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HyMon - Handhygiene-Monitoring im Krankenhaus

Ziel ist es, dem Benutzer in Echtzeit bei der Händedesinfektion zu unterstützen und auf eventuelle Benutzerlücken aufmerksam zu machen.

Schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts zeigen zahlreiche Studien, dass die Einhaltung der Handhygiene eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Krankheiten im Gesundheitswesen spielt. Trotz dieser Erkenntnisse und der daraus entstandenen weltweit anerkannten Richtlinien zur Handhygiene sind heutige Infektionsraten in Krankenhäusern immer noch zu hoch. Alleine in Deutschland liegt die Anzahl der Todesfälle durch Infektionen in Verbindung mit multiresistenten Erregern bei 15.000 Personen pro Jahr. Studien für deutsche Krankenhäuser zeigen, dass Handhygiene-Richtlinien nur zu 41,2% - 55,2% eingehalten werden. Vorgesehene Händedesinfektionschritte werden dabei teilweise vernachlässigt und stark verkürzt. So liegt die Desinfektionszeit für die hygienische Händedesinfektion oft unter 15 Sekunden, obwohl nach der Norm EN 1500 30 Sekunden gefordert sind.

Am Institut für Mess-und Regelungstechnik wird ein System entwickelt, welches mittels eines optischen Sensors und Bildverarbeitung die Quantität und die Qualität der Händedesinfektion beurteilt. Der Ablauf der Händedesinfektion lässt sich in einzelne Gesten unterteilen. Das System lernt in einer Trainingsphase, die sich sehr ähnelnden Gesten zu unterscheiden, was als Maschinenlernen bezeichnet wird. Dabei werden Merkmale wie beispielsweise die Gestendauer, -art, -anzahl und -reihenfolge erkannt und ausgewertet. Das Ziel ist es, den Benutzer in Echtzeit bei der Händedesinfektion zu unterstützen und auf eventuelle Benetzungslücken aufmerksam zu machen.

Ansprechpartner: M. Sc. Armin Dietz

Multiskalige Geometrieprüfung von Fügebereichen (SFB 1153 - C5)

Abbildung 1: Abschätzung der Lichtablenkung im Brechungsindexfeld.
Abbildung 2: Laserstrahl-Ablenkung in Abhängigkeit von Triangulationswinkel und Werkstücktemperatur.

Ziel dieses Teilprojekts ist die Erforschung von Mess- und Auswerteverfahren zur geometrischen inline Zustandsbeurteilung von Fügebereichen umgeformter rotationssymmetrischer Tailored Forming-Bauteile in unterschiedlichen Skalenbereichen. Für eine Einstellung und Regelung des Herstellungsprozesses von Tailored Forming-Bauteilen ist eine vollständige Prüfung der geometrischen Merkmale der Fügebereiche von entscheidender Bedeutung. Die Prüfung der Fügestellen ist im Anschluss an jeden einzelnen Prozessschritt (Fügen, Umformen, Härten u. Endbearbeitung) durchzuführen. Hieraus ergeben sich Vorteile, wie bspw. eine Fehlerfrüherkennung, eine Ausschussreduktion sowie die Möglichkeit der 100%-Qualitätskontrolle und Echtzeit-Prozessregelung.

Innerhalb der ersten Förderperiode soll daher ein schnelles, optisches und flächenhaft messendes Multi-sensormesssystem auf Grundlage des Triangulationsprinzips entwickelt, aufgebaut und erforscht werden, welches auf die Erfassung der Werkstückgestalt auf der Makroebene sowie die Detektion und Charakterisierung von Oberflächendefekten (z. B Lunker, Oberflächenrisse) auf der Mesoebene ausgelegt ist. Im Hinblick auf eine Fusion der Messdaten der unterschiedlichen Skalenbereiche sollen Methoden erforscht werden, mit denen die unterschiedlich hoch auflösenden Sensoren des Messsystems zueinander kalibriert werden können. Um die Fügebereiche im Hinblick auf den neuen Herstellungsprozess zu charakterisieren, sollen an Tailored Forming-Bauteile angepasste Methoden zur Darstellung und Quantifizierung von Geometrieabweichungen bezüglich der konstruktiv vorgegebenen Sollgestalt entwickelt werden.

Die Entwicklung von Methoden zur Messung und Charakterisierung der Fügebereiche von schmiedewarmen Tailored Forming-Bauteilen direkt im Anschluss an den Umformprozess stellt einen besonderen Forschungsschwerpunkt dar. Durch den Wärmeübergang vom schmiedewarmen Bauteil auf die Umgebungsluft wird diese in der Werkstückumgebung aufgeheizt, weshalb sich im isobaren Umfeld des Labors, oder einer Fertigungsanlage, ein Dichtegradient um das Bauteil einstellt. Dieser Gradient hat ein dreidimensionales, inhomogenes optisches Brechungsindexfeld zur Folge.

Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Simulation des Brechungsindexfeldes bei einem angenommenen linearen Verlauf der Temperatur und damit der Massendichte der Luft von der Werkstückoberflächentemperatur bis zur Raumtemperatur und entsprechend linearem Verlauf der optischen Dichte bei einer angenommenen Grenzschichtdicke von 300 mm. Es zeigt sich eine deutliche Strahlablenkung von bis zu mehreren zehn Mikrometern (siehe Abb. 2). Der beschriebene Effekt betrifft alle Arten von optischen Triangulationsverfahren, wie Laserlichtschnitt, Streifenprojektion und Stereo-Photogrammmetrie, gleichermaßen. Die Strahlablenkung übersteigt deutlich den Bereich der angestrebten Messauflösung, so dass eine Berücksichtigung und Kompensation sinnvoll ist. Auch Sensoren mit hoher geometrischer Auflösung, wie in der Weißlichtinterferometrie oder Fokusvariation, unterliegen dem Einfluss dieses Effekts, da sich mit dem Brechungsindex des Mediums auch die optische Weglänge gegenüber der geometrischen Weglänge ändert.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Rüdiger Beermann, Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Markus Kästner

Der intelligente Operationssaal

Laborumgebung: Operationstisch und Beleuchtung

Der heutige OP-Saal ist ein hochtechnologischer Bereich, in dem sich durch den Einsatz therapeutischer und diagnostischer Geräte eine Vielzahl an Behandlungsmöglichkeiten ergibt. Die hieraus steigenden Anforderungen an das Personal, sollen durch intelligente Funktionen des OP-Saals aufgenommen werden und eine Entlastung bewirken. Die Optimierung und sichere Gestaltung von Prozessen innerhalb dieser Umgebung, soll eine bessere Patientenversorgung ermöglichen.

In der gezeigten Laborumgebung werden neue Ansätze im Bereich der HMI (Human Maschine Interface), Patientenlagerung und Objektkollision erforscht. Hierbei wird mit Hilfe von aktiven 3D- Bildsensoren der Observierungsbereich erfasst und mit Algorithmen aus der Bildverarbeitung ausgewertet. Auf Grund dieser Datensätze, soll der OP-Saal notwendige Informationen über die aktuelle OP-Situation erhalten und in Interaktion zu Mensch und Maschine treten. Neben Assistenzfunktionen, soll auch die aktive Manipulation von Geräten möglich sein.

Ein besonderer technologischer Schwerpunkt besteht in der Implementierung und Verwendung von Sensor- Array-Systemen. Die OP-Umgebung gestaltet sich durch die Vielzahl von Geräten und Personen auf engstem Raum, als sehr komplex und soll daher aus verschiedenen Blickrichtungen erfasst werden. Es wird dadurch eine vollständige Segmentierung der Objekte möglich. Dies birgt besondere Herausforderungen im Bereich der Echtzeitanwendbarkeit, Datenfusionsmöglichkeit und Berücksichtigung komplexer Bildfehler wie z.B. Grenzflächeneffekte, Reflexionen und Abschattungen.

Ansprechpartner: M. Sc. Armin Dietz

Schnelle Prüfung komplexer Geometrien (SFB871 - C2)

Im Rahmen der Produktregeneration ist die geometrische Formprüfung von Werkstücken unverzichtbar. Dies gilt sowohl für die Beurteilung der Reparaturfähigkeit eines Werkstücks und die Planung des gesamten Regenerationsprozesses als auch für die Überprüfung einzelner Regenerationsstufen. Ziel des Teilprojektes C2 des SFB871 ist es, die tatsächliche Werkstückgeometrie mit der entsprechenden Sollgeometrie des Werkstücks, welche als CAD-Datensatz vorliegt, zu vergleichen und eine geometrische Abweichungsanalyse zu erstellen.

Mit der inversen Streifenprojektion ist es im Gegensatz zur konventionellen Streifenprojektion sehr viel effizienter möglich Abweichungen der Werkstückgeometrie direkt optisch zu erfassen. In wenigen Sekunden können so mehrere Millionen Punkte auf der Werkstückoberfläche dreidimensional gemessen werden. Dafür ist es notwendig ein an die Sollgeometrie des Werkstücks und an die gesamte Geometrie der Messanordnung angepasstes inverses Streifenmuster auf die Werkstückoberfläche zu projizieren und dessen diffuse Reflexion unter einem definierten Triangulationswinkel mittels einer digitalen Kamera aufzunehmen. Die aufwändige Erstellung des inversen Projektionsmusters hat die Etablierung dieser Methode im industriellen Umfeld bisher verhindert.

