Herz aus dem Computer unterstützt Mediziner

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.09.2019

Personalisierte Computermodelle des Herzens bereiten den Weg zu maßgeschneiderten Therapien – Risiko für Herzrhythmusstörungen wie Vorhofflattern lässt sich nun individuell abschätzen

Digitale Simulationen von menschlichen Organen ermöglichen, die Entstehung von Krankheiten zu erforschen und Therapien für Patienten maßzuschneidern. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln Forscher realitätsnahe Computermodelle des Herzens auf mehreren Ebenen: vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum ganzen Organ. Sie simulieren grundlegende physiologische und pathologische Prozesse, entwickeln aber auch personalisierte Modelle, um das Risiko von Herzrhythmusstörungen, beispielsweise Vorhofflattern, und die Wirkung von Therapien individuell abzuschätzen, wie sie in einem Fachmagazin berichten.

Wie hoch das Risiko eines Patienten ist, atypisches Vorhofflattern zu entwickeln, ließ sich bisher nicht zuverlässig untersuchen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie, der Medizinischen Klinik IV des Städtischen Klinikums Karlsruhe sowie der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg und des Universitäts-Herzzentrums Freiburg – Bad Krozingen haben nun eine Methode entwickelt, das Risiko für Vorhofflattern individuell abzuschätzen: Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Frontiers in Physiology berichten, ermöglichen personalisierte Computermodelle, sämtliche Pfade zu identifizieren, entlang derer die atypischen, kreisende elektrischen Erregungen auftreten können. „Unsere Modelle beziehen anatomische, elektrophysiologische und pharmakologische Kriterien ein“, erklärt Dr. Axel Loewe, Leiter der Arbeitsgruppe Herzmodellierung am Institut für Biomedizinische Technik des KIT. Auch die Wirkung von Therapien wie Katheterablation oder Medikamenten lässt sich so vorab individuell einschätzen.

Die Arbeit demonstriert die Vorteile mathematisch simulierter Organe für die Medizin: „Computermodelle bieten eine perfekt kontrollierbare Umgebung für Experimente“, erklärt Loewe. „So lassen sich einzelne Änderungen simulieren und ihre Folgen für das Gesamtsystem berechnen.“ Die Modelle ergänzen klassische Methoden wie Zell- und Tierexperimente und ermöglichen, neue Therapien ohne Risiko für den Menschen zu testen.

Loewe simulierte bereits in seiner Dissertation die Ursachen von Vorhofflimmern mit dem Computer. Die von Loewe geleitete Arbeitsgruppe Herzmodellierung des KIT entwickelt wirklichkeitsnahe Modelle des Herzens auf allen Ebenen vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum kompletten Organ. So können sie simulieren, wie eine elektrische Erregung entsteht, sich über die Vorhöfe und das gesamte Herz ausbreitet und – bei einem gesund schlagenden Herzen – erlischt oder aber – im Fall bestimmter Herzrhythmusstörungen – sich dauerhaft selbst erhält.

Neben der Simulation solch grundlegender physiologischer und pathologischer Prozesse befasst sich die Arbeitsgruppe auch mit personalisierten Modellen, um das Risiko von Erkrankungen und die Wirkung von Behandlungen individuell zu bestimmen. Um die persönliche Anatomie, wie Größe und Form der Vorhöfe, eines Patienten zu erfassen, nutzen die Forscher bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie. Bei der Einbeziehung der per Elektrokardiogramm (EKG) aufgezeichneten elektrischen Aktivität des Herzens arbeitet die Gruppe eng mit der ebenfalls am Institut für Biomedizinische Technik des KIT angesiedelten Arbeitsgruppe Bioelektrische Signale unter Leitung von Professor Olaf Dössel zusammen. Die Arbeiten, die sich zwischen Ingenieurwissenschaften, Informatik, Naturwissenschaften und Medizin bewegen, bereiten den Weg zu maßgeschneiderten Therapien.

