ISA
Intelligente Systemlösungen Automatisierung

Hochschule Niederrhein. Dein Weg.

Kompetenzzentrums ISA

Das Kompetenzzentrum der Hochschule Niederrhein "ISA" (Intelligente Systemlösungen für die Automatisierung) etabliert ein praxisnahes, transparentes und strukturiertes Vorgehen, in dem durch interdisziplinäre, ergebnisorientierte Problemlösungen eine schnelle Überführung neuer Erkenntnisse in praktische Lösungen für eine Vielzahl aktueller gesellschaftlicher Fragestellungen realisiert werden kann.

Mit dem Kompetenzzentrum wollen die Mitglieder durch eine interdisziplinäre, aufeinander abgestimmte und eng verzahnte Struktur einen konstruktiven Beitrag zu einer dynamischen, lernfähigen Systemlösung leisten, die tief im Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein verankert ist und die neben der technischen Ausrichtung (Research Insititutes) auch fehlende Komponenten im Bereich Aus- und Weiterbildung (Education) und Industrietransfer (Transfer durch Kollaboration mit Industriepartnern sowie durch eigene Spin-off Firmen) fest einbindet. Dabei wird das Zusammenspiel der beteiligten Partner durch eine Struktur mit definierten Schnittstellen im Sinne eines Planentengetriebes von allen Beteiligten aktiv angetrieben und beeinflusst mit dem Ziel, zu gegebenen Anforderungen und Aufgabenstellungen praktische Lösungen zu entwickeln, die zentral durch ingenieurtechnische Kompetenz garantiert wird. 

Die Ziele des Kompetenzzentrums ISA

Die Ziele des Kompetenzzentrums ISA sind:

  • ISA bildet eine Kompetenzstruktur für die praktische, angewandte Entwicklung intelli-genter technischer Systeme und Lösungen und bietet seine Expertise als Dienstleistung an;
  • ISA versteht sich im Rahmen der Innovations- und Clusterlandschaft des Landes Nordrhein-Westfalen als Partner für den effizienten und praxisnahen Technologietransfer zwischen den Hochschulen und der Industrie;
  • ISA entwickelt innovative Ausbildungs- und Geschäftsmodelle und leistet damit einen Beitrag zur Lösung aktueller und zukünftiger gesellschaftlicher Herausforderungen.

Über Uns

Entwurf und Realisierung moderner technischer Systeme - allgemein auch als Smart Systems4 bezeichnet - basieren aufgrund ihrer inhärenten Komplexität nicht nur auf einem starken mikro- und elektrotechnischen Fundament, sondern zunehmend auch auf der intensiven Zusammenarbeit unterschiedlichster Fachdisziplinen(innovative Materialien, System- und Verfahrenstechnik, Modellbildung und Simulation, Kommunikationstechnik und Software-Engineering). Entscheidend für Herstellung und Vertrieb derartiger technischer Systeme ist die Test- und Prüfbarkeit sowohl der Systemkomponenten als insbesondere auch des Gesamtsystems auf allen Ebenen des Entwurfs- und Fertigungsprozesses. Oft ist es sinnvoll erste Plausibilitätstests schon am Anfang einer Systementwicklung zu erstellen, insbesondere wenn keine expliziten analytischen Lösungen verfügbar sind. In dem frühen Stadium einer Systementwicklung werden Verfahren zur Modellbildung und Simulation mit Messungen an Prototypen und Experimenten in enger Kopplung zur gegenseitigen Validierung der Lösungsansätze eingesetzt, wobei die aus diesen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse unmittelbaren Einfluss auf die Konzeption und Umsetzung des späteren Test- und Prüfsystems haben.

Aufgrund der zunehmenden Mikrominiaturisierung intelligenter autonomer Systeme, die neben mikroelektronischen Komponenten auch mikrofluidische, mikroaktorische und mikrooptische Funktionsmodule insbesondere auf Basis neuer Materialien und Verfahren einbinden, müssen geeignete Mess- und Prüfverfahren einschließlich der entsprechenden technischen Komponenten und Anlagen entwickelt und bereitgestellt werden. Analoges gilt für funktionale Oberflächen, die gerade für die Entwicklung neuartiger Sensoren kritisch sind und daher die Entwicklung von „in-line" Testverfahren zur Validierung und Sicherung der Schichtfunktionalität absolut notwendig machen (Stichwort 100%-Kontrolle). Analoges gilt hinsichtlich der zunehmenden Einbindung von Smart-Technologien wie z.B. Smart Phones, Tablet PCs, iPads etc. in technisch-wissenschaftliche Test-, Prüf und Diagnosesysteme zur Prozesskontrolle und Prozessdokumentation. Damit unmittelbar verbunden ist die Entwicklung von Verfahren zur drahtlosen Interprozess- und Intermodulkommunikation. Dies gilt besonders für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einzelnen Sensoren (Distributed Sensor Network). Auch hierfür müssen geeignete Test- und Prüfverfahren entwickelt und implementiert und unter realen Bedin-gungen simuliert und getestet werden.

