In this course, students are introduced to a quantitative approach to describe physiological systems. Every subject includes a lecture on theoretical knowledge and a corresponding programming exercise using mathematical models. The course covers the following topics:

- Compartment models, homeostasis and feedback control

- Electrophysiology

- Muscle physiology

- Blood physiology

- Heart physiology

- Physiology of the circulation

- Lung physiology

- Renal physiology

- Brain pressure and cerebrospinal fluid physiology

- Temperature regulation and homeothermy

- Physiology of endocrine system (Thyroidal hormones, Ovarian cycle, blood glucose)

Requirements

Familiarity with basic concepts of systems and control;

Familiarity with basic concepts of numerical mathematics.

Optional:

- Any class on physiology

- RWTH classes “Modelling of Mechatronic Systems” and “Identification and Control of Mechatronic Systems”

Aims

Upon completion of this course, students will have acquired the following learning outcomes:

Knowledge:

- Students will have a good understanding of systems physiology

- Students will know the basics of simulation of dynamical systems

Skills / Abilities:

- Students will be able to describe physiological systems by dynamical models and simulate their dynamical behavior on a computer.

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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

Die Lehrveranstaltungen des MedIT sind in RWTHonline zu finden.

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 der Modulveranstaltung "Medizintechnische Systeme 2: Messtechnik und Signalverarbeitung" sind die Studierenden zu folgenden Leistungen in der Lage: 

• Die Studierenden verstehen wichtige messtechnische Grundlagen der Medizintechnik.

• Sie haben die Fähigkeit Messschaltungen für physiologische Signale zu entwerfen

• Sie sind in der Lage eine Messkette vom Sensor über die analoge Schaltung bis zur digitalen Signalverarbeitung zu entwerfen und an applikationsspezifische Anforderungen anzupassen

• Die Studenten verstehen die Funktionsweise von diagnostischen Geräten und Techniken, am Bespiel der Ultraschall-Untersuchung, der elektrischen Impedanz Tomographie oder des Cochlea-Implantats.

• Die Studenten haben ein fortgeschrittenes Verständnis für die Interaktion zwischen dem menschlichen Körper und elektromedizinischen Geräten entwickelt.

• Sie kennen spezielle Methoden der digitalen Signalverarbeitung z.B. der Zeit-Frequenzanalyse oder der Quellentrennung

• Sie können eigenständig ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen der Medizintechnik analysieren und Lösungen entwickeln.

Vertiefungsmaterial zur Vorlesung:

Das Buch Medizintechnische Systeme wird als Zusatzliteratur empfohlen.

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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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In dieser Vorlesung werden die grundlegenden Konzepte der unauffälligen und kontaktlosen Messmethoden von Vitalparametern aufbauend auf den physiologischen und physikalischen Ursprüngen der jeweiligen Signale eingeführt. Dabei werden die folgenden Vorlesungsinhalte behandelt:

1. Physiologie und Physik des kardiorespiratorischen Systems

2. Kapazitive Elektrokardiographie

3. Reflektive Photoplethysmographie

4. Ballistokardiographie und Seismokardiographie

5. Magnetische Induktionsmessung

6. Laser-Doppler Vibrometrie und Radar

7. LIDAR und Time-of-Flight Sensoren

8. Photoplethysmography Imaging

9. Infrarotthermographie

10. Fusionsalgorithmen zur Vitalparameterextraktion

11. Kompensation von Bewegungsartefakten

12. Anwendungsfall: Vitalparameterüberwachung im Auto

13. Anwendungsfall: Sensorfusion im Inkubator

Auf Basis der Grundlagen der unauffälligen und kontaktlosen Messmethoden von Vitalparametern können die Teilnehmer nach dem Besuch des Moduls:
• die physiologischen und physikalischen Ursprünge von Vitaldaten verstehen
• unterschiedliche Konzepte der unauffälligen und kontaktlosen Extraktion von Vitalparametern verstehen und implementieren
• die Vor- und Nachteile bestimmter Konzepte für unterschiedliche Umgebungsvariablen beurteilen
• Konzepte zur Kombination unauffälliger und kontaktloser Sensorik zur Optimierung der Abdeckung erstellen
• Bewegungsartefakte in Vitaldaten erkennen und durch entsprechende Algorithmen kompensieren

Inhaltliche Voraussetzungen (erwartete Kenntnisse):

Empfohlen: Inhalte der B.Sc.-Vorlesung „Einführung in die Medizintechnik“

Empfohlene Literatur (Deutsch):

Medizintechnische Systeme,
Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, 2016, Erste Edition
Steffen Leonhardt, Marian Walter
ISBN 978-3-642-41238-7

Literatur auf Englisch:

Upcoming book on
“Unobtrusive and Contact-free Monitoring of Vital Signs”
Steffen Leonhardt, Markus Lueken and Mohanasankar Sivaprakasam

C. Brüser, C. H. Antink, T. Wartzek, M. Walter and S. Leonhardt, "Ambient and Unobtrusive Cardiorespiratory Monitoring Techniques," in IEEE Reviews in Biomedical Engineering, vol. 8, pp. 3043, 2015, doi: 10.1109/RBME.2015.2414661

S. Leonhardt, L. Leicht, D. Teichmann. „Unobtrusive Vital Sign Monitoring in Automotive Environments - A Review”. Sensors (Basel). 2018 Sep 13;18(9):3080. doi: 10.3390/s18093080

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In this course, students are introduced to a quantitative approach to describe physiological systems. Every subject includes a lecture on theoretical knowledge and a corresponding programming exercise using mathematical models. The course covers the following topics:

- Compartment models, homeostasis and feedback control

- Electrophysiology

- Muscle physiology

- Blood physiology

- Heart physiology

- Physiology of the circulation

- Lung physiology

- Renal physiology

- Brain pressure and cerebrospinal fluid physiology

- Temperature regulation and homeothermy

- Physiology of endocrine system (Thyroidal hormones, Ovarian cycle, blood glucose)

Requirements

Familiarity with basic concepts of systems and control;

Familiarity with basic concepts of numerical mathematics.

Optional:

- Any class on physiology

- RWTH classes “Modelling of Mechatronic Systems” and “Identification and Control of Mechatronic Systems”

Aims

Upon completion of this course, students will have acquired the following learning outcomes:

Knowledge:

- Students will have a good understanding of systems physiology

- Students will know the basics of simulation of dynamical systems

Skills / Abilities:

- Students will be able to describe physiological systems by dynamical models and simulate their dynamical behavior on a computer.

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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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Focus of the lecture are physiological basics and modelling of physiological systems. Themes will be: heart and bloodstream, kidney and renal functions, brain/sensory organs, respiration and digestion. Additionally models of intracrainial pressure control and artificial respiration/pulmonary function diagnostics are presented. The docent also imparts principles of electronical devices and their sensory technology.

Additional literature to the lecture:

• The textbook "Medical Systems"  by S. Leonhardt and M. Walter (eds.), is suggested as sublementary literature (in German).

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