Medizintechnik

Beitrag der Systemdynamik zur Medizintechnik

Die Medizintechnikgruppe des ISYS beschäftigt sich mit der Modellierung, Simulation, Regelung und Optimierung medizintechnischer Anwendungen. Dazu arbeiten wir mit Ärzten aus dem Universitätsklinikum Tübingen sowie verschiedenen medizintechnischen Firmen zusammen. Die Arbeiten zur Medizintechnik sind eingebettet in das Interuniversitäre Zentrum für medizinische Technologien Stuttgart - Tübingen (IZST).

Moderne medizintechnische Geräte erfassen elektronisch eine Vielzahl von Messsignalen. Funktionen medizintechnischer Geräte können elektronisch angesteuert werden. Die Methoden der Systemdynamik können in vielfältiger Art und Weise dazu beitragen solche Geräte zu verbessern und deren Einsatz ergonomischer oder sicherer zu machen. Viele medizinische Messgeräte liefern dem Arzt Daten, welche diagnostisch schwer zu interpretieren sind und Messartefakte aufweisen. Mathematische Modelle können dazu verwendet werden Messartefakte zu erkennen und zu entfernen, sowie die Messdaten aufzubereiten um deren diagnostische Qualität zu erhöhen. Mathematische Modelle können auch dazu eingesetzt werden eine optimierte Steuerung oder Regelung für chirurgische Werkzeuge zu entwerfen oder Instrumente zu entwickeln die ohne eine komplexe Steuerung oder Regelung nicht möglich wären. Damit trägt die Systemdynamik zur Entwicklung sicherer und komplikationsarmer medizinischer Geräte bei.

 

Forschungsprojekte
Hochauflösende Urethradruck-Profilometrie
  • Entwicklung von Algorithmen zur hochgenauen Rekonstruktion des Druckprofils der Harnröhre
  • Verbesserte Diagnose von Harninkontinenz
  • Verbesserte Kontrolle des Therapieerfolgs
Modellbasierte Optimierung der Thermofusion
  • Thermofusion: Verfahren zur Gefäßversiegelung für blutarmes Operieren
  • Modellierung des Fusionsprozesses
  • Entwicklung verbesserter Steuerungen um den thermischen Lateralschaden zu verringern
Interaktionsbasierte manipulatorgestützte Assistenz
  • Systematische Analyse der Arbeitsplatzergonomie während laparoskopischen Operationen
  • Entwicklung eines manipulatorgestützten Armunterstützungssystems
Chirurgische Navigation bei laparoskopischen OPs
  • Navigationsgestütztes Assistenzsystem zur bildgestützten Orientierung während laparoskopischer Operationen
  • Fusion von absoluten und inertialen Positionsdaten
  • Visualisierung präoperativ identifizierter Strukturen
Intraoperative modellgestützte Identifikation von Gewebeeigenschaften
  • Tumorlokalisierung und intraoperative Diskriminierung von malignem und benignem Gewebe anhand der mechanischen Eigenschaften
  • Fusion von spektroskopischen und mechanischen Sensordaten
  • Identifikation der viskoelastischen Gewebeparameter
Nichtinvasive Messung des Glukosespiegels mittels Metamaterialien
  • Nichtinvasives Verfahren zur Messung der Glukosekonzentration in Tränenflüssigkeit
  • Signalaufbereitung des reflektierten Lichtstrahls
  • Bestimmung der Glukosekonzentration mit inversem Modell
 
Endoluminale Blasenwandteilresektion mit transurethraler Bergung
  • Transurethrale en-bloc Resektion von Blasentumoren
  • Modellbasierte Schwachstellenprädiktion in der Blasenwand
  • Patientenschonend und verringerte Rezidivraten
 

 

 

Studentische Arbeiten

Wir suchen ständig motivierte Studierende, die sich im Rahmen einer Studien-, Diplom-, Bachelor- oder Masterarbeit an einem unserer Projekte beteiligen wollen. Die Aufgabenstellungen liegen dabei typischerweise in den folgenden Bereichen:

  • Verteilt-parametrische, mechanische, elektro- und thermodynamische Modellierung.
  • Lösung inverser mathematischer Probleme.
  • Sensorfusion und Signalverarbeitung
  • Methoden der beschränkten und unbeschränkten Optimierung.
  • Methoden der kooperativen Robotik und Mensch-Maschine Interaktion.

Interessierte Studierende wenden sich direkt an die Mitglieder der Medizintechnikgruppe, um sich persönlich über mögliche Themen zu informieren.

