Erforschung des Zusammenhangs zwischen Alter, skelettaler Mobilität, Diät und lebenslanger Knochengesundheit durch intelligentes Langzeitbewegungstracking des Zebrafisches

Projekt 03FMTHH18

Erforschung des Zusammenhangs zwischen Alter, skelettaler Mobilität, Diät und lebenslanger Knochengesundheit durch intelligentes Langzeitbewegungstracking des Zebrafisches

Ausgangssituation

Die Erhaltung lebenslanger muskuloskelettaler Gesundheit und Frakturresistenz spielt eine zentrale Rolle für die Mobilität der alternden Bevölkerung. Im Bereich der Osteologie und Biomechanik wird Knochengesundheit in der Regel in Form von Knochenqualitätsparametern beschrieben, welche Aussage über die Knochendichte, den Mineralisationsgrad und die Mikrostruktur, -architektur und -komposition des Gewebes zulassen. Wobei bekannt ist, dass sowohl in Menschen als auch in Knochenfischen Einflussfaktoren wie mechanische Belastung den Aufbau und die Anpassung von Knochen befördern können, ist der Zusammenhang zwischen Mobilität und Knochenqualität bisher unzureichend erforscht. Um die Zusammenhänge verschiedener Einflussfaktoren auf die Skelettgesundheit im Alter systematisch zu ergründen, werden in der Regel Populationsstudien an Modellorganismen durchgeführt, welche häufig auf enorme administrative, finanzielle und ethische Ressourcen angewiesen sind. Die Beobachtung einer Gruppe von Modellorganismen durch einen Menschen ist, insbesondere bei großen Gruppen und langen Beobachtungszeiträumen, nicht praktikabel. Des Weiteren ist dabei die Möglichkeit quantitativer Aussagen limitiert. Methoden des Deep Learning bieten daher einen vielversprechenden Ansatz, die Bewegungsmuster von Individuen innerhalb von Gruppen zu tracken.

Zielsetzung

In diesem Projekt wollen wir durch die Etablierung eines intelligenten 3D Bewegungstracking und Life-imaging Systems für kleine Laborfischmodelle (Zebrafisch – Danio rerio) die Zusammenhänge zwischen körperlicher Mobilität und Skelettgesundheit untersuchen. Spezifisch von Interesse sind für uns hierbei die Etablierung eines Systems zur automatisierten Erkennung individueller Fische in Aquarien sowie die Erfassung von 3D Trajektorien; die Analyse der Abhängigkeit von skelettaler Aktivität und Alter, sowie die Bestimmung von Knochenqualitätsparametern der individuellen Fische.

Vorgehensweise

Um quantitative Aussagen über die Bewegungsmuster der Fische treffen zu können, muss das intelligente Bewegungstracking die Identität und Position jedes Fisches im Aquarium erkennen können. Das System muss sowohl das Tracking selbst, also auch eine Identifizierung der individuellen Fische umfassen. Convolutional Neural Networks (CNNs) dominieren seit einigen Jahren das Identifizieren von Objekten in Bild- und Videodaten und sie sind in der Lage, automatisch relevante Unterscheidungsmerkmale von Objekten zu lernen. Im Rahmen dieses Projekts sollen CNNs dazu verwendet werden, um individuelle Fische zu identifizieren. In Kombination mit hochauflösender Bildgebung (microCT imaging und Elektronenmikrosopie) der Fische können somit Korrelationen zwischen skelettaler Aktivität (3D Trajektorien) und Knochengesundheit (Mineralisierung, mechanische Kompetenz) bestimmt werden.

Darüber hinaus hat die zu entwickelnde 3D Tracking-System das besondere Potential, den Bedarf an großen Versuchstiergruppen sowie Kontrollgruppen zu vermindern und kann somit ethische Bestrebungen im Rahmen des 3R Prinzips (Reduce, Refine, Replace) zur Reduzierung von Versuchstieren befördern.


Beteiligte

Imke Fiedler
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Heisenberg Research Group & Bioengineering and Medical Technology Division
c/o Institut für Osteologie und Biomechanik (IOBM)
UKE

DEBAYAN BHATTACHARYAN M.Sc.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

Martin Gromniak M.Sc.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH


Publikationsliste


Hamburg Tavi-Studie - Post mortale Untersuchung zur Degeneration von minimalinvasiven und konventionellen Aortenklappen-Prothesen

Projekt 02FMTHH18

Hamburg Tavi-Studie – Post mortale Untersuchung zur Degeneration von minimalinvasiven und konventionellen Aortenklappen-Prothesen

Ausgangssituation

In Zusammenarbeit mit der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE) bearbeitet das Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT) sowie das Institut für Integrierte Schaltungen (IC) der TUHH das Projekt Hamburg TAVI-Studie.

