Improving quality of spinal cord DTI using inpainting

Projekt 01FMTHH17

Improving quality of spinal cord DTI using inpainting

Ausgangssituation und Zielsetzung

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.

Vorgehensweise und Methoden

First, the error of the diffusion tensor-model fit will be used to automatically identify artefactual data points (an approach that has been previously used in outlier-rejection methods). To improve the segmentation of artefactual data points we will use convolutional neural networks and deep learning. Then, the inpainting algorithm will be used to replace the artificial voxels using information from the adjacent voxels, instead of removing these data points, thereby increasing the noise level (as done in outlier-rejection).

Ergebnisse

The proposed algorithm was implemented and validated using simulation data. On the basis of this project, a new collaborative research project between the UKE and TUHH was created: automated segmentation of 2D and 3D objects using analytical and deep-learning methods, including one publication (Tabarin et al., 2019), one internship project (Najafi), a bachelor (B.Sc: Klisch), a master thesis (M.Sc: Przybyla) and two PhD projects (PhD: Ashtarayeh and Mordhorst). Part of these developments was the consideration of geometric deep learning, a strategy that extends convolutional neural networks to data defined on graphs (Klisch and Przybyla). This step is an additional component for an adequate detection of artefacts in more complex settings. Moreover, two studies, one on spinal cord imaging (David et al., 2019) and one on artefact removal (Papazo- glou et al., 2019), were published during the funding period of this project.


Beteiligte

Dr. Siawoosh Mohammadi
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für X
Beispiel TUHH oder UKE oder X

Prof. Dr. Marko Lindner
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für X
Beispiel TUHH oder UKE oder X

Dr. Mijail Guillemard
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für X
Beispiel TUHH oder UKE oder X


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

  • A BMBF grant (01EW1711A, €150k) was successfully collected in 2019 to ensure the prolongation of the above mentioned projects.


Publikationsliste

Peer-reviewed publications

  • David G, Mohammadi S*, Martin AR, Cohen-Adad J, Weiskopf N, Thompson A, Freund P (2019) Traumatic and nontraumatic spinal cord injury: pathological insights from neuroimaging. Nature Reviews Neurology:1–14.
  • Papazoglou S, Streubel T, Ashtarayeh M*, Pine KJ, Edwards LJ, Brammerloh M, Kirilina E, Morawski M, Jäger C, Geyer S, Callaghan MF, Weiskopf N, Mohammadi S* (2019) Biophysically motivated efficient estimation of the spatially isotropic component from a single gradient-re- called echo measurement. Magnetic Resonance in Medicine 82:1804–1811.
  • Tabarin T*, Morozova M, Jaeger C, Rush H, Morawski M, Geyer S, Mohammadi S* (2019) Deep learn-ing segmentation (AxonDeepSeg) to generate axonal-property map from ex vivo human optic chiasm using light microscopy. In: Proc Intl Soc Magn Reson Med. 2019;28: #4722.*Authors supported from this grant.

PhD/Master/Bachelor theses supervised as part of this grant proposal

  • Christoph Nicolai (Technomathematik M.Sc. thesis.) Juli 4th 2018. Image Segmentation Methods and an Application to Brain Images Techniques: Mumford-Shah functional, optimization of varia- tional problems.
  • Daniel Klisch (Computer Science, B.Sc. thesis.) October 18th, 2018. Analyzing MRI Data using Geometric Deep Learning.
  • Björn Przybyla (Technomathematik Masterarbeit) WiSe 19/20. Geometric Deep Learning and Applications to Medical Image Analysis.
  • Ruhullah Najafi (Informatik Projektarbeit) WiSe 19/20. UNET and applications to Medical Image Analysis.
  • Mohammad Ashtarayeh (PhD) 2018-2021. Biophysical modelling of the MR signal and validation.
  • Laurin Mordhorst (PhD) 2019-2022. 2D and 3D segmentation using deep-learning.


OCT basierte Navigation für die Gewebeablation und Charakterisierung mit einem PIR-Laser

Projekt 04FMTHH16

OCT basierte Navigation für die Gewebeablation und Charakterisierung mit einem PIR-Laser

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.

Ausgangssituation und Zielsetzung

Zur effizienten Resektion von Tumoren sollte einerseits sämtliches erkranktes Gewebe entfernt werden, andererseits aber auch so wenig gesundes Gewebe wie möglich beschädigt werden. Für letzteren Aspekt zeigte der neuartige Pikosekunden-Infrarotlaser (PIRL) vielversprechende erste Ergebnisse im Vergleich zu etablierten medizinischen Lasern oder (Elektro-)Skalpellen. Ein weiterer Vorteil des PIRL ist, dass die während der Ablation entstehenden Dämpfe weitestgehend intakte Biomoleküle beinhalten, die für eine massenspektrometrische Analyse genutzt werden können. Diese liefert sehr spezifische Ergebnisse über die Zusammensetzung des Gewebes und ermöglicht somit eine anschließende präzise Charakterisierung. Nichtsdestotrotz ist auch beim PIRL eine präzise Navigation notwendig, um den tatsächlichen Turmorbereich vollständig abzutragen und gleichzeitig möglichst kein gesundes Gewebe zu zerstören.

In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit die optische Kohärenztomographie (OCT) als Bildgebungsmodalität geeignet ist, um eine PIRL Ablation inklusive massenspektrometrischer Analyse zu überwachen und zu navigieren. Neben der grundlegenden optischen und mechatronischen Systementwicklung war ein wesentlicher Aspekt dabei das Bestimmen der Grenzverläufe zwischen verschiedenen Geweben und das Ausnutzen dieser räumlichen Information für einen robotischen Ansatz zur präzisen und reproduzierbaren Steuerung der Ablation. OCT bietet dabei nicht-invasiv die Möglichkeit, auch Informationen über Strukturen zu erhalten, die ein bis zwei Millimeter unter der Gewebeoberfläche liegen.

Vorgehensweise und Methoden

Im Rahmen des ersten Arbeitspakets wurde ein System entwickelt und charakterisiert, welches erlaubt den auf wenige Millimeter limitierten Scanbereich von OCT entlang aller drei Raumrichtungen zu verschieben ohne das Bildgebungssystem als solches mechanisch bewegen zu müssen [4,6]. Das laterale Scannen wurde entgegen der ursprünglichen Planung mit simpleren galvanometrischen Spiegeln realisiert anstelle eines MEMS-basierten Ansatzes, da sich zeigte, dass der wesentliche limitierende Aspekt das adaptive Verschieben des Referenzspiegels ist. Dieser begrenzt zurzeit die erreichbare Dynamik und sollte bei höheren Anforderungen durch beispielsweise einen komplexeren optischen Ansatz ersetzt werden, wofür es jedoch bislang auch in der Literatur noch keine adäquaten Lösungen gibt.

