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Grundlagen der Biomedizinschen Technik

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Examination questions
Health and Human Development

University, School

Technische Universität Graz - TU

Grade, Teacher, Year

2008, Prüfungsfragen

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Zugelassene Hilfsmittel: Taschenrechner Achte bitte auf eine klare Strukturierung sowie auf Lesbarkeit, Rechtschreibung und Grammatik. Notiere Deinen Rechenweg und gib Größen mit Formelzeichen und Einheit (z.B. Prozent in %) an. 1. Aufgabe – Energie 1.1. Der Begriff „Energie&­#82­20; wurde um 1850 von William Thomson im heutigen Sinne in die Physik eingeführt. Das Wort kommt aus dem Griechischen und bedeutet sinngemäß „gespeich­ert­e Arbeit“. Gib eine heute noch gültige Definition des Begriffs…
System-Denken in der Technik 21.12.08 Inhaltsverzeich­nis­: 1. Einleitung / Begriffsbestimm­ung­: . 3 1.1. Begriffsbestimm­ung­ System . 3 1.2. Begriffsbestimm­ung­ Technik . 3 1.3. Was ist ein System? 3 2. Technische Systeme: . 5 2.1. Computersysteme 5 2.2. Betriebssysteme 6 2.3. Mechatronik . 7 3. Fehler in technischen Systemen . 7 3.1. „Apollo 13“ 8 4. Epilog 9 5. Quellen 10 1. Einleitung Bevor wir uns dem Thema „System-D­enk­en in der Technik“ widmen, möchte ich auf die Begriffe System…

1.      Was versteht man unter dem Begriff „Biomedizinische Technik”? – BT ist ein interdisziplinäres Fachgebiet zwischen den Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, der Biologie und der Medizin. Es hat den Ziel, Geräte, Methoden und Verfahren zu entwickeln und bereitzustellen zur Erkennung, Beseitigung oder Linderung von Leiden, zur Beseitigung oder Linderung von Behinderungen, zur Erhaltung der Gesundheit

2.      Was versteht man unter Gesundheit? – Der Gesundheitsbegriff ist nicht genau definiert, seine Festlegung bestimmt die Kosten des Gesundheitssystems. WHO: … ist der Zustand völligen physischen, geistigen und sozialen Wohlbefindens. Nietzsche: … jenes Maß an Krankheit, dass noch erlaubt, den wesentlichen Beschäftigungen nachzugehen.

Demoskopie: … der Zustand des Durchschnittsbürgers. Statistik: gesund ist, wer noch nicht vollständig untersucht ist.

3.      Wer ist in die Gesundheitsversorgung eingebunden? – Gesundheitseinrichtungen (z.B. Krankenhäuser), Rettungsdienste, Pflegedienste, Patient + biomedizinische Techniker

4.      Welche Teilbereiche dienen der Diagnostik? – bildgebende Verfahren (Röntgen), Biosignalanalyse (Kardiogramm)// Elektrokardiogramm (EKG) ist die Registrierung der Summe der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern.// Labordiagnostik (Blutbild), Funktionsdiagnostik (Bewegung), Molekulardiagnostik (Genomik)

5.      Welche Therapieformen gibt es? – Chemotherapie (medikamentöse Therapie von Krebserkrankungen), Strahlentherapie (medizinischen Anwendung von ionisierender Strahlung auf den Menschen und auf Tiere beschäftigt, um Krankheiten zu heilen oder deren Fortschreiten zu verzögern), Chirurgie, physikalische Therapie (Wärme, Gleichstrom, Infrarot- und UV-Licht, Wasseranwendungen und mechanische Behandlung wie zum Beispiel auch Massage), Physiotherapie, Psychotherapie

6.      Welche Rehabilitationsformen gibt es? – Prothetik (Hüftprotese), Orthetik (Unterstützung von Gliedmaßen), Assistenz (Seh- u. Hörhilfen), physikalische Therapie (Hydrotherapie), Physiotherapie (Massage), Ergotherapie (Bewegungstherapie)

7.      Aus welchen wichtigsten Teilen setzt sich eine Zelle zusammen? – Zellkern, Zytoplasma, Mitochondrien, Lysosome, Ribosome (An ihnen werden Proteine hergestellt, und zwar entsprechend der Basensequenz der DNA, die die Information zur Aminosäuresequenz der Proteine enthält. Also Proteinsythese), Golgi-Apparat, Zellmembran, Retikulum (Lipidsythese)