Bei der Konzeption und Entwicklung moderner technischer Systeme spielen systemtheoretische Methoden (sowohl zeitkontinuierlich als auch zeitdiskret stochastisch), Hardware- und Software-in-the-Loop-Testverfahren, die Integration von Modellbildungs- und Simulationstechniken zur Beschreibung des erwarteten Systemverhaltens eine besondere Rolle. Selbst die Modellierung und Simulation von Prozessen mit ausgeprägtem Zufallsverhalten wie z.B. Betriebsstörungen und inadäquaten Reaktionen des Bedienpersonals wird bei der Prüfung von Systementwürfen vermehrt eingesetzt. In Zukunft wird überdies die Systemkontrolle mittels funkverbundener, verteilter Netzwerke an Bedeutung gewinnen.

Der System-Entwicklungsprozess basiert maßgeblich auf dem hier dargestellten V-Modell, das insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Entwicklungs-schritt durch entsprechende Methoden und Werkzeuge unterstützt und durch Qualitätskon-trollmechanismen validiert wird. Zentraler Punkt ist hier eine über alle Entwurfs-Ebenen durch-gängige und einheitliche grafische Systembeschreibungssprache (Structured Dataflow Programming).

Die in diesem Modell dargestellten Aufgaben werden im Kompetenzzentrum in Form von Expertise der beteiligten Dozenten und wissenschaftlichen Mitarbeiter, Lehrveranstaltungen und Laboreinrichtungen zur Verfügung gestellt. Sowohl das MPT-Labor als auch das Sensor-Labor verfügen über eine hoch-entwickelte Entwurfs- und Testplattform mit einer besonders anpassungsfähigen softwarebasierten Messtechnik und umfangreicher Sensorik zur Erfassung und analytischen Auswertung elektrischer und nicht-elektrischer Größen unter Einbeziehung bildgebender und bildanalysierender Verfahren einschließlich Hochgeschwindigkeitsfotografie.

Im Laufe der Jahre sind durch eine Vielzahl von z.T. langjährigen Forschungs- und Industriepartnerschaften bestimmte Abläufe im Getriebe eingespielt worden und durch aktive Industrie-Partnerschaften wie z.B. mit National Instruments (NI; germany.ni.com) verstärkt worden.

Speziell die von NI bereitgestellte und kontinuierlich weiterentwickelte Entwicklungsumgebung auf der Basis von ELVIS Board und LABVIEW Programmierung war und ist einer der kritischen Erfolgsgaranten für die in Kapitel 3 näher beschriebenen Projekte. Experten im ITPAS Zentrum (N. Dahmen und G. Toszkowski) arbeiten seit mehr als 15 Jahren eng mit NI zusammen und haben bereits eine Reihe von Verbesserungen entwickelt, die in dieser Zeit von NI in neue Funktionsmodule umgesetzt und vermarktet wurden (vgl. Norbert Dahmen, Marcus Kesselmans, Georg Toszkowski; „Evolutionsstrategiebasierte Optimierung von wissensbasierten Reglern“; Virtuelle Instrumente in der Praxis 2011, Begleitband zum 16. VIP-Kongress, R. Jamal / R. Heinze (Hrsg.), VDE Verlag GmbH / Berlin, Offenbach, 2011).

Steht mit  ELVIS/LABVIEW eine offene, universelle Entwicklungsumgebung zur Verfügung, die je nach Projekt konkret angepasst und weiterentwickelt werden kann, so gibt es auf der anderen Seite  sehr spezielle Anfragen z.B. von einem Industriepartners für eine  Testsystementwicklung zur 100%-Prüfung von E-Call-fähigen Geräten im Automotive-Bereich unter restriktiven Hochfrequenz- und Umweltbedingungen, bei dem u.a. hochfrequenz-spezifische Anschlusstechniken, moderne Antennenmesstechniken und hochkomplexe digitale RF-Signalanalyse zur Anwendung kommen.  

Konkrete Beispiele aus dem Bereich Medizintechnik und Gesundheit, die zu entsprechendem TRansfer in die Partnerunternehmen führten:

  • Automatische Endothel-Zelldichtebestimmung von Hornhauttransplantaten
  • Berührungslose automatische Spiegelmikroskopie des Augenhornhautendothels am Patienten
  • Entwurf und Realisierung eines nicht-invasiven Diagnosesystems zum Patienten-Screening zur frühzeitigen Erkennung von Gefäßerkrankungen durch eine einfache Augenuntersuchung
  • Herstellung und Test eines miniaturisierten Gaschromatographen , zur Vorort-Analyse komplexer Gasgemische

 

Die fokussierende Funktion des ISA liegt bei der akademischen Ausbildung in theoretischen und praktischen Methoden und Werkzeugen, die gleichzeitig als Ausgangspunkt für eine Vielzahl industrierelevanter Projekte und Anwendungenfungiert.

Damit können HN-interne F&E Projekte sowohl innerhalb des Kompetenzzentrums als auch mit bereits an der HN existierenden Zentren und Instituten in einfacher und fachkompetenter Weise durchgeführt werden.

Diese Erweiterung der Kompetenzen kann durch geeignete Strukturen, die Projektabläufe und Formalitäten regeln, mit den Anforderungen nach Lösungen auf die gesellschaftlichen Herausforderungen in ein arbeits- und leistungsfähiges Transferkonzept überführt werden.

