„Fingerabdruck“ aus Licht ermöglicht Nerven-Stimulation

Presseaussendung der JKU Linz vom 27.10.2017

ForscherInnen der Johannes Kepler Universität Linz haben ein neues Verfahren entwickelt, das die Stimulation von Nervenzellen mittels Lichtfeld ermöglicht. Das Projekt wurde nun im renommierten Journal „Nature Scientific Reports“ der Fachwelt präsentiert.

Bereits 2016 stellte das Team um Univ.-Prof. Oliver Bimber (Institut für Computergrafik) ein Verfahren zur volumetrischen Ausleuchtung von mikroskopischen Proben vor. Dabei werden, mithilfe eines speziellen Lichtfeld-Mikroskops, Lichtstrahlen zu einem dreidimensionalen Beleuchtungsmuster innerhalb der Probe gebündelt.

Einsatz in der Medizin

Einsatzgebiet dieser Technik ist die Optogenetik, in der neuronale Zellen durch gezielte Beleuchtung stimuliert werden. Optogenetische Stimulation wurde von anderen ForscherInnen bereits erfolgreich am Gehirn bzw. an Nervenzellen von Tieren wie Mäusen, Fischen, Fliegen und Würmern demonstriert. Ziel ist es, bestimmte Verhaltensmuster in Versuchsobjekten auszulösen oder zu unterdrücken.

Voraussetzung der bis dato aktuellen Beleuchtungsverfahren war die exakte Position der Probenelemente. Position und Größe einzelner Neuronen mussten vorab ermittelt werden. Eine genaue Bestimmung konnte zudem äußerst schwierig sein bzw. war in manchen Fällen überhaupt unmöglich.

Keine Rekonstruktion nötig

Das nun an der JKU entwickelte Verfahren kommt völlig ohne die dreidimensionale Struktur der Probe aus. Die Technik macht sich eine besondere Eigenschaft von Nervenzellen zunutze: Jedes stimulierte Neuron erzeugt einen eindeutigen „Lichtfeld-Fingerabdruck“. Im neuen Verfahren wird die Probe, bestehend aus mehreren Neuronen, mit speziellen Mustern beleuchtet. Die sich überlagernden „Fingerabdrücke“ werden danach durch ein mathematisches Verfahren getrennt. Damit können anschließend neue Beleuchtungsmuster berechnet werden, die dann selektiv einzelne Neuronen stimulieren.

Der große Vorteil: Durch die spezielle Abtastung sind eine 3D-Rekonstruktion der Probe oder die Kalibrierung der optischen Elemente des Mikroskops nicht mehr notwendig. (Tobias Prietzel)

Externer Link: www.jku.at

3D-Mikrodruck: Sicherheit für Produkte, Pässe und Geld

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.10.2017

Fälschungen und Produktpiraterie schaden Gesellschaft und Wirtschaft – 3D-Mikrostrukturen können Sicherheit erhöhen – KIT-Forscher entwickeln hierfür innovative fluoreszierende 3D-Strukturen

Sicherheitsmerkmale sollen Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor Fälschungen schützen. Denn etwa Verluste durch Produkt- und Markenpiraterie können enorm sein: Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau beziffert allein für seine Branche die entstandenen Schäden für das Jahr 2016 auf 7,3 Milliarden Euro. Um die Fälschungssicherheit zu erhöhen, schlagen Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie und der Firma ZEISS in der Fachzeitschrift Advanced Materials Technologies nun vor, statt auf gängige 2D-Strukturen, wie zum Beispiel Hologramme, auf 3D-gedruckte Mikrostrukturen zu setzen.

„Heutzutage basieren optische Sicherheitsmerkmale, zum Beispiel Hologramme, häufig auf zweidimensionalen Mikrostrukturen“, erklärt Professor Martin Wegener, Experte für 3D-Druck von Mikrostrukturen am Institut für Nanotechnologie des KIT. „Durch die Verwendung von 3D-gedruckten fluoreszierenden Mikrostrukturen kann die Fälschungssicherheit erhöht werden.“ Die neuen Sicherheitsmerkmale haben eine Seitenlänge von rund 100 Mikrometern und sind mit dem bloßen Auge oder einem herkömmlichen Mikroskop kaum noch zu erkennen. Für ihre Herstellung und Anwendung haben Wegener und sein Team ein innovatives Verfahren entwickelt, das vom Aufbau der Mikrostrukturen bis hin zum Auslesen der Informationen den gesamten Prozess umfasst.

Die Mikrostrukturen bestehen aus einem 3D-Stützgitter und Punkten, die in unterschiedlichen Farben fluoreszieren und innerhalb dieses Gitters variabel in drei Dimensionen angeordnet werden können. Um solche Mikrostrukturen aufbauen und drucken zu können bedienen sich die Experten eines schnellen und präzisen Laserlithographie-Gerätes, das von der Firma Nanoscribe – einem Spinoff des KIT – entwickelt und verkauft wird. Es erlaubt voluminöse Strukturen höchste Präzision auf einigen Millimetern Kantenlänge oder mikrostrukturierte Oberflächen mit Ausdehnungen bis in den Quadratzentimeterbereich.

Der spezielle 3D-Drucker baut die Strukturen Schicht für Schicht aus einem nicht fluoreszierenden und zwei fluoreszierenden Fotolacken auf. Dabei durchfährt ein Laserstrahl sehr präzise Punkte im flüssigen Fotolack. Lediglich genau am Fokuspunkt des Laserstrahls wird das Material belichtet und härtet aus. Die dabei entstehende filigrane Struktur wird anschließend in ein transparentes Polymer eingebettet, das sie vor Schäden schützen soll.

„Auf diese Weise produzierte Sicherheitsmerkmale sind nicht nur individuell aufgebaut, sondern auch komplex in der Herstellung. Dies alles macht Fälschern das Leben schwer“, erklärt Frederik Mayer vom Institut für Nanotechnologie des KIT. Das neue Verfahren ist zudem leicht erweiterbar und vielfältig anwendbar. Denkbar ist zum Beispiel, dass die 3D-Merkmale als eingebettete Folie in Sicherheitsetiketten zum Einsatz kommen, die unter anderem Pharmazeutika, Autoersatzteile oder Handy-Akkus vor Fälschungen schützen sollen, oder dass sie in die Sichtfenster von Geldscheinen integriert werden. Für spätere Echtheitsüberprüfungen an der Supermarktkasse oder in der Werkshalle bedarf es dann spezieller Auslesegeräte, die in der Lage sind fluoreszierende 3D-Strukturen zu erkennen. (sur)

Publikation:
Advanced Materials Technologies

Externer Link: www.kit.edu

Körpereigener Infektionsmarker steuert Antibiotikatherapie

Medienmitteilung der Universität Basel vom 16.10.2017

Mit dem körpereigenen Infektionsmarker Procalcitonin lässt sich der Einsatz von Antibiotika bei Infektionen gezielt steuern. Die Antibiotikatherapie wird verkürzt, aber auch ihre Nebenwirkungen und die Mortalität nehmen ab. Dies berichten Forschende von Universität Basel und Kantonsspital Aarau nach einer Metaanalyse von über 6700 internationalen Daten von Patienten mit Atemwegsinfektionen in der Fachzeitschrift «The Lancet Infectious Diseases».

Procalcitonin ist die Vorstufe eines Schilddrüsenhormons, die bei Gesunden kaum oder gar nicht nachweisbar ist. Kommt es im Körper aber zu einer bakteriellen Entzündung, steigt der Stoff Procalcitonin im Blut plötzlich an. Diesen Mechanismus können sich Mediziner bei der Diagnose von Infektionskrankheiten zunutze machen – denn eine Antibiotika-Behandlung ist bekanntlich nur bei bakteriellen Infektionen sinnvoll. Eine wichtige Rolle spielt dies etwa bei Atemwegsinfektionen, da bei diesen eine Abgrenzung zwischen bakterieller und viraler Infektion oft schwierig ist.

Dass der Einsatz von Procalcitonin eine Antibiotika-Therapie um rund 30% verkürzen kann, ist bereits bekannt. In verschiedenen randomisierten Studien – unter anderem an der Universität Basel – wurde den behandelnden Ärzten anhand des Procalcitoninwerts eine Empfehlung gegeben, ob Antibiotika nötig sind oder ob diese gestoppt werden können. Diese Strategie mit dem Biomarker wurde dann mit eine Kontrollgruppe verglichen, die nach rein klinischen Kriterien über einen Antibiotikaeinsatz entschieden hat.

Gegen Resistenzbildung

Eine neue Metaanalyse unter Leitung von Prof. Dr. Philipp Schuetz vom Departement Klinische Forschung von Universität und Universitätsspital Basel und dem Kantonsspital Aarau zeigt nun, dass durch den Infektionsmarker Procalcitonin die Mortalität bei Patienten mit Atemwegsinfektionen abnimmt. Erzielt wurde eine Reduktion der relativen Mortalität nach 30 Tagen von 14% (von 10% auf 8,6%) sowie eine 25-prozentige Reduktion von Antibiotikanebenwirkungen (von 22,1% auf 16,3%).

