Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. aus München auf der MEDICA 2019 in Düsseldorf -- COMPAMED Messe
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MEDICA 2019 Hallenplan (Halle 10): Stand G05, Stand H04

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MEDICA 2019 Geländeplan: Halle 10

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04.11.2019

InnoHealth China fördert Ihre Ideen

eHealth und Bioökonomie 

Das Internationale Forschungsmarketing der Fraunhofer-Gesellschaft unterstützt innovative Technologien oder Prozesse, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler deutscher Forschungseinrichtungen und Akteure von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) sowie Start-ups aus dem deutschen Gesundheitssektor entwickeln. Wer sich bis zum 16. Dezember 2019 bewirbt, hat die Chance an einer einwöchigen Matchmaking Tour zur internationalen Vernetzung in China teilzunehmen, sowie bei einem Workshop in Berlin gezielte Förderinformationen zu erhalten.

Der Call for Ideas & Innovation umfasst inhaltlich anwendungsorientierte Technologien oder Prozesse aus den Bereichen eHealth und Bioökonomie mit den Unterthemen Künstliche Intelligenz und Telemedizin, sowie Biotechnologie & Wirkstoffforschung, individualisierte Gesundheit und gesunde Lebensmittel. Damit zielt InnoHealth China auf die gemeinsame Erforschung und Bekämpfung weltweit verbreiteter Krankheiten und die Vernetzung des deutschen und chinesischen Gesundheitssektors zur Förderung von Kooperationen und Forschungsexzellenz.

 Internationale Vernetzung und Umsetzung Ihrer Ideen
Aus allen Bewerbungen werden 10 ausgewählte Forscher-KMU-Tandems – a jeweils eine Person aus der Wissenschaft und eine aus der Industrie – im März 2020 an einer einwöchigen Matchmaking Tour in China teilnehmen, welche die Fraunhofer-Gesellschaft in Kooperation mit der Außenhandelskammer Peking durchführt. Dort werden die Tandems Forschungseinrichtungen und Unternehmen des Gesundheitssektors in Peking, Guangzhou und Shenzhen besuchen und potentielle Projektpartner auswählen, die sie zu einer einwöchigen Delegationsreise nach Deutschland einladen können. Weitere Informationen, sowie die englischsprachigen Ausschreibungsunterlagen, finden Interessierte unter:
www.research-in-germany.org/innohealth/call.

InnoHealth China
InnoHealth China ist die erste von insgesamt drei Kampagnen im Rahmen der aktuellen Phase von Research in Germany. In den nächsten Jahren werden weitere Kampgengen mit unterschiedlichen thematischen und regionalen Fokussen folgen.

Research in Germany
Die Initiative „Research in Germany", die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) initiiert und finanziert, ist das zentrale Marketing für den Forschungs- und Innovationsstandort Deutschland. Die Initiative wird durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Fraunhofer-Gesellschaft sowie das Internationale Büro des BMBF umgesetzt. Ziel ist es, deutsche Forschungsleistungen und Innovationspotenziale international sichtbarer zu machen und das Forschungsmarketing hiesiger Akteure an Hochschulen, Forschungseinrichtungen sowie kleinen und mittleren Unternehmen zu unterstützen.

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04.11.2019

Ein Stirnband gegen Stress

Neue objektive Messmethode für betriebliches Gesundheitsmanagement

Stress am Arbeitsplatz kann sich in unterschiedlichsten Symptomen zeigen und lässt sich bisher nur subjektiv beschreiben. Kopfschmerzen nach einem Tag im Büro? Erschöpft vom Lärm in der Werkstatt? Stress als mögliche Ursache wird dank Technologien des Fraunhofer IGD jetzt objektiv messbar.

Etwa 40 Millionen Beschäftigte der EU sind nach Einschätzung der Agentur für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz (OSHA) von Stress am Arbeitsplatz betroffen. »Mehr als jeder fünfte Arbeitnehmer sieht seine Gesundheit durch arbeitsbedingten Stress gefährdet«, weiß Dr.-Ing. Gerald Bieber vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Rostock. »Stressfolgen sind Bluthochdruck oder Herzkrankheiten, aber auch psychische Erkrankungen wie Depressionen. Dann fallen die Mitarbeiter über Wochen komplett aus.

Die Auswirkungen für Unternehmen sind enorm.« Die Lösung: ein System, um Stressquellen rechtzeitig zu erkennen und Arbeitsbedingungen zu verbessern. Bisher wurden Arbeitsplätze über Fragebögen und Gespräche auf psychische Belastungen hin analysiert. »Aber das sind subjektive Einschätzungen des Einzelnen, die lücken- oder gar fehlerhaft sein können«, sagt Bieber. »Wir benötigen objektive Messwerte.« Deshalb forscht das Fraunhofer IGD an Sensoren, die die körperlichen Anzeichen von Stress erfassen, unter anderem Augenblinzeln, Puls- und Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung, Hