Allgemein

Digitale Laufbandplattform

Für Unternehmen beinhaltet die digitale Laufbandplattform zahlreiche wissensintensive wertbezogene Aspekte auf sehr konzentrierte Art und Weise.

Abbildung 1: Vom Lauf­band in die Virtuelle Real­ität

 


D.h. Die digitale Laufbandplattform, welche gemeinsam mit dem HLRs (Hochleistungsrechenzentrum der Uni Stuttgart),dem KIT (Karlsruhe), der Sicos B-W, dem Forschungszentrum Jülich, verschiedenen Fraunhofer Instituten und der Simulationsinitiative SIMTECH entwickelt wurde und konzentriert, anschaulich und wissensorientiert die Bereiche Vitalität-Gesundheit-Bionik-Materialeffizienz und Simulationstechnologien verknüpft, kann aufgrund der hohen Flexibilität der Themen mit individuellen Wissens-und Bildungsthemen von zahlreichen Unternehmen der unterschiedlichsten Branchen wertschöpfend in Verbindung gebracht werden. Visualisierung der Laufbandplattform

Für Unternehmen: Mit einem Erstvortrag können die Potenziale der digitalen Laufbandplattform dargestellt werden –oder es kann gleich ein Projekt gemeinsam Schritt für Schritt entwickelt werden.

 


Zukunftspotenziale in der Zusammenarbeit mit Life-Science Unternehmen und Life-Science Investoren:

Aufgrund der Nutzung der enormen Potenziale der Heilkraft, der Bewegung in Kombination mit modernsten Simulationstechnologien und dem Einsatz von Big Data Ansätzen (Stichwort in diesem Zusammenhang auch der Kontakt mit der Fraunhofer Netzwerk Medical Data Space) und dem Konzept der Wettbewerbslaufbandplattform (Visualisierung der Laufbandplattform, besonders Folie2, Folie 4,vorallem Folie5 und Folie6) sind auch zielgerichtet für den Life-Science Bereich weitere Möglichkeiten durch den Einsatz von Simulationstechnologien gegeben Heilprozesse durch verbesserte Wirkungsweisen der Medikamente deutlich zu verbessern.

Zum Beispiel sind dadurch verbesserte Vorhersagen über die Ausbreitungsprozesse und Wirkungsweisen verschiedener Medikamente möglich, beispielsweise aufgrund der Kombination von Methoden der Strömungsmechanik mit Ansätzen der Systembiologie. (Tätigkeitsfeld von SIMTECH)

Auch durch neuentwickelte Mehrskalenmodelle zur Beschreibung der Fluss-Transport- und Reaktionsprozesse eines Therapeutikums (z.B. in der Lunge)(Tätigkeitsfeld von SIMTECH) können Medikamente effektiver für die verschiedensten medizinischen Behandlungsfelder und Krankheitsbilder zum Einsatz kommen und letztendlich auch wirkungsvoller entwickelt werden.

D.h. auch wegen des großen medizinischen Bedarfs an verbesserten Therapeutika, bei gleichzeitig extrem langwierigen und aufwendigen Prüfungen neuer Wirkstoffe, ist das Interesse an prädiktiven mathematisch- numerischen Modellen sowohl aus der Sicht der Patienten, der Ärzte und natürlich aus der Sicht der Life-Science Unternehmen und Investoren enorm groß.

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass bei der Entwicklung der digitalen Laufbandplattform Experten aus der SIMTECH-Initiative der Uni Stuttgart Netzwerkpartner der Laufbandplattform sind.

Letztendlich heißt dies, dass mit…

  1. der beschriebenen Weiterentwicklung der Heilkraft der Bewegung
  2. den durch die Simulationstechnologien verbesserten Möglichkeiten der Medikamentenwirksamkeit
  3. der verbesserten zukünftigen Möglichkeiten der Medizintechnik in Bezug auf die verbesserte Analyse von differenzierten Heilverlaufsprozessen
  4. und durch verbesserte Big Data Ansätze hinsichtlich auch der verbesserten Heildatenakquise, der Heildatenauswertung und des koordinierten Einsatzes von ihnen,

…können durch dieses abgestimmte Zusammenspiel enorme medizinische Fortschritte erzielt werden. Dazu kann, wie gesagt, die konzentriere Form der Laufbandplattform einen Beitrag leisten!

 


Sichtweise der Life-Science Unternehmen:

Aus diesen beschriebenen Gründen kann die Zusammenarbeit des Life-Science Bereiches mit den Inhalten der digitalen Laufbandplattform und dem dazugehörigen Netzwerk von Vorteil sein.

Für einige Unternehmen, welche die Zusammenarbeit mit Israel verbessern wollen, besteht auch die Möglichkeit, neben der beschriebenen fachlichen Zusammenarbeit, sich auch an einem positiven und öffentlichkeitswirksamen deutsch-israelischen Life-Science Run Haifa-Tel Aviv zu beteiligen.

Verfasst von Jürgen Mennel in Allgemein, 0 comments
Unterschiedliche Laufleistungen mittels KI erklärt

Unterschiedliche Laufleistungen mittels KI erklärt

Wir alle kennen Geschichten von “übermenschlichen” Leistungen und “wundersam” schnellen Heilungsprozessen. Dahinter steht oft das bewusste oder zufällige Zusammentreffen vieler positiver Faktoren (Ernährung, Lebensweise, Training, Umwelteinflüsse, …), die im Einzelfall exakt passen. Alle interessanten Zusammenhänge zu “Wissen” zu erheben, ist mit klassischer Forschung kaum möglich. Das Versprechen von Big Data und Künstlicher Intelligenz ist es, dass wir alle über den Austausch unserer Daten eine Schwarmintelligenz entwickeln, die viel schnellere Lernprozesse ermöglicht.

Gerade im Bereich der Fitness gibt es viele interessante Fragestellungen: Welche Kombination von sportlichen Aktivitäten bringt mich am schnellsten und abwechslungsreichsten zu einem bestimmten Ziel? Wie ist der Einfluss von Luftqualität oder Wetter auf meine Tagesfitness? Passt mein Trainings- oder Rehastatus zu anderen in einer ähnlichen Situation? Was haben andere vielleicht “besser” gemacht? Abseits der psychologischen und datenschutztechnischen Gefahren der Überwachung und ständigen Quantisierung mit Aktivitäts- und Fitness-Trackern (Smartphones, Wearables, Sportcomputer, …)  gibt riesige Chancen zur Demokratisierung von High-Tech-Diagnosen. Gleichzeitig werden gerade im Bereich Fitness und Gesundheit höchst sensible Daten verarbeitet, deren Schutz stets gewährleistet sein muss. Dies stellt die Informatikforschung vor spannende Aufgaben, welche interdisziplinär gelöst werden müssen. 

 Während des Digitalisierungsmarathons wurden von Wissenschaftlern des TECO ein Läufer mit Sensortechnik ausgestattet. Dabei wurden verschiedene Livedaten der Läuferinnen und Läufer, wie beispielsweise die Atemfrequenz, sowie der Umwelt aufgezeichnet. Diese Daten wurden von einem Team von Data Scientists während des Laufes mit Methoden der Künstlichen Intelligenz ausgewertet und im Anschluss präsentiert.

Weitere Informationen können in dieser Slideshow-Präsentation nachgelesen werden.