Das Fundament der Aktivitäten ist fest in den akkreditierten Studiengängen der Hochschule verankert, die eine fundierte Grundausbildung der Studenten garantiert. Es werden jedoch  innovative Alternativkonzepte für die Ausbildung vorgeschlagen, die den vielfältigen Anforderungen einer praxisnahen Studentenausbildung an zeitnahen Projektthemen besser entsprechen und inbesondere soziale Kompetenzen (Softskills), wie sie am Arbeitsmarkt gefragt sind, vermitteln und einüben.

Diese Konzepte sollen auch um die wissenschaftliche Weiterbildung externer Industriepartner ergänzt (zertifizerte Programme in modernen Bereichen) und somit die Verfügbarkeit qualifizierter Arbeitskräfte langfristig gesichert werden (Stichworte kontinuierliche Weiterbildung und lebenslanges Lernen). Unsere Konzepte und Ansätze sind Gegenstand einer permanenten Weiterentwicklung und sollen insbesondere in Studium und Lehre dazu führen, innovative Lehr- und Ausbildungsansätze in Kooperation und Absprache mit anderen Fachbereichen umzusetzen.

Endothel-Projekt 1

Hintergrund und Relevanz:
Das Endothel der Augenhornhaut ist eine dem Augeninnern zugewandte einlagige Zellschicht. Sie dient als selektive Diffusionsbarriere für das Kammerwasser und sorgt für die Transparenz der Augenhornhaut. Das Endothel ist nicht regenerationsfähig, d.h. Defekte bzw. Zellverluste aufgrund von Stoffwechselerkrankungen, fehlangepassten Kontaktlinsen oder operativen Eingriffen am Auge können nur begrenzt durch Zellvergrößerung und Zellformveränderungen unter funktionalen Einschränkungen kompensiert werden.

Projektgegenstand:
Automatische Endothel-Zelldichtebestimmung von Hornhauttransplantaten

Randbedingungen:
Fachdisziplinübergreifend (Medizin, technische Informatik), hochschulübergreifend (Hochschule Niederrhein in Krefeld und Universitäts-Augenklinik in Düsseldorf)

Projektzustand:
Abgeschlossen

Kurzbeschreibung (Zusammenfassung):
Das Endothel der Augenhornhaut ist eine dem Augeninnern zugewandte einlagige Zellschicht aus zumeist regelmäßig angeordneten hexagonalen Zellen mit ausgeprägter Stoffwechselaktivität. Die Endothelzellschicht dient als selektive Diffusionsbarriere für das Kammerwasser und sorgt gewissermaßen als aktive Flüssigkeitspumpe für die Entquellung, d.h. Entwässerung des Hornhautstromas und somit für die Transparenz der Augenhornhaut. Das Endothel ist nicht regenerationsfähig, d.h. Defekte bzw. Zellverluste aufgrund von Stoffwechselerkrankungen, fehlangepassten Kontaktlinsen oder operativen Eingriffen am Auge können nur begrenzt durch Zellvergrößerung und Zellformveränderungen unter funktionalen Einschränkungen kompensiert werden. Sinkt die Endothelzelldichte unter einen Wert von etwa 500 Zellen pro Quadratmillimeter kommt es zur Eintrübung der Hornhaut und letztlich zum Verlust des Sehvermögens. In derartigen Fällen ist eine Hornhauttransplantation (Keratoplastik) die einzige Möglichkeit, die Sehfähigkeit wieder herzustellen.

Das zentrale Qualitätsmerkmal eines Hornhauttransplantats ist die Endothelzelldichte. Hornhauttransplantate mit einem hohen Degenerationsgrad fallen durch eine geringe Zelldichte und eine unregelmäßige Zellflächen- und Zellformenverteilung auf und kommen für eine Transplantation nicht infrage. Als Standardverfahren der Zelldichtemessung dient die Fixed-Frame Methode, die eine manuelle Markierung und Auszählung der Zellen innerhalb eines definierten Rahmens durch den in der Hornhausbank tätigen Augenarzt vorsieht. Basis hierfür ist ein kontrastarmes und in weiten Bereichen unscharfes Polaroid-Foto des nach künstlich hervorgerufener Zellrandschwellung in hypotoner Lösung im inversen Phasenkontrastverfahren mikroskopierten Endothels.

Unter Verwendung der graphischen Programmentwicklungsumgebung LabVIEW konnte ein auf wissensbasierten Bildverarbeitungsmethoden basierendes zuverlässiges automatisches Auswertesystem entwickelt werden, das die Nachteile des manuellen Auszählverfahrens vermeidet und die Bearbeitungszeit drastisch verkürzt, so dass die Transplantate deutlich weniger durch Messung gestresst werden müssen. Das System ist in der Lage, sowohl mit Polaroid-Fotos als Eingabequelle als auch alternativ mit den über eine CCD-Kamera akquirierten Mikroskopbilddaten zu arbeiten.