Beim Vorhofflattern handelt es sich um eine Herzrhythmusstörung, bei der ungewöhnlich schnelle elektrische Erregungsmuster die Vorhöfe zu raschen Kontraktionen veranlassen. Anders als beim häufigeren Vorhofflimmern verläuft die elektrische Erregung beim Vorhofflattern koordiniert. Aber wie das Vorhofflimmern führt das Vorhofflattern zu Herzrasen, Atemnot und Schwäche; auch ist das Schlaganfallrisiko erhöht. Eine typische Behandlung des Flimmerns ist die Ablation, das heißt eine kathetergestützte Verödung krankhafter elektrischer Erregungsherde im Herzmuskelgewebe. Häufig entwickeln Patienten nach der Behandlung jedoch ein sogenanntes atypisches Vorhofflattern, bei dem eine kreisende Erregung sowohl im linken als auch im rechten Vorhof auftreten kann. (or)

Originalpublikation:
Axel Loewe, Emanuel Poremba, Tobias Oesterlein, Armin Luik, Claus Schmitt, Gunnar Seemann and Olaf Dössel: Patient-Specific Identification of Atrial Flutter Vulnerability – A Computational Approach to Reveal Latent Reentry Pathways. Frontiers in Physiology, 2019. DOI: 10.3389/fphys.2018.01910

Externer Link: www.kit.edu

Elastische Nano-Schichten für bessere Li-Ionen-Akkus

Presseaussendung der TU Wien vom 23.09.2019

An der TU Wien wurde eine Messmethode entwickelt, durch die es nun möglich werden soll, die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu vergrößern.

Sie liefern Energie für unsere Elektroautos, für unsere Handys und Laptops: Mit Lithium-Ionen-Akkus haben wir Tag für Tag zu tun. Es gibt interessante Ideen aus der Materialforschung, mit denen man die Energiespeicher-Kapazität dieser Akkus deutlich erhöhen könnte, etwa indem man die bisher in den Akkus eingebaute Graphit durch Silizium ersetzt. Allerdings muss dafür eine ultradünne Grenzschicht rund um die Elektroden genau analysiert und optimiert werden, und dafür gab es bisher keine passenden Untersuchungsmethoden.

An der TU Wien wurde nun in Zusammenarbeit mit der Universität Hasselt in Belgien eine Technik entwickelt, mit der man die physikalischen Eigenschaften dieser Schichten genau vermessen kann. Ein Kraftmikroskop übt eine genau definierte Kraft aus, gleichzeitig wird mit Hilfe von Lichtwellen exakt registriert, wie sehr sich das Material infolgedessen verformt. Damit wird es nun möglich, nach passenden Elektrolyten zu suchen, mit denen man die Kapazität von Li-Ionen Akkus deutlich verbessern könnte – theoretisch bis zu einem Faktor sechs.

Wie viele Ionen haben Platz?

„Der Lithium-Ionen-Akku ist eine Erfolgsgeschichte“, ist Prof. Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien überzeugt. „Aber egal wie gut ein Akku ist, man wünscht sich immer einen noch besseren. Um der e-Mobilität zum Durchbruch zu verhelfen wollen wir natürlich das theoretische Maximum erreichen.“

In einem voll aufgeladenen Lithium-Ionen-Akku werden die Lithium-Ionen derzeit in Graphit gespeichert um dort Elektronen zu stabilisieren. Während der Akku aufgeladen wird, wandern mehr und mehr Lithium-Ionen und Elektronen in den Graphit und speichern so elektrische Energie.

Im Graphit bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion festgehalten werden kann. Das ist aber nicht die effizienteste Art, Elektronen durch Lithium-Ionen zu stabilisieren. „Kleine Silizium-Kristalle wären eigentlich besser geeignet“, sagt Markus Valtiner. „Pro Silizium-Atom könnte man ein Lithium-Ion speichern, damit ließe sich die Speicherkapazität theoretisch auf das Sechsfache steigern.“

Das Problem daran ist: Im Gegensatz zu Graphit werden Silizium-Körnchen in einer Batterie bei der Lithiumaufnahme bis zu viermal größer und können dabei einfach zerbröseln. Man könnte sich damit helfen, das Silizium nicht vollständig zu laden, oder durch ausgeklügelte Nanostrukturen stabilere Partikel herzustellen – wenn man dabei nicht noch auf eine weitere Schwierigkeit stoßen würde. Die Elektroden-Körnchen in der Batterie sind nämlich auch noch mit einer nanometerdünnen Schicht umhüllt.