Text und Präsentation: Till Riedel

Verfasst von Saskia Koch in Allgemein, 0 comments

Ideenwettbewerb “Künstliche Intelligenz in der Fitness App “: Teams entwickeln gemeinsam App-Ideen, die uns mit KI und Fitnessdaten fit für die Zukunft zu machen

Wir alle kennen Geschichten von “übermenschlichen” Leistungen und “wundersam” schnellen Heilungsprozessen. Dahinter steht oft das bewusste oder zufällige Zusammentreffen vieler positiver Faktoren (Ernährung, Lebensweise, Training, Umwelteinflüsse, …), die im Einzelfall exakt passen. Alle interessanten Zusammenhänge zu “Wissen” zu erheben, ist mit klassischer Forschung kaum möglich. Das Versprechen von Big Data und Künstlicher Intelligenz ist es, dass wir alle über den Austausch unserer Daten eine Schwarmintelligenz entwickeln, die viel schnellere Lernprozesse ermöglicht.

Gerade im Bereich der Fitness gibt es viele interessante Fragestellungen: Welche Kombination von sportlichen Aktivitäten bringt mich am schnellsten und abwechslungsreichsten zu einem bestimmten Ziel? Was ist der Einfluss von Luftqualität oder Wetter auf meine Tagesfitness? Passt mein Trainings- oder Reha-status zu anderen in einer ähnlichen Situation? Was haben andere vielleicht “besser” gemacht? Abseits der psychologischen und datenschutztechnischen Gefahren der Überwachung und ständigen Quantisierung mit Aktivitäts- und Fitness-Trackern (Smartphones, Wearables, Sportcomputer, …)  gibt riesige Chancen zur Demokratisierung von High-Tech-Diagnosen.

Herzrate, Blutdruck, Sauerstoffsättigung, Augenhintergrund, Atemgase, Urinzusammensetzung aber auch Umwelteinflüsse können mittlerweile mit einem Smartphone preisgünstig gemessen werden. In einem spontanen, offenen Ideenwettbewerb sollen Hobbysportler, Data Scientists und Wearable Experten gemeinsam innovative App-Ideen entwickeln. Wie könnten wir schon heute maschinelles Lernen in unsere Fitness-Apps integrieren? Experten und Interessierte sollen hierzu in Teams neue App-Ideen entwickeln, mit denen jeder einzelne etwas aus seinen Daten machen kann und die uns gemeinsam fit für die Zukunft machen.

(Text: Dr. Till Riedel, TECO)

Verfasst von Till Riedel in Allgemein, 0 comments
Fitness-Daten in der Blockchain: Ein Fallbeispiel zur Digitalen Laufbandplattform

Fitness-Daten in der Blockchain: Ein Fallbeispiel zur Digitalen Laufbandplattform

Unser Gesundheitswesen braucht Digitalisierung

Das deutsche Gesundheitssystem gehört zu den teuersten weltweit. Es ist in vielen Bereichen ineffizient, ineffektiv und intransparent gestaltet. Zwar gäbe es zahlreiche Möglichkeiten, Kosten einzusparen, diese werden aber bisher kaum genutzt. Gleichzeitig führt der medizinisch-technische Fortschritt, zusammen mit der demografischen Entwicklung, zu steigenden Kosten, so dass eine langfristige Finanzierung zunehmend schwierig wird.

Um das Gesundheitssystem transparenter und effizienter zu machen sowie von den vielfältigen technologischen Möglichkeiten zu profitieren, wären digitale Patientenakten für alle Bürgerinnen und Bürger und eine Vernetzung aller Beteiligten von entscheidender Bedeutung. Die derzeit noch immer mangelhafte Digitalisierung führt zu einer Verschwendung von Milliarden Euro und verursacht vermeidbare Behandlungsfehler. Wertvolle Daten für Diagnose, Therapie und klinische Forschung liegen ungenutzt in Kliniken und Arztpraxen brach.

Daten gehören in die Hand von Patienten und Nutzern

Klar ist: Eine intelligente Vernetzung würde das Gesundheitssystem leistungsfähiger machen und Kosten einsparen. Aber zwölf Jahre nach der offiziellen Einführung sehen Kassen und Ärzteverbände das Projekt der elektronischen Gesundheitskarte überwiegend als gescheitert an. Über 1,7 Milliarden Euro wurden bisher investiert, aber von den versprochenen Vorteilen ist bislang kaum etwas zu spüren.

Neben vielen Diskussionen im Detail ist die entscheidende Frage bisher ungelöst: Wie können sensible Patientendaten sicher gespeichert und möglichst einfach nutzbar gemacht werden? Nach zahlreichen Cyber-Angriffen der letzten Jahre sind viele Experten einig darin, dass eine zentrale Datenspeicherung langfristig scheitern wird. Notwendig ist eine patientenzentrierte Datenhaltung, bei der der Einzelne tatsächlich die Kontrolle über seine Daten behält.

Die Blockchain ermöglicht sichere Daten und Innovation

Die Blockchain-Technologie hat das Potenzial, den Gesundheitssektor zu revolutionieren, indem es die Gesundheitsdaten der Bürger zum Kern eines Ökosystems macht. Einerseits stellt die Blockchain sicher, dass die Daten vor unberechtigten Zugriffen und Manipulation sicher und gleichzeitig stets verfügbar sind. Andererseits sorgt die Blockchain für Innovation: Anwendungen werden von Daten getrennt. Jeder kann eigene Apps entwickeln und mit den Daten in der Blockchain arbeiten. Alle spielen nach den gleichen Spielregeln, die öffentlich zugänglich sind. Auf dem Portal der Blockchain-Community Blockruption gibt es viele Beispiele aus verschiedenen Branchen und Hintergründe zur Funktionsweise der Blockchain-Technologie.

Die Blockchain kann auch Fitness- und Aktivitätsdaten verwalten

Noch spannender wird es, wenn die Blockchain nicht nur für klassische Gesundheitsdaten genutzt würde, die etwa beim Arzt entstehen, sondern auch im Alltag: Viele Menschen erheben mit ihrem Smartphone, speziellen Wearables (z.B. Apple Watch) und modernen Geräten (z.B. digitale Waagen) zahlreiche Gesundheits- und Aktivitätsdaten: Anzahl Schritte, Gewicht, Durchschnittspuls, Körpertemperatur und vieles andere. Aber auch diese Daten liegen – wie die medizinischen Daten von Ärzten und Krankenhäusern – in isolierten Systemen, die nicht miteinander kommunizieren können. Der Nutzer hat nicht die volle Kontrolle über seine Daten und kann sie auch nicht einfach anderen zur Verfügung stellen, etwa seinem Hausarzt.

In einer Blockchain könnten diese Daten verschlüsselt und sicher gespeichert werden. Der Nutzer kann entscheiden, was mit seinen Daten passiert und wem er Zugriff darauf gewährt. Die Blockchain sorgt dafür, dass alle Regeln eingehalten werden.

Fallbeispiel: Laufbandplattform

In Kooperation mit Jürgen Mennel (Ex-Vizeweltmeister über 100 km) und der Open Innovation Platform digital@bw, die zur Stabsstelle der Digitalisierung der Landesregierung Baden-Württemberg gehört (Innenministerium), haben wir uns Gedanken gemacht, wie eine Umsetzung der Blockchain-Technologie in einem Fallbeispiel konkret aussehen könnte.

Die Ausgangssituation: Zum Start der Open Innovation Platform wird am 27.07.2018 eine Auftaktveranstaltungam Fraunhofer Institut in Stuttgart durchgeführt. Teil dieser Veranstaltung ist ein sogenannter Laufbandwettbewerb, der auf einer digitalen Laufbandplattform durchgeführt wird, die gemeinsam mit dem Hochleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart, dem Fraunhofer-Institut und anderen Beteiligten entwickelt wurde. Die Laufbandplattform analysiert die Vitalparameter der Teilnehmer und bereitet die durch den Laufsport anfallenden Vitaldaten auf, so dass für die Probanden konkrete Hilfestellungen für medizinische Erkrankungen gegeben werden können.