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. Dabei wird eine zusammengefaltete Herzklappenprothese über eine Katheter zum Herzen geführt und dort entfaltet. Es wird jedoch vermutet, dass es durch das Zusammenfalten der Herzklappe zur Einführung in den Katheter sowie beim anschließenden Ballonieren der Herzklappe zu Schäden und damit zu einer Beeinträchtigung der Haltbarkeit kommt. Da das Verfahren noch sehr neu ist, gibt es bisher keinerlei Langzeitstudien, die den Leistungsverlauf der neuen Herzklappenprothese überwachen.

Zielsetzung

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.

Vorgehensweise

Zur Erreichung des Ziels wird am PKT ein Herzmodell entworfen, dass die Integration von Sensoren ermöglicht und den Besonderheiten der minimalinvasiven Implantation von Herzklappenprothesen gerecht wird. Das Herzmodell soll in das Gesamtmodell HANNES integriert werden. Dadurch kann ein Pulsschlag sowie ein Volumenstrom realisiert werden, die mit den Sensoren überwacht werden, um so Beeinträchtigungen der Herzklappenprothese zu untersuchen.


Beteiligte

Publikationsliste


Medien



Folgeprojekte


Bestimmung tumorrelevanter Parameter mit Bio-Impedanzspektroskopie

Projekt 02FMTHH18

Bestimmung tumorrelevanter Parameter mit Bio-Impedanzspektroskopie

Ausgangssituation

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. Durch diesen Ansatz hoffen wir, die Chemotherapie zielgenauer dosieren zu können, um so bessere Therapierfolge zu erzielen.

Zielsetzung

In diesem Projekt sollen mit Hilfe der Impedanzspektroskopie systematisch die Eigenschaften von Zellen verschiedener Organe untersucht und von denjenigen der Tumorzellen abgegrenzt werden. Dabei werden im Gegensatz zu den bisher üblichen Zwei-Elektroden-Messungen vier Elektroden bei der Charakterisierung eingesetzt, um parasitäre Effekte zu vermeiden. Die Impedanzspektroskopie lässt sich dann auch in dem Bereich niedriger Frequenzen unterhalb von 1 kHz verwenden, wobei zu klären ist, wieweit diese Erweiterung des Frequenzbereiches Informationen liefert, die eine tiefergehende Charakterisierung der Tumorzellen  ermöglichen. Diese Untersuchungen sollen nicht nur mit Zellkulturen durchgeführt werden, sondern auch in einer dreidimensionalen Anordnung des Tumors, um Ergebnisse zu erhalten, die eine möglichst hohe Aussagekraft zur Vorbereitung einer klinischen Anwendung haben.

Vorgehensweise

Während des Projektes sind bisher umfangreiche Messungen an Tumorzellen von Kulturen und von Explantaten durchgeführt worden. Es konnte gezeigt werden, dass es insbesondere im Bereich tiefer Frequenzen zu signifikanten Unterschieden in den Frequenzverläufen zwischen verschiedenen Tumorzelllinien kommt. So ist nicht nur die Höhe des Betrages der Impedanz, sondern auch die Frequenz für den Übergang von einem frequenzunabhängigen zu einem frequenzabhängigen Impedanzverlauf zellspezifisch.

Diese Untersuchungen werden gegenwärtig mit weiteren Zelllinien fortgesetzt. Weiterhin sollen spezielle Kammern optimiert und miniaturisiert werden, mit denen die Impedanz von Zellen in Suspension im niedrigen Frequenzbereich mittels Vier-Elektroden-Terminal-Setup gemessen werden kann. Um das Messsystem an die in vivo Situation eines soliden Tumors anzupassen, sollen Elektroden entwickelt und getestet werden, die eine Bio-Impedanzmessung von adhärenten Tumorzellen ermöglichen.


Beteiligte

Viviane Teixiera

Projektleitung

Institut für Integrierte Schaltungen

TUHH

Dr. Vera Labitzky

Projektleitung

Institut für Anatomie und Experimentelle Morphologie

UKE

Publikationsliste


Medien


  • [1]  V. S. Teixeira, V. Labitzky, U. Schumacher, W. Krautschneider. Use of Electrical Impedance Spectroscopy to Distinguish Cancer from Normal Tissues with a Four Electrode Terminal Setup. In: 54th DGBMT Annual Conference, 29 Sept – 1st October, 2020, Leipizig, Germany. (Eingereicht).
  • [2] V.S. Teixeira, T. Barth, V. Labitkzy, U. Schumacher, W. Krautschneider. Electrical Impedance Spectroscopy for Characterization of Prostate PC-3 and DU 145 Cancer Cells. 41st Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 23-27 July 2019, Berlin, Germany.