Projektergebnis / Wirkung / Nachhaltigkeit:

  • Klinisch geprüfte, auf andere Hornhautbanken übertragbare praktische Problemlösung.
  • Nach DIN EN ISO 13485 (MPG) zertifiziert.
  • Praktische Anwendung von ursprünglich für die Lehre entwickelter wissensbasierter Bildverarbeitungsmethoden.
  • Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Verfahrens zur berührungslosen Endothel-Spiegelmikroskopie am Patienten.
  • Spin-Off (Ausgründung) der RHINE-TEC Gesellschaft für virtuelle Instrumentierung mbH (vgl. N. Dahmen,  G. Toszkowski, Z. Dimic,  P. Schillings,  V. Sieglar,  D. Vehreschild; „Berührungslose automatische Spiegelmikroskopie des Hornhautendothels“; Virtuelle Instrumente in der Praxis,  Messtechnik, Automatisierung; Begleitband zum Kongress VIP 2003, R. Jamal / H. Jaschinski (Hrsg.), Hüthig GmbH Heidelberg / München, 2003).

Herausforderungen bei der kommerziellen Umsetzung:
Die oftmals zu kurze Verweildauer von Projektmitarbeitern führt zu einem unmittelbaren projektbezogenen Know-How-Verlust beim verbleibenden Hochschul-Team, der für eine nachgeschaltete Produktentwicklung höchst nachteilig ist. Für die effiziente Übertragung der Ergebnisse in eine Produktentwicklung fehlt eine passende Struktur.

Notwendige Zertifizierungsmaßnahmen sind aufwendig und teuer und nur in Verbindung mit industriellen Partnern sinnvoll. Die möglichst frühzeitige Gewinnung und Einbeziehung industrieeller Partner sind notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Vermarktung, bedingen jedoch geeignete hochschulinterne Geschäfts- und Abwicklungsprozesse.

Im Hinblick auf eine vermarktungsfähige Produktentwicklung der erzielten Lösung auch unter Einbeziehung einer möglichen Selbständigkeit (Ausgründung) von Projektmitarbeitern existiert kein begleitendes Coaching. Die aktuelle Ausgründungserfahrung aus diesem Projekt zeigt, dass dieser Prozess keineswegs dem Zufallsprinzip überlassen werden darf sondern eine effektive Struktur und die zugehörige Kultur, die einen derartigen Weg fördert und begleitet (siehe Kapitel 1 Technologietransfer als Zufallstreffer), benötigt. Hierzu ist die Einrichtung eines Gründungslabors, in dem ein Team aus interessierten Projektmitarbeitern und Studierenden unter enger Betreuung durch die Projektleiter und vor allem durch erfahrene Betreuer aus Wirtschaft und Industrie (Coaching) praxisnah lernen, auf eigenen Beinen stehen zu können.

Endothel-Projekt 2

Projektgegenstand:
Berührungslose automatische Spiegelmikroskopie des Augenhornhautendothels am Patienten (Dahmen, N.: „Berührungslose Endothel-Spiegelmikroskopie"; Exponat auf dem Gemeinschaftsstand "Forschungsland NRW" auf der HANNOVER MESSE Industrie, 2003).

Relevanz:
Gesundheit, Beschleunigte und sichere Diagnostik, Ressourcen-Effizienz

Randbedingungen:
Fachdisziplinübergreifend (Medizintechnik, technische Informatik, Elektronikentwicklung), hochschulübergreifend (Hochschule Niederrhein in Krefeld, Universitäts-Augenklinik in Düsseldorf) sowie Industriekooperation (Hochschule Niederrhein in Krefeld mit RHINE-TEC Gesellschaft für virtuelle Instrumentierung mbH, Krefeld)

Projektzustand:
Abgeschlossen

Kurzbeschreibung (Zusammenfassung):
Die berührungslose Untersuchung und computergestützte Analyse des Augenhornhautendothels am Patienten gewinnt zunehmend an Bedeutung. So ist für die postoperative diagnostische Patientenbetreuung wie auch die prophylaktische Begleitung von Patienten im Hinblick auf kontaktlinseninduzierte Schädigungen des Augenhornhautendothels eine möglichst einfach durchzuführende aber dennoch präzise und aussagekräftige Analyse des Augenhornhautendothels wichtig. Ziel der in Kooperation mit der RHINE-TEC GmbH, Krefeld durchgeführten Arbeiten war die Entwicklung und Bereitstellung eines völlig neuartigen rechnergestützten Endothel-Spiegelmikroskops, das absolut berührungslos und dadurch in höchstem Maße patientenfreundlich arbeitet. Die zu entwickelnde Aufnahmetechnik zur Akquisition der Endothelfotos sollte ohne Sonden arbeiten, die bei herkömmlichen Verfahren über ein Kontaktgel mit der Augenoberfläche in Berührung gebracht werden müssen. Durch eine berührungslosen Messung sind Infektionsrisiken und eine physische Verletzungsgefahr des Patienten durch das Untersuchungsverfahren ausgeschlossen. Die Notwendigkeit einer Lokalanästhesie entfällt ebenfalls. Die zur Bildakquisition notwendige Ausleuchtung des Endothels sollte überdies patientenschonend und möglichst ohne Blitzlicht ausgeführt werden. Endothelfotos sowie Analyseergebnisse werden in wenigen Sekunden zur Begutachtung auf dem Monitor bereitgestellt. Vollautomatisch ermittelt werden Zelldichte, Zellmorphologie und Zellflächenverteilung. Problembereiche (mögliche Nekrosen) werden erkannt und markiert. Sie können bei Bedarf durch den betreuenden Arzt korrigiert werden. Eine möglichst einfache standardisierte Arbeitsweise des Systems gewährleistet jederzeit reproduzierbare Ergebnisse bei kurzen Untersuchungszeiten. Im Verlauf des Projektes konnte eine zusätzliche produkt- und vertriebstechnische Innovation durch eine funktionale Erweiterung bzw. Aufwertung von Spaltlampen (augenärztliches Basisinstrument) in Form eines Spaltlampenzusatzgerätes zur berührungslosen automatischen Endothelzellanalyse und Bestimmung der Hornhautdicke bei gleichzeitiger Halbierung des Preises gegenüber funktionsgleichen Spezialgeräten erreicht werden.