Grundlage unserer Lösung ist eine offene Blockchain, auf der die Teilnehmer und deren Daten verschlüsselt und dezentral gespeichert werden. Folgende Aspekte könnten über die Blockchain realisiert werden:

  • Registrierung: Über eine App registrieren sich die Teilnehmer und organisieren sich in Gruppen. Die Registrierung ist anonym möglich. Jeder Teilnehmer erhält eine eindeutige ID, z.B. in Form eines Barcodes.
  • Anamnese: Um jedem Teilnehmer ein individuelles Programm und zielgerichtete Gesundheitsempfehlungen geben zu können, beantworten die Teilnehmer in der App eine Reihe von Fragen zu ihrem Gesundheitszustand und geben bestehende Krankheiten an (etwa Diabetes 2).
  • Anmeldung: Auf dem Laufband melden sich die Teilnehmer mit ihrer ID an, indem sie den Barcode vor einen Scanner halten. Das System erkennt die Teilnehmer und kann das passende Programm für den Laufbandwettbewerb starten.
  • Datenerfassung: Während des Laufs werden durch die Laufbandplattform zahlreiche Vitaldaten erhoben. Diese werden mit der individuellen ID des Teilnehmers verknüpft und in der Blockchain gespeichert. Alternativ – insbesondere, wenn es um umfangreichere Datensätze geht – werden die Daten dezentral im IPFS (Interplanetary File System) abgelegt und lediglich ein verschlüsselter Link zu dem Datensatz in der Blockchain gespeichert.
  • Auswertung: Der Teilnehmer erhält in der App eine individuelle Auswertung und Empfehlung, basierend auf seinem Gesundheitsstatus und den erfassten Vitaldaten der Laufbandplattform.
  • Datenfreigabe: Der Teilnehmer kann sich entscheiden, seine Daten an ausgewählte Mediziner oder Sportwissenschaftler weiterzugeben. Hierzu gibt er in der App die eindeutige ID des Nutzers, z.B. seines Arztes, ein. Der Arzt kann über seine App die Daten einsehen und in seine Therapieempfehlung einfließen lassen.

Neben der sicheren Datenhaltung in der Blockchain und der vollständigen Kontrolle der eigenen Daten durch den Nutzer würde ein solches System Innovationspotenziale freisetzen: Kooperationspartner und andere Parteien könnten Anwendungen entwickeln, die die Daten in der Blockchain analysieren. Hersteller von Medizinprodukten könnten ihre Geräte mit der Blockchain verbinden und selbst Daten dort ablegen. Krankenkassen könnten die Blockchain nutzen, um ihren Mitgliedern Anreize für gesundheitsbewusstes Verhalten zu geben. Ein wachsendes Ökosystem würde entstehen, von dem alle Beteiligten profitieren. All dies ist nur möglich, weil die Blockchain niemandem gehört, von allen gemeinsam kontrolliert wird und keiner allein seine Interessen durchsetzen kann.

Big Data ermöglicht Künstliche Intelligenz (KI)

Wenn viele Menschen an einem solchen System teilnehmen, werden neue Potenziale freigesetzt: So könnte ein Arzt die Symptome von Patienten in ein System eingeben und als Ergebnis die wahrscheinlichste Diagnose und einen Vorschlag für die beste Behandlung erhalten – basierend auf Daten von Millionen anderer Personen und der aktuellen medizinischen Forschung. Die Wahrscheinlichkeit von Fehldiagnosen und suboptimalen Behandlungen würde drastisch abnehmen.

Der Fortschritt der KI-Systeme basiert vor allem auf der Verfügbarkeit großer Mengen an Daten. Die Daten werden benötigt, um Algorithmen zu trainieren (Maschinelles Lernen) und sind daher Voraussetzung für die Entwicklung von KI-Systemen in der Medizin. Hierfür muss ein Zugang zu den Daten geschaffen werden. Die Blockchain könnte der Schlüssel für den Datenaustausch im Gesundheitswesen über alle Sektoren und Informationsquellen hinweg sein.

Wo geht die Reise hin?

Die auf der Blockchain-Technologie basierende Kryptowährung Bitcoin existiert bereits seit 2009 und wurde bis heute nicht gehackt, trotz unzähliger Versuche. Die Blockchain-Technologie hat also ihre Feuertaufe längst bestanden. Unternehmen, Regierungen und Startups entwickeln mit Hochdruck Blockchain-Lösungen und Geschäftsmodelle. In der Gesundheitsbranche steht die Technologie aber noch am Anfang.

Wie es gehen kann, zeigt heute bereits Estland: Während hier die Digitalisierung der Verwaltung mit kleinsten Schritten und meist zögerlich umgesetzt wird, ist Estland ein Digital-Pionier: Die meisten estnischen E-Government-Anwendungen basieren auf dem Blockchain-Prinzip oder werden sukzessive auf dezentrale Systeme umgestellt. Im Gesundheitswesen sorgt die Blockchain-Technologie bereits heute dafür, dass die Datensicherheit in Estland gewährleistet wird.

Angesichts des Debakels, das sich bei der elektronischen Gesundheitskarte anbahnt, sollte auch Deutschland die Chance nutzen und die geplante Telematikinfrastruktur auf Basis der Blockchain neu denken.

Verfasst von Martin Breitsprecher in Allgemein, 0 comments
Digitalisierung und Individualisierung der Medizin – Fokus Krebstherapie

Digitalisierung und Individualisierung der Medizin – Fokus Krebstherapie

Vorgestellt wird das Projekt PRIMO, das vom Wirtschaftsministerium im Rahmen der Strategie zur Digitalisierung der Gesundheitswirtschaft neue Ansätze zur Verbesserung der digitalen Infrastruktur, der softwarebasierten Automatisierung manueller Prozesse, Machine-learning-Algorithmen und BigData Management entwickelt, um effizientere Analysen relevanter Patientendaten zu erreichen. In enger Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Personalisierte Medizin (ZPM) Tübingen werden Methoden der Präzisionsonkologie evaluiert, wie z.B. personalisierte Wirkstofftests mit patienten-abgeleiteten 3D Mikrotumoren in Co-Kultur mit autologen Immunzellen. Darüber hinaus werden multimodale Verfahren zur simultanen Analytik von Proteinprofilen und genetischen Signaturen gezielt weiterentwickelt und Methoden für das therapiebegleitende Monitoring der minimalen Resterkrankung (MRD) weiter automatisiert, mit dem Ziel, die Umsetzung personalisierter Therapieansätze in integrative und dynamische Behandlungskonzepte voranzutreiben.

Zwei wichtige Teilprojekte von PRIMO werden mit Exponaten vorgestellt:

DNA mit künstlichem Barcode – Krebs-Resterkrankung genau quantifizieren
Eine „minimale Resterkrankung“ bezeichnet verbliebene Krebszellen im Körper von Leukämie-patienten. Diese können über sensitive Testverfahren von bis zu einer Tumorzelle pro 100.000 gesunden Zellen nachgewiesen werden. Hahn-Schickard forscht an der zentrifugalmikrofluidischen Automatisierung eines neuartigen Testverfahrens basierend auf Next Generation Sequencing. Hierbei werden bestimmte Genabschnitte der Patienten-DNA mittels  digitaler Multiplex-PCR vervielfältigt. Zudem werden sogenannte „Unique Molecular Identifiers“ eingesetzt, mit denen jedes DNA Molekül mit einem künstlichen Barcode versehen werden kann. Mittels anschließendem Next Generation Sequencing und bioinformatischer Auswertung lässt sich die „minimale Resterkrankung“ genau quantifizieren.
In der Ausstellung wird gezeigt, wie die Tropfengenerierung in diesem Prozess von statten geht und wie das einzigartige Testverfahren umgesetzt werden soll. Überlebensgroße Modelle der sonst winzigen Tropfen veranschaulichen den Besuchern die Welt der Mikrosystemtechnik.

