FMTHH Förderprojekte

Die Anwendung moderner Computertomographie (CT) wird durch zwei Faktoren entscheidend beschränkt: Die individuelle Strahlenexposition und die Aufnahmezeit. Für die Erstellung einer tomographischen Aufnahme werden mehrere (bis zu 800) Röntgenbilder pro Schicht durchgeführt. Daraus resultiert eine Vielzahl von nötigen Röntgenprojektionen und damit eine erhebliche Strahlenbelastung.

Künstliche Modelle, sogenannte Phantome, bieten eine gute Möglichkeit zur Verringerung oder Ersetzung von Tierversuchen, indem diese für die Kalibrierung und Qualifizierung der zunehmend komplexeren Verläufe sowie für die technische Optimierung der Behandlungstechniken eingesetzt werden.

Osteoporosis, the most prevalent bone disorder in the world, is a significant risk factor for fragility fracture in elderly individuals. The bone fracture can result in chronic pain, decreased overall health status, reduced mobility and sometimes loss of independence, and finally has high clinical and economic burden. The main goal of the proposed work is to develop a computational approach to model the crack initiation and propagation in cortical bone respecting cement line and osteon structure as well as osteocyte density and shape.

Immune cell migration is a key step of the immune response, and its outcome depends on the efficient trafficking of leukocytes, such as dendritic cells (DCs) and T cells, which constantly patrol our body. The overall aim of this project is to develop extracellular matrices with controllable properties, to mimic the physical properties of a tumor microenvironment, and to study immune cell behavior on it in presence or absence of soluble molecules present in this context. Therefore we will develop a method to obtain biopolymer based gels for 3D cultures with specific particle sizes, pore structures and surface adhesivity.

Primäres Ziel dieser interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen UKE und TUHH ist die Entwicklung von Phantomen, Methoden, Analysealgorithmen und Software zur Fettquantifizierung und Eisenquantifizierung in Patienten durch die Dual-Energy Spektral-CT und Validierung dieser mittels Magnetresonanzspektroskopie (MRT) und Magnetresonanz-Relaxometrie. Perspektivisch soll der Einfluss der erhobenen Messwerte auf das klinische Outcome der Patientinnen und Patienten untersucht werden.

Punktionen sind ein essentieller Bestandteil therapeutischer und diagnostischer medizinischer Maßnahmen. Die Präzision der Nadelführung, die Adjustierung der Nadelausrichtung und die Diskriminierung zwischen Zielstrukturen und vulnerablen Strukturen sind nicht nur für den Punktionserfolg, sondern insbesondere auch in Hinblick auf mögliche Punktionskomplikationen von hoher Bedeutung.

Bei der metabolischen Erkrankung Typ 2 Diabetes Mellitus besteht eine Unempfindlichkeit der Zellen gegenüber des Hormons Insulin. Aufgrund der alternden Gesellschaft, einem zunehmend gesetzten Lebensstil sowie erhöhtes Vorkommen von Übergewicht steigt die Prävalenz von Typ 2 Diabetes Mellitus weiter an. Im Verlauf der Krankheit kann es zu Schädigungen des kardiovaskulären Systems, der Nieren und Nerven kommen. Zusätzlich geht Typ 2 Diabetes Mellitus mit einem erhöhten Frakturrisiko einher, dessen Ursachen bislang unzureichend erforscht sind.

Blood and lymphatic vessels are lined by endothelial cells (ECs) which constantly interact with their luminal and abluminal extracellular environments. These interactions confer physical forces on the endothelium, such as shear stress, stretch and matrix stiffness, to mediate biological responses. Physical forces are often altered during disease, driving abnormal EC behaviour and pathology. Therefore, it is critical to understand the mechanisms by which ECs respond to physical forces.

Die Leberzirrhose, als Endstadium aller chronischen Lebererkrankungen, geht mit einer hohen Morbidität und Mortalität einher. Schätzungsweise sind in Deutschland etwa 1 Millionen Menschen von einer Leberzirrhose betroffen. Die vierdimensionale Fluss Magnetresonanztomographie (4D Fluss MRT) stellt eine neue MRT-Technik zur detaillierten Analyse von Blutflussprofilen im menschlichen Körper dar. Ziel dieser interdisziplinären Studie ist die Entwicklung einer nicht-invasiven Methode zur Bestimmung des portosystemischen Druckgradienten in Patienten mit Leberzirrhose .