Für das zweite Arbeitspaket wurde die skizzierte Vorrichtung entwickelt und evaluiert [2]. Diese ermöglicht eine robotergeführte Ablation bei simultaner OCT Bildgebung und Absaugung der Ablationsdämpfe für die nachfolgende massenspektrometrische Analyse. Als Alternative zu der direkten volumetrischen Bildgebung aus dem ersten Arbeitspaket erlaubt die Vorrichtung auch das eindimensionale Scannen unmittelbar neben der derzeitigen Ablationsstelle. Anhand der bekannten Roboterbewegung lassen sich solche eindimensionalen Aufnahmen anschließend auch zu dreidimensionalen Aufnahmen zusammensetzen [1]. Es wurde zusätzlich ein Kalibrierverfahren entwickelt, welches eine räumliche Zuordnung zwischen dem eindimensionalen Scanbereich und der Kinematik eines Roboterarms ermöglicht [3].

Im dritten Arbeitspaket wurde für das im ersten Arbeitspaket entwickelte System eine Datenverarbeitung auf Grafikkarten implementiert. Diese erlaubt die Rekonstruktion und Auswertung von über 800 kleinen OCT Volumen pro Sekunden, was das Erkennen und aktive Kompensieren von Bewegungen erlaubt [4,6]. Aufgrund der zuvor entwickelten und in Versuchen getesteten Kalibrierungen zur robotischen Führung der Ablationssonde wurde der ursprünglich angedachte SLAM Ansatz zur Navigation nicht als notwendig erachtet und verworfen. Stattdessen konnten direkt die relevanten Areale gescannt, angesteuert und nach der Ablation ausgewertet werden [5] und der Fokus auf Bewegungskompensation gelegt.

Das vierte Arbeitspaket wurde im Rahmen mehrerer Versuchsreihen bearbeitet, die sich zunächst auf die Untersuchung der einzelnen Teilsysteme im Kontext einer PIRL Ablation konzentrierten. Es wurde dabei insbesondere die Vorrichtung des zweiten Arbeitspakets evaluiert und gezeigt, dass sowohl ein- als auch dreidimensionale OCT Aufnahmen Informationen zur Überwachung des Prozesses liefern [2]. Als weiterer Schwerpunkt wurde auch das räumliche Zuordnen von Ablationsregionen und den dazugehörigen massenspektrometrischen Ergebnissen mittels OCT evaluiert [5].

Ergebnis

Während die Meilensteine der ersten beiden Arbeitspakete im Wesentlichen wie vorgesehen bearbeitet und erreicht wurden, führten deren Ergebnisse zu Änderungen im dritten Arbeitspaket. Es zeigte sich, dass die ursprünglich formulierte Problemstellung durch das entwickelte System weitestgehend obsolet wurde. Daher wurde der Fokus bei der echtzeitfähigen Signalverarbeitung auf das dynamische Kompensieren von auftretenden Bewegungen verschoben. Für das vierte Arbeitspaket ergaben sich Limitationen durch die Verfügbarkeit und Stabilität des noch experimentellen PIRL Systems. Die oftmals erheblich variierende Performance erschwerte es, verallgemeinernde Aussagen ableiten zu können und der Fokus lag deshalb auf der gezielten Evaluation der Teilsysteme unter kontrollierbareren Bedingungen. Eine abschließende und vollständig umfassende Evaluation des Gesamtsystems war bislang noch nicht in den angedachten realitätsnahen Szenarien möglich. Nichtsdestotrotz zeigten die Versuchsreihen, dass OCT eine vielversprechende Modalität für die Überwachung von PIRL Ablationen darstellt. Neben der Möglichkeit für eine automatisierte bildgeführte Ablation ist ein wesentlicher Beitrag die räumliche Information, die zuvor fehlte. Mit dieser lassen sich massenspektrometrische Ergebnisse spezifischen Arealen zuordnen.


Beteiligte

M. A. Christoph Otte
Projektleitung
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

M. A. Matthias Schlüter
rojektleitung
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH

Prof. Dr.-Ing. Alexander Schlaefer
Leitung
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

  • Auf Basis der im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse wurde ein Forschungsantrag bei der Landesforschungsförderung der Stadt Hamburg gestellt, jedoch zunächst negativ beschieden. Weitere Anträge sind derzeit in Vorbereitung.


Publikationsliste

  • [1] O.Rajput,M.Schlüter,N.Gessert,T.R.Savarimuthu,C.Otte,S.-T.Antoni,andA.Schlaefer. “Robotic OCT Volume Acquisition Using a Single Fiber”. In: Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboter Assistierte Chirurgie. 2017, pp. 232–233.
  • [2] J. Dahmen, C. Otte, M. Fuh, S. Maier, M. Schlüter, S.-T. Antoni, N.-O. Hansen, R. Miller, H. Schlüter, and A. Schlaefer. “Massenspektrometrische Gewebeanalyse mittels OCT- navigierter PIR-Laserablation”. In: Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboter Assistierte Chirurgie. 2017, pp. 112–116. Ausgezeichnet mit einem Reisestipendium und dem zweiten Platz beim Best Poster Award
  • [3] S. Antoni, C. Otte, T. R. Savarimuthu, O. Rajput, and A. Schlaefer. “Optical coherence tomography based 1D to 6D eye-in-hand calibration”. In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2017, pp. 5886–5891.
  • [4] M. Schlüter, C. Otte, T. Saathoff, N. Gessert, and A. Schlaefer. “Feasibility of a markerless tracking system based on optical coherence tomography”. In: SPIE Medical Imaging. 2019, p. 1095107.
  • [5] M.Schlüter,M.M.Fuh,S.Maier,C.Otte,P.Kiani,N.-O.Hansen,R.J.D.Miller,H.Schlüter, and A. Schlaefer. “Towards OCT-Navigated Tissue Ablation with a Picosecond Infrared Laser (PIRL) and Mass-Spectrometric Analysis”. In: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2019, pp. 158–161.
  • [6] M. Schlüter, L. Glandorf, J. Sprenger, M. Gromniak, T. Saathoff, and A. Schlaefer. “High- Speed Markerless Tissue Motion Tracking Using Volumetric Optical Coherence Tomography Images”. In: IEEE International Symposium on Biomedical Imaging. 2020, accepted


Weiterführende Links

ERC Advanced Grant; A collaborative project in physics, analytics, and medicine for picosecond laser technology application in bioanalytics and surgery
Ehemalige Forschungsgruppe “Dynamik in Atomarer Auflösung”, R. J. Dwayne Miller
http://www.surepirl.eu/


Einfluss von kalzifizierten Osteozytenlakunen auf die lokalen Materialeigenschaften in mineralisiertem Hartgewebe

Projekt 03FMTHH16

Einfluss von kalzifizierten Osteozytenlakunen auf die lokalen Materialeigenschaften in mineralisiertem Hartgewebe

Ausgangssituation & Zielsetzung

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.