Maßgeschneiderte Therapie – Krebs-Resterkrankung patientenindividuell überwachen
Minimal residual disease (MRD) bezeichnet eine minimale Krebsresterkrankung im Körper eines therapierten Patienten, u.a. bei Akuter Lymphoblastischer Leukämie. Ziel ist es, Technologien zu entwickeln, um die patientenindividuelle MRD-Überwachung softwarebasiert zu automatisieren und hierdurch zu standardisieren. Dies wird eine optimale Abstimmung der Therapie auf den aktuellen Patientenstatus unterstützen und hierdurch einen schnellen Heilungsprozess fördern. Die Digitalisierung wird so zukünftig den Einsatz komplexer diagnostischer Verfahren im klinischen Alltag erleichtern und eine hohe Ergebnissicherheit über mehrere Jahre hinweg bewirken.
In der Ausstellung erhalten die Besucher erste Einblicke in das Konzept der neuen Software für die Entwicklung von Testverfahren im Krebsmonitoring.

Digitalisierte Biomaterialien: Verbesserte Implantate durch Vorhersage der Materialverträglichkeit

Vorgestellt wird das Forschungsprojekt “System-Immunologie an biologisch-technischen Grenz-flächen“, das auf Basis eines systemischen und bioinformatischen Ansatzes ein fundamentales Verständnis über die bestmögliche Beschaffenheit von Implantaten für ihre jeweilige Verwendung ermöglicht. Durch die Digitalisierung der Daten und in Verbindung mit digitaler Designvorhersage wird die Entwicklung neuer Generationen von Implantaten ermöglicht.

Das Immunsystem ist sowohl in der Lage, die erfolgreiche Integration medizinischer Implantate in den Körper zu fördern, als auch das eingebrachte Fremdmaterial zu attackieren, was zum Versagen des Implantats und zu unerwünschten Nebeneffekten für den Patienten führen kann. Die System-immunologie beschreibt diese komplexen biologischen Immunreaktionen, die als Entzündung, Abstoßung von körperfremdem Material oder Sensibilisierung in Erscheinung treten können.

Im Rahmen des Projekts werden mehr als 200 Biomaterialien wie Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Biopolymere chemisch und physikalisch charakterisiert und so eine klassifizierte Werkstoffkollektion aufgebaut. Zur Untersuchung ihrer immunologischen Reaktionsprofile an den Materialgrenzflächen werden biologische In-vitro-Testverfahren entwickelt und in einem ganzheitlichen, systemimmuno-logischen Ansatz ausgewertet. Basierend auf einer Datenbank aus diesen Ergebnissen wird eine verlässliche Vorhersage von Materialunverträglichkeiten ermöglicht. Das NMI arbeitet hierzu mit drei Partnern der Universität Tübingen, einer Arbeitsgruppe der Hochschule Reutlingen und drei forschungsstarken Biotechnologieunternehmen zusammen. Weitere 20 nationale und internationale Unternehmen aus der Medizintechnikbranche und der Biotechnologie werden das Verbundprojekt mit Rat und Tat und der Lieferung relevanter Materialien als Mitglieder eines industriellen Lenkungskreises begleiten.

KI-basiertes quantitatives Diagnostiksystem

Vorgestellt wird das Forschungsprojekt „Intelligente Diagnostik“, das ein KI-basiertes quantitatives Diagnostiksystem am Beispiel von Hauttumoren entwickelt. Dabei liefert ein neues quantitatives Bildgebungsverfahren informative Bilder wie sie bisher nicht möglich waren und stellt die digitale medizinische Diagnostik damit auf eine neue Stufe.

Anstelle einfacher Digitalbilder ermittelt das neue Verfahren neben der 3D-Topologie der Oberfläche weitere für die Diagnostik relevante Parameter wie beispielsweise die Flächenverteilung von Blut, Wasser, Melanin, Kollagen und Carotinoiden, die Sauerstoffsättigung im Blut sowie die Hämodynamik und erlaubt eine präzise Verlaufskontrolle. Die Beobachtung des Krankheitsverlaufs ist für die Diagnose i.d.R. aussagekräftiger als eine einzelne Momentaufnahme. Für die Datenanalyse werden innovative, KI-basierte Konzepte eingesetzt, so dass am Ende ein auf präzisen Daten basierendes selbstlernendes System entsteht.

So kann jeder einzelne Arzt seine Diagnose auf der Basis eines ständig wachsenden und sich verbessernden Expertenwissens erstellen. Dadurch wird sich die Treffsicherheit erhöhen, insbesondere für weniger erfahrene Ärzte oder für Krankheiten, die schwierig zu diagnostizieren sind oder selten auftreten. Das System wird zunächst für die Diagnostik von Hauttumoren trainiert und evaluiert, kann dann aber auch auf andere Hautkrankheiten erweitert werden. Der Nutzen der standardisierten, auf quantitativen Daten beruhenden Diagnostik und Verlaufskontrolle wird in Form einer erhöhten Sensitivität und Spezifität der gestellten Diagnosen messbar sein. In einem zweiten Schritt ist die Nutzung des neuen Verfahrens auch von nicht-ärztlichem medizinischem Personal vorgesehen.

Bioprinting – gedruckte Organe

Digitalisierung biomedizinischer Herstellprozesse mit Hilfe des 3D-Drucks

Noch sind Organe aus dem 3D-Drucker Zukunftsmusik. Doch mit Hilfe des Bioprintings könnten sie Wirklichkeit werden. Bioprinting, eine Verknüpfung von Digitalität und Biotechnologie, ermöglicht bereits heute, die Herstellung einfacher Strukturen unterschiedlicher, zellbeladener Materialien mit einer Zusammensetzung analog dem natürlichen Gewebe. Während für einfache Gewebe wie Knorpel-, Binde- oder Fettgewebe ein Zeithorizont von 5 bis 10 Jahren bis zum klinischen Einsatz für möglich gehalten wird, ist es bis zum voll funktionsfähigen künstlich erzeugten Gewebe oder gar zur Fertigung von Organen für eine Transplantation noch ein sehr weiter Weg.

Dieses Thema nimmt die Präsentation des Projekts „SOP_BioPrint“ auf. Im Rahmen des Projekts werden robuste und validierte Herstellungs-, Verfahrens- und analytische Methoden etabliert, die als Best Practices eine personen- und ortsunabhängige Reproduktion von Messergebnissen im Bereich des Bioprintings ermöglichen. Dazu werden industriell etablierte Polymere und Hydrogelsysteme mit biologisch aktiven Substanzen als Biotintenformulierungen etabliert und für den Einsatz bei verschiedenen Biodruck-Technologien getestet. Auf allen Ebenen dieses Vorganges steht dabei eine standardisierte Charakterisierung und Verfahrensetablierung im Vordergrund.

MaterialDigital

Vorgestellt wird das Projekt MaterialDigital, das die Potenziale, die die digitale Transformation für die Werkstofftechnik bietet, erforscht und Lösungen aufzeigt, wie Erzeugung, Speicherung und Analyse von Materialinformationen im Zuge der Digitalisierung für Wettbewerbsvorteile genutzt werden können. Das Projekt untersucht, auf welche Weise digitale Repräsentationen, Materialdatenflüsse und Datenanalysewerkzeuge aufgesetzt und verknüpft werden müssen, damit neue und innovative Möglichkeiten der Wertschöpfung in Entwicklung, Verarbeitung und im Einsatz von Werkstoffen realisiert werden können.