8.      Aus welchen Phasen besteht der Zellzyklus? – Interphase (Arbeitsleben), Mitosephase à Zellteilung, wird unterteilt in Prophase (teilen des Zentrosoms, Entspiralisierung der Chromosomen), Metaphase (Zentriole wandern zu den Zellpolen, Chromosomen zum Zelläquator), Anaphase(Zentromere teilen sich, 2 Chromatiden Sätze, Zellvolumen verdoppelt sich), Telophase (Hülle um Chromosomensätze, Einschnürung und Teilung der Zelle, Chromosomen entfalten sich zum Chromatingerüst)

9.      Wie ist die Erbinformation strukturiert? – Die Gesamtheit der Erbinformationen wird als Genom bezeichnet. Sie besteht aus DNS-Molekülen, die auf 23 Chromosomenpaare verteilt sind (beim Menschen). Die DNS besitzt eine Doppelhelix-Struktur bestehend aus den 4 Basen-Bausteinen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, die per Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind.

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Jeweils 3 Bindungspaare bilden ein sog. Basentriplett als die kleinste Informationseinheit.

10.  Wie kann ein Stoffaustausch durch die Zellmembran erfolgen? – Passiv durch Diffusion entlang Konzentrationsgradienten in wasserdurchlässigen Kanälen oder offenen Ionenkanälen. Aktiv durch Ionenpumpen: Konzentrationsgradient wird durch Transportproteinen erzeugt.

11.  Was ist das Membranruhepotenzial, und welche Formeln beschreiben es? – Durch Ionen- und Konzentrationsunterschied innen/außen und der selektiven Membranpermeabilität kommt es zu einer Ionenwanderung, bis der elektrochemische Potentialunterschied ausgeglichen wird. Nernst-Gleichung für ein einziges Ion im stationären Zustand: R: molare Gaskonstante, T: absolute Temperatur, Z: Wertigkeit des Ions, F: Faraday Konstante, ca=konzentration außen, ci= konzentration innen;

12.  Wie kommt ein Aktionspotential einer Nervenzelle Zustande? – Reiz verursacht Na+-Einstrom, K+-Kanäle blockieren à ab der Reizschwelle kommt es zu einer positiven Rückkopplung, weitere Na+-Kanäle öffnen sich, dU wird größer durch Na+-Überschuss = Depolarisation = Spannungsspitze à Na+-Kanäle schließen, K+-Ausstrom beginnt = Repolarisation, falls zu viel K+ ausströmt kommt es zu eine Hyperpolarisation à langsamer Rückkehr der Zelle in die Ruhelage (Ruhespannung)

13.  Was sind die Hauptelemente einer Nervenzelle, und welche Arten gibt es? – Eine Nervenzelle besteht aus den Dendriten, dem Zellkörper, dem Neurit (ist der lange, faserartige Fortsatz einer Nervenzelle (Syn. Neuron), der elektrische Nervenimpulse vom Zellkörper (Perikaryon) wegleitet), dem Telodendrit und der Synapse. Es werden zwei Haupttypen unterschieden: marklose und markhaltige Nervenfasern.

14.  Wie erfolgt die Nervenleitung, und in welchem Bereich liegt die Geschwindigkeit? – In den Nervenzellen erfolgt die Leitung elektrisch (bei marklosen Nervenfasern kontinuierlich, bei markhaltigen saltatorisch). Zwischen zwei Nervenzellen erfolgt die Leitung an den Synapsen durch Neurotransmittern chemisch. Die Geschwindigkeit hängt vom Typ der Nervenfasern ab, und kann im Bereich von 0,3 bis 120 m/s liegen.

Die Elektroden wandeln biologischen Ionenstrom in Leitungsstrom um. Es kommt zu einem Ladungsträgerausgleich an der Kontaktfläche. Das Potential der Elektrode hängt also von den Metallionen des verwendeten Materials ab.

16.  Welche Arten von Rauschen gibt es, und wie kann man sie verringern? – Thermisches Rauschen (verursacht durch die Molekularbewegung) und das Rauschen der technischen Geräte (Rauschen des Verstärkers, 1/f (rosa) Rauschen von FETs, Quantisierungsrauschen von AD-Wandlern) sind am meisten vorhanden.

Durch Tiefpassfilter (analoge Filterung) kann man das Rauschen unterdrücken, durch Hochpässe Gleichanteile und Drifts filtern. Bei der digitalen Filterung werden rekursive Filter angewandt (FIR – finite impulse response Filter, IIR – infinite impulse response Filter). Dabei muss ein Kompromiss zwischen der Beseitigung unerwünschter Signalanteilen und der Verfälschung des Nutzsignals getroffen werden.