Folgeprojekte


Entwicklung eines mehrdimensionalen Empfangssystems für hochauflösende Echtzeit 3D Perfusionsstudien im Kleintiermodell

Projekt 01FMTHH18

Entwicklung eines mehrdimensionalen Empfangssystems für hochauflösende Echtzeit 3D Perfusionsstudien im Kleintiermodell

Ausgangssituation

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. Auch Gadolinium-haltige Kontrastmittel müssen nach neuesten Erkenntnissen zu Ablagerungen in den Basalganglien des Gehirns zunehmend infrage gestellt werden. Neben der räumlichen Abbildung größerer Gefäße und direkter Quantifizierung von Gefäßstenosen können aus den Bildern auch physiologische Parameter wie Viskosität, Temperatur, Blutvolumen und Flussgeschwindigkeit abgeleitet werden. Nach Verteilung der Partikel und Erreichen eines Gleichgewichtszustands unter Verwendung langzirkulierender Tracer könnte der gesamte Gefäßbaum und die Gewebedurchblutung visualisiert und quantifiziert werden. Auch in roten Blutkörperchen eingekapselte Tracer erlauben die Bildgebung über wochenlange Zirkulation im Körper. Da MPI keinen Zusammenhang zwischen Auflösung und Eindringtiefe zeigt, wird auch die Bildgebung tieferer sitzender Organe möglich als es z.B. die Sonographie erlaubt. Durch die komplexe Abhängigkeit von Selektionsfeldstärke, Messfeldvolumen und Auflösung lassen sich bisher jedoch nur kleine Volumen in ausreichender Qualität abbilden.

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. Auch Gadolinium-haltige Kontrastmittel müssen nach neuesten Erkenntnissen zu Ablagerungen in den Basalganglien des Gehirns zunehmend infrage gestellt werden. Neben der räumlichen Abbildung größerer Gefäße und direkter Quantifizierung von Gefäßstenosen können aus den Bildern auch physiologische Parameter wie Viskosität, Temperatur, Blutvolumen und Flussgeschwindigkeit abgeleitet werden. Nach Verteilung der Partikel und Erreichen eines Gleichgewichtszustands unter Verwendung langzirkulierender Tracer könnte der gesamte Gefäßbaum und die Gewebedurchblutung visualisiert und quantifiziert werden. Auch in roten Blutkörperchen eingekapselte Tracer erlauben die Bildgebung über wochenlange Zirkulation im Körper. Da MPI keinen Zusammenhang zwischen Auflösung und Eindringtiefe zeigt, wird auch die Bildgebung tieferer sitzender Organe möglich als es z.B. die Sonographie erlaubt. Durch die komplexe Abhängigkeit von Selektionsfeldstärke, Messfeldvolumen und Auflösung lassen sich bisher jedoch nur kleine Volumen in ausreichender Qualität abbilden.

Zielsetzung

Ziel dieses Projektes ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Messsignals durch ein optimiertes, multidimensionales Empfangssystem so zu verbessern, dass die Auflösung trotz vergrößertem Messfeld durch reduzierten Gradienten erhalten bleibt. Erst damit werden hochauflösende Perfusionsstudien der Nieren bei gleichzeitiger Erfassung der zuführenden großen Gefäße ermöglicht.

Zusätzlich wird eine Analyse des Blutflusses ermöglicht (z.B. Flussgeschwindigkeit und Turbulenzen). Gleichzeitig kann der resultierende Perfusionsabfall der betroffenen Niere im Vergleich zur Gegenseite abgebildet und quantifiziert werden. Die Ergebnisse werden mit etablierten Methoden korreliert.

Vorgehensweise

Mit der bereits vorhandenen Empfangskette und 3D gedruckten Phantomen werden Voruntersuchungen zur Versuchsplanung durchgeführt. Auch werden in den Versuchen die Zielparameter für die Hardwareentwicklung (benötigte Empfangsbandbreite, Sensitivität, maximale Kontrastmittelgabe etc.) entwickelt.

Sodann wird durch eine Erweiterung des derzeit vorliegenden 1D Systems durch zwei Sattelspulen eine 3D Signalakquisition ermöglicht.

Parallel wird ein adaptiver, rauscharmer Verstärker, der die Signale in Abhängigkeit der empfangenen Intensität unterschiedlich verstärkt, entwickelt und gebaut. Dieser kann die unbekannte Verteilung des Tracers im biologischen System und die daher nicht voraussehbare Empfangssignalstärke und Signalverteilung kompensieren.


Beteiligte


Publikationsliste

  • Graeser et al. Organ Specific Head Coil for High Resolution Mouse Brain Perfusion Imaging using Magnetic Particle Imaging, prepint arXiv:2004.11728