Konkret wird am Aufbau eines Materialdatenraums gearbeitet, der alle materialspezifischen Daten digital verwaltet, eine automatisierte Abfrage bietet und damit die Rekonstruktion von Materialeigenschaften und Zustandsinformationen ermöglicht. Mit Hilfe eines digitalen Materialzwillings können so Entwicklungsabläufe, Fertigungsschritte und Bauteilperformance optimiert werden. Gleichzeitig liefern die Daten die Grundlage zur Werkstoffoptimierung in Bezug auf die Produktfunktionalität und -eigenschaften (Festigkeit, Lebensdauer etc.). 

Quelle: https://www.nmi.de

Verfasst von Saskia Koch in Allgemein, 0 comments
Sport und Medien: E-Sports als sinnvolle Verknüpfung von Sport und Gesundheit

Sport und Medien: E-Sports als sinnvolle Verknüpfung von Sport und Gesundheit

E-Sports erfährt weltweit einen enormen Aufschwung und so finden auch aktuell intensive Gespräche von e-Sports Verantwortlichen mit den Vorsitzenden des DT. Olympischen Sportbundes statt.

Zielsetzung

Ziel ist es, ein konkretes e-Sport Beispiel im Sinne eines Serious Games zu entwerfen, welches als Inhalt die Verknüpfung der Bereiche Sport und Gesundheit hat. Hier soll vor allem digitale Laufband-Plattform und die digitale Wettbewerbsplattform in ein konkretes E-Sport Spiel transformiert werden und ständig weiterentwickelt werden.

Wettbewerbsplattform

Die digitale Wettbewerbsplattform soll mit ihren Bausteinen dazu verwendet werden, Fortschritte im Kampf gegen die Diabetes zu erzielen. Dabei ist auch die Stärkung des Immunsystems aufgrund richtig dosierter Laufsport-Gestaltung ein wichtiger Aspekt. Aktuell ist in diesem Zusammenhang auch die Problematiken des Wechselspiels zwischen Diabetes und Krebs aufgrund eines geschwächten Immunsystems. Das heißt, dass einer Stärkung des Immunsystems eine zentrale Rolle zukommt. Hierzu ist besonders richtig dosierter Laufsport in Verbindung mit den dazu abgestimmten Potenzialen der Simulationstechnologien ein wichtiger Baustein.

  • (Siehe https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=dAQb2ydwGyg)
  • (Siehe https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4931142/)
  • (Siehe https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4231938/)

Gamification

Erfreulicherweise sind im Rahmen von Serious Games in der Zusammenarbeit mit medizinischen Fakultäten schon Spiele mit dem Bezug auf dem Zweikampf Immunsystem und Krebs entwickelt worden. (Siehe https://www.eveonline.com/discovery/) Aufgrund der Grundlage der digitalen Wettbewerbsplattform soll dazu eine Weiterentwicklung erfolgen.

Elemente eines Spiels können hier sein:

  • Der Trainingsparameter-Wechsel Schnelles und Langsames Laufen
  • Vitalparameter-Daten
  • Abgestimmte Atemtechniken
  • Chronobiologischen Aspekten (u.a Uhrzeit des Lauftrainings)
  • und viele weitere…

So entsteht ein Spielerisches Training aufbauend auf aktuellsten medizinischen Erkenntnissen. So können die Ausgewählten Parameter in eine attraktive Spielform transferiert werden, welche zudem noch die positiven resultierenden Aspekte auf das Immunsystem berücksichtigt.

Ein mögliches Setting der Wettbewerbsplattform resultiert natürlich in einen Zweikampf Krebs (oder auch Diabetes ) gegen Immunsystem. Dieser Zweikampf kann dann mit Know-How aus der Spieleindustrie attraktiv gestaltet werden (spielen allein und der Gruppe). Leider verfügt das Krankheitsbild Krebs über zahlreiche Gegenstrategien, sodass es kein Problem sein sollte diese entsprechend in die Spielform zu transferieren.

Spiele-Industrie

Aus Spielerischer Sicht eignen sich Gaming-Elemente insbesondere zur Steigerung der Motivation und Partizipation der Patienten und Sportler. Diese Spieleindustrie ist heute das größte Medium der Welt mit einem Jahresumsatz weit jenseits der Musik- und Filmindustrie zusammen. Besonders bemerkenswert ist der große soziale Impact den Spiele heutzutage ausüben, gerade unter jüngeren Menschen. So ist der Games-Streaming Service Twitch heute das meist konsumierte Medium unter Jugendlichen.

Für die Wettbewerbsplattform kann so ein Game-Design entwickelt werden, beispielsweise basierend auf der heute weit verbreiteten Bartle Taxonomy, die eine Eingliederung von Spielinhalten in Competitive, Completionist, Social und Exploration einführt. (Siehe http://mud.co.uk/richard/hcds.htm  )

Das Laufband ist hier besonders interessant, da es als “Eingabegerät” für eine Sportsimulation oder eSport verwendet werden kann, wie im “Pollution Fighter”, entwickelt an der HdM Stuttgart, bereits mit einem Fahrrad geschehen. (Siehe https://www.bizplay.org/programm2018/#event-222)

Netzwerk

Aufgrund zahlreicher Laufsportveranstaltungen (besonders dem Digitalisierung Marathon) entstand ein Netzwerk das Impulse zu zentralen Themen generieren kann. Hierzu gehören die Analyse von Spielergebnissen und Ideen, Community Management und medizinische Simulationen. Schlussendlich sollen sich die digitale Laufband-Plattform, welche später auch live gezeigt werden soll, und das daraus entwickelte Spiel gegenseitig ergänzen und bereichern. Natürlich soll dies dem Dt. Olympischen Sportbund und zahlreichen digitalen Entscheidungsträgern mit seinen Potenzialen vorgestellt werden.

 

Text: Jürgen Mennel und Dr. Andreas Stiegler

Verfasst von Saskia Koch in Allgemein, 0 comments

Innovative Mess- und Inhalationstechnik für eine ZNS-wirksame Medikation

(Experiment und numerische Simulation)
Prof. Dr.-Ing. Annette Schafmeister

Viele neue ZNS (ZNS, Zentralnervensystem)-Wirkstoffe warten auf eine geeignete Methode, um an ihren Zielort, das menschliche Gehirn, zu gelangen – so z.B. neue Nasenspray-Wirkstoff gegen neurodegenerative Erkrankungen. Die zu entwickelnde Nasenspraytechnik mit entsprechender Messtechnik und Vorhersagen mittels numerischer Simulation, die den optimierten Transport von nasal inhalierten ZNS-aktiven Substanzen ermöglicht, steht in der genannten Forschungsarbeit im Vordergrund /1-3/.

 

Hintergrund


Die Übertragung von Arzneimitteln an das Gehirn aus dem Blutkreislauf wird normalerweise von der so genannten Blut-Hirn-Schranke (BBB) verhindert; diese ist praktisch undurchlässig für alle Fremdstoffe. Eine Alternative Medikamentenroute und damit die Umgehung der BBB, kann der in der Nase liegende Riechnerv sein. Neben der Resorption über die Nasenschleimhaut kann ein Wirkstoff auch direkt, entweder über die Riechnerven (transneural, transzellulär), das die Riechnerven umgebende Stützgewebe und die umgebenden Kapillaren (transzellulärer Transport) oder über die perineurale Diffusion in das Liquor-Kompartiment (Teil des Gehirns) gelangen. Das olfaktorische Epithel der menschlichen Nase erstreckt sich in dem oberen hinteren Teil der Nasenhöhle auf etwa 10 cm2 der inneren Oberfläche. Die Nervenzellen des olfaktorischen Epithels ragen in den Riechkolben des Gehirns, die eine direkte Verbindung zwischen dem Gehirn und der äußeren Umgebung bietet.