Vorgehensweise und Methoden

Die Knochenproben (kortikale Femurscheiben) von drei osteoporotischen Frauen (Alter: 79,4 ± 5,5 Jahre) und drei gesunden Kontrollen (zwei Frauen, ein Mann; Alter: 80,6 ± 2,5 Jahre) wurden in Kollaboration mit dem Institut für Rechtsmedizin am UKE gewonnen. Nach Fixierung und Einbettung in PMMA, wurden die Probenblöcke für die quantitative Rückstreuelektronenmikroskopie am UKE durch Herstellung der Planparallelität und Feinpolitur vorbereitet. Mit Hilfe eines Aluminium-Kohlenstoff-Standards konnte die Mineralisierung quantitativ ermittelt werden. Basierend auf dem Mineralisationsgrad wurden normale und kalzifizierte Osteozytenlakunen identifiziert.

Die Probenblöcke wurden anschließend für die Nanoindentation (Abb. 1) an der TUHH weiterverarbeitet. Die Nanoindentation erfolgte standardisiert mit 500 nm Eindringtiefe bei einer Dehnungsrate von 0.05 1/s verwendet (Donnelly et al., J Bone Miner Res, 2005, Yilmaz et al. Acta Biomaterialia, 2016). Nach der Nanoindentation erfolgte eine Verifizierung der Indentposition unter Verwendung von Rückstreuelektronenmikroskopie, basierend auf dieser konnten 315 Indents in die Auswertung einbezogen werden. Unter Verwendung der Software SPSS wurden die Ergebnisse statistisch ausgewertet.

Bild 1: Repräsentative Rückstreuelektronenmikroskopie-Aufnahme mit kalzifizierten und normalen Osteozytenlakunen (links). Vergrößerter Ausschnitt zeigt Nanoindentation an einer dieser Lakunen und der dazu benachbarten Knochenmatrix in Mikroskopansicht (Mitte). Positionsnachkontrolle mit Rückstreuelektronenmikroskopie nach Indentation (rechts).

Bild 2: Graphische Darstellung der Nanoindentations-Ergebnisse in Bezug auf Elastizitäts-Modul und Härte.

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse (Abb. 2) konnten zeigen, dass der Elastizitäts-Modul im Inneren einer kalzifizierten Lakune signifikant höher ist als in der benachbarten Knochenmatrix (p<0,01). Auch die Härte der kalzifizierten Lakunen war höher als die der umgebende Knochenmatrix (p<0,01). Zudem ergab sich kein Unterschied im Elastizitäts-Modul (E-Modul) oder der Härte der Knochenmatrix, unabhängig von ihrer Nähe zur mineralisierten Osteozytenlakune. Die beobachteten mechanischen Festigkeitsunterschiede zeigten sich bei den gesunden Kontrollen und den Osteoporose-Patientinnen gleichermaßen.

Unsere Resultate zeigen, dass kalzifizierte Lakunen einen lokalen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Knochenmatrix haben. Diese tritt unabhängig von Osteoporose auf. Jedoch gewinnt die Änderung der lokalen Mikromechanik in Osteoporose-Patient*innen an Bedeutung, da kalzifizierte Lakunen dort häufiger auftreten. Diese lokalen Veränderungen in alterndem Knochen wurden bisher vernachlässigt, könnten jedoch insbesondere in Osteoporose-Patient*innen das Frakturrisiko wesentlich beeinflussen.


Beteiligte

Ezgi Deniz Yilmaz
Beispiel X-Projektleitung
Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe
TUHH

Annika vom Scheidt
Beispiel X-Projektleitung
Institut für Osteologie und Biomechanik
UKE

Katharina Jähn
Beispiel Projektleitung
Institut für Osteologie und Biomechanik
UKE


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

  • Die aktuellen Ergebnisse des FMTHH-geförderten Projektes wurden bereits erfolgreich für einen Antrag an die Alexander-von-Humboldt-Stiftung verwendet. Herr Dr. Qwamizadeh konnte mit uns gemeinsam ein Humboldt-Forschungsstipendium für Post-Docs einwerben (ca.€ 90.000) und wird in unserem Labor für zwei Jahre als Post-Doc tätig sein und in seinem Finite-Elemente-Model die ermittelten Elastizitätsmodule und Härten als Berechnungsgrundlage verwenden.
  • Des Weiteren arbeiten wir gerade an der Formulierung eines DFG-Antrags zur genauen Untersuchung des Einflusses von kalzifizierten Lakunen auf sich im Knochengewebe ausbreitenden Rissen, einem wichtigen Faktor für das Frakturrisiko. Hierfür sind jedoch weitere Voruntersuchungen in Nanometerauflösung mittels Atomic-Force-Mikroskopie notwendig.


Publikationsliste

  • Das Projekt wurde auf der diesjährigen Tagung der European Calcified Tissue Society vorgestellt. Annika vom Scheidt erhielt für ihre Präsentation über die mechanischen Eigenschaften kalzifizierter Lakunen den „Best Presentation Award“ in der New Investigator Session. Ein Manuskript wird aktuell erarbeitet. Für dieses Manuskript werden derzeit noch die um den Indent herum entstandenen Risse genauer begutachtet.


Kardio-vaskuläre Magnetresonanztomographie am bewegten Fetus

Projekt 01FMTHH16

Kardio-vaskuläre Magnetresonanztomographie am bewegten Fetus

Ausgangssituation und Zielsetzung

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.

Im Rahmen von DFG und EXIST geförderten Projekten wurde eine alternative Trigger Methode auf Basis von Doppler Ultraschall (DUS) entwickelt, deren Zuverlässigkeit jedoch durch zufällige fetalen Bewegungen beeinträchtigt wird.

Im Rahmen des Vorhabens sollte eine Technik auf Basis von Ultraschall entwickelt werden, die eine adaptive Datenerfassung und Auswertung der zufälligen Bewegungen des Feten kompensieren und pathologische Herzsignale eines Feten im MRT analysieren kann.

Vorgehensweise und Methoden

Ein wichtiger Aspekt des Vorhabens war die Untersuchung der aktuellen Probleme der DUS Methode. Hierzu wurden detaillierte Untersuchungen der verwendeten Ultraschallköpfe angestellt und die Empfindlichkeit der Köpfe analysiert und verglichen. In einer umfangreichen Studie wurden verschiedene Bewegungsmuster identifiziert und mit einem Roboter abgefahren, um so ihren Einfluss auf das Verfahren zu untersuchen.
Die Ergebnisse der etablierten Köpfe wurden daraufhin mit neu entwickelten Ultraschallköpfen verglichen. Hierbei wurden Köpfe mit gezielter Ansteuerung einzelner Piezos sowie deformierbare Ultraschall-„matten“ und deren Kombination betrachtet.

Parallel wurde der Einfluss von respiratorischer Bewegung durch die Mutter auf das Signal betrachtet. Ein neues modellbasiertes Verfahren wurde eingesetzt, um in realitätsnahen Simulationen mit einem Roboter respiratorische Bewegungen von fetaler Bewegung zu differenzieren.

Ergebnisse

Die Vermessung der Ultraschallfelder ergab starke Inhomogenitäten. Während eine gezielte Ansteuerung der Piezos geeignet ist, diese zu reduzieren, hat sich die technische Umsetzung als problematisch erwiesen. Insbesondere die Ansteuerung und Abschirmung der verschiedenen Datenleitungen im MRT ist problematisch.

