuelle Unterstützung von minimal-invasiven Interventionen. Ein solcher Einsatz setzt hohe Anforderungen an Instrumente und Gerate, die in der elektromagnetischen Umgebung des MR-Scanners verwendet werden. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der vorherrschenden elektromagnetischen Felder. Die Instrumente und Gerate müssen einerseits in einer solchen Umgebung ihre Funktionserfüllung gewährleisten und dürfen andererseits kein Risiko für den Patienten und den interventionellen Radiologen darstellen. Zur Kategorisierung der Eignung werden in der Normenreihen EN 60601 folgende Kompatibilitätsstufen definiert: MR safe, MR conditional und MR unsafe. Diese beziehen sich jedoch lediglich auf den diagnostischen Einsatz und sollen hierfür die Patientensicherheit gewährleisten. Wahrend operativer Eingriffe unter MRT-Führung ist es darüber hinaus erforderlich, dass die Interventionsprozedur nicht durch die Verwendung der Gerate negativ beeinflusst wird. Ziel dieses Beitrages ist es daher, ein Sicherheitskonzept vorzustellen, welches neben der Patientensicherheit auch die sogenannte Behandlungssicherheit berücksichtigt

Die Vorverstärkerentkopplung in der Magnetresonanztomographie

Es wurde ein einfaches Konzept für die Entkopplung von Empfangsspulen in der Magnetresonanztomographie beschrieben, das es ermöglicht, die maximale Stromunterdrückung für jegliche Art Verstärker zu finden. Die neue Formulierung verdeutlicht, welche Komponenten beim Entwurf einer solchen Schaltung wichtig sind und unterscheidet sich damit von der ursprünglichen Darstellung [P. B. Roemer, W. A. Edelstein, C. E. Hayes, S. P. Souza, and O. M. Mueller. The NMR Phased Array. Magnetic Resonance in Medicine, 16(2):192-225, 1990]. Dies wurde in Experiment I nachgewiesen. Zusätzlich lässt sich mittels dieser neuen Darstellung ein Qualitätsparameter definieren, der die Stromminimierung charakterisiert und damit vergleichbar macht. Die vereinfachte Darstellung macht auch ein vielfach beobachtetes Phänomen leicht erklärbar. Durch die Vorverstärkerentkopplung wird der Strom am Übergang A/B minimiert, aber die Spannung wird maximiert. Gerade für dicht gepackte Spulenarrays oder benachbarte Spulen, die mit einem "magic overlap" entkoppelt wurden, ist dies problematisch. Diese Methode verringert zwar die magnetische Kopplung, hat aber parasitäre Kopplungskapazitäten zur Folge. Durch die Maximierung der Spannung wird der Signalübertrag über diesen Koppelpfad erhöht. Eine Kombination beider Methoden sollte deshalb vermieden werden. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit den Beobachtungen anderer Forschungsgruppen [R. F. Lee, R. O. Giaquinto, and C. J. Hardy. Coupling and decoupling theory and its application to the mri phased array. Magnetic Resonance in Medicine, 48(1):203-213, 2002; D. Zanche, Nordmeyer-Massner, Brunner, and Pruessmann. Noise correlation and coupling mechanisms: a comparison of overlapped and non-overlapped surface coils at 3T. In ISMRM, 2008]. Außerdem wurde analytisch und experimentell eine besondere Eigenschaft dieser Schaltung nachgewiesen - ihre Stabilität gegenüber Beladungsänderung der Spule