Die nasale Verabreichung und der gezielte olfaktorische Transfer von Wirkstoffaerosolen kann dazu dienen, Arzneimittel, die eine gewünschte Wirkung auf das zentrale Nervensystem, wie sie für Parkinson oder Alzheimer Erkrankungen liefern, effizient an den Zielort, das ZNS zu transportieren.

Dies ist der Grund, warum in den letzten Jahren vermehrt der alternative Weg von ZNS-wirksamen Substanzen durch die Nase deutlich an Interesse gewann /4/. Dabei will man sich zu Nutze machen, dass das obere Drittel der Nasenhöhle, d. h. die Geruchsspalte, eine „Eintrittspforte“ in das menschlichen Gehirn darstellt: Die Wirkstoffe können entlang der Nervenbahnen (des olfaktorischen Nervs), die in die obere Nasenhöhle ragen, ins Gehirn transportiert werden /5, 6/. Wie in Abb. 1 gezeigt, kann man für den Transportweg von therapeutischen Aerosolpartikel zwei „Nadelöhre“ identifizieren: zunächst a. den Weg hin zur so genannten Geruchshöhle und im Weiteren b. den Transport des Wirkstoffes entlang der Nervenbahnen. Der Fokus der Arbeiten der antragstellenden Kooperationspartner liegt auf dem „ersten Nadelöhr“, also im ersten Schritt (a), den Transport von Aerosolpartikel an die Oberfläche des olfaktorischen Nervs (im Späteren z.B. mittels eines Inhalations-Gerätes oder eines Nasensprays).

 

Abbildung 1: Zeichnung eines Schnittes durch die menschliche Nase mit a. Transportweg zur Geruchshöhle und b. Transportweg entlang der Nervenbahnen zum Riechkolben.

 

Für ein besseres Verständnis der Aerosolstromführung und Partikelabscheidung für diesen Teil der Nase wurden in den letzten Jahrzehnten die bereits in industrietechnischen Fragestellungen (z.B. in der Automobilindustrie) erfolgreich eingesetzte computergestützten numerischen Simulationsrechnungen (computational fluid dynamics, CFD) angewendet /7-10/. Diese numerischen Modelle liefern sehr gute quantitative Ergebnisse, die begleitend mit physikalischen Experimenten validiert werden müssen.

Des Weiteren gibt es Bestrebungen, die Applikationstechnik (Verabreichungstechnik) zu verbessern, um das medizinische Aerosol gezielt in die Region des olfaktorischen Nervs zu führen. Eine solche, speziell entwickelte Anwendungstechnik wurde z.B. mit einem unter erhöhtem Druck arbeitenden Spraysystem erprobt und erreichte damit in Tierversuchen (Ratten) eine um 50% erhöhte Wirksamkeit /11/. Eine Quantifizierung, die veritable Rückschlüsse auf die tatsächlich am olfaktorischen Epithelium abgeschiedene Partikelmasse zulässt und darüber hinaus eine in-vitro-Methode darstellt, ist hingegen noch nicht bekannt.

Für zukünftige Entwicklungsarbeiten von ZNS-wirksamen Medikamenten, die über die Nase ins Gehirn appliziert werden sollen, ist es von großer Bedeutung ein valides Instrument (Modell) zur Verfügung zu haben, mit dem man zuverlässig Abscheideraten von Wirkstoff-Aerosolpartikel bestimmen und in Parameterstudien auch optimieren kann (Variation z.B. der Partikelgrößenverteilung, oder der strömungsmechanischen Eigenschaften).

 

Eigene Arbeiten


Betrachtet man die menschliche Nase vereinfacht als ein mit einem Aerosol durchströmten Abscheider, ist es eine klassische verfahrenstechnische Aufgabenstellung, die Strömungsmechanik und die Partikelbahnen bei der Inhalation eines Aerosols in der Nase zu berechnen, oder den Abscheidegrad von Partikeln in der Nase experimentell zu bestimmen. Da die Geruchsspalte im Nasendach weniger als 8 % der gesamten Nasenoberfläche umfasst und diese zudem eher verborgen, fern ab vom Hauptströmungskanal der Nase liegt, ist eine der noch ausstehenden Herausforderungen, den Transport von Aerosolpartikeln in die Region des olfaktorischen Epitheliums zunächst zu quantifizieren und im nächsten Schritt zu optimieren, um eine möglichst hohe Abscheide-Effizienz von Wirkstoffen an der „Eintrittspforte“ ins Gehirn erzielen zu können.

An dieser Stelle setzt die Expertise der Arbeitsgruppe an und konnte in Voruntersuchungen mit Modellpartikeln, Wassertröpfchen, zeigen, dass es gelingt, mit Hilfe eines haptischen Modells (hergestellt mittels dem Verfahren des Rapid-Prototyping) einer naturgetreuen menschlichen Nase experimentelle Abscheideversuche von Aerosolpartikeln und den entsprechenden numerischen Simulationsrechnungen (CFD) in einem ersten Schritt zu einer guten Übereinstimmung zu bringen /12/. Zur Modellerstellung wurden mittels Computertomographie-Daten einer (gemittelten) menschlichen Nase und des Verfahrens des Rapid Prototypings wurde das positive Nasenmodell in ein negatives konvertiert. Das Modell wurde außerdem so konstruiert, dass es für die experimentellen Abscheideversuche in einzelne Kompartimente zerlegbar war. Die Ergebnisse der CFD-Simulation ergaben deutliche Abhängigkeiten der am olfaktorischen Epithelium abgeschiedenen Partikeln von der Partikelgröße (im Bereich von 1 bis 10 μm) und der Aerosolgeschwindigkeit, bzw. der Partikelgeschwindigkeit – die in der Realität vom Einatmungsvorgang des Individuums abhängt (siehe Abb. 2).

 

 

Abbildung 2: Ergebnisse der CFD-Simulation: Abgeschiedene Partikeln (trapped particles) als Funktion des Partikeldurchmessers (particle diameter) (A) und der Partikelgeschwindigkeit (particle velocity) (B).

 

In einem ersten Schritt und in Abbildung 3 dargestellt, konnte der Vergleich der Ergebnisse aus den numerischen Simulationsrechnungen und den experimentellen Abscheideversuche mit dem Nasenmodell eine gute Übereinstimmung erzielen, wenngleich die Abscheidung im experimentellen Modell lediglich qualitative Daten lieferte (Lokalität und Intensität des Farbumschlags in den Violett-Bereich). Eine Quantifizierung von abgeschiedenen Aerosolpartikeln in den unterschiedlichen Regionen der Nase ist ungleich schwieriger herbeizuführen und muss in einer nicht ganz trivialen Mess-Strategie noch verfolgt werden.

 

Abbildung 3: Ergebnisse der CFD-Simulation: a. Strömungsgeschwindigkeiten und b. Abgeschiedene Partikeln (stark vergrößert) übereinandergelegt mit der fotografischen Aufnahme nach den experimentellen Abscheideversuchen mit Farbumschlag.