Bei dem veränderlichen US-Feld der Matten konnte die Bildung von Fokuspunkten nicht ausgeschlossen werden, so dass diese für eine Anwendung beim Menschen nicht praktikabel erscheinen.

Stattdessen wurde in einem weiteren Projekt in Kooperation mit Frauenhofer-Institut ein neuartiger US-Kopf mit singulärem übergroßen Piezo entwickelt. Das Ziel dieser Entwicklung war es ein homogenes Ultraschallfeld zu generieren und damit ein stabileres Signal zu gewährleisten.
In einer roboterbasierten Bewegungssimulation konnte verlässlich respiratorische und fetale Bewegung mit den entwickelten Verfahren unterschieden werden.


Beteiligte

Prof. Dr. Gerhard Adam
Klinik und Poliklinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie
UKE

Sven Antoni, M.Sc.
Projektleitung
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

Erfolgreiche Anträge

  • Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
    Projektträger Jülich; Kennzeichen: 03THW02K10; Weiterentwicklung eines MRT kompatiblen Doppler Ultraschall System für die Aufnahme der fetalen Herzaktion; Zeitraum: 01.11.2019 – 31.10.2020; Summe: 69.937,00 €
  • Hamburg Innovation
    Call for Transfer; Kennzeichen: C4T C-2019-01; Verwertung des Schutzrechtes UKE 227: MRT kompatibles Doppler Ultraschall System für die Aufnahme der fetalen Herzaktion; Summe: 30.000 €

Eingereichte Anträge

  • Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG)
    Fetale 4D Fluss MRT zur Evaluation angeborener Herzfehler mittels MRT-kompatiblem Doppler-Ultraschall-Sensor; Zeichen: SCHO 1564/1-3 | BA 5893/4-3


Publikationen

  • 1. Masterarbeit Max Neidhard, TUHH, Modelling and experimental Analysis of Ultrasound Fields to improve Transducer Design for Doppler Ultrasound Guidance in fetal cardiac MR Imaging
  • 2. Antoni, Sven-Thomas; Lehmann, Sascha; Neidhardt, Maximilian; Fehrs, Kai; Ruprecht, Christian; Kording, Fabian et al. (2018): Model checking for trigger loss detection during Doppler ultrasound-guided fetal cardiovascular MRI. In: International journal of computer assisted radiology and surgery 13 (11), S. 1755–1766. DOI: 10.1007/s11548- 018-1832-5.
  • 3. Schoennagel BP, Yamamura J, Kording F, Fischer R, Bannas P, Adam G, et al. Fetal dynamic phase-contrast MR angiography using ultrasound gating and comparison with Doppler ultrasound measurements 2019.
  • 4. Tavares de Sousa M, Hecher K, Yamamura J, Kording F, Ruprecht C, Fehrs K, et al. Dynamic fetal cardiac magnetic resonance four chamber view imaging using Doppler ultrasound gating in the normal fetal heart and in congenital heart disease: comparison to fetal echocardiography. Ultrasound Obstet Gynecol 2018.


Entwicklung eines quantenmechanischen Systems für die Gewinnung von Proben aus Geweben für die molekulare Diagnostik

Projekt 03FMTHH15

Entwicklung eines quantenmechanischen Systems für die Gewinnung von Proben aus Geweben für die molekulare Diagnostik

Ausgangssituation und Zielsetzung

Das Hauptziel der Arbeiten am Institut für Klinische Chemie am UKE war die Entwicklung einer neuen Ablationskammer, die Optimierung der Parameter zur Freisetzung von Biomolekülen aus verschiedenen Geweben und die bioanalytische Charakterisierung der gewonnenen Aerosole. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue, geschlossene Ablationskammer entwickelt, die zu einer effizienteren Probenahme führt und sowohl höhere als auch reproduzierbarere Proteinausbeuten liefert.

In dem FMTHH-Projekt wurde ein neues Verfahren zum Auffangen des PIRL-Aerosols mit einem Glasfaserfilter entwickelt. An der TUHH wurde für die Abscheidung in der Ablationskammer eine Halterung für den Glasfaserfilter entworfen und im 3D-Druckverfahren hergestellt. Mit der entworfenen Halterung und dem Glasfaserfilter kann das Aerosol bereits in der Ablationskammer aufgefangen werden.

Vorgehensweise

Im Rahmen einer Projektstudie wurde der Stickstofffluss, der Vakuumstrom und die Platzierung des Reaktionsgefäßes in der Kühlfalle hinsichtlich der maximalen Extraktionsausbeute von Proteinen aus Geweben optimiert. Ein Vergleich mit der vorherigen Ablationskammer zeigte, dass die neue Ablationskammer sowohl höhere als auch reproduzierbarere Proteinausbeuten liefert.
Im Rahmen einer Masterarbeit und einer Doktorarbeit wurde für verschiedene Gewebe
(Leber, Muskel, Pankreas) der Zusammenhang zwischen verschiedenen Laser-Parametern des PIRL und der Molekülausbeute analysiert. Darüber hinaus wurden die Proteinausbeuten, Enzymaktivitäten von ablatierten Protein und die Zusammensetzung des Proteoms zwischen verschiedenen Lasersystemen (PIRL und MIRL (Mikrosekunden Infrarot-Laser)) verglichen und untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden im „Journal of Proteomics“ veröffentlicht (1).
In weiteren Studien konnten innerhalb des Projektes erfolgreich gezeigt werden, dass PIRL im Vergleich zu konventionellen Methoden der Gewebeaufarbeitung einen bislang nicht möglichen Zugang zur Proteinspezieszusammensetzung von Geweben liefert. Diese Ergebnisse wurden im „Journal of Proteomics“ publiziert (2).

Da das Hauptziel der Arbeiten am Institut für Mehrphasenströmung (Prof. Dr. Michael Schlüter) der Technischen Universität Hamburg (TUHH) die Entwicklung eines Prototypen zum nahezu verlustfreien Transport des Laser-ablatierten Aerosols bei gleichzeitiger Abtrennung von größeren Gewebefraktionen war, musste zunächst eine Messtechnik entwickelt werden, die die Größenklassifizierung und die Beobachtung des Strömungsverhaltens der Aerosole während des Transports ermöglicht. Hierfür wurden Untersuchungen mit einem Long-Range-Distance Mikroskop durchgeführt sowie das am Institut vorhandene Mikro-Particle-Image-Velocimetry-System (μPIV-System) modifiziert und eingesetzt.

Für die Entwicklung eines Prototypen zur nahezu verlustfreien Gewinnung des Aerosols bei gleichzeitiger Abscheidung von größeren Gewebefragmenten unter sterilen Bedingungen wurden zunächst verschiedene Separationsverfahren anhand von Literaturdaten auf ihre Eignung untersucht und darauf basierend das Prinzip des Zentrifugalabscheiders gewählt. Der entworfene Prototyp ermöglicht zudem die Einspeisung eines Schutzgases, das sowohl die Ablationsstelle steril hält als auch die Luftfeuchtigkeit minimiert und somit das Vereisen einer nachgeschalteten Cryo-Falle verhindert.

