Carl_Steegmüller_Zwischenbericht

Praxissemester am Fraunhofer Institut
für Biomedizinische Technik
Zwischenbericht
im Studiengang
Medizintechnik
vorgelegt von
Carl Ruben Steegmüller
Matr.-Nr.: 309782
Am 30.11.2015
an der Hochschule Pforzheim

Kurzfassung
Dieser Bericht befasst sich mit meinem Praktikum am Fraunhofer Institut für Biomedizinische
Technik. Dieses Praktikum ist ein fester Teil des Studiengangs Medizintechnik
und soll einen Einblick in das spätere Berufsleben geben. Bis jetzt wurden 3 Aufgaben
bearbeitet. Erstens, die Recherche über implantierbare Stimulatoren, zweitens, Inbetriebnahme
eines Evaluationboards für medizinische Applikationen und drittens, die
Programmierung eines eigenen Implantats das zur Klimamessungen in Kapseln gedacht
ist. Ich gehe auf diese Aufgabenstellungen ein, schreibe wie diese gelöst wurden und wo
Probleme aufgetreten sind. Bei der ersten Aufgabe, der Recherche, gab es keine Probleme
da ich kein spezifisches Ziel hatte, es ging darum sich einen Überblick über das
Thema zu verschaffen.
Schlagwörter: Fraunhofer IBMT, Praktikum, Medizinische Applikationen, Implantate,
Programmierung, Evaluationboards

Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung ..................................................................................................................... 2
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 3
1 Überblick .............................................................................................................. 5
2 Ziele ....................................................................................................................... 6
3 Methodik und Durchführung ............................................................................. 7
4 Bisherige Ergebnisse ........................................................................................... 9
Quellen ........................................................................................................................... 10

1 Überblick
Da das Praxissemester einen Einblick in das spätere Berufsleben geben soll, habe ich
mich bei meiner Praktikumsplatzsuche auf Unternehmen beschränkt, die unter anderem
Prothesen entwickeln und an Prothetik oder medizinischen Implantaten forschen. Die
Fraunhofer-Gesellschaft ist eine renommierte Adresse für Forschung und Entwicklung,
und für einen angehenden Medizintechniker habe ich mich auf der Internetseite des
Fraunhofer Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) umgesehen. Nach einem längeren
Telefongespräch mit dem Gruppenleiter des Bereichs Neuromonitoring, stand für
mich fest, dass ich mein Praktikum dort machen möchte. Das Fraunhofer IBMT wurde
im Jahre 1992 gegründet und beschäftigt ca. 250 Mitarbeiter. Sein Hauptsitz ist in Sulzbach/Saar,
St. Ingbert und ist eine Einrichtung für angewandte Forschung in den Bereichen
Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Medizin. Mein Praktikum am
Fraunhofer IBMT begann am ersten September und endet voraussichtlich am 27. Februar.
Mein Betreuer ist Herr R. Ruff, der für die ganze Abteilung Neuromonitoring zuständig
ist. Das Arbeitsklima am Fraunhofer IBMT ist sehr angenehm, man arbeitet
selbstständig und frei. Man hat gleitende Arbeitszeiten, eignet sich das notwendige Wissen
selbst an und löst auftretende Probleme eigenständig.
Mein erstes größeres Projekt war die Inbetriebnahme eines Evaluationboards von der
Firma Cactus Semiconductor. Auf diesem sind 2 Impulsgeneratoren verbaut, die auch in
medizinischen Anwendungen benutzt werden, zum Beispiel in implantierbaren Stimulatoren.
Um die Anwendungsmöglichkeiten und Funktionsweisen von diesen Stimulatoren
besser verstehen zu können habe ich in den ersten zwei Wochen darüber recherchiert
und über die Einsatzmöglichkeiten, und deren Funktionsweißen einen Bericht
verfasst.
Anschließend sollte ich ein eigenes Implantat implementieren, das die Temperatur und
die Feuchtigkeit über einen längeren Zeitraum misst. Hierfür nutzte ich den
MSP430F6638 Microkontroller von Texas Instruments (TI), da das Programm am Ende
auf einem anderen Microkontroller der gleichen Familie laufen sollte. Über eine I²C-
Verbindung wird der Temperatur-/Feuchtigkeitssensor angesteuert und die Werte ausgelesen.
Das Ganze dient dazu das Klimaverhalten in einer Kapsel zu beobachten. Es ist
sehr wichtig dieses Verhalten zu kennen da Implantate die eingekapselt sind auf sich
verändernde Feuchtigkeitswerte reagieren. Bei Testläufen der Kapsel im Klimaschrank
wird dokumentiert, wie sich das Klima innerhalb der Kapsel, im Verhältnis zum Klima
außerhalb, verändert und ob die Elektronik noch einwandfrei funktioniert. Andere Abteilungen
werden dieses Implantat nutzen um ihre Silicon-, Titan- oder Keramikkapseln
zu testen. Denn auch die Kapselung von Implantaten wird am Institut weiterentwickelt.

2 Ziele
Bei jedem wissenschaftlichen Projekt muss zu allererst Informationsbeschaffung betrieben
werden. Meine erste Aufgabe war daher, möglichst viel über Implantierbare Stimulatoren
heraus zu finden. Um mein Ziel genauer zu definieren, stellte ich mir folgende
Leitfragen. Was sind implantierbare Stimulatoren? Wo werden sie eingesetzt? Wie
funktionieren sie? Was können sie bewirken?
Im Anschluss sollte ich ein Evaluation Board in Betrieb nehmen. Auf diesem waren
zwei Impulsgeneratoren angebracht, die für implantierbare Stimulatoren genutzt werden
können. Meine Aufgabe war es diese zu programmieren und zu testen. In welchem Maße
lassen sich die Parameter der Impulse einstellen? Wo liegen die Maxima? Wie stabil
sind die Impulse bei größeren Impedanzen? Zum Abschluss sollte ich noch eine graphische
Benutzeroberfläche zur Parametereinstellung, am bester während der Laufzeit,
programmieren.
Meine nächste Aufgabe war es einen Microkontroller von Texas Instruments zu programmieren.
Zuerst musste ich natürlich die richtigen Datenblätter finden. Anschließend
die Pins für den AD- und den DA-Wandler heraussuchen und anhand von Beispielprogrammen
die richtige Implementierung lernen. Die passende Compilersoftware
für diesen Kontroller war schon vorinstalliert.