Projektergebnis / Wirkung / Nachhaltigkeit:
Klinisch geprüfte und nach DIN EN ISO 13485 (MPG) zertifizierte praktische Problemlösung.

  • Für die Lehre (Software-Engineering) bedeutsame Erfahrungen und Regeln zur Dokumentation von Software-Systemen
  • Die Arbeiten zur Entwicklung des berührungslosen Endothelspiegelmikroskops wurden mit dem Innovationspreis 2004 der IHK Mittlerer Niederrhein ausgezeichnet.

Herausforderungen bei der kommerziellen Umsetzung:
Die oftmals zu kurze Verweildauer von Projektmitarbeitern führt zu einem unmittelbaren projektbezogenen Know-How-Verlust beim verbleibenden Hochschul-Team, der für eine nachgeschaltete Produktentwicklung höchst nachteilig ist. Für die effiziente Übertragung der Ergebnisse in eine Produktentwicklung fehlt eine passende Struktur. Notwendige Zertifizierungsmaßnahmen sind aufwendig und teuer und nur in Verbindung mit industriellen Partnern sinnvoll. Die möglichst frühzeitige Gewinnung und Einbeziehung industrieeller Partner sind notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Vermarktung, bedingen jedoch geeignete hochschulinterne Geschäfts- und Abwicklungsprozesse. Im Hinblick auf eine vermarktungsfähige Produktentwicklung der erzielten Lösung auch unter Einbeziehung einer möglichen Selbständigkeit (Ausgründung) von Projektmitarbeitern existiert kein begleitendes Coaching. Die aktuelle Ausgründungserfahrung aus diesem Projekt zeigt, dass dieser Prozess keineswegs dem Zufallsprinzip überlassen werden darf sondern eine effektive Struktur und die zugehörige Kultur, die einen derartigen Weg fördert und begleitet (siehe Kapitel 1 Technologietransfer als Zufallstreffer), benötigt. Hierzu ist die Einrichtung eines Gründungslabors, in dem ein Team aus interessierten Projektmitarbeitern und Studierenden unter enger Betreuung durch die Projektleiter und vor allem durch erfahrene Betreuer aus Wirtschaft und Industrie (Coaching) praxisnah lernen, auf eigenen Beinen stehen zu können.

OcuScope - Diagnosefenster Auge, ZIM-KF

Projektgegenstand:
Entwurf und Realisierung eines nicht-invasiven Diagnosesystems zum Patienten-Screening zur frühzeitigen Erkennung von Gefäßerkrankungen durch eine einfache Augenuntersuchung.

Norbert Dahmen, Mike Schick, Peter Schillings, Georg Toszkowski, Reiner Wittenhorst; „Entwurf und Aufbau eines Mess-Systems zur Erfassung und Auswertung von Gefäßstrukturen im zentralen Abschnitt des Augenhintergrundes (Retina Image Processing Projekt)"; Virtuelle Instrumente in der Praxis 2010, Begleitband zum 15. VIP-Kongress, R. Jamal / R. Heinze (Hrsg.), VDE Verlag GmbH / Berlin, Offenbach, 2010.

Norbert Dahmen, Georg Toszkowski, Reiner Wittenhorst, Peter Schillings, Mike Schick: „Ein Blick hinter das Auge, Messsystem erfasst Gefäßstrukturen im zentralen Abschnitt des Augenhintergrundes"; Mechatronik, 10-11, 2010, 118. Jahrgang, ME110213 Verlag G.I.T. Informationsgesellschaft Technik GmbH, München.

Relevanz:
Gesundheit, Beschleunigte und sichere Diagnostik, Ressourcen-Effizienz

Randbedingungen:
Fachdisziplinübergreifend (Medizintechnik, technische Informatik, Elektronikentwicklung, Optik), Industriekooperation (Hochschule Niederrhein in Krefeld, Robin GmbH in Haan, Hellman Entwicklungsbüro in Solingen, RGB Elektronik in Solingen)