Das Prostatakarzinom ist eine der häufigsten Krebserkrankungen des Mannes. Als Alternative zu einer operativen Entfernung der Prostata bietet sich in vielen Fällen die Strahlentherapie an. In den letzten Jahren wurde untersucht, ob eine zusätzliche Schonung des gesunden Gewebes und eine Verbesserung des Gesamtüberlebens durch die gezielte Bestrahlung des Tumors innerhalb der Prostata erreicht werden kann (fokalen Strahlentherapie). Ziel des Projekts CHARLIE ist die Entwicklung einer Methode für die Qualitätssicherung in der fokalen Strahlentherapie des Prostata-Karzinoms.

Die Prävention von Stürzen und damit verbundene Begleitverletzungen wie beispielsweise der medialen Schenkelhalsfraktur ist für unsere alternde Gesellschaft von hoher Bedeutung. Dies ist unter Beachtung einer hohen Osteoporose-Last mit einer einhergehenden Schwächung des Knochens und seiner Widerstandsfähigkeit gegen Traumata von besonderer Wichtigkeit. Ziel des Projektes ist die Etablierung und klinische Erprobung eines Patiententrainings mittels Methoden der virtuellen Realität (VR).

Bisher gibt es kein adäquates Screeningverfahren zur Früherkennung von Malignomen des oberen Luft-Speisewegs, die in ihrer Gesamtheit die sechst-häufigste Tumorentität beim Menschen ausmachen. Dies führt nicht selten zu einer Diagnoseverzögerung mit konsekutiver Verschlechterung der Prognose. Im weiteren Verlauf entstehen hierdurch erhöhte Kosten für das Gesundheitssystem in Bezug auf Nachsorge und Rehabilitation.

Mit Hilfe eines intelligenten Langzeitrackings wird erforscht, wie sich Alter und Ernährung auf die Mobilität und Knochengesundheit von Zebrafischen auswirken. Die gewonnenen
Daten können anschließend auch auf den Menschen übertragen werden. Der Zebrafisch besitzt als Wirbeltier viele Gene, die bei Säugetieren und damit auch beim Menschen dieselben oder ähnliche Funktionen haben. Über 70 Prozent der bislang bekannten Gene, die beim Menschen Krankheiten auslösen können, gibt es auch im Fisch. Das macht den Zebrafisch zu einem idealen Modellorganismus für den Menschen.

Eine weit verbreitete Herzklappenkrankheit ist eine Stenose der Aortenklappe, durch die die Leistung des Herzens beeinträchtigt wird. Zur Behandlung kann alternativ zu einem operativen Eingriff auch ein neues, minimalinvasives Verfahren genutzt werden, die so genannte Transcatheter Aortic Valve Implantation oder kurz, TAVI Verfahren. Bisher existieren keine Langzeitstudien zum Leistungserfolg. Im Rahmen des Vorhabens soll geprüft werden, ob ein Monitoring einer in ein 3D-Modell minimalinvasiv implantierten Herzklappe mithilfe von Sensoren möglich ist. Dadurch sollen Beschädigungen beim Einsetzen der Herzklappenprothese analysiert werden können.

Die Behandlung solider bösartiger Tumoren, also die der Karzinome, ist immer noch unbefriedigend. Der größte Rückgang der Krebssterblichkeit im letzten Jahr (2019) in den USA ist auf den Rückgang an Lungenkrebs zurückzuführen. Um die Reaktion von Karzinomen unter einer Chemotherapie besser monitoren zu können, soll ein elektrisches Verfahren, die Bio-Impedanzspektroskopie, benutzt werden, um die Stoffwechselreaktion eines Tumors auf Chemotherapiegabe mit Hilfe von kleinen Wechselspannungen zu messen.

Das MPI hat gegenüber den etablierten Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen bei der Perfusionsbildgebung: Die verwendeten Eisenoxid-basierten Tracer werden im retikuloendothelialen System (RES) des Körpers, allen voran in der Leber, abgebaut und dem Eisenstoffwechsel zugeführt. MPI ermöglicht damit prinzipiell die Untersuchung bei Patienten mit Niereninsuffizienz, Schilddrüsenüberfunktion oder entsprechenden Allergien, bei denen die Verwendung jodhaltiger Kontrastmittel nur unter Inkaufnahme erheblicher Risiken möglich ist.