In einem Lithiumionen Akku sind die Materialien in ständigem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten, in dem beim Lade- und beim Entladevorgang komplexe chemische Abbaureaktionen ablaufen. Und so bildet sich an der Oberfläche der Elektroden immer ein dünner Film aus ionenleitfähigen Abbauprodukten. Auf Graphit ist diese Schicht – ähnlich einer Passivschicht auf Edelstahl – nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter. Doch wenn man Silizium-Körnchen verwendet, die ihr Volumen drastisch vergrößern, reißt diese dünne Grenzschicht immer wieder auf, an den Rissen bildet sich eine neue Schicht. Damit wird bei jedem Ladezyklus ein bisschen Elektrolyt aufgebraucht, und das führt zu einer kurzen Lebensdauer des Akkus.

Bessere Elektrolyte für elastische Grenzschichten

„Optimal wäre eine elastische Grenzschicht, die keine Risse bekommt, wenn das Silizium-Körnchen wächst“, sagt Markus Valtiner. Erreichen könnte man das durch die Entwicklung spezieller Elektrolyte die diese Schicht elastisch machen – und dafür wurde an der TU Wien nun das passende Messgerät entwickelt. In einem speziellen Rasterkraftmikroskop kann man nun die elastischen Eigenschaften der Grenzschicht genau analysieren – insbesondere während des Auf- und Entladens. Eine spezielle Konstruktion erlaubt es, Wachstum und Elastizität der Grenzschicht auf winziger Größenskala zu vermessen, während eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Damit will das Team von Markus Valtiner nun in Zusammenarbeit mit Frank Renner aus Hasselt (Belgien) unterschiedliche Material-Varianten untersuchen und passende Elektrolyten für Silizium-basierte Lithium-Ionen-Akkus finden.

„Die Forschung auf diesem Gebiet ist derzeit extrem spannend“, sagt Valtiner. „An manchen Technologien, etwa an Verbrennungsmotoren, kann man kaum noch etwas verbessern, weil sie bereits seit Jahrzehnten optimiert werden. Doch bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es noch großes Potenzial.“ Eine Steigerung der Batteriekapazitäten um das Doppelte hält Markus Valtiner jedenfalls für realistisch. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass mit siliziumbasierten Akkus um 15-50% höhere Speicherdichten erreicht werden können, und erste Markteinführungen dieser Technologie sind in den nächsten 3-5 Jahren zu erwarten. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
B. Moeremans et al., In Situ Mechanical Analysis of the Nanoscopic Solid Electrolyte Interphase on Anodes of Li‐Ion Batteries, Advanced Science 6, 1900190 (2019).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Digitalisierung der Bauindustrie: Schweizer Unternehmen vermarktet Prüfsoftware

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 04.09.2019

Eine Softwareentwicklung von Wissenschaftlern der Universität Kassel wird jetzt vom Schweizer Unternehmen Proceq SA für digitale Anwendungen weiterentwickelt und vermarktet. Proceq gilt als eines der führenden Technologieunternehmen im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung. Mit der Software InterSAFT können Ultraschallmessungen in hochauflösende Grafiken umgewandelt und ausgewertet werden.

„Dass Proceq und Tectus Dreamlab unsere Software in Zukunft weltweit Prüfingenieuren in der Qualitätsabnahme und Anlagenwartung zur Verfügung stellt, ist ein wunderbares Beispiel für gelungenen Technologietransfer“, erläutert Prof. Dr. Bernd Witzigmann, Fachgebietsleiter Computational Electronics and Photonics an der Universität Kassel, dessen Arbeitsgruppe die Software entwickelt hat. InterSAFT ist ein Softwarepaket, das hochauflösende grafische Darstellungen und Analysen aus Ultraschall-Messdaten generieren kann, wie sie in der zerstörungsfreien Prüfung von Anlagen und Bauwerken anfallen. Unter Wissenschaftlern und Spezialisten genießt InterSAFT bereits jetzt große Anerkennung.

Proceq und die Tectus Group stellen die Kasseler Technologie nun ihren Kunden weltweit zur Verfügung und entwickeln sie innerhalb der digitalen Asset Management Plattform „Eagle“ weiter, teilt die Firma mit. „Wir haben ein Unternehmen als Partner gefunden, das das technologische Know-How und die Marketingexpertise hat, InterSAFT für die Zukunft aufzustellen und zu erweitern und in den internationalen Markt einzuführen. Damit wird es möglich, wissenschaftliche Spitzenforschung, die von meinem Vorgänger Prof. Dr. em. Karl-Jörg Langenberg initiiert wurde, zur Anwendung und Weiterentwicklung zu führen und damit vielen neuen Nutzern zugänglich zu machen“, sagt Prof. Witzigmann.