Projektzustand:
Aktiv

Kurzbeschreibung (Zusammenfassung):
Gegenstand der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die berührungslose und ohne künstliche Erweiterung der Pupille durchführbare digitale Fotographie der arteriellen und venösen Gefäße im zentralen Abschnitt des Augenhintergrundes und die Bereitstellung von Bildverarbeitungalgorithmen zur automatischen Vermessung der Gefäßdurchmesser. Aus den gewonnenen Fundusbildern können mit Hilfe spezieller Bildverarbeitungsalgorithmen neben weiteren, das Gefäßsystem beschreibenden Kenngrößen, insbesondere das Verhältnis der Durchmesser der in einem definierten Bildbereich beobachtbaren arteriellen und venösen Gefäße in Form eines retinalen Gefäß-Risiko-Indexes AVR (Arteriole to Venule Ratio) berechnet werden. Im Rahmen der umfangreichen amerikanischen Forschungsstudie Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) konnte gezeigt werden, dass der AVR mit einer erhöhten Rate an Hypertonie und Schlaganfällen korreliert. Dies lässt den unmittelbaren Schluss zu, dass man mit Hilfe einer Analyse der retinalen Gefäße Rückschlüsse auf den gesundheitlichen Zustand der Gefäße in anderen Organen wie z.B. Herz und Gehirn ziehen kann, und dass auf diese Weise das Auge gewissermaßen als nicht-invasives Diagnosefenster betrachtet werden kann. Das in Form einfacher Risiko-Kennzahlen (wie z.B. AVR und Kinking) dargestellte Ergebnis versetzt den Arzt in die Lage, frühzeitig erste Anzeichen von möglichen Gefäßerkrankungen zu erkennen und entsprechend zu handeln. Eine ausführliche Dokumentation der Mess- und Analyseergebnisse zur weiteren Auswertung der Gefäßabbildungen des Augenhintergrundes soll jederzeit möglich sein und dabei helfen, die Diagnose zu verfeinern. Die geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben das übergeordnete Ziel, einen Beitrag zur Entwicklung neuartiger rechnergestützter Verfahren zur nicht-invasiven Diagnostik von Gefäßerkrankungen zu leisten. Gegenstand des Vorhabens ist letztendlich die Entwicklung und Bereitstellung eines einfachen mobilen nicht-invasiven Diagnosegerätes, das wie das Stethoskop zur Basisausstattung eines jeden allgemeinpraktizierenden Arztes gehören könnte.

Projektergebnis / Wirkung / Nachhaltigkeit:

  • Autofokus Aufnahmetechnik im Übergangszustand zur Prototype-Entwicklung.
  • Automatische Papilla-Erkennung validiert.
  • Automatische Erkennung der Gefäßarten (Venolen, Arteriolen) in Arbeit.
  • Fundus-Segmentierung (Region auf Interest) und Gefäßvermessung in Arbeit.

Herausforderungen bei der kommerziellen Umsetzung:
Die projekt- und damit situationsbezogene Erweiterung eines F&E-Teams gestaltet sich aufgrund von fehlenden verwaltungstechnischen Geschäftsprozessen oft als umständlich und schwerfällig. Dies erschwert die Zusammenarbeit mit kooperierenden Industriepartnern unglücklicherweise immer dann, wenn sich aufgrund des Projektfortschrittes neue Erkenntnisse im Hinblick auf eine unmittelbare Umsetzung der gefundenen Entwicklungsansätze in ein vermarktbares Produkt andeutet. Den oben genannten F&E-Projekten ist sowohl hinsichtlich der Entstehung, der Durchführung und Nachfolge als auch hinsichtlich der für die Lehre und Ausbildung wichtigen Umsetzung der Projekterfahrungen in geeignete Lehreinheiten wie z.B. Praktikumsaufgaben ein gewisser Zufallscharakter eigen. Kritische F&E-Vorhaben kommen nur schleppend zustande, weil die benötigten fach- und sachkundigen Mitarbeiter erst akquiriert werden müssen. Zu häufig müssen aus Kapazitätsgründen Nachfolgeprojekte abgesagt werden, so dass keine ausreichende Kontinuität und Nachhaltigkeit in der Zusammenarbeit mit den betreffenden Projektpartnern erzielt wird und so vielversprechende Lösungswege im Sande verlaufen. Obwohl als besonders dringlich angesehen, hat sich die Bildung von interdisziplinär arbeitenden Projektgruppen bislang als besonders schwierig erwiesen. Es existiert derzeit noch keine entsprechende gelebte Kultur. Es ist einfacher, sich hinter individualisierten Lehrveranstaltungen zu verstecken als sich den Herausforderungen und Möglichkeiten des interdisziplinären Arbeitens in Lehre und Forschung zu stellen. Überdies kommt hinzu, dass die Beteiligung von Studierenden an den Projekten aufgrund des aktuellen und z. T. stark verschulten Studienprogramms - wenn überhaupt - nur sehr schwierig ist und selten in der für ein Projekt erforderlichen zeitnahen Form gelingt. Analoges gilt für die Integration der betrieblichen Weiterbildung und Mitarbeiterqualifikation, wobei genau diese Möglichkeit von unseren Kooperationspartnern inzwischen regelmäβig nachgefragt wird und eine zukunftsorientierte, attraktive Ausbildungsoption an der Hochschule darstellt. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass eine dynamische Struktur wie in Abb. 1 dargestellt die Überführung der vorhandenen Kompetenzen und Projekterfahrungen in eine kontinuierliche und nachhaltige Lösung sicherstellt und gleichzeitig die zeitnahe, praktische Verwirklichung einer praxisbezogenen Lehre und Forschung garantiert.

Umwelttechnik, Biosensorik, Sensorik, Mikrotechnik

MGA – MicroGasAnalyzer, DARPA

Projektgegenstand:
MGA – MicroGasAnalyzer, DARPA DARPA = Defense Advanced Research Projects Agency, www.darpa.mil Herstellung und Test eines miniaturisierten Gaschromatographen zur Vorort-Analyse komplexer Gasgemische

A. Bhushan, D. Yemane, E.B. Overton, J. Göttert, M.C. Murphy, "Fabrication and Preliminary Results for LIGA Fabricated Nickel Micro Gas Chromatograph Columns", Journal of MicroElectroMechanical Systems, v16, n 2 (2007), pp 383-393.