Die biomedizinische Bildverarbeitung erlebt derzeit einen Paradigmenwechsel. Während in den letzten Dekaden vornehmlich problem- und datenspezifische Bildverarbeitungsalgorithmen und -pipelines entworfen und inkrementell optimiert wurden, werden aktuell immer stärker allgemein anwendbare Verfahren des Machine Learnings zur Bearbeitung unterschiedlichster Fragestellungen eingesetzt. Insbesondere Deep Learning (DL)-Techniken wie Convolutional Neural Networks erfreuen sich großer Beliebtheit.

Der Picoseconds Infrarotlaser (PIRL) soll die Narbenbildung des beschädigten Gewebes minimieren, um so die Funktionsfähigkeit des betroffenen Organs zu erhalten und die Lebensqualität des Patienten möglichst wenig zu beeinträchtigen. Durch das Verdampfen spezifischer Moleküle ohne die Beschädigung des umgebenden Gewebes können mit PIRL Schnittwunden minimiert werden.

Die biomedizinische Bildverarbeitung erlebt derzeit einen Paradigmenwechsel. Während in den letzten Dekaden vornehmlich problem- und datenspezifische Bildverarbeitungsalgorithmen und -pipelines entworfen und inkrementell optimiert wurden, werden aktuell immer stärker allgemein anwendbare Verfahren des Machine Learnings zur Bearbeitung unterschiedlichster Fragestellungen eingesetzt. Insbesondere Deep Learning (DL)-Techniken wie Convolutional Neural Networks erfreuen sich großer Beliebtheit.

The goal of this multi-disciplinary proposal is to build upon the existing collaboration between TUHH and UKE with the aim to refine inpainting of diffusion tensor imaging (DTI) data such that it reliably and automatically identifies artefactual voxels in clinical spinal cord DTI data, and re- places them with corrected values. An important step in the identification process is an adequate image segmentation mechanism that can improve the detection of artefacts.

Primärer Endpunkt dieser Arbeit war es herauszufinden ob MPI als neue Bildgebungstechnik in der Lage ist, Schlaganfälle zu detektieren und das in ähnlicher Qualität wie die Standardverfahren CT oder MRT.

Das vom Institut für Medizintechnische Systeme (TUHH) und der Arbeitsgruppe Massenspektrometrische Proteomanalytik (UKE) in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Dynamik in Atomarer Auflösung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie durchgeführte Projekt wurde vom Forschungszentrum Medizintechnik Hamburg im Zeitraum von 2017 bis 2019 gefördert. Dieser Bericht stellt die Ergebnisse des Projekts und die jeweils dazu entstandenen Publikationen dar.

Die am häufigsten im Knochen vorkommenden Zellen, Osteozyten, erfüllen eine wichtige Funktion bei der Knochenqualitätserhaltung. Jedoch kommt es im Alter zum vermehrten Verlust lebensfähiger Osteozyten (Noble et al., Bone, 1997) und zur Kalzifizierung der Osteozytenlakunen, wodurch das osteozytäre Netzwerk kompromittiert wird (Busse et al., Aging Cell, 2010). Aktuell ist unklar, welchen Einfluss die Kalzifizierung von Osteozytenlakunen auf die mechanische Kompetenz des Knochens hat und ob die mechanischen Eigenschaften von kalzifizierten Osteozytenlakunen und der umliegenden Knochenmatrix mit ihren morphologischen Eigenschaften korrelieren.

Kongenitale Herzdefekte und die intrauterine Wachstumsrestriktion gehören zu den häufigsten fetalen Pathologien. Der Goldstandard zur Darstellung des fetalen Herzens ist die fetale Echokardiographie, die jedoch durch verschiedene Faktoren limitiert werden kann. Eine während der Schwangerschaft alternative Bildgebung stellt fetale kardiovaskulären Magnetresonanztomographie dar. Dies erfordert jedoch Synchronisation von Herzbewegung und Bildgebung. Das bei Erwachsenen hierfür gebräuchliche EKG ist aber für die Ableitung des fetalen Herzschlages nicht anwendbar.