Der Prototyp wurde in CAD erstellt und anschließend als Funktionsprototyp in einem 3D-Druckverfahren gefertigt.


Beteiligte

Dr. Marcel Kwiatkowski
Beispiel X-Projektleitung
Faculty of Mathematics & Natural Sciences Pharmacokinetics, Toxicology and Targeting
University of Groningen

Prof. Dr. Hartmut Schlüter

Mass Spectrometric Proteomics

Institut für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin

UKE

Prof. Dr. Michael Schlüter
Projektleitung
Institut für Mehrphasenströmungen
TUHH


Publikationsliste

Vorträge auf nationalen Konferenzen

  • Cold vaporization of tissues – A better view on the protein species composition of tissue proteomes in- vivo. Kwiatkowski M. 49th annual meeting of the German Society of Mass Spectrometry (DGMS). Hamburg, 2016.
  • Moleculare diagnostics of tissues by the picosecond infrared laser ablation. Kwiatkowski M. 13th annual meeting of the German Society of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (DGKL). Rosengarten, 2016. Eingeladener Vortrag.
  • Mass Spectrometric Characterization of Proteins from condensates of the Picosecond Infrared Laser Ablation. Kwiatkowski M. 50th annual meeting of the German Society of Mass Spectrometry (DGMS). Kiel, 2017. Eingeladener Vortrag.

Vorträge auf internationalen Konferenzen

  • Protein extraction for proteomics by cold vaporization of tissues. Marcel Kwiatkowski. 42nd International Symposium on High Performance Liquid Phase Separation and Related Techniques. Geneva, 2015.
  • Better access to protein species by cold vaporization of tissues with picosecond infrared laser ablation. 45th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separation and Related Techniques. Prague, 2017.
  • Better access to protein species by cold vaporization of tissues with picosecond infrared laser ablation. 16th Human Proteome Organisation World Congress. Dublin, 2017.

Posterpräsentationen auf nationalen Konferenzen

  • Efficiency of tissue homogenization via picosecond-infrared laser (PIRL) and classical homogenization as sample preparation step for proteomics. Refat Nimer. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie. Hamburg. Deutschland, 2016.
  • A proteomic workflow for characterization of human skin biopsies by using pico-second infrared laser (PIRL). Parnian Kiani. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie. Hamburg. Deutschland, 2016.
  • Proteomic investigation of skin cell layers by tissue ablation using picosecond infrared laser (PIRL). Parnian Kiani. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie. Kiel. Deutschland, 2017.
  • Application of laser ablation for tissue metabolomics. Jonas Klein. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie. Kiel. Deutschland, 2017.

Posterpräsentationen auf internationalen Konferenzen

  • Differential proteome analysis of human neuroblastome xenograft primary tumors and matched spontaneous distant metastases. Lorena Hänel. International Mass Spectrometry Conference. Florence. Italy 2018.
  • Cold vaporization of tissues by picosecond infrared laser (PIRL) ablation – Unique access to the original proteoform composition. Marcel Kwiatkowski. International Mass Spectrometry Conference. Florence. Italy 2018.

Aus dem Projekt sind die folgenden Publikationen hervorgegangen

  • (1) Sampling of Tissues with Laser Ablation for bottom-up Proteomics: Comparison of Picosecond Infrared Laser (PIRL) and Microsecond Infrared Laser (MIRL). Krutilin A, Maier S, Schuster R, Kruber S, Kwiatkowski M, Robertson WD, Miller DRJ, Schluter H. Journal of Proteome Research. Just accepted. DOI: 10.1021/acs.jproteome.9b00009
  • (2) Homogenization of human tissues via picosecond-infrared laser (PIRL) ablation: Giving a closer view on the in-vivo composition of protein species as compared to mechanical homogenization. Kwiatkowski M, Wurlitzer M, Kiani P, Nimer R, Omidi M, Bußmann T, Bartkowiak K, Kruber S, Uschold S, Steffen P, Lübberstedt J, Küpker N, Petersen H, Knecht R, Hansen NO, Robertson WD, Miller RJD, Schlüter H. J Proteomics. 2016. 134:193-202.
  • (3) Differential Proteome Analysis of Human Neuroblastoma Xenograft Primary Tumors and Matched Spontaneous Distant Metastases. Hänel L, Gosau T, Maar H, Valentiner U, Schumacher U, Riecken K, Windhorst S, Hansen N-O, Heikaus L, Wurlitzer M, Nolte I, Schlüter H, Lange T. Scientific Report. 2018. 8(1):13986
  • (4) Mass Spectrometry Based Intraoperative Tumor Diagnostics. Hänel L, Heiklaus L, Kwiatkowski M, Schlüter H. Future Science OA. 2019.

Aus dem Projekt ist folgender Preis hervorgegangen

  • Wolfgang Paul Studienpreis“ der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie für herausragende Arbeiten auf dem Gebiet der Massenspektrometrie. Dr. Marcel Kwiatkowski. 2017.


Automatische Bildregistrierung von MPI und MRT Daten mittels bimodaler Fiducial‐Marker

Projekt 01FMTHH15

Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen

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.

In diesem Dokument werden die im Rahmen des FMTHH Projekt „Automatische Bildregistrierung von MPI und MRT Daten mittels bimodaler Fiducial-Marker“ entstandenen Ergebnisse, Publikationen, Drittmittelanträge und Kooperationen zusammengefasst.

Im ersten Teilprojekt wurden Fiducial-Marker und eine Registrierungssoftware entwickelt [1]. Dabei dienen die Fiducial-Marker als gemeinsamen Orientierungspunkte um die MRT und MPI Daten registrieren (überlagert) zu können. Die Güte der Registrierung hängt ganz wesentlich von der Genauigkeit ab, mit der die Position der Marker bestimmt werden kann. Mit unserem Beitrag zur submillimetergenauen Positionsbestimmung im MPI [2] konnten wir die Güte der Registrierung entscheidend steigern. In vivo Studien machen es erforderlich die Bildregistrierung schon während des Aufnehmens der MPI Daten durchzuführen und das Ergebnis zu visualisieren. Hierfür wurde unsere echtzeitfähige Rekonstruktionssoftware [3] für MPI Daten um die nötigen Funktionen erweitert. Auf der Anwenderseite ermöglichten diese technischen Fortschritte die Darstellung der beiden Großen Gefäße Vena Cava inferior und Aorta (Teilprojekt 2). In dedizierten Sensitivitätsstudien wurde festgestellt, dass MPI derzeit nicht sensitiv genug ist um atheroklerotische Plaques abzubilden, weswegen keine Studien mit gesunden und atheroklerotischen Tiermodellen durchgeführt wurden. Der Fokus des Projekts wurde statt dessen auf das dritte Teilprojekt „Flussmessungen“ verschoben. Hier konnte gezeigt werden, dass es möglich ist aus den MPI Daten die Blutflussgeschwindigkeit in Mäusen zu bestimmen [4].