A. Bhushan, D. Yemane, S. McDaniel, J. Göttert, M.C. Murphy, E.B. Overton: "Hybrid integration of injector and detector functions for microchip gas chromatography"; Analyst (2010) 135: 2730-2736, DOI: 0.1039/C0AN00322K.

Relevanz:
Sicherheit, Gesundheit, Ressourcen-Effizienz

Randbedingungen:
Fachdisziplinübergreifendes F&E Projekt, gefördert von DARPA (USA, Defense Advanced Research Project Agency), mit Partnern aus Industrie (Honeywell Laboratories), Grossforschung (Sandia and Oak Ridge National Laboratories) und Universitäten (u.a. Louisiana State University, Michigan State University and University of Illinois at Urbana Champaign); aggressives Ziel der Prototype-Fertigung eines 1cm3 grossen GC Systems mit schneller Analyse (<10sec) von mindestens 8 verschiedenen Substanzen in einer komplexen Matrix typisch für militärische Anwendungen.

Projektzustand:
Abgeschlossen

Kurzbeschreibung (Zusammenfassung):
Aufbauend auf Arbeiten am Sandia National Laboratories (µ-chem Lab; http://www.sandia.gov/mstc/MsensorSensorMsystems/MicroChemLab.html) und Louisiana State University bzw. ASI Inc. (microFAST GC; www.analyticalspecialists.com/microfastgc.cfm) und in Zusammenarbeit mit hochkarätigen Partnern aus Industrie und Forschung sollten die technisch in den einzelnen Systemmodulen (Vorkonzentration, Probeninjektion, Trennsäule, Detektor(en), Systemintegration und Mikro-Nanotechnologie) möglichen Verbesserungen (Ergebnis eines von DARPA organisierten Experten-Workshops aus dem sich das MGA Programm mit seinen Zielsetzungen abgeleitet hat) in ein für militärische Anwendungen taugliches Demonstratorsystem umgesetzt werden. Das Projekt durchlief insgesamt vier Phasen, an deren jeweiligem Ende eine ‚Erfolgskontrolle', also das Erreichen vorher vereinbarter Leistungsdaten, durchgeführt wurde und ausschlaggebend für eine Projektverlängerung war. Durch die Erfolgskontrollen erfolgte auch eine notwendige Kurskorrektur mit Konsequenzen, z.B. wurden alte Partner nicht mehr in die nächste Phase übernommen und durch neue Partner mit speziell gesuchter Expertise ersetzt. Die F&E-Arbeiten in den einzelnen Systemmodulen haben in der Regel die angestrebten Projektziele erreicht, jedoch nur im Labor und nie im Gesamtsystem und unter realen „Feldbedingungen". Damit wurde einerseits bestätigt, dass die Untermodule tatsächlich die von den Experten prognostizierten Verbessungen erzielen können, dass dies aber nicht unter den realen Anwendungsbedingungen im integrierten Gesamtsystem realisierbar ist. Durch die eingeschränkte Verwendung der Fördergelder für das ursprüngliche Gesamtziel wurde auch die Chance verpasst, im Vergleich zur Ausgangssituation bessere Geräte zu entwickeln und diese erfolgreich im Markt im Sinne eines Zwischenproduktes einzuführen.

Projektergebnis / Wirkung / Nachhaltigkeit:

  • Erfolgreiche Entwicklung einzelner System- bzw. Funktionsmodule.
  • Erkenntnis, dass die Systemintegration, d.h. die intelligente und funktionstaugliche Kombination der Module von vorneherein in den Entwicklungsansatz einzubinden ist und i.d.R. auch Leistungs (Performance)-Verluste des Systemmodul bedeuten.
  • Durch die enge Ausrichtung auf ein (zu) aggressives Projektziel wurden Chancen zur Entwicklung und Markteinführung attraktiver ‚Zwischenprodukte' verpasst.
  • Der ständige Wechsel der beteiligten Partner war erfolgreich um die Funktionsmodule zu entwickeln und zu testen, aber hinderlich um das Gesamtziel zu erreichen.

Herausforderungen bei der kommerziellen Umsetzung:
Aufgrund der speziellen Projektstruktur und den politischen Randbedingungen eines solchen DARPA Projektes wurden die neuen Erkenntnisse und Verbesserungen einzelner Systemmodule nur in wissenschaftlichen Veröffentlichungen und internen Berichten gewürdigt und nicht in ein verbessertes Produkt kommerziell umgesetzt. Es fehlte die Flexibilität in der Projektstruktur, um Erkenntnisse aus den F&E Aktivitäten in ‚kommerzielle Zwischenprodukte' zu überführen und damit nachhaltige Verbesserungen z.B. in der Vorort-Analyse komplexer chemischer und thermischer Prozessanlagen zu ermöglichen.