 

Die Aerosol-Messtechnik und der Umgang mit luftgetragenen Partikelströmungen im Labor spielen in der Bearbeitung der Fragestellung „Wo in der menschlichen Nase scheiden sich wie viele Partikel ab?“ eine tragende Rolle. Hier konnte in der Vergangenheit in diversen, in der Regel von der Industrie getriebenen Projekten, umfangreiche Erfahrung gesammelt und dokumentiert werden /13 – 16/. Unter anderem entstand dabei eine patentierte Messtechnik zur Bestimmung von Kleinstmengen abgeschiedener Aerosolpartikel /17/. Auf der anderen Seite sind moderne numerische Modellrechnungen ein probates Werkzeug, um komplexe anwendungsorientierte Fragen, wie sie im skizzierten pharmazeutischen Thema auftauchen, zeiteffizient zu bearbeiten und schnelle Lösungsansätze hinsichtlich Optimierungsstudien zu liefern. Hier konnte auf Seite des Kooperationspartners im Ulmer Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (UZWR) die Erfahrungen aus einer Vielzahl an Industrie- und Wissenschaftsprojekten eingebracht werden /12, 18 – 20/.

 

Literatur


[1] World Health Organization and Alzheimer’s Disease International. Dementia: a public health priority. 2012.

[2] World Health Organization. Neurological disorders: public health challenges. 2006.

[3] Begley DJ. Delivery of therapeutic agents to the central nervous system: the problems and the possibilities. Pharmacol Ther. 2004;104(1):29–45.

[4] Craft S, Baker L, Montine T. Intranasal insulin therapy for Alzheimer Disease and amnestic mild cognitive impairment. 2012;69(1):29–38.

[5] Mathison S, Nagilla R, Kompella UB. Nasal route for direct delivery of solutes to the central nervous system: fact or fiction? J. Drug Target. 1998;5(6):415–41.

[6] Lochhead JJ, Thorne RG. Intranasal delivery of biologics to the central nervous system. Adv Drug Deliv Rev. Elsevier B.V.; 2012;64(7):614–28.

[7] Liu Y, Matida EA, Gu J, Johnson MR. Numerical simulation of aerosol deposition in a 3-D human nasal cavity using RANS, RANS/EIM, and LES. J Aerosol Sci. 2007;38(7):683–700.

[8] Schroeter JD, Kimbell JS, Asgharian B, Tewksbury EW, Singal M. Computational fluid dynamics simulations of submicrometer and micrometer particle deposition in the nasal passages of a Sprague–Dawley rat. J Aerosol Sci. 2012;43(1):31–44.

[9] Lindemann J, Brambs HJ, Keck T, Wiesmiller KM, Rettinger G, Pless D. Numerical simulation of intranasal airflow after radical sinus surgery. Am J Otolaryngol – Head Neck Med Surg. 2005;26(3):175–80.

[10] Hertel SP, Winter G, Friess W. Protein stability in pulmonary drug delivery via nebulization. AdvDrug Deliv Rev. 2015;93:79–94.

[11] Hoekman JD, Ho RJ. Enhanced analgesic responses after preferential delivery of morphine and fentanyl to the olfactory epithelium in rats. Anesthesia and analgesia, 2011: 113: 641.

[12] Engelhardt L, Röhm M, Mavoungou Ch, Schindowski K, Schafmeister A, Simon U: First Steps to Develop and Validate a CFPD Model in Order to Support the Design of Nose-to-Brain Delivered Biopharmaceuticals. Pharmaceutical Research, published Online First, 2016.

[13] Umhauer H, Meyer J, Schiel A. A novel device for single particle light scattering size analysis and concentration measurement at high pressures and temperatures, Part. Part. Syst. Charact. 2009; 25:119-35

[14] Schiel, A., Weber, A. P., Kasper, G. und Schmid, H.-J.: In Situ Determination of the Charging of Nanometer and Submicron Particles at High Temperatures, Particle and Particle System Characterization 19 (2002) 410-418

[15] Schiel, A., Weber, A. P., Kasper, G., Precipitation of submicron aerosol particles at high temperatures by electrostatic means, Chemical Engineering Technology CET, 2002

[16] Schiel, A., Weber, A. P., Kasper, G., Elektrostatische Aufladung von submikronen und Mikrometer-Partikeln bei hohen Temperaturen, Chemie Ingenieur Technik CIT, Juni 2002, CITEAH 74 (6)

[17] DE102011056045 A1, Annette Schafmeister, Vorrichtung zur Massenbestimmung von Aerosolpartikeln, Juni 2013

[18] Engelhardt, L., Simon, U., Stützle, M., Schafmeister, A.: Simulation und Validierung von Luft- und Partikelströmungen durch die Nase. In Proc. of ACUM 2015, Bremen.

[19] F. Niemeyer, L. Bartolini, L. Engelhardt, F. Heuer, F. Trautwein, H.-J. Wilke, U. Simon: Optimierung eines neuartigen Fusionsimplantat-Prototypen für In-vivo-Untersuchungen mit Hilfe von Knochenheilungssimulationen. In Proc. of German Soc. of Biomechanics (DGfB) 2015, Bonn.

[20] Frank Niemeyer, Luca Bartolini, Lucas Engelhardt, Frank Heuer, Frank Trautwein, Hans-Joachim Wilke, Ulrich Simon: Using bone healing simulations to design and optimize a novel spinal fusion implant. In Proc. of 12th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering (CMBBE), 2014, Amsterdam.

 

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Generative Orthopädie

Durch moderne Verfahren kann die Arbeit von Orthopädietechnikern erleichtert und bessere, z. B. gewichtsreduzierte und funktionelle Produkte für die Patienten, entwickelt werden.

Einen zentralen Punkt bilden dabei die generativen Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing). Diese Schichtbauverfahren ermöglichen eine werkzeuglose Herstellung direkt aus CAD-Daten. Durch die geometrische Freiheit dieser Verfahren ergeben sich neue Möglichkeiten im Bereich der Bionik. Dabei können extrem leichte Strukturen der Natur oder bionische Optimierungsverfahren wie die Topologieoptimierung in Produkte wie Prothesen, Orthesen oder chirurgische Instrumente integriert werden. Durch diese Technologie lassen sich auch Funktionen wie Federelemente, Verschlüsse oder Aktoren, die bisher nicht oder nur mit viel Aufwand in die Produkte integriert wurden, umsetzen.

Die Kombination aus 3D-Scanner, CAD-Technologie und generativen Fertigungsverfahren bildet einen neuen, von der Natur inspirierten, digitalen Arbeitsprozess für neue, zukunftsweisende Produkte.

 

Fachlicher Ansprechpartner
Jérémy Lefint | Telefon +49 711 970-3713 | jeremy.lefint@ipa.fraunhofer.de

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Sta­tio­nen der Kör­per­runde – Atemwege

Inspi­ra­tion

 

Den Start der Kör­per­runde stellt der Einat­mung­sprozess mit dem Trans­port sauer­stof­fre­icher Atem­luft durch den Nasen– und Rachen­bere­ich hin zu den Lun­gen dar. Die Darstel­lun­gen und numerischen Unter­suchun­gen in diesem Bere­ich der Kör­per­runde basieren auf Arbeiten, die in der Arbeitsgruppe von Dr. Mathias J. Krause, der Lattice Boltzamann Research Group (LBRG) am KIT, durchge­führt wer­den [1,2]. Die wesentlichen Größen, die den Sauer­stoff­trans­port in die Lugen bee­in­flussen, sind:

  • Atem­fre­quenz
  • Atemzugvol­u­men
  • Vitalk­a­paz­ität

Von diesen Größen sind zunächst Atem­fre­quenz und Atemzugvol­u­men von beson­derem Inter­esse, da sich durch diese bei­den Para­me­ter die wesentlichen Randbe­din­gun­gen für Strö­mungssim­u­la­tio­nen der Atemwege bes­tim­men lassen.