3 Methodik und Durchführung
In den ersten Tagen habe ich sehr viel recherchiert um möglichst viel über Implantierbare
Stimulatoren, deren Anwendungsmöglichkeiten und Funktionsweißen zu erfahren.
Das war anfangs eine Herausforderung, da ich das Wissen größten Teils aus Artikeln
von der Internetseite IEEE Xplore® hatte und diese alle in Fachenglisch geschrieben
sind. Trotzdem waren diese sehr interessant und ich habe eine Menge gelernt.
Bei der Inbetriebnahme des Evaluationboards musste ich zuerst einmal die notwendigen
Datenblätter von der TI-Webseite herunterladen und den Schaltplan verstehen. Anschließend
habe ich die mitgelieferte Firmware auf den Microkontroller geladen. Hier
war das Problem, dass das c-Programm nicht mit der im Datenblatt angegebenen Compilersoftware
kompatibel war. Also musste ich eine geeignete Software finden, installieren
und mich in diese einarbeiten, doch letztendlich konnte ich das Programm auf den
Microkontroller laden und debuggen. Die Parameter des Impulsgenerators wie die
Pulsweite oder die Impulsfrequenz konnte ich jetzt im c-Code ändern und einstellen. Da
man hier die Werte aber umrechnen und Hexadezimal eingeben muss habe ich als erstes
den c-Code so umgeschrieben, dass man die Werte über „defines“ einstellen kann. Damit
konnte man die Werte etwas schneller einstellen und ich konnte mit den Messungen
anfangen. Ich habe einige Impedanz Messungen und einen Belastungstest gemacht, bei
denen ich die maximale Stromstärke und Impulsdauer im Zusammenhang mit der Signalstabilität
getestet habe. Der nächste Schritt wäre der gewesen eine geeignete Benutzeroberfläche
zu erstellen. Diese wird dazu gebraucht, dass man nicht jedes Mal den c-
Cade umschreiben muss um die Parameter zu ändern, sondern diese einfach eingeben
kann und falls möglich während der Laufzeit ändern kann. Leider war das nicht möglich
da das Evaluationboard weder JTAG- noch U(S)ART-fähig war.
Für das nächste Projekt bin ich samt Computer in das Technik Labor umgezogen, da ich
dort mehr Platz hatte und zusätzlich die notwendigen Gerätschaften wie ein Oszilloskop,
ein Funktionsgenerator und Netzteile vorhanden waren. Diese benötigte ich um
festzustellen ob der AD- bzw. der DA-Wandler richtig funktionieren und ob ich diese
richtig implementiert habe. Bevor ich anfing zu programmieren, musste ich erstmal das
Board verstehen auf dem der Microkontroller saß. Dazu habe ich mir die passenden
Datenblätter, die ich zuvor von der TI-Seite runtergeladen habe, durchgelesen und mir
den Schaltplan angeschaut. Anschließend habe ich Pfostenstecker an die richtigen Ports
gelötet. Zwei für den AD-Wandler um Eingangssignale abzutasten, zwei für den DA-
Wandler um das rekonstruierte Signal mithilfe des Oszilloskops anzuzeigen. Das Oszilloskop
hatte zwei Eingänge. Den einen habe ich genutzt um das Signal des DA-
Wandlers anzuzeigen, der Andere wurde mit dem Funktionsgenerator, der das Ein-

gangssignal generierte verbunden. So wurden die beiden Signale übereinander abgebildet.
Ich konnte sie vergleichen und sehen ob ich die AD-Wandlung richtig implementiert
hatte. Ob die Abtastrate hoch genug war oder ob Aliasing auftritt. Um die Abtastrate
einstellen zu können begann die Umwandlung in einem Timer-Interrupt. Dieser wird
nach einer bestimmten Zeit ausgelöst, die Abtastergebnisse werden zwischengespeichert
und an den DA-Wandler weitergegeben. Dieses Programm hat soweit funktioniert. Der
nächste Schritt war jetzt den Temperatur-/Feuchtigkeitssensor anzuschließen. Die Verbindung
wurde über das Universal Serial Communication Interface (USCI) im I²C
Kommunikationsmodus hergestellt. Der Vorteil des I²C-Modus ist der, dass man nur
zwei Kabel zur Kommunikation benötigt. Um zu verstehen wie ich den Sensor richtig
verband und ihn in mein C-Programm implementieren konnte, habe ich ein Programm
und Notizen von einem anderen Studenten genutzt. Leider war das Programm unvollständig
und enthielt einige Fehler was es mir sehr schwer gemacht hat das Programm
vollständig zu verstehen. Doch mit Hilfe einiger Datenblätter, Beispielprogrammen und
Online- Recherchen konnte ich alle Fehler beheben. Dabei habe ich das Programm soweit
verstanden, dass ich die für mich nicht relevanten Zeilen aus dem ursprünglichen
Code löschen konnte. Anschließend habe ich einen weiteren Timer-Interrupt geschrieben,
in diesem wird die Messfunktion aufgerufen die die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte
ausgelesen. Diese werden, sofern sie sich von denen davor unterscheiden,
ausgegeben. Ursprünglich sollten so auch die Werte des AD-Wandlers ausgeben werden,
aber da dies zu viele waren, berechnete ich alle 100 Zyklen das Quadratische Mittel
und gab dieses zusammen mit dem maximalen und minimalen Wert aus. Soweit ist das
Programm fertig, leider tritt bei den Langzeittests immer noch ein Fehler auf. Die Ursache
ist mir und auch den anderen Mitarbeitern im Institut nicht klar. Es wird vermutet,
dass die Compiler Software nicht dafür ausgelegt ist so lange im Debug-Modus zu laufen
und darum nach einigen Stunden eine Fehlermeldung ausspuckt. Darum werde ich
in den nächsten Tagen versuchen die Messwerte nicht über den Debug-Modus anzeigen
zu lassen, sondern sie über eine UART-Verbindung an den Computer zu senden. Diese
Werte können dann entweder direkt in eine Datei abspeichern oder über einen Terminal-
Emulator angezeigt werden lassen. Wenn ich diesen letzten Fehler gefunden und behoben
habe dann ist dieses Projekt abgeschlossen.