Umwelttechnik, Biosensorik, Sensorik, Mikrotechnik

Projektbeispiele der ITPAS-Mitglieder

ISA versteht sich im Rahmen der Innovations- und Clusterlandschaft des Landes Nordrhein-Westfalen als Partner für den effizienten und praxisnahen Technologietransfer zwischen den Hochschulen und der Industrie. Dies geschieht vorzugsweise durch Kollaboration mit Industriepartnern sowie durch eigene Spin-off Firmen. Explizites Ziel ist ein schneller und effizienter Technologietransfer und eine breite Anwendung der erarbeiteten Lösungen.

Die ISA-Experten sehen sich gefordert, mit beim Kunden vorhandenen Methoden und Verfahren gezielt Verbesserungen zu entwickeln und darauf aufbauend eigenständige Lösungen zu entwickeln, die die Partner unmittelbar in ihrer Produktion einsetzen können.

Einer der wesentlichen Vorteile von ISA ist die Flexibilität, sowohl als pragmatischer Entwickler als auch als grundlagenorientierter Forscher mit den Partnerunternehmen aktiv zusammenzuarbeiten. In der Praxis bedeutet dies, dass beide Partner kommunizieren und sich austauschen, wobei beide Seiten kontinuierlich Impulse und Anregungen einspeisen. Die inhärente Kommunikationsdynamik kontrolliert und regelt die gemeinsamen Arbeiten in jeder Phase, so dass Problemlösungen effizient und direkt umsetzbar entstehen.

Projektbeispiele der ISA-Mitglieder

  • Wissensbasiertes Test- und Prüfsystem für das Richtwalzen von Kurbelwellen
  • Test- und Prüfsystem für Brandmeldeeinrichtungen
  • Test- und Prüfsysteme für Hochleistung-Auszeichnungsroboter
  • Test- und Prüfsystem zur Wärmedurchgangskoeffizientenbestimmung von textilen Stoffen
  • Test- und Diagnosesysteme zur Bestimmung der Endothelzelldichte von Hornhauttransplantation
  • Test- und Diagnosesysteme zur berührungslosen in-vivo Endothelzelldichteanalyse
  • Test- und Prüfsystem für Bahnschrankenantriebe
  • Entwicklung eines innovativen Lasersensors mit besonders großem Messbereich zur hoch- dynamischen Erfassung von Geschwindigkeiten in Produktionsprozessen
  • Messtechnische Untersuchung des Beschleunigungsverhaltens von Garnen unter Einsatz der Referenzstrahl-LDA- Technologie
  • Entwicklung und Aufbau eines Spulentestsystems
  • Entwicklung und Aufbau eines Messstandes zur berührungslosen Erfassung dynamischer Geschwindigkeits‐ und Längenprofile textiler Fäden während des Aufspulprozesses
  • Entwicklung und Erprobung des FLOYD Seilsystems sowie des präzisen Aufwicklungsmechanismus für Seilspulenanwendungen im Weltraum
  • Effiziente Überprüfung komplexer Funkmodule bzgl. Funktionalität (z.B: Sendeleistung, Bitfehlerraten) und EMV-Konformität (ausgesendete Störstrahlung)
  • Bewertung und Optimierung von Funksystemen bei verteilten und hochdynamischen Teilnehmern/Sensoren, z.B. car-to-car sowie machine-to-machine communication, unter Berücksichtigung aktueller Übertragungsstandards (z.B: WLAN, LTE)
  • Optimierung von Antennenstrukturen in Mehrantennensystemen/verteilten Antennen-systemen zur Versorgung mehrerer mobiler Teilnehmer oder Sensoren in oben genannten Funksystemen
  • Center for BioModular Microsystems (CBM2): Ziel war die Entwicklung von Sensorplattformen (modulares Aufbaukonzept) für DNA-basierte Früherkennung von Krebs und anderen Krankheiten. Die entwickelten Chips arbeiteten im ‚continuous flow mode' und waren als ‚Einwegchips' konzipiert
  • MicroGasAnalyzer (DARPA-MGA): Dieses Projekt befasste sich mit der Entwicklung mi-niaturisierter Gaschromatographen für die Vorort-Analyse von Umweltproben
  • DARPA BioMagneticIC und Board of Regents, Louisiana, Post-Katrina Projekt: In beiden Projekten ging es um mikrofluidische Sensorsysteme für biomedizinische Anwendungen, bei denen ein modulares Konzept (microfluidic stack) mit nanotechnologischer Nachweismethodik (magnetische Beads, Nanodrähte) kombiniert wird

Automatisierung
Digitale Systeme und Embedded Programming Prodekan
Kommunikationstechnik und Grundlagen der Elektrotechnik
Umwelttechnik, Biosensorik, Sensorik, Mikrotechnik
Betriebswirtschaft im Sozialen Sektor Stellvertretende Leitung des Institutes SO.CON
Elektronik, Automatisierungs- und Sensortechnik
Mikroprozessortechnik, Grundgebiete der Elektrotechnik
Elektrotechnik Vorsitzender des Prüfungsausschusses
  • Raum: B 130
  • Telefon: +49 (0)2151 822-4702
  • andreas.waldhorst(at)hs-niederrhein.de
  • Reinarzstraße 49

  • 47805 Krefeld
  • Sprechstunde:

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      donnerstags 10-11 Uhr
           in Raum B 221
     
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    Fachliche Angelegenheiten:   nach Vereinbarung