Zusammenfassend konnten fast alle im Projektantrag gesetzten Ziele erreicht und darüber hinaus eine Vielzahl von Folgeprojekten, wie zum Beispiel [5,6], ermöglicht werden.
Aufbauend auf diesem FMTHH Projekt wurde das Teilprojekt „Real-time processing and visualization of spatio-temporal MPI data“ für einen transregionalen Sonderforschungsbereich beantragt. Der Verbundantrag ist derzeit noch unentschieden.

Im Rahmen der submillimetergenauen Positionbestimmung der bimodalen Marker hat sich eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Professor Schläfer ergeben, in der untersucht wird, ob sich optische Köhärenztomografiekatheter mit MPI Markern verfolgen lassen.


Beteiligte

Beispiel M.Sc., Sarah Latus
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
Beispiel TUHH

Beispiel M.Sc., Sarah Latus
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
Beispiel TUHH

Beispiel M.Sc., Sarah Latus
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
Beispiel TUHH

Beispiel M.Sc., Sarah Latus
Beispiel Projektleitung
Beispiel Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
Beispiel TUHH


Publikationsliste

Zeitschriftenartikel

  • [1] F. Werner, C. Jung, M. Hofmann, R. Werner, J. Salamon, D. Säring, M. G. Kaul, K. Them, O. M. Weber, T. Mummert, G. Adam, H. Ittrich und T. Knopp. Geometry planning and image registration in magnetic particle imaging using bimodal fiducial markers. Med. Phys. 43 2884, 2016.
  • [2] F. Griese, T. Knopp, R. Werner, A. Schlaefer und M. Möddel. Submillimeter-Accurate Marker Localization within Low Gradient Magnetic Particle Imaging Tomograms. IJMPI 3 (1), 2017.
  • [3] T. Knopp und M. Hofmann. Online reconstruction of 3D magnetic particle imaging data. Phys. Med. Biol. 61 (11), N257–N267, 2016.
  • [4] M. Kaul, J. Salamon, T. Knopp, H. Ittrich, G. Adam, H. Weller und C. Jung. Magnetic Particle Imaging for In Vivo Blood Flow Velocity Measurements in Mice. Phys. Med. Biol. 63 (6), 2018.
  • [5] J. Dieckhoff, M. G. Kaul, T. Mummert, C. Jung, J. Salamon, G Adam, T. Knopp, F. Ludwig, C. Balceris und H. Ittrich. In vivo liver visualizations with magnetic particle imaging based on the calibration measurement approach. Phys. Med. Biol., 62 (9), 2017.
  • [6] P. Ludewig, N. Gdaniec, J. Sedlacik, N. D. Forkert, P. Szwargulski, M. Graeser, G. Adam, M. G. Kaul, K. M. Krishnan, R. M. Ferguson, A. P. Khandhar, P. Walczak, J. Fiehler, G. T., C. Gerloff, T. Knopp und T. Magnus. Magnetic Particle Imaging for Real-Time Perfusion Imaging in Acute Stroke. ACS Nano, 11 (10), 10480–10488, 2017.


Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen

Projekt 01FMTHH14

Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen

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  steuert den zur Beschreibung der Interaktion nötigen Datenaustausch zwischen den Programmen. Erst durch neuartige Beschleunigungsmethoden 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.

Die Simulation der FSI erfolgt dreidimensional. Eine entsprechend voll aufgelöste Simulation kann allerdings nur für einen kleinen Bereich des arteriellen Systems erfolgen.

Interaktion der reduzierten Modelle mit dem dreidimensionalen Modell einer arteriellen Bypass-Anastomose im Rahmen des partitionierten Lösungsansatzes

In Blutströmungssimulationen stellt das strukturmechanische Teilproblem neben der Stabilisierung eines partitionierten Lösungsansatzes eine besondere Herausforderung dar. Aufgrund der Beschaffenheit der Gefäßwände (dünnwandige Strukturen, nahezu inkompressibel und anisotropes Material) wurden zur Diskretisierung des Teilproblems finite Elemente hoher Ordnung verwendet. Der Einfluss unterschiedlicher Materialeigenschaften kann somit genauso untersucht werden, wie unterschiedliche Durchflussraten und Geometrien. Letztere können dabei sowohl mithilfe Bildgebender Verfahren an die Gefäße realer Patienten angepasst werden, oder aber durch ein Verfahren zur Konstruktion glatter Oberflächen durch den Anwender festgelegt werden.

Im Rahmen des Projekts wurden umfangreiche Vorarbeiten geleistet und gemeinsam veröffentlicht. So entstanden insgesamt 6 Publikationen in renommierten internationalen Zeitschriften mit peer-review Prozess.


Beteiligte

Prof. Eike Sebastian Debus

Klinik und Poliklinik für Gefäßmedizin
UKE

Lars Radtke, M.Sc.
Projektbearbeitung

Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen

TUHH


Publikationsliste

Zeitschriftenartikel

  • [1] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Convergence acceleration for partitioned simulations of the fluid-structure interaction in arteries. Computational Mechanics 57(6):901 – 920, 2016.
  • [2] Marcel König, Lars Radtke, Alexander Düster. A Flexible C++ Framework for the Partitioned Solution of Strongly Coupled Multifield Problems. Computers and Mathematics with Applications 72(7):1764 – 1789, 2016.
  • [3] Lars Radtke, Marcel König, Alexander Düster. The influence of geometric imperfections in cardiovascular FSI simulations. Computers and Mathematics with Applications 74(7):1675 – 1689, 2017.
  • [4] Omid Sepahi, Lars Radtke, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Anisotropic hierarchic solid finite elements for the simulation of passive-active arterial wall models. Computers and Mathematics with Applications 74(12):3058 – 3079, 2017.
  • [5] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Simulation der Fluid-Struktur- Interaktion in arteriellen Bypässen. Gefäßchirurgie 22(6):400 – 406, 2017.
  • [6] Jan Philipp Heners, Lars Radtke, Michael Hinze, Alexander Düster. Adjoint shape optimization for fluid- structure interaction of ducted flows. Computational Mechanics, accepted, 2017.

Proceedings

  • [7] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Tilo Kölbel, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. Cardiovascular fluid-structure interaction: A partitioned approach utilizing the p-FEM. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 14:493 – 494, 2014.
  • [8] Lars Radtke, Axel Larena-Avellaneda, Eike Sebastian Debus, Alexander Düster. A hierarchical modeling approach to cardiovascular fluid-structure interaction. Proceedings of the 4th International Conference on Computational & Mathematical Biomedical Engineering 212 – 215, 2015.