17.  Wie erfolgt die Muskelkontraktion? – Durch ein ankommendes Aktionspotential an eine Muskelfaser erfolgt eine Depolarisation entlang der Muskelfaser. Ca++ wird freigesetzt, die Myofibrillen werden aktiviert, die ein teleskopartiges Zusammenschieben der Sarkomerproteine verursachen à Kontraktion.

Die Muskelkraft wird durch die Frequenz der ankommenden Aktionspotentialen und der Anzahl der aktivierten Muskelfasern bestimmt. Dauerkontraktion: Folgen von Aktionspotentialen.

18.  Welche Arten von Muskelzellen gibt es? – Glatte Muskulatur: Wandmuskulatur der vegetativen Systeme (innere Organe und Gefäße), vegetative Intervention (für unwillkürliche Bewegung), kurze Muskelzellen mit zentralem Zellkern. Quergestreifte Muskelzellen werden in Herzmuskelgewebe und Skelettmuskelzellen unterteilt.

19.  Wozu benötigt man das EMG? – Mit der Elektromyografie wird die elektrische Aktivität von Muskeln in Ruhe und in Anspannung gemessen, um Muskel- bzw. Nervenerkrankungen zu diagnostizieren.

20.  Was ist zur selektiven Elektrostimulation erforderlich? – Damit ein Ereignis als Reiz erkannt wird, müssen folgende Bedingungen erfüllt werden: Reizstärke (Reizschwelle abhängig von Frequenz, Signalform, Zellart, Zellzustand), Reizänderung, Reizdauer. Mit Hilfe der Kombination dieser Bedingungen, und der Veränderung der Reizparameter ist eine selektive Elektrostimulation möglich.

21.  Was bestimmt die Muskelkontraktionskraft? – Die Muskelkraft wird durch die Frequenz der ankommenden Aktionspotentialen und der Anzahl der aktivierten Muskelfasern bestimmt.

22.  Welche Arten von Lähmungen gibt es? – Spastische Lähmung: Störung des ersten motorischen Neurons. Schlaffe Lähmung: Störung des zweiten motorischen Neurons, Nervenversorgung degeneriert. Häufigste Ursachen: Schlaganfall, Rückgratverletzung.

23.  Welche Möglichkeiten der funktionellen Stimulation gibt es? – Transkutane elektrische Neurostimulation (ermöglicht Ergreifen, Aufstehen, Gehen), Subkutane elektrische Neurostimulation (Herzschrittmacher, Stimulation des Innenohrs, Retina-Stimulation, Hirnschrittmacher, Atemschrittmacher, Blasenschrittmacher)

25.  Was versteht man unter Elektroneurografie, und wozu dient sie? – Mit Hilfe der ENG kann man eine Nervenleitgeschwindigkeitsmessung durchführen, und anhand der Ergebnisse auf mögliche Nervenveränderungen schließen.

26.  Durch welche anatomischen Besonderheiten kommt der Herzschlag zustande? – Der Herzschlag kommt durch koordinierte Erregungsausbreitung zustande. Das Erregungszentrum ist der Sinusknoten, die gezielte Erregungs-Überleitung hat folgende Schritte: Vorhof à AV-Knoten à His-Bündel à Purkinje-Fasern à Kammerspitze. Die Herzmuskeln werden nach dem Dominoprinzip erregt.

27.  Wie ist die Erregungsausbreitung im Herzen den EKG-Abschnitten zugeordnet? – P-Welle = Vorhoferregung, QRS-Komplex = Kammererregung, T-Welle = Erregungsrückbildung der Welle, U-Welle

28.  Welche Arten der EKG-Ableitungen gibt es?Eindthoven: Ableitung der Potentialdifferenzen der gegenüberliegender Extremitäten, Godberger: die jeweils gegenüberliegenden Extremitäten werden zur Referenz zusammengeschaltet, Wilson: die Extremitäten werden zum zentralen Referenzpotential zusammengeschaltet.

30.  Was ist die Impedanz-Kardiographie? – Die elektrische Widerstandsänderung im Körper ist proportional zum Blutvolumen. Die thorakale Durchströmung kann mit elektrischen Hochfrequenz-Strömen gemessen werden.

31.  Welche Arten von Herzschrittmachern gibt es, und wie funktionieren sie? – Demand-HSM = springt bei einem Stimulationsausfall bzw. nach einer zu langen Schlagpause ein, Getriggerter-HSM = Zur Überbrückung von Leitungsstörungen (z.B. Vorhoferregung triggert Kammerstimulation), festfrequenter-HSM = Stimulation ohne Rücksicht auf Herzaktion, programmierbarer-HSM = Betriebsarten durch induktives Programmiergerät wählbar.