Im dem Projekt werden neue, auf einem virtuellen Streifenprojektionssystem basierende, Methoden zur effizienten Erzeugung inverser Projektionsmuster erforscht. Mittels Raytracing-Simulationsverfahren kann so im Vorfeld eine virtuelle Messung durchgeführt werden, um bei der anschließenden realen Messung die quantitative Bestimmung von Geometrieabweichungen stark zu beschleunigen.

Zusätzlich zur inversen Streifen Projektion wird ein endoskopisches Streifenprojektionssystem Viboskop(TM) entwickelt. Durch den Messkopf, der nur weniger Millimeter groß ist, können auch innenbereiche vin komplexen Geometrien gemessen werden. Die schnelle und vollständige Erfassung z.B. von Blisken (Blade integrated Disc) wird somit ermöglicht.

Ansprechpartner: M.Sc. Jochen Schlobohm

Entwicklung eines neuartigen Bildderotators

Die Analyse des dynamischen Verhaltens rotierender Objekte unter realen Betriebsbedingungen ist aufgrund der überlagerten Objektdrehung eine große Herausforderung.

Mit Hilfe des am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) neu entwickelten Bildderotators mit einer speziell konzipierten Spiegelanordnung ist die Untersuchung an schnell rotierenden Objekten einfach umzusetzen. Der Bildderotator sorgt  für die Elimination der Bilddrehung, so dass dem Betrachter das rotierende Objekt ruhend erscheint.

Der Bildderotator ermöglicht somit sowohl Messungen mittels eines Laser-Dopplervibrometers zur Schwingungsanalyse (In-plane, Out-of-plane), als auch die Anwendung digitaler Bildverarbeitung zur Deformations- und Stabilitätsanalyse.

Aufgrund der neuartigen Spiegelanordnung sind, im Gegensatz zum bisher eingesetzten Dove-Prisma, thermografische Untersuchungen an Objekten realisierbar. Zudem erzeugt die Neuentwicklung keine Bildverzeichnungen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (Univ.) Andreas Pösch

Derotator-Schlupfmessung

Am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) wurde ein optomechanischer Bildderotator entwickelt. Dieser wird eingesetzt, um das dynamische Verhalten rotierender Objekte unter Betriebsbedingungen zu untersuchen. Das Kernstück des Bildderotators ist ein Bilddrehprisma nach Dove. Wird ein rotierendes Objekt durch das Prisma hindurch beobachtet, das mit der halben Winkelgeschwindigkeit in gleicher Drehrichtung mit dem Derotator rotiert, so erscheint das Objekt ruhend. Mittels Verwendung des Derotators und einer Hochgeschwindigkeitskamera oder Laser Doppler Vibrometers ist es möglich, die Schwingungen eines rotierendes Objekt im Stillstand zu betrachten. Dieses ist bislang mit keiner anderen Messmethode möglich. Voraussetzung hierfür ist, dass die optische Achse des Prismas, die Drehachse des Antriebs sowie die Objektdrehachse identisch sind. Diese Methode erlaubt Schwingungsmessungen in der Ebene und Außerhalb der Ebene bis zu Drehgeschwindigkeiten n = 10.000 min-1. Im Rahmen eines EU-Projekts wird der Derotator eingesetzt, um den Schlupf von Wälzkörpern eines Zylinderrollenlagers zu messen. Dafür dreht der Derotator mit der halben Geschwindigkeit des Käfigs des Wälzlagers. So wird  der Drehbewegung des Käfigs und der Wälzkörper um den Innenring des Lagers optisch eliminiert. Durch den Einsatz digitaler Bildverarbeitung wird das Rotationsverhalten der Wälzkörper detailliert ermittelt und ausgewertet.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (Univ.) Andreas Pösch

3D-REM Oberflächenmesstechnik mittels räumlich verteilter Everhart-Thornley Detektoren

Prinzipielle Skizze der Struktur zur Reduzierung der Sekundärelektronen mit möglichen Laufbahnen

Oberflächenmesstechnik basierend auf der Rasterelektronenmikroskopie (REM) erlaubt es Materialien bis auf die atomare Ebene zu untersuchen. Dafür wird die Probe mit einem Elektronenstrahl punktweise bestrahlt und resultierende Strahlungsintensitäten aufgezeichnet. Klassische Untersuchungen beschränken sich dabei auf die verschiedenen Intensitäten, die Bildverarbeitungs- oder Visualisierungsmethoden zugeführt werden. Das Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) erforscht seit vielen Jahren eine Methode zur hoch-präzisen 3D Elektronenmikroskopie, die neben Intensitätswerten auch das Oberflächenprofil der Probe rekonstruiert. Diese 3D-REM Messtechnik stellt nicht nur eine einzigartige neue Messmethode dar, sondern eröffnet auch neue Einblicke in die Feinstruktur der Materialoberflächen, aus der neue Analyseverfahren in verschiedensten Anwendungsbereichen entstehen werden. Bis auf weiteres werden diese Methoden der Forschung vorbehalten sein, aber in einigen Jahren könnten diese durch eine Firma wie ZEISS die Marktreife erlangen.