4 Bisherige Ergebnisse
Mein Lernprozess begann gleich in den ersten Wochen bei der Recherche über implantierbare
Stimulatoren. Ich habe gelernt, dass diese immer stromgesteuert sind. Das heißt
dass der Stromfluss konstant ist und sich die Spannung bei verändertem Widerstand
anpasst. Das ist sehr wichtig da die Elektroden mit menschlichem Gewebe, zum Beispiel
dem Rückenmark, verbunden sind und dessen Impedanz nicht immer konstant ist.
Bei einem Konstantspannungssytem würde sich bei abnehmender Impedanz der Stromfluss
erhöhen, was nicht mehr positiv stimulierend wirken würde, sondern bis zu Verbrennung
führen könnte. Bei einem Konstantstromsystem kann das nicht passieren,
sinkt die Impedanz dann bleibt der Stromfluss konstant und die Spannung sinkt ab,
steigt die Impedanz wird der Stromfluss konstant gehalten indem die Batterie stärker
belastet wird. Sofern die Batteriekapazität groß genug ist beleibt die Stromstärke bei
beliebigen Impedanzen immer konstant und es besteht keine Verletzungsgefahr für den
Patienten. [1] Abgesehen davon habe ich noch einiges über die Anwendungsbereiche
der Tiefenhirnstimulation, der Rückenmarksstimulation, Herzschrittmacher, Retina-
Implantate und Cochlea-Implantate herausgefunden. Außerdem entdeckte ich eine sehr
interessante Forschungsarbeit namens „NeuWalk“ die sich damit beschäftigt Menschen
die wegen Rückenmarkverletzungen querschnittsgelähmt sind, das Laufen wieder zu
ermöglichen. [2]
Um den Microkontroller von Cactus Semiconductor in Betrieb nehmen zu können
musste ich zuerst mein Wissen über Microkontroller aus den Vorlesungen auffrischen
und erweitern. Es mich war eine große Hilfe, dass ich bereits mit der Programmiersprache
C vertraut war und den Kontroller gleich debuggen konnte. Bei dem Microkontroller
von TI war das komplizierter, da wir an der Hochschule nie eigene Anschlüsse an
ein Board anlöten oder komplexere Schaltpläne nachvollziehen mussten. Aber die Mitarbeiter
am Institut waren alle sehr hilfsbereit und haben mir gezeigt wie ich einfach,
sicher und schnell Anschlüsse und Kabel mit der Platine verlöten kann. Auch beim Programmieren
des Microkontrollers war es sehr hilfreich die Programmiersprache zu beherrschen,
vor allem als ich das Programm des ehemaligen Studenten bekam und mit
diesem weiter arbeiten sollte. Auch mein Wissen aus den Vorlesungen Signalverarbeitung
und Biosignalverarbeitung konnte ich hier umsetzten und wird mir in Zukunft sicher
helfen ein besseres Verständnis der noch folgenden Aufgaben zu erlangen.
Alles in Allem gefällt mir mein Praktikum am Fraunhofer IBMT sehr gut. Man lernt
sehr viel, es kommen immer neue Herausforderungen und Aufgaben auf einen zu und
die Mitarbeiter sind alle sehr freundlich und kompetent.

Quellen
[1] http://www.neurochirurgie-heilbronn.de/epidural.htm
[2] http://www.neuwalk.eu/