32.  Wie lautet der Herzschrittmacher Code? – 5 Buchstaben: stimulierte Kammer, steuernde Kammer, Art der Steuerung, Programmierbarkeit, Atitachyarrhythmie-Funktion

33.  Wie ist unser Nervensystem aufgebaut? – Zwei Hauptteile: Zentralnervensystem (Gehirn + Rückenmark), peripheres Nervensystem (somatisches = willkürliches System, vegetatives = autonomes unwillkürliches System)

35.  Wie kann man das EEG charakterisieren? – Über die verschiedenen Ableitungsmöglichkeiten. Bezugsableitung: Differenz zur gemeinsamen Neutralelektrode, bipolar: Differenz zwischen zwei Punkten, Quellenableitung: Differenz zum Mittelwert der umgebenden Elektroden, Mittelwert-Bezugsableitung: Mittelwert über alle Elektroden ist Bezugspotential.

36.  Was versteht man unter einem evozierten Potential, und wie misst man es? – Unter einem evoziertem Potential versteht man ein Signal, was von einem äußeren Reiz hervorgerufen wird. Dabei wird nur der EEG-Abschnitt der verarbeitenden Regionen kurz vor und nach dem Reiz gemessen.

37.  Wie lässt sich das Schlafverhalten im EEG charakterisieren? – In den unterschiedlichen Perioden des Schlafs sind jeweils andere Signalformen für das gemessene EEG charakteristisch. Damit kann man zwischen Wach- und Dämmerzustand, Einschlafen, Leichtschlaf, Mittelschlaf, Tiefschlaf, REM-Schlaf (=Träumen) unterscheiden, und ein Schlaf-Hypnogramm erstellen.

38.  Was ist das EOG und wie misst man es? – Bei den Augenbewegungen entstehen elektrische Signale durch den Potentialunterschied zwischen Kornea und Retina. Es werden Elektroden rund ums Auge geklebt, um diese Signale zu messen. Alternativ kann man die Video-Okulographie anwenden, um die Augenbewegung mit einer Kamera aufzunehmen.

40.  Was ist das ERG und wie misst man es? – Beim Elektroretinogramm werden die Netzhaut-Aktivierungspotentiale nach Lichtreizung gemessen. Dazu werden Hornhaut- oder EOG-Elektroden verwendet.

41.  Wozu dient das ERG? – Das ERG dient der medizinischen Diagnostik der Netzhautfunktion bei Netzhautdegeneration und Makuladegeneration, und der Verlaufskontrolle bei Netzhauterkrankungen.

42.  Wie ist unser Blutkreislauf aufgebaut? – Der Kreislauf besteht aus dem kleinen Kreislauf und dem großen Kreislauf. Kleiner Kreislauf: rechter Vorhof nimmt venöses Blut auf (oxigéngazdag), der rechte Ventrikel pumpt es zur Sauerstoffanreicherung in die Lunge. Großer Kreislauf: linker Vorhof nimmt arterielles Blut auf, linker Ventrikel pumpt es über Arterien, Arteriolen und Kapillaren in Körper und Organe, nach dem Stoffwechsel gelangt das Blut über Venolen wieder in den kleinen Kreislauf.

43.  Zeichnen Sie den zeitlichen Blutdruckverlauf im Ventrikel und der Aorta!

44.  Wie kann man den Puls messen? – Durch Fühlen und Zählen der Schläge in einem Zeitintervall, fotoelektrische Wandler (durchstrahlte bzw. Reflektierte Lichtmenge von Durchblutung abhängig), kapazitive Wandler (Pulswelle verändert Plattenabstand und damit Kapazität oder ladet dass->Strommessung).

46.  Worin besteht die Riva-Rocci-Methode, und was kann zu Messfehlern führen? – Durch Aufblasen einer Luftmanschette am Oberarm wird die Arterie zusammengedrückt. Beim öffnen des Auslassventils fließt wieder Blut, und es werden Fließgeräusche hörbar (Einsetzen der Geräusche = systolischer Druck, Verschwinden der Geräusche = diastolischer Druck).

Beim manuellen Messverfahren können Fehler durch das unregelmässige Aufpumpen und Ablassen, und durch den Ablesefehler auftreten.

47.  Was ist der Atemwiderstand, und wie kann man ihn messen? – Der Atemwiderstand ist der Widerstand, der beim Atmen überwunden werden muss. Es wird mit dem Plethysmograph gemessen, und wird mit dem Hagen-Poiseuille-Gesetz beschrieben:

48.  Durch welche Volumina ist die Atmung charakterisiert? – Atemzugvolumen, Inspirationsreservevolumen, Exspirationsreservevolumen, Residualvolumen.