Konferenzbeiträge (Vorträge)

  • [9] Cardiovascular fluid-structure interaction: A partitioned approach utilizing the p-FEM. Jahrestagung der GAMM, Erlangen, März 2014.
  • [10] Partitioned Solution of Fluid-Structure Interaction Problems – Applications in Maritime Industry and Biomechanical Engineering. 7. Workshop der Gesellshaft zur Förderung der Kontinuumsmechanik e.V., Dreisbach, September 2014.
  • [11] A hierarchical modeling approach to cardiovascular fluid-structure interaction. 4th International Conference on Computational and Mathematical Biomedical Engineering, Cachan, Juni 2015.
  • [12] A flexible C++ framework for partitioned multiphysics simulations applied to fluid-structure interaction problems. 8. Workshop der Gesellshaft zur Förderung der Kontinuumsmechanik e.V., Cuxhaven, September 2015.
  • [13] Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen. 4. FMTHH-Symposium, Hamburg, November 2014.
  • [14] Application and implementation of advanced coupling schemes for fluid-structure interaction problems. 9. Workshop der Gesellshaft zur Förderung der Kontinuumsmechanik e.V., St. Andreasberg, September 2016.
  • [15] High-order geometric modeling and simulation of the fluid-structure interaction in end-to-side anastomoses. Engineering Mechanics Institutes Conference, San Diego, Juni 2017.

Konferenzbeiträge (Poster)

  • [16] Partitioned simulation of cardiovascular FSI utilizing high order finite elements. Sixth International Workshop on High-Order Finite Element and Isogeometric Methods, Frauenchiemsee, Juli 2014.
  • [17] Validierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in arteriellen Bypässen. 3. FMTHH-Symposium, Hamburg, November 2014.
  • [18] Modellierung und Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion in Blutgefäßen mit finiten Elementen hoher Ordnung. 13. Hamburger Studierendentagung zur Innovativen Medizin- und Biotechnologie, Hamburg, Mai 2016.
  • [19] Cardiovascular fluid-structure interaction using high-order finite elements. Seventh International Workshop on High-Order Finite Element and Isogeometric Methods, Jerusalem, Juli 2016.


BioMicroSens 
Charakterisierung biologischer Zellen mit Mikrowellen-Nahfeldsensoren

Projekt

BioMicroSens 
Charakterisierung biologischer Zellen mit Mikrowellen-Nahfeldsensoren

Ein alternatives Verfahren zur Charakterisierung von Zellen ist die Impedanzspektroskopie. Diese Methode beruht auf der Interaktion zwischen elektromagnetischen Wellen und biologischen Zellen und kann zerstörungsfrei versuchsbegleitend eingesetzt werden. Allerdings sind die Untersuchungsergebnisse derzeit schwieriger zu interpretieren als bei den Standardverfahren. Von ähnlichen Messungen im Mikrowellenbereich versprechen sich die Forscher Informationen über den inneren Zustand der untersuchten Zellen.

Am Institut für Hochfrequenztechnik (IHF) der TUHH wurde ein entsprechendes Sensorsystem entwickelt. In der Kooperation zwischen dem IHF und der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie am UKE wurde dieses Sensorsystem mittels neuer Technologieansätze für den Einsatz in der Tumordiagnostik weiterentwickelt.

Bild 1: Messaufbau
Bild 2: Einzelzelle bei Messung

Ausgangssituation und Zielsetzung

Die Charakterisierung biologischer Zellen im Mikrowellenbereich wurde in den letzten Jahren von verschiedenen Forschergruppen untersucht. Der Grundgedanke dabei ist, dass sich Unterschiede auf biologischer Ebene in einer Änderung der Permittivität niederschlagen, welche wiederum im Mikrowellenfrequenzbereich gemessen werden kann. Im Gegensatz zur Impedanzspektroskopie bei niedrigen Frequenzen kann im Mikrowellenbereich in ionischen Lösungen gemessen werden, da die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bei höheren Frequenzen keinen großen Einfluss hat. Somit können Zellen in einer natürlichen Umgebung wie einer Nährlösung untersucht werden, gegebenenfalls auch parallel zur Kultivierung. Des Weiteren kann man bei höheren Frequenzen mit den elektromagnetischen Feldern in das Innere der Zellen eindringen. So kann potentiell eine Aussage über den Zustand der Zelle gemacht werden, nicht nur über Form und Größe. Im Gegensatz zu Fluoreszenzmessungen, bei denen bestimmte Zelleigenschaften optisch sichtbar gemacht werden, können die Messungen im Mikrowellenfrequenzbereich jedoch ohne jegliche Marker durchgeführt werden und gelten daher als nicht-invasiv. Ziel dieses Projektes war, ein bestehendes Sensorsystem so zu miniaturisieren, dass Messungen an einzelnen Zellen ermöglicht werden.

Vorgehensweise und Methoden

Spezielle Herausforderungen lagen in der
• Miniaturisierung der Messspitze und Design eines mikrofluidischen Kanals zur Zellpositionierung
• Weiterentwicklung des Designs unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften der verwendeten Technologien
• Anpassung der Empfindlichkeit des Sensors
• Entwicklung einer Mikrofluidischen Falle für Einzelzellmessungen und der Testung der Funktionalität der Aufbauten mit bekannten Zelllinien.

Basierend auf den Ergebnissen der ersten Versuche mit einzelnen Zellen waren weitere Messreihen mit medizinisch relevanten Zellen geplant.

Um einzelne Zellen untersuchen zu können, werden Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer benötigt. Hierfür wurden im Laufe des Projektes verschiedene Technologien angesetzt.

Mit den getesteten Technologien war es möglich, Einzelzellmessungen durchzuführen und signifikante Kontraste zum Nährmedium zu detektieren. Forschungsrelevante Ergebnisse konnten erzielt und veröffentlicht werden. Leider war aufgrund der Schwierigkeiten bei der Positionierung ein medizinisch relevanter Vergleich zweier unterschiedlicher Zelllinien nicht möglich.


Beteiligte

Dr. rer. nat. Philip Hartjen
Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
UKE

Prof. Dr. med. Dr. med. dent. Ralf Smeets
Projektleitung
Klinik für Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie
UKE

Nora Meyne
Projektleitung
Institut für Hochfrequenztechnik
TUHH

Prof. a.D. Dr.-Ing. Arne Jacob
Institutsleitung
Institut für Hochfrequenztechnik
TUHH


Unterstützt durch


Publikationsliste

2017

  • N. Meyne, G. Fuge, A.-P. Zeng and A. F. Jacob, “Resonant Microwave Sensors for Picoliter Liquid Characterization and Nondestructive Detection of Single Biological Cells”, in IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology, vol. 1, no. 2, pp. 98-104, Dec. 2017

2015

  • N. Meyne, G. Fuge, S. Hemanth, H. K. Trieu, A.-P. Zeng; A. F. Jacob, “Broadband dielectric characterization of CHO-K1 cells using miniaturized transmission-line sensor,” in IEEE Topical Conference on Biomedical Wireless Technologies, Networks, and Sensing Systems (BioWireleSS), pp.1-3, 25-28 Jan. 2015
  • N. Meyne, G. Fuge, H. K. Trieu, A.-P. Zeng, A. F. Jacob, “Miniaturized transmission-line sensor for broadband dielectric characterization of biological liquids and cell suspensions,”  in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 10, pp. 3026-3033, Oct. 2015

2014

  • N. Meyne, S. Latus, A. F. Jacob, “Corrugated coplanar transmission-line sensor for broadband liquid sample characterization,” in German Microwave Conference  (GeMIC), pp. 1-4, 10-12 March 2014
  • N. Meyne, C. Cammin, A. F. Jacob, “Accuracy enhancement of a split-ring resonator liquid sensor using dielectric resonator coupling,” in 20th International Conference on Microwaves, Radar, and Wireless Communication (MIKON), pp. 1-4, 16-18 June 2014
  • N. Meyne, W. Muller-Wichards, H. K. Trieu, A. F. Jacob, “Quasi-lumped coplanar transmission-line  sensors  for  broadband  liquid  characterization,” in 44th European  Microwave  Conference (EuMC), pp. 687-690, 6-9 Oct. 2014


ALSTER – Aneurysm-Like Synthetic Bodies for Testing Endovascular Devices in 3D Reality

Projekt 01FMTHH13

ALSTER – Aneurysm-Like Synthetic Bodies for Testing Endovascular Devices in 3D Reality

Ausgangssituation und Zielsetzung

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.