Nutzung von Mantelwellensperren für die MR-geführte Mikrowellenablation

Bildgeführte, minimalinvasive Verfahren werden zur Biopsie suspekten Gewebes und dessen Behandlung eingesetzt. Eine weit verbreitete Methode für Letzteres sind thermoablative Verfahren wie beispielsweise die Mikrowellenablation (MWA). Mittels Bildgebung kann eine korrekte Platzierung einer für die MWA genutzten Elektrode überwacht werden. Die applizierten elektromagnetischen Felder führen aufgrund des Leistungsumsatzes im Gewebe zu einer starken Temperaturerhöhung. Studien haben gezeigt, dass unter Einhaltung eines Sicherheitssaumes von >5mm um den Tumor die Rezidivrate erheblich gesenkt werden kann [1]. Die Nutzung des MRTs bietet dazu die Möglichkeit Temperaturkarten zu erstellen, um einen geforderten Sicherheitsraum nachweisen zu können. Die MR-Bildgebung hat jedoch den Nachteil, äußerst anfällig gegenüber Interferenzen externer Geräte zu sein [2]. Eine mögliche Störquelle stellen hierbei Gleichtaktströme dar, welche sich auf den langen Zuleitungen zwischen MWA-Generator und Ablationselektrode bilden können. Um diese Gleichtaktströme zu dämpfen, gibt es in der MR-Bildgebung den Ansatz, nichtmagnetische Mantelwellensperren (MWS) zu verwenden [3]. Typischerweise wird hierfür ein geschirmter Leiter aufgewickelt und die resultierende Induktivität bildet mit einer an der Schirmung angebrachten Kapazität einen Schwingkreis, welche im Resonanzfall eine hohe Impedanz für den Gleichtaktstrom aufweist [4]. Die Effektivität der MWS hängt von deren Platzierung auf dem Kabel ab. Eine Neuplatzierung der MWS nach dem Anlöten am Kabelschirm ist mit einem erheblichen Aufwand in der MR-Umgebung verbunden [3]. Auch sollte beachtet werden, dass die Nutzung von Kabelzuleitungen für therapeutische Anwendungen den thermischen und chemischen Anforderungen einer klinischen Sterilisation genügen müssen. Durch das Anlöten der Kondensatoren der solenoiden MWS am Kabelschirm wird dieser Prozess erschwert. Alternative MWS sind zum Beispiel die Floating Cable Traps (FCTs). Bei diesen wird auf dem geschirmten Kabel ein koaxiales Leitersegment angebracht, dessen Innen- und Außenleiter an den Enden mit Kondensatoren abgeschlossen wird. Im Resonanzfall weist das koaxiale Leitersegment eine hohe Impedanz auf, welches zu einer Dämpfung des vom Schirm des Kabels in das koaxiale Leitersegment eingekoppelten Gleichtaktsignals führt. Die FCT bietet hierbei den Vorteil, dass diese Art der MWS nicht auf den Außenleiter eines Koaxialkabels angelötet werden muss. In diesem Paper soll ein Konzept vorgestellt werden, bei dem FCTs für den klinischen Einsatz einer Mikrowellenablation genutzt werden. Die Wirksamkeit wird mittels MR-Bildgebung überprüft