So kön­nen beispiel­sweise die Strö­mungsver­hält­nisse in der Nasen­höhle und dem Rachen­raum detail­liert analysiert wer­den. Dadurch lassen sich nicht nur grundle­gende Erken­nt­nisse über die Fil­tereigen­schaften der Nase und das Riechen gewin­nen, son­dern es kön­nen auch Pro­duk­ten­twick­lun­gen beschle­u­nigt und Pro­dukte wie
beispiel­sweise Inhala­toren opti­miert werden.

 

Sauer­stof­faus­tausch in der Lunge

Ein weit­eres Anwen­dungs­ge­biet welches ain der LBRG am KIT mit Hilfe der numerischen Sim­u­la­tion erforscht wird und im Bezug auf die Kör­per­runde direkt nach dem Ein­strö­men der sauer­stof­fre­ichen Luft durch die Nasen­höhle und den Rachen­raum folgt, ist der Strö­mungsvor­gang in der Luftröhre und dem Bron­chail­baum. Unter­suchun­gen und Analy­sen der Strö­mungsvorgänge in diesem Teil des Atmungssys­tems sind nicht nur aus dem Gesicht­spunkt der kom­plexen Geome­trie son­dern auch durch die mul­ti­physikalis­chen Vorgänge, die auf einem bre­iten Skalen­bere­ich ablaufen extrem her­aus­fordernd. Die detail­lierte numerische Sim­u­la­tion der Strö­mungsvorgänge in den Atemwe­gen in Kom­bi­na­tion mit dem Sauer­stof­faus­tusch in den Alve­olen würde jedoch völ­lig neue Möglichkeiten in Bere­ichen wie der Pla­nung chirur­gis­cher Ein­griffe oder der Sim­u­la­tion von Umwel­te­in­flüssen wie beispiel­sweise dem Schad­stof­fein­trag in den Kör­per über die Atemwege, eröffnen.

Flow and Particle Simulation in the Human Nasal Cavity

 

Literatur

[1] T. Henn, G. Thäter, W. Dörfler, H. Nirschl, and M.J. Krause. “Parallel dilute particulate flow
simulations in the human nasal cavity”. In: Computers & Fluids 124 (2016), pp. 197–207.
issn: 0045-7930. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compfluid.2015.08.002. url:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045793015002728.

[2] M.J. Krause. Fluid Flow Sim­u­la­tion and Opti­mi­sa­tion with Lat­tice Boltz­mann Meth­ods on High Per­for­mance Com­put­ers: Appli­ca­tion to the Human Res­pi­ra­tory Sys­tem, Dis­ser­ta­tion, Karl­sruhe Insti­tute of Tech­nol­ogy (KIT), http://​dig​bib​.ubka​.uni​-karl​sruhe​.de/​v​o​l​l​t​e​x​t​e​/​1000019768 externer Link

 

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Implantat ersetzt defekte Venenklappe

Schließen Herzklappen nicht richtig, werden sie ersetzt. Versagen hingegen Venenklappen, behandeln Ärzte dies bislang ausschließlich medikamentös. Künftig soll ein Implantat die Funktion des beschädigten Ventils übernehmen. Mit einem neuartigen Dosierwerkzeug lassen sich die Prothesen automatisiert fertigen.

Sie ist eines der häufigsten Krankheitsbilder – die chronisch venöse Insuffizienz (CVI).Fast zehn Millionen Bundesbürger leiden an einer behandlungsbedürftigen Venenschwäche, Frauen sind doppelt so oft betroffen wie Männer. Ursächlich für die Volkskrankheit ist eine eingeschränkte Funktionsfähigkeit der Beinvenenklappen. Schließt das Venenventil nicht mehr richtig, folgt das Blut der Schwerkraft und fließt – wenn das Herz nicht gerade pumpt – in die Beine, wo es sich staut. In der Folge kommt es zu Ödemen, bei besonderen Schweregraden treten offene Geschwüre auf. Meist wird die CVI mit Entzündungshemmern und Wassertabletten behandelt. Ein Venenklappenimplantat zur Therapie der Erkrankung gibt es weltweit bislang noch nicht. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart wollen diese Lücke schließen. In enger Zusammenarbeit mit vier Industriepartnern und dem Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik RWTH Aachen entwickelten sie in eine Produktionsanlage, mit der sich Venenklappenprothesen aus dem Kunststoff Polycarbonaturethan (PCU) automatisiert herstellen lassen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi förderte das Projekt.

Herzstück der Anlage ist ein 3D-Tröpfchendosierwerkzeug, mit dem die Forscher verschiedene Härtegrade eines Polymers, Shore-Härten, präzise auf Freiformflächen aufbringen und kombinieren können. »Die 3D-Tröpfchendosiertechnik ist ein schichtweise arbeitendes, generatives Verfahren, mit dem sich dreidimensionale

Geometrien aus einem Polymer herstellen lassen«, erläutert Dr. Oliver Schwarz, Gruppenleiter am IPA. Die Wissenschaftler verwenden PCU, da es sich durch eine hohe Belastbarkeit und Flexibilität auszeichnet. Zudem kann es gut mit umgebendem Gewebe vernäht werden. PCU-Gebilde sind in sehr dünnen Schichtdicken herstellbar – ideale Voraussetzung für die hauchzarten Venensegelklappen. »Mit PCU in Kombination mit unserer 3D-Tröpfchen-Dosierkinematik können wir fließende Materialübergänge aus sechs verschiedenen Elastizitäts- und Härtegraden erzielen – ganz ohne Sollbruchstellen, genauso wie es in der Natur bei hochbelasteten Strukturen angewandt wird. Per Spritzguss ist das nicht machbar«, sagt Schwarz.

© Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen Die fertig produzierte Venenklappe ist hochbelastbar.

Doch wie entsteht aus dem PCU die Venenklappenprothese? Zunächst werden die Polymere in einem Lösungsmittel aufgelöst und mithilfe des Dosierwerkzeugs tröpfchenweise bis auf 25 Mikrometer genau auf eine Venenklappenprothesenform abgesetzt. Pro Sekunde kann das System bis zu 100 Tröpfchen mit einem Volumen von 2 bis 60 Nanoliter abgeben. Eine 6-Achs-Kinematik positioniert den Piezodosierer präzise über der Form. Ist diese vollständig betropft, wird sie mit einem warmen Stickstoffvolumenstrom überströmt. Infolgedessen verdunstet das Lösungsmittel – zurück bleibt das Polymer. In einem erneuten Dosiervorgang wird eine weitere Schicht aufgetragen. Abschließend lässt sich die Polymerprothese von der Form abziehen. Den so gefertigten Klappenersatz können Ärzte per Katheter durch die Haut in die Beinvene implantieren.

Neben dem Dosierer besteht die Produktionsanlage aus zahlreichen Komponenten. Die Experten vom IPA zeichnen unter anderem für das Befüllungs- und Überwachungssystem, die Trocknungsanlage, die gesamte Reinraumbox und die Steuerung der 6-Achs-Kinematik verantwortlich. »Es ist uns gelungen, die bisher für Fräsmaschinen genutzte Beckhoff-Steuerung so umzuprogrammieren, dass wir damit generative Prozesse regeln können«, freut sich Schwarz. Mit ihrer Lösung sind der Forscher und sein Team künftig in der Lage, dünnwandige hochbelastete Implantate zu fertigen, also etwa auch Herzklappen oder Bandscheiben. Noch sind die Produkte nicht am Markt – es fehlt die Industrie, die in diese Technologie investiert.

Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.ipa.fraunhofer.de/de/Branchenloesungen/medizin–und-biotechnik/schwerpunkte/medizintechnik.html

Fachlicher Ansprechpartner
Dr. rer. nat. Oliver Schwarz | Telefon +49 711 970-3754 | oliver.schwarz@ipa.fraunhofer.de

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