Vorgehensweise und Methoden

Medizinische Bilddaten mehrerer patientenspezifischer Aneurysmen wurden akquiriert und anhand des neudefinierten Produktentstehungsprozesses aufgearbeitet und unter Anwendung der additiven Fertigung gefertigt (Bild 1). Die Fused Desposition Modelling (FDM) Produktion wurde anhand der Fertigung am HP Designjet 3D Printer evaluiert. Zur Erhöhung von Transparenz und Elastizität der Modelle wurde ein erweiterter Material- und Verfahrensvergleich durchgeführt. Die Nachbildungen der patientenspezifischen Aneurysmen wurden in ein Gesamtsystem, u.a. mit standardisiertem Aorta-Modell und pulsatiler Pumpe, integriert.

Bild 1: Produktentstehungsprozess der Blutgefäßmodelle
© Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik, Denickestraße 17, 21073 Hamburg

Bild 2: Coil-Embolisation eines Aneurysmas im Gefäßmodell

© Klinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention, Martinistraße 52, 20246 Hamburg

Ergebnisse

Anhand von 10 intrakraniellen Aneurysmageometrien wurde gezeigt, dass Nachbildungen verzweigter Blutgefäße mittels additiver Fertigung direkt fertigbar sind [1]. Der Vergleich von 22 additiven Materialien und Fertigungsverfahren zeigte, dass abhängig von der Anwendung verschiedene additive Fertigungsverfahren für zerebrale Blutgefäßmodelle zu empfehlen sind [2]. Die Anwendung der Gefäßmodelle in der Angiographie wurde durch verschiedene Device-Tests, Messungen für Forschung und Flussmessung und Training zur Nachstellung realer Fälle realisiert. Im Rahmen des Projekts konnten verschiedene Behandlungsszenarien anhand der starren und elastischen Gefäßmodelle nachgestellt werden (Bild 2).


Beteiligte

Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause
Institutsleiter
Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik
TUHH


Publikationsliste

2016

  • [2] Spallek, J.; Frölich, A.; Buhk, J.; Fiehler, J.; Krause, D.: Comparing Technologies of Additive Manufacturing for the Development of Vascular Models, Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2016
  • Sedlacik, J; Frölich, A.; Spallek, J.; Forkert, N; Faizy, T.; Werner, F.; Knopp, T.; Krause, D.; Fiehler, D.; Buhk, J.: Flow dynamics in a 3D printed brain aneurysm model assessed by magnetic particle imaging, magnetic resonance imaging and dynamic subtraction angiography. International Society for Magnetic Resonance in Medicine 2016 Annual Meeting 
  • Sedlacik, J; Frölich, A.; Spallek, J.; Forkert, N; Faizy, T.; Werner, F.; Knopp, T.; Krause, D.; Fiehler, D.; Buhk, J.: Flow dynamics in a 3D printed aneurysm model assessed by magnetic particle imaging. International Workshop on Magnetic Particle Imaging (IWMPI) 2016

2015

  • [1] Frölich, A.M.J.; Spallek J.; Brehmer, L.; Buhk, J.-H.; Krause, D.; Fiehler, J.; Kemmling, A.: 3D Printing of Intracranial Aneurysms Using Fused Deposition Modeling Offers Highly Accurate Replications. AJNR American Journal of Neuroradiology (2015) DOI: 10.3174/ajnr.A4486; Published online before print
  • Bericht über das Projekt ALSTER und die Entwicklung der Gefäßmodelle im Hamburger Abendblatt vom 28. Juli 2015: Modelle helfen bei Blutgefäß-OP
  • Krause, D.; Spallek, J.: 3D-Druck in der Medizin: Einführung und Anwendungsmöglichkeiten am Beispiel der Entwicklung von Aneurysmamodellen, 96. Deutscher Röntgenkongress, Hamburg (2015), RöFo – Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen, 04/2015; 187(S 01). DOI: 10.1055/s-0035-1550811
  • Fiehler, J.; Frölich, A; Buhk, J: Aneurysmasimulation – von Aneurysmen aus dem 3D-Drucker, 96. Deutscher Röntgenkongress, Hamburg (2015), RöFo – Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen, 04/2015; 187(S 02). DOI: 10.1055/s-0035-1550812

2014

  • Spallek, J.; Buhk, J.; Frölich, A; Fiehler, J; Krause, D.: ALSTER – Aneurysm Like Synthetic bodies for Testing Endovascular devices in 3D Reality. Vortrag beim 2. fmthh- Symposium, 17. November 2014, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf.
  • Brehmer, L.; Frölich,A. M.; Buhk, J.; Spallek, J.; Krause, D.; Fiehler, J.; Kemmling, A.: 3D printing of intracranial aneurysms using Fused Deposition Modeling offers a high level of accuracy, 49. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Neuroradiologie, Köln, 23.-25. Oktober 2014.
  • Spallek, J.; Brehmer, L.; Frölich, A.; Kemmling, A.; Fiehler, J.; Krause, D.: Entwicklung generativ gefertigter und individualisierbarer Gefäßmodelle, Design for X, Beiträge zum 25. DfX-Symposium, Bamberg (2014), pp. 1-12.
  • Spallek, J.; Kemmling, A.; Fiehler, J.; Krause, D.: ALSTER – Aneurysm Like Synthetic bodies for Testing Endovascular devices in 3D Reality. Vortrag beim 1. fmthh- Symposium, 20. Februar 2014, TU Hamburg-Harburg.


Folgeprojekte

“ELBE-NTM” Development and Evaluation of a Patient-Based Neurointerventional Training Model
Kooperationsprojekt des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik | TUHH und des Instituts für Mikrosystemtechnik | TUHH und der Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention | UKE. Gefördert vom BMBF mit Förderkennzeichen 031L0068A. Juni 2016 – Mai 2019.

COSY-SMILE – Completely Synthetic Stroke Model for Interventional Development and Education

Kooperationsprojekt des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik | TUHH und der Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention | UKE aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes ELBE-NTM. Gefördert vom BMBF mit Förderkennzeichen 031L0154A vom 01.04.2019 bis 31.03.2022 im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme „Alternativmethoden zum Tierversuch”.