Die Bionik erforscht biologische Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien und überträgt sie auf das Design medizinischer Produkte. Obwohl allein in Deutschland jedes Jahr ca. 1 Millionen Zahnimplantate gesetzt werden, besteht keine Einigkeit über die ideale Form, Größe und Anzahl der Implantate, da die Entwicklungsprinzipien der zu ersetzenden menschlichen Zahnwurzeln unklar sind. Ziel dieses Förderungsantrages war es, geotechnische Topologieoptimierungsmodelle auf den menschlichen Zahnhalteapparat zu übertragen, um die grundlegenden Mechanismen der Zahnwurzelbildung zu verstehen.

Diabetes Mellitus is a metabolic disease with increasing prevalence affecting several organs in the body including the bone. Patients with both types of diabetes mellitus suffer from an increased fracture risk, which is hardly detectable with common diagnosis techniques, pointing towards an impaired bone material quality.

Hepatocellular carcinoma (HCC) represents the second largest contributor to cancer mortality worldwide. Currently, there is no curative treatment for advanced stage HCC, so development of new therapies is urgently required.

Das Hauptziel der Arbeiten am Institut für Klinische Chemie des UKE war die Entwicklung einer neuen Ablationskammer, die Optimierung der Parameter zur Freisetzung von Biomolekülen aus verschiedenen Geweben und die bioanalytische Charaktersierung der gewonnenen Aerosole. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue, geschlossene Ablationskammer entwickelt, die die Anzahl turbulenter Regionen minimiert und die laminare Strömung maximiert, was zu einer effizienteren Probenahme führt.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine neuartige, strahlungs- und hintergrundfreie, derzeit noch experimentelle Bildgebungstechnik zur Abbildung superparamagnetischer Eisenoxidpartikel. Eine der großen Stärken der MPI Bildgebung – positiver Kontrast ohne Hintergrundsignal – ist zugleich eine große Herausforderung in der praktischen Anwendung. So benötigt man zusätzliche Bildgebungsverfahren wie Magnetresonenztomographie (MRT) um MPI Signale mit anatomischen Informationen zu korrelieren.

Die in dem durchgeführten Projekt etablierten fluoreszenzmikroskopischen Messverfahren und die implementierten algorithmischen Ansätze zur Analyse der Entstehung initialer [Ca2+]i-Signale sind einzigartig.

Im Rahmen des Projektes wurden Simulations- und Modellierungsmethoden für Probleme der Fluid- Struktur-Interaktion (FSI) im arteriellen System entwickelt und zur Untersuchung der Blutströmung in Bypässen angewandt. Ein partitionierter Lösungsansatz stellt die Grundlage für die Simulationen dar. Somit können das fluid- und das strukturmechanische Teilproblem separat voneinander formuliert und auf spezialisierte Simulationsprogramme zurückgegriffen werden. Eine Kopplungssoftware (s. [2]) steuert den zur Beschreibung der Interaktion nötigen Datenaustaustausch zwischen den Programmen. Erst durch neuartige Beschleunigugsmethoden kann ein solcher Lösungsansatz auch zur Simulation von Blutströmungen verfolgt werden, welche auf Grund der physikalischen Eigenschaften des Fluids (Blut) und der Struktur (Gefäßwände) im allgemeinen zu Stabilitätsproblemen führen, s. [1].

BioMicroSens verfolgt neue Technologieansätze zur zerstörungsfreien Charakterisierung biologischer Zellen im Mikrowellenfrequenzbereich. Die Charakterisierung biologischer Zellen spielt in der Medizin eine wichtige Rolle, z. B. bei der Untersuchung von Tumorzellen. Die herkömmlichen Verfahren zur Zellanalyse, die auf dem Anfärben von Zellbestandteilen beruhen, weisen einige Nachteile auf. Sie sind nicht dazu geeignet, versuchsbegleitend eingesetzt zu werden, und erfordern teilweise längere Auswertezeiten. Die Charakterisierung kann erst am Ende eines Versuches erfolgen, und in der Regel werden die Zellen durch die Untersuchung beschädigt.

Aneurysmen sind Aussackungen der Blutgefäße, die eine Schwachstelle der Gefäßwand darstellen. Das Ziel des Verbundprojekts ALSTER der Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention am UKE und des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik an der TUHH war die Entwicklung originalgetreuer dreidimensionale Modelle von intrakraniellen Arterien und Aneurysmen mittels additiver Fertigung, die für Tests der Device-Platzierung, der Simulation des Aneurysmadurchflusses, sowie zur Ausbildung des medizinischen Personals anwendbar sind.