Dr. Ralph Mennicke, CEO von Proceq SA ergänzt: „Mit InterSAFT haben wir eine Softwareentwicklung akquiriert, die für alle Anwender von Ultraschall-Prüfverfahren in Zukunft äußerst nützlich sein wird. Wir verhelfen damit Spitzen-Technologie aus der Universität zum Durchbruch und zu einer langfristigen Zukunft, um Anwender weltweit produktiver, präziser und zukünftig auch komplett digital arbeiten zu lassen. Die Akquisition dieser wichtigen Software ist ein sehr gutes Beispiel, wie wir unsere Firmenstrategie nachhaltig umsetzen.“

Marcel Poster, Proceq Executive Chairman und CEO der Tectus Group, ergänzt: „Wir investieren hier in unsere Vorstellungen einer ganzheitlichen Bauwerksinspektion, die intelligente Softwarelösungen und umfassende Sensortechnologie verbindet. Ich freue mich, dass wir die wissenschaftlichen Ergebnisse der Universität Kassel zukünftig umfassend nutzen können.“

Externer Link: www.uni-kassel.de

Beinprothese mit Gespür verbessert die Gesundheit

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 09.09.2019

Erstmals spüren zwei Personen mit Beinamputation oberhalb des Knies ihren künstlichen Fuss und ihr künstliches Bein in Echtzeit. Ermöglicht wird dies durch eine neuartige bionische Prothese mit Sensoren, die mit den Nerven im Oberschenkel verbunden sind. Dank dem Neurofeedback leiden Patienten weniger unter Phantom­schmerzen.

Menschen mit intakten Beinen spüren, wenn sie ihr Knie bewegen oder wenn ihre Füsse den Boden berühren. Ihr Nervensystem nutzt ständig solche sensorischen Rückmeldungen, um die Muskeln präzise zu steuern. Wer eine Beinprothese tragen muss, weiss jedoch nicht so genau, wo sich die Prothese befindet und wie sie sich bewegt. Beim Gehen der Prothese zu vertrauen, ist für diese Personen schwierig, und sie verlassen sich deshalb oft zu stark lediglich auf ihr intaktes Bein. Ihre Beweglichkeit ist daher eingeschränkt, und sie ermüden schnell. Zudem leiden Menschen mit einer amputierten Extremität häufig unter Phantomschmerzen, welchen mit Medikamenten nur schwer beizukommen ist.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Lausanner Start-ups Sensars hat nun eine Schnittstelle entwickelt, um eine Beinprothese mit den Nerven im Oberschenkel der Nutzer zu verbinden und so sensorisches Feedback zu ermöglichen. In einer Studie in Zusammenarbeit mit der Universität Belgrad testeten die Wissenschaftler dieses Neurofeedback-System an zwei freiwilligen Prothesenträgern, denen ein Bein oberhalb des Knies amputiert worden ist.

«Unsere Machbarkeitsstudie zeigt, wie vorteilhaft es für die Gesundheit von Beinamputierten ist, eine Prothese zu haben, die mit neuronalen Implantaten arbeitet, um das sensorische Feedback wiederherzustellen», sagt Stanisa Raspopovic, Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme der ETH Zürich. Er und seine Kollegen berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Medicine.

Künstliche Signale in natürliche umwandeln

In der Studie verwendeten die Wissenschaftler eine kommerziell erhältliche Prothese mit einem elektronischen Hightech-Kniegelenk. An der Sohle des Prothesenfusses befestigten sie Berührungssensoren. Während der dreimonatigen Studiendauer platzierten Chirurgen winzige Elektroden im Oberschenkel der Probanden und verbanden sie mit den dort vorhandenen Beinnerven.

«Das Ziel der Operation war es, Elektroden an den richtigen Stellen im Inneren des Nervs anzubringen, um die Wiederherstellung von lebensechtem sensorischem Feedback zu ermöglichen und die Stabilität der Elektroden zu gewährleisten», sagt Marko Bumbasirevic, Professor und orthopädischer Mikrochirurg am Klinischen Zentrum von Serbien in Belgrad, der für das Implantieren der Elektrode verantwortlich war. Entwickelt wurden die Elektroden von Forschenden der Universität Freiburg i.Br., die Prothesen kamen von der Prothesenfirma Össur, die beide aktiv am Projekt beteiligt waren.