«Diese Resultate machen auch Hoffnung, dass dem weltweiten Trend der Antibiotika-Resistenzbildung entgegengewirkt werden kann», kommentiert Schuetz die Studie. Dafür haben 26 Forschungsgruppen aus zwölf Ländern die Daten von 6708 Patienten zur Verfügung gestellt und analysiert – entsprechend dem weltweiten Trend des Data sharing, womit einzelne Patientengruppen besser charakterisiert werden können.

Originalbeitrag:
Philipp Schuetz, Yannick Wirz, Ramon Sager et al.
Effect of procalcitonin-guided antibiotic treatment on mortality in acute respiratory infections: A patient level meta-analysis
The Lancet Infectious Diseases (2017), Available online 13 October 2017 | doi: 10.1016/S1473-3099(17)30592-3

Externer Link: www.unibas.ch

Saarbrücker Forscher erstellen digitale Objekte aus unvollständigen 3-D-Daten

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 12.10.2017

Mit speziellen Kameras können reale Objekte inzwischen digital erfasst werden. Sie stoßen jedoch noch an Grenzen, wenn beispielsweise die Oberfläche eines Objektes für den Scanner zu dunkel ist und daher kein Signal liefert oder sich Teile gegenseitig verdecken. Informatiker des Max-Planck-Instituts für Informatik haben gemeinsam mit Kollegen vom US-amerikanischen Halbleiterhersteller Intel und dem Intel Visual Computing Institute der Universität des Saarlandes eine Methode entwickelt, die selbst aus unvollständigen Aufnahmen ein digitales Objekt rekonstruieren kann. Die Forscher nutzen dafür einen speziellen Typ eines neuronalen Netzwerkes.

„Obwohl die 3D-Scan-Technologie in den vergangenen Jahren einen erheblichen Sprung gemacht hat, ist es immer noch eine Herausforderung, die Geometrie und Form eines realen Objektes digital und automatisiert zu erfassen“, erklärt Mario Fritz, der am Max-Planck-Institut für Informatik die Gruppe „Scalable Learning and Perception“ leitet. Laut Fritz sind Tiefensensoren, etwa der Microsoft Kinect Sensor, sehr leistungsfähig, aber sie funktionieren nicht auf allen Materialien gleich gut, was zu verrauschten Daten oder sogar fehlenden Messwerten führt. „Die daraus resultierenden fehlerhaften oder sogar unvollständigen 3D-Geometrien stellen ein echtes Problem für eine Reihe von Anwendungen dar, etwa in der virtuellen, erweiterten Realität oder bei der Zusammenarbeit mit Robotern und im 3-D-Druck“, erklärt Mario Fritz.

Gemeinsam mit weiteren Forschern vom US-amerikanischen Halbleiterhersteller Intel und dem Intel Visual Computing Institute der Saar-Uni entwickelte er daher eine Methode, die auch mit unvollständigen Datensätzen funktioniert. Sie nutzt ein spezielles neuronales Netzwerk. „Unsere Methode benötigt keinerlei Aufsicht während der Lernphase, was in dieser Form ein Novum ist“, erklärt Fritz. Auf diese Weise konnten die Forscher beispielsweise einen flachen Monitor, dessen digitales Abbild nach dem 3-D-Scan eher einer Bretterwand glich, so rekonstruieren, dass jedermann wieder in dem digitalen Objekt einen Monitor erkennen konnte. Damit schlagen die Saarbrücker Informatiker auch bisherige Methoden, die fehlerhafte 3D-Scans verbessern und Formen vervollständigen. Auch bei der Klassifizierung von gescannten Objekten zeigt die Methode aus Saarbrücken sehr gute Ergebnisse. In Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre Methode weiterentwickeln, so dass es auch bei verformbaren Objekten und größeren Szenen funktioniert.

„Zukünftig muss es einfach und schnell gelingen, Objekte aus der echten Welt zu erfassen und diese realitätsnah in die digitale Welt zu projizieren“, erklärt Philipp Slusallek, Professor für Computergraphik der Universität des Saarlandes und wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI). Am DFKI ist er auch für das europäische Verbundprojekt „Distributed 3D Object Design“, kurz DISTRO, verantwortlich, mit dem die Europäische Union die Forschungsdisziplinen Visual Computing und 3D-Computergrafik an die wissenschaftliche Weltspitze bringen will. Dazu soll eine neue Generation von exzellenten Wissenschaftlern und Technikern ausgebildet werden. Fünf der 15 ausgeschriebenen Doktorandenstellen wurden mit Forschern des Saarland Informatics Campus an der Universität des Saarlandes besetzt.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Forschungsprojekt für mehr Patientensicherheit: Neue Testmethoden für die Eignung von Implantaten für MRT-Untersuchungen entwickelt