Empfangsspulen für bildgeführte Eingriffe mittels Magnetresonanztomographie

Die Magnetresonanztomographie bietet einen überragenden Weichteilkontrast, die Möglichkeit Schichten beliebig ausrichten zu können und eine nicht invasive Thermometrie. Zur Durchführung minimal invasiver bildgeführter Eingriffe stellen diese Eigenschaften einen unschätzbaren Vorteil gegenüber anderen bildgebenden Verfahren, wie der Computertomographie (CT) dar. Denn der überragende Weichteilkontrast ermöglicht es auch kleine Zielstrukturen darzustellen und damit eine zuverlässige Punktion zu ermöglichen. Die Auswahl auch obliquer (d. h. schräger) Schichten ermöglicht es, etwaige Risikostrukturen sicher zu umgehen. Dennoch konnten sich die Durchführung solcher Eingriffe unter MR-Bildgebung in den vergangenen 20 Jahren nie in der Breite durchsetzen. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der komplexe Arbeitsablauf solcher Eingriffe, die aufgrund fehlender standardisierter Instrumente und Prozeduren nur an wenigen Zentren durchgeführt werden. Die dort etablierten Lösungen sind durch eine hohe Individualität und schlechte Übertragbarkeit gekennzeichnet. Die sogenannten „MR-Empfangsspulen“ sind für die sichere Durchführung solcher Eingriffe von enormer Bedeutung - bestimmten sie doch wesentlich die Bildqualität. Ziel dieser Dissertation ist es daher ein Konzept für eine dedizierte interventionelle MR-Empfangsspule in ihren Grundzügen zu untersuchen. Dieses hat zum Zweck, die Platzierung und Vorbereitung einer für den Eingriff notwendigen MR-Empfangsspule wesentlich zu vereinfachen. Dazu werden neue Ansätze zur sogenannten „Leistungsanpassung“ und „Aktiven Entkopplung“ vorgestellt. Diese ermöglichen es die bisher üblichen Topologien von MREmpfangsspulen neu zu definieren und weitere Freiheitsgrade in der Implementierung zu gewinnen. Dieses Vorgehen unterscheidet sich grundlegend von vergleichbaren Studien, die konsequent auf die Substitution von Komponenten setzen z.B. zur Erhöhung der Flexibilität. Die vorgestellten Ansätze werden eingehend analysiert und entsprechende Verfahren zur korrekten Dimensionierung erarbeitet. Letzte dienen damit als Grundlage für ein ingenieurtechnisches Vorgehen und werden experimentell validiert. Beide Teilansätze wurden in dem Demonstrator einer dedizierten interventionellen Spule integriert und anhand von Laborund MR-Messungen evaluiert. Dabei konnte aufgezeigt werden, dass die neu eingeführten Ansätze vergleichbare Ergebnisse zu dem im Stand der Technik etablierten Methoden liefern. Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass die in dieser Arbeit dargelegten Beiträge die Implementierung interventioneller „Einweg“-Spulen ermöglicht.Magnetic resonance imaging offers superior soft tissue contrast, the ability to align slices at will, and non-invasive thermometry. For performing minimally invasive image-guided interventions, these features provide an invaluable advantage over other imaging modalities, such as computed tomography (CT). This is because the superior soft tissue contrast makes it possible to visualize even small target structures, thus enabling reliable puncture. The selection of oblique slices also makes it possible to safely bypass any risk structures. Nevertheless, the performance of such procedures under MR imaging has never been able to gain widespread acceptance over the past 20 years. A major reason for this is the complex workflow of such procedures, which are only performed at a few centers due to the lack of standardized instruments and procedures. The solutions established there are characterized by a high degree of individuality and poor transferability. The so-called „MR-receive coils“ are of enormous importance for the safe performance of such interventions - after all, they essentially determined the image quality. Therefore, the aim of this dissertation is to investigate a concept for a dedicated interventional MR receive coil. The purpose of this concept is to significantly simplify the placement and preparation of an MR receive coil required for the intervention. To this end, new approaches to so-called „power matching“ and „active decoupling“ are presented. These allow to redefine the usual topologies of MR receive coils and to gain further degrees of freedom in the implementation. This approach differs fundamentally from comparable studies that consistently rely on component substitution to increase flexibility. The approaches presented are analyzed in detail and corresponding procedures for correct dimensioning are developed. The latter thus serve as a basis for an engineering approach and are validated experimentally. Both sub-approaches were integrated in the demonstrator of a dedicated interventional coil and evaluated by means of laboratory and MR measurements. It could be shown that the newly introduced approaches provide comparable results to the state of the art established methods. In summary, it can thus be stated that the contributions presented in this work enable the implementation of interventional „disposable“coils

Die Modenverwirbelungskammer als alternative Messumgebung für Kompatibilitätstest in der Magnetresonanztomographie

Durch den Übergang vom diagnostischen zum therapeutischen Gebrauch der MR-Bildgebung wurde von Pannicke et.al. ein Sicherheitskonzept für die Produktentwicklung der interventionellen Magnetresonanztomographie vorgestellt. Dieses beinhaltete neben der Gewährleistung der Patientensicherheit auch eine zweite Stufe - die sogenannte Behandlungssicherheit. Kernaussage dieser verschärften Sicherheitsstufe ist, dass die Bildgebung des Scanners nicht durch externe Geräte gestört werden darf, da sonst der Abbruch der Behandlung droht. Dies stellt für die Entwicklung von Geräten, die in dieser Umgebung eingesetzt werden sollen eine verschärfte Anforderung dar, die mittlerweile auch in der DIN-EN-60601 als Untersuchung der besonderen EMV-Umgebung gefordert ist

Concept of a multi sensor and freely configurable patient table for CT applications

Conventional computed tomography (CT) systems are encapsulated in hardware and software. Integration of further imaging modalities and sensors which can acquire prior knowledge for dose saving image acquisition and reconstruction techniques are barely possible. Within the scope of our research project, an open interface and freely configurable CT system is now being developed. The integration of further modalities and sensors into this system is a main target. A subproject deals with a multi sensor patient table, which provides additional information through integrated sensors. In particular, force sensors are installed inside the patient table to determine the patient’s mass. This value can be used to specify the required tube voltage, so that a more precise setting can be made in comparison to today‘s clinical practice. Studys show that a more precise kVp estimation can significantly reduce patient dose. Sensors for the monitoring of respiration and pulse are also integrated into the setup of the patient table. On the one hand, these are designed to encourage the patients to minimize disturbing movements and on the other hand to generate trigger signals for the examination. In addition to the sensor concept of the table, a position control system for vertical and horizontal movement of the table is integrated. The position of the table can be adjusted using different input devices so that a fast and intuitive handling of the table movement can be achieved for standard diagnostic and CT guided interventional procedures. The communication between all sensors, actors and the CT ist realized via the Robot Operating System (ROS) framework