49.  Wie kann man die Atmung messen? – Mit dem Pneumotachograf wird die Atemstromstärke gemessen. Durch Integration erhält man den Atemvolumen im Spirogramm.

51.  Welche Standard-Parameter werden bei Patienten im OP überwacht? – EKG, Puls, Blutdruck, Sauerstoffpartialdruck, Temperatur, Atmung.

52.  Welche medizinischen Bildverfahren gibt es wofür?Morphologische Bildgebung à Szintigraphie, Röntgentechnik, Magnetoresonanz-CT, Ultraschalldiagnostik, Endoskopie, Thermografie, Moiree-Topografie; Funktionelle Bildgebung à SPECT, PET, digitale Subtraktionstherapie, Magnetoresonanz-Spektroskopie, Ultraschalldiagnostik, dynamische Thermografie, Biosignal Imaging, Bewegungs-Imaging, Kirlian-Fotografie; Molekulare Bildgebung à SPECT, PET, Magnetoresonanz-Spektroskopie

53.  Was versteht man unter Röntgenstrahlung, und wie wird sie erzeugt? – Als Röntgenstrahlen werden Elektronenstrahlen bezeichnet, dessen Wellenlänge unter 100nm liegt. Dabei werden Elektronen mit einer Glühwendel (Kathode) Richtung Anode beschleunigt (hierbei entsteht noch keine Strahlung).

Als die Elektronen die Anode erreichen, entsteht die sog. Bremsstrahlung. Außerdem werden durch Elektronenstöße Elektronen aus den Metallatomen ausgelöst, dabei entsteht die charakteristische Strahlung.

55.  Was bewirkt die Streustrahlung, und was schafft Abhilfe? – Abhängig vom bestrahltem Körpervolumen werden die Strahlen anders gestreut. Durch Begrenzung des Nutzstrahlbündels mit einer Tiefenblende und einem Richtungsfilter kann man diesen Effekt umgehen.

56.  Was ist die Digitale Subtraktions-Angiographie, und welche Vor- und Nachteile hat es? – Dabei werden Hintergrundstrukturen durch Bildsubtraktion eliminiert. Für die digitale Subtraktionsangiographie wird ein strahlendichtes Kontrastmittel appliziert; während der Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen werden die Skelettanteile herausgerechnet Vorteile: geringe Kontrastmittelmenge, besserer Gefäßkontrast, Funktionsdiagnostik. Nachteile: richtiges Timing ist schwer, änderungsempfindlich

57.  Wie funktioniert das CT-Prinzip der Linearen Rücktransformation? – Durch Erstellung von vielen Schnittbildern quer durch das Körpervolumen lässt sich mittels der linearen Rücktransformation ein 3D-Bild erstellen.

58.  Welche Abtastverfahren gibt es zur Röntgen-CT? – Ein-Detektor-System, Detektorarray-System, rotierendes Detektorarray, zirkulares Detektorarray, Dual-Source CT, Spiralscan (Skript S.123)

60.  Erklären Sie die Längsrelaxation! – Durch ein hochfrequentes magnetisches Feld werden die Spins in Präzession gebracht. Nach abschalten des Signals richten sich die Spins wieder in Richtung des statischen B-Felds aus. Die Zeit die sie dafür brauchen ist die sog. Längsrelaxationszeit.

61.  Erklären Sie die Querrelaxation! – Wenn die Quermagnetisierung der Teilchen durch die Spin-Spin Wechselwirkung zerfällt, ist wieder eine Zeit bis zum Abklingen messbar à Querrelaxationszeit.

62.  Wie werden die Relaxationskonstanten T1 und T2 bestimmt? – Wenn dass Signal zum anregen der Teilchen ausgeschalten wird, bewegen sich die Teilchen in die Ruhelage zurück, was ein messbares Magnetfeld erzeugt. Die Abklingdauer dieses Magnetfeldes ergibt die Relaxationskonstanten.

63.  Was ist der Unterschied zwischen dem SPECT und dem PET Verfahren? – Beim SPECT Verfahren entsteht beim radioaktiven Zerfall des Kontrastmittels eine Gammastrahlung, die mit Gamma-Kameras detektiert wird. Beim PET Verfahren entsteht beim radioaktiven Zerfall eine β+-Strahlung, was durch die Wechselwirkung mit Elektronen genau zwei Photonen in einem Winkel von 180° aussendet.


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