Pressemeldung der OTH Amberg-Weiden vom 11.10.2017

Mit Herzschrittmacher oder Hüftimplantaten ins MRT (Magnet-Resonanz-Tomografie)? Viele Implantate sind für eine MRT-Untersuchung geeignet, aber nicht jedes. Häufig darf aus Sicherheitsgründen keine MRT-Untersuchung durchgeführt werden, denn die starken Magnetfelder können die Elektronik der Geräte ernsthaft beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall den Patienten durch die Kraftwirkung, die auf das Implantat wirkt, verletzen. Für die Prüfung, ob ein Implantat für MRT-Untersuchungen geeignet ist, und damit eine sichere Untersuchung bei Implantat-Trägern gewährleistet werden kann, hat die OTH Amberg-Weiden im Rahmen eines Forschungsprojekts neue Testmethoden entwickelt. Dabei handelt es sich um ein automatisiertes Prüfverfahren, das Implantate automatisch auf ihre MRT-Eignung testet.

Die Forschungsarbeiten für das Projekt „Testmethodenentwicklung für aktive, implantierbare Medizinprodukte zum Ausschluss von Fehlfunktionen im Rahmen der MRT“ begann unter der Projektleitung von Prof. Dr. Ralf Ringler (Studiengang Medizintechnik an der OTH Amberg-Weiden) vor zwei Jahren. Gemeinsam mit dem Gelsenkirchener Unternehmen MR:comp, ein weltweit agierendes Unternehmen, das sich als Prüflabor einen Namen im Testen von Implantaten erworben hat, wurden Testmethoden entwickelt, die Fehlfunktionen von Implantaten durch induzierte Kräfte, Drehmomente und Vibrationen durch statische oder zeitlich veränderliche Magnetfelder erkennen.

Das Ergebnis der zweijährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit: Die ersten Prototypen zur automatisierten Messung von Drehmoment und Kraft im starken Magnetfeld eines MRTs wurden erfolgreich entwickelt, getestet und optimiert. Dabei wurden die im CAD-Programm geplanten und konstruierten, mechanischen Aufbauten in der hochschuleigenen Werkstatt am Standort Amberg in die Realität umgesetzt. Parallel zur Fertigung befasste sich das Entwicklungsteam in Weiden und Gelsenkirchen mit der einzusetzenden Sensorik, sowie mit der Fragestellung der Automatisierung der Messung. Eine essentielle Anforderung bei der Entwicklung und Umsetzung der automatisierten Teststände bestand darin, das Verfahren für die Anwender und somit für die späteren Prüfingenieure zu vereinfachen und die Tests stets unter gleichen Bedingungen wiederholen zu können. Auch eine entsprechende Software wurde entwickelt. So können in Testszenarien Funktionalität und Fehlerquellen nachgewiesen, Verbesserungen erarbeitet und neue Lösungen integriert werden.

„Unsere Arbeit gewinnt vor allem vor dem Hintergrund des demografischen Wandels an Bedeutung“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Ralf Ringler. „Die steigende Lebenserwartung führt dazu, dass immer mehr Menschen auf Implantate angewiesen sind. Gleichzeitig benötigen gerade diese Patienten nicht selten auch MRT-Untersuchungen für eine vollständige Diagnose. Mit der Entwicklung der Testmethoden leisten wir einen wichtigen Beitrag zur sicheren Untersuchung von Implantat-Trägern!“ Denn „mit den neuen Testverfahren wurde die Messgenauigkeit erhöht und die Messzeit der Prüfung deutlich reduziert. Das bedeutet, eine Prüfung eines Implantats kann mit der von uns entwickelten Testmethoden schneller, günstiger und genauer durchgeführt werden“, so Projektingenieurin M.Sc. Karina Schuller. „Wir als Prüflabor können Herstellern von Implantaten eine höhere Sicherheit geben, dass ihr Implantat für eine MRT-Untersuchung geeignet ist“, ergänzt Dr. Jörg Seehafer, MR safety Consultant bei MR:comp GmbH.

Das Forschungsvorhaben „Testmethodenentwicklung für aktive, implantierbare Medizinprodukte zum Ausschluss von Fehlfunktionen im Rahmen der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT)“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ (Projektform: Kooperationsprojekte) durchgeführt.

Externer Link: www.oth-aw.de