 

Publikationen der Medizintechnikgruppe
Beiträge in Zeitschriften
  • M. Klünder, B. Amend, O. Sawodny, A. Stenzl, M. Ederer, A. Kelp, K.-D. Sievert & R. Feuer, “Assessing the reproducibility of high definition urethral pressure profilometry and its correlation with an air-charged system”, Neurourology and Urodynamics, pp. 1-9, 2016, doi:10.1002/nau.23115
  • M. Klünder, O. Sawodny, B. Amend, M. Ederer, A. Kelp, K.-D. Sievert, A. Stenzl & R. Feuer, “Signal processing in urodynamics: towards high definition urethral pressure profilometry”, BioMedical Engineering OnLine, 15, pp. 1-24, 2016, doi:10.1186/s12938-016-0145-6
  • J. Wagenpfeil, C. Schöllig, V. Mayer, R. Feuer, B. Nold, A. Neugebauer, M. Ederer, R. Rothmund, B. Krämer, S. Brucker, M. Enderle, O. Sawodny & J. Rex, “In silico evaluation of geometry variations with respect to the thermal spread during coagulation of egg white using bipolar vessel sealing instruments”, BioMedical Engineering OnLine, 2016, doi:10.1186/s12938-016-0238-2
  • M. Klünder, B. Amend, M. Vaegler, A. Kelp, R. Feuer, K.-D. Sievert, A. Stenzl, O. Sawodny & M. Ederer, “High Definition Urethral Pressure Profilometry: Evaluating a Novel Microtip Catheter”, Neurourology and Urodynamics, 2015, doi:10.1002/nau.22835
  • B. Steinhilber, S. Hoffmann, K. Karlovic, S. Pfeffer, T. Maier, O. Hallasheh, S. Kruck, R. Seibt, M. Rieger, M. Heidingsfeld, R. Feuer, O. Sawodny, R. Rothmund & K.-D. Sievert, “Development of an arm support system to improve ergonomics in laparoscopic surgery: study design and provisional results in Surgical Endoscopy”, Surgical Endoscopy, 29, pp. 2851-2858, 2015, doi:10.1007/s00464-014-3984-x
  • W. Aicher, M. Hart, J. Stallkamp, M. Klünder, M. Ederer, O. Sawodny, M. Vaegler, B. Amend, K. Sievert & A. Stenzl, “Towards a Treatment of Stress Urinary Incontinence:Application of Mesenchymal Stromal Cells for Regeneration of the Sphincter Muscle”, Journal of Clinical Medicine, pp. 197-215, 2014, doi:10.3390/jcm3010197
Konferenzbeiträge
  • M. Klünder, O. Sawodny & R. Feuer, “Increasing Spatial Resolution through Automated Catheter Rotation in High Definition Urethral Pressure Profilometry”, IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), 2016
  • D. Claus, P. M. Schumacher, T. Labitzke, M. Mlikota, U. Weber, S. Schmauder, N. Schierbaum, T. E. Schäffer, P. Wittmuess, T. Teutsch, C. Tarín, S. Hoffmann, F. A. Taran, S. Brucker, J. Mischinger, A. Stenzel & W. Osten, “Intraoperative model based identification of tissue properties using a multimodal and multiscale elastographic measurement approach”, Proceedings of SPIE, 2015, pp. 95400M-1-95400M-6, doi:10.1117/12.2183876
  • D. Claus, P. M. Schumacher, M. Wilke, M. Mlikota, U. Weber, S. Schmauder, N. Schierbaum, T. E. Schäffer, P. Wittmuess, T. Teutsch, C. Tarín, S. Hoffmann, S. Brucker, J. Mischinger, C. Schwentner, A. Stenzl & W. Osten, “Intraoperative model based identification of tissue properties based on multimodal and multiscale measurements”, Proceedings of SPIE, 2015, pp. 932805-1-932805-5, doi:10.1117/12.2076831
  • M. Klünder, R. Feuer, B. Amend, A. Kelp, A. Stenzl, K.-D. Sievert, O. Sawodny & M. Ederer, “Eliminating Pulse-Induced Artifacts in Urethral Pressure Data”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Milano, Italy, 2015, pp. 2779-2783, doi:10.1109/EMBC.2015.7318968
  • M. Klünder, R. Feuer, O. Sawodny & M. Ederer, “Using Deconvolution to Determine the Sphincter Strength Distribution Around the Urethra”, IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA), 2015, pp. 6-11, doi:10.1109/MeMeA.2015.7145163
  • F. Schlagenhauf, P.Wittmuess, C. Tarín, T. Teutsch & O. Sawodny, “Stiffness gradient detection for tissue discrimination based on identification of mass-spring-damper models”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, NSW, Australia, 2015, pp. 1057-1062, doi:10.1109/CCA.2015.7320752
  • T. Teutsch, M. Mesch, H. Giessen & C. Tarín, “Discrete wavelength selection for the optical readout of a metamaterial biosensing system for glucose concentration estimation via a support vector regression model”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Milano, Italy, 2015, pp. 6421-6424, doi:10.1109/EMBC.2015.7319862
  • J. Wagenpfeil, M. Jung, B. Nold, A. Neugebauer, M. Ederer, B. Krämer, R. Rothmund, C. Schwentner, D. Wallwiener, A. Stenzl, M. Schenk, M. Enderle, O. Sawodny & R. Feuer, “Optimized generator modes for bipolar vessel sealing”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, NSW, Australia, 2015, pp. 1862-1867, doi:10.1109/CCA.2015.7320881
  • J. Wagenpfeil, C. Schöllig, V. Mayer, B. Nold, M. Ederer, A. Neugebauer, R. Rothmund, B. Krämer, C. Schwentner, M. Schenk, M. Enderle, O. Sawodny & R. Feuer, “Finite-Element-Modeling of Egg White as a Substitute for Tissue Coagulation during Bipolar Radiofrequency-Induced Thermofusion”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2015, doi:10.1109/EMBC.2015.7319708
  • M. Heidingsfeld, R. Feuer, K. Karlovic, T. Maier & O. Sawodny, “A Force-controlled Human-assistive Robot for Laparoscopic Surgery”, IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2014, pp. 3435-3439, doi:10.1109/SMC.2014.6974460
  • M. Klünder, O. Sawodny, R. Feuer, A. Stenzl, K.-D. Sievert, B. Amend, M. Vaegler & M. Ederer, “Sampling lattice and signal reconstruction in urodynamics”, Signal Processing (ICSP) 12th International Conference on, 2014, pp. 1790-1796, doi:10.1109/ICOSP.2014.7015302
  • P. Rapp, L. Hägele, O. Sawodny & C. Tarín, “Characterization of a 6 DOF Acoustic-Inertial Navigation System for Minimally-Invasive Surgery”, International Conference on Control, Automation, Robotics & Vision (ICARCV), 2014, pp. 1823-1828, doi:10.1109/ICARCV.2014.7064593
  • P. Rapp, L. Hägele, O. Sawodny & C. Tarín, “Performance Study for an Acoustic-Inertial Close Range Navigation System used in Minimally-Invasive Surgical Interventions”, European Control Conference (ECC), Strasbourg, France, 2014, pp. 344-351, doi:10.1109/ECC.2014.6862302
  • P. Rapp, O. Sawodny, C. Tarín, C. R. Pech, J. Mischinger & C. Schwentner, “A Concept for a Novel Surgical Navigation System”, IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, 2014, pp. 3884-3889, doi:10.1109/SMC.2014.6974537
  • T. Teutsch, M. Mesch, H. Giessen & C. Tarín, “Dynamic modeling of the hydrogel molecular filter in a metamaterial biosensing system for glucose concentration estimation”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Chicago, IL, USA, 2014, pp. 2081-2084, doi:10.1109/EMBC.2014.6944026
  • J. Wagenpfeil, B. Nold, K. Fischer, A. Neugebauer, R. Rothmund, B. Krämer, S. Brucker, J. Mischinger, C. Schwentner, M. Schenk, D. Wallwiener, A. Stenzl, M. Enderle, O. Sawodny & M. Ederer, “A Mathematical Model of Bipolar Radiofrequency-Induced Thermofusion”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Chicago, IL, USA, 2014, pp. 5683-5686, doi:10.1109/EMBC.2014.6944917
Sonstige Veröffentlichungen

 

Mitglieder der Medizintechnikgruppe
Prof. Dr.-Ing. Cristina Tarín mailto icon cristina.tarin
Dipl.-Biol. (t.o.) Julia Rex mailto icon julia.rex
Dipl.-Ing. Michael Heidingsfeld mailto icon michael.heidingsfeld
Dipl.-Ing. Philipp Rapp mailto icon philipp.rapp
Dipl.-Ing. Tanja Teutsch mailto icon tanja.teutsch
Dipl.-Ing. Jay Wagenpfeil mailto icon jay.wagenpfeil