Das Forschungsteam entwickelte Algorithmen, um die Informationen des Tastsensors an der Fusssohle sowie der Bewegungssensoren im elektronischen Kniegelenk in Stromimpulse – die Sprache des Nervensystems – zu übersetzen. Die Elektroden leiteten diese Pulse an den Nerv weiter, und die Natur kümmerte sich um den Rest: die Nervensignale werden ans Gehirn weitergeleitet, die Träger konnten dadurch die Prothese wahrnehmen und ihren Gang entsprechend anpassen. Maschine und Körper wurden so zu einer Einheit.

Geringerer Kraftaufwand beim Gehen

Im Rahmen der Studie absolvierten die Probanden eine Reihe von Tests, abwechselnd mit und ohne Neurofeedback. Die Ergebnisse machten deutlich, wie vorteilhaft das Feedback war: Das Gehen mit Neurofeedback war für die Probanden körperlich viel weniger anstrengend, was sich in einem deutlich reduzierten Sauerstoffverbrauch zeigte. Auch mental war das Gehen mit Neurofeedback weniger anstrengend, wie die Forschende mit Messungen der Gehirnaktivität zeigten. Die Probanden mussten sich nicht so sehr auf das Gehen konzentrieren und konnten Ihre Aufmerksamkeit stattdessen auf andere Aufgaben richten.

In einem schwierigen Test mussten die Probanden über Sand gehen. Das Feedback ermöglichte ihnen, deutlich schneller zu gehen. In Umfragen gaben die Probanden an, dass das Neurofeedback ihr Vertrauen in die Prothese stark erhöhte.

Weniger Phantomschmerzen

Die Schnittstelle zum Nervensystem kann auch dazu genutzt werden, die Nerven unabhängig von der Prothese zu stimulieren. Bevor sie mit der Studie begannen, klagten beide Studienteilnehmer über Phantomschmerzen. Savo Panic, einer der Probanden, wachte nachts oft wegen Phantomschmerzen auf. «Der Zeh, den ich nicht habe, tat mir weh – mein grosser Zeh, mein Fuss, meine Ferse, mein Knöchel und meine Wade, alles schmerzte, und dabei habe ich das alles gar nicht mehr», sagt er. Im Rahmen eines einmonatigen Neurostimulation-Therapieprogramms gelang es den Wissenschaftlern, diesen Schmerz beim einen Probanden deutlich zu reduzieren, bei Panic, verschwand der Schmerz sogar vollständig. «Seitdem ich mit der Neurostimulation begonnen habe, habe ich keine Phantomschmerzen mehr», sagt dieser.

Diese Ergebnisse stimmen die Forschenden optimistisch. Sie weisen jedoch darauf hin, dass eine längere Untersuchung, in der eine grössere Zahl von Probanden das System im Alltag testet, nötig ist, um zuverlässigere Schlussfolgerungen ziehen zu können. Für die zeitlich begrenzte klinische Studie wurden die Signale der Prothese über Kabel durch die Haut zu den Elektroden im Oberschenkel geleitet. Das bedeutete, dass sich die Versuchsteilnehmer regelmässig einer medizinischen Untersuchung unterziehen mussten. Um dies zu vermeiden, wollen die Wissenschaftler ein vollständig implantierbares System entwickeln. «Bei Sensars planen wir die Entwicklung eines drahtlosen Neurostimulationsgerätes, das wie ein Herzschrittmacher vollständig in den Patienten implantiert und auf den Markt gebracht werden kann», sagt Francesco Petrini, CEO von Sensars.

An dem Projekt waren neben der ETH Zürich, den Universitäten Belgrad und Freiburg i.Br., Sensars und Össur auch Forschende der EPFL, der Scuola Superiore Sant’Anna in Pisa, der Universität Montpellier und der Firma mBrainTrain beteiligt.

Publikation:
Petrini FM, Bumbasirevic M, Valle G, Ilic V, Mijović P, Čvančara P, Barberi F, Katic N, Bortolotti D, Andreu D, Lechler K, Lesic A, Mazic S, Mijović B, Guiraud D, Stieglitz T, Alexandersson Á, Micera S, Raspopovic S: Sensory feedback restoration in leg amputees improves walking speed, metabolic cost and phantom pain. Nature Medicine, 9. September 2019, doi: 10.1038/s41591-019-0567-3

Externer Link: www.ethz.ch