Das vom IMR entwickelte Messverfahren nutzt mehrere Detektoren für sekundäre Elektronen (SE), so dass mit niedrigen Strahlungsenergien gearbeitet werden kann und eine hohe Genauigkeit der Oberflächenrekonstruktion erzielt werden kann. Zur Bildgebung wird dafür die Abstrahlcharakteristik verwendet, aus der sich mit ausgefeilten Materialmodellen die Oberflächenneigung berechnen lässt und auf diese Weise ein Profil der Oberfläche erstellen werden kann.  In einer ersten Entwicklungsstufe wurden dazu zwei Detektoren, angeordnet in einem 180° Winkel, verwendet. Die Ergebnisse waren vielversprechend, so dass in einer weiteren Entwicklungsstufe das System zurzeit auf vier Everhart-Thornley Detektoren und eine aufwändige Elektronen-„Linse“ erweitert wird. Auch hier lassen Simulationen und erste Ergebnisse erwarten, dass die Messergebisse eine neuartige Qualität im Vergleich zu bestehenden Bildgebungsverfahren besitzen. Ein Hindernis bei diesem Ansatz sind Rückstreuelektronen (BSE), die die Messergebnisse verfälschen können, weil diese hochenergetischen Elektronen weitere SE in Oberflächen der Probenkammer auslösen.

Um diesen Effekt maßgeblich zu reduzieren, beabsichtigt das IMR eine Elektronenfalle basierend auf Nanostrukturen zu entwickeln. Damit könnten die unerwünschten Elektronen abgefangen werden und das IMR erwartet die Auslösung der Messungen auf diese Weise weiter steigern zu können. Eine Anordnung der Elektronenfalle an der Kanonenunterseite ist am sinnvollsten, da hier der Großteil der BSE auftrifft.  Die Struktur soll hochenergetische Elektronen aufnehmen und dort entstehende sogenannte SE3 Emission auffangen. Dafür ist es notwendig, neben einem geeigneten Material auch die optimale Oberflächenstruktur für die Elektronenfalle zu finden. Wahrscheinlich ist dies eine Rechtecksignalform, allerdings müssen die Abmessungen der Rechtecke bzw. die Tiefe der Löcher durch mehrere Versuchsreihen ermittelt werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Renke Scheuer

Inspektion von mikrostrukturierten Oberflächen unter industriellen Bedigungen

Durch eine spezielle Mikrostrukturierung von Oberflächen lässt sich der Strömungswiderstand des jeweiligen Bauteils reduzieren. Die Form dieser Struktur ist der Haut von Haifischen nachempfunden und wird Riblets genannt. Das Einsatzgebiet dieser Struktur findet sich vor allem an der Außenhaut von Flugzeugen und an Verdichterschaufeln von Flugzeugtriebwerken. Die Struktur besteht aus periodischen Erhebungen aus der Bauteiloberfläche. Die Periodenlänge dieser Struktur entspricht dabei - je nach vorherrschender Strömungsbedingung - etwa 50-500 µm und die Strukturhöhe etwa 10-200 µm. Die Strömungs-reduzierende Wirkung der Riblets ist bereits seit längerem bekannt, jedoch sind effiziente Herstellungsverfahren für Riblets noch in Entwicklung.

In diesem Projekt werden neue Messsysteme entwickelt, um den Herstellungsprozess von Riblets effizienter gestalten zu können. Dazu gehört vor allem die Entwicklung von Messsystemen, die mikroskopische Inspektionen nicht nur unter Laborbedingungen erlauben, sondern direkt während des Herstellungsprozesses. Diese Messsysteme müssen einerseits eine sehr hohe Auflösung aufweisen, damit auch Defektstellen im Bereich von <10 µm gefunden werden können. Andererseits müssen die neu entwickelten Messsysteme sehr robust gegenüber allen Herstellungsbedingungen sein. Dazu zählen insbesondere Verunreinigungen etwa durch Kühlmittel während eines Schleifprozesses oder Vibrationen.

Die hohe Auflösung der Messsysteme zur Inspektion von Riblets führt außerdem zu sehr geringen Messbereiche pro Einzelmessung. Im Rahmen des Projekts werden Möglichkeiten untersucht, große, mirostrukturierte Oberflächen trotz der geringen Einzelmessbereiche effizient zu messen.

Die Entwicklung dieser Messsysteme erfolgt im Rahmen des BMBF-Projektes: VIPlets: Nachweis des aerodynamischen Potentials von durch Schleifen und Laserabtrag hergestellten Riblets in einem hochbelasteten Axialverdichter

Ansprechpartner: M.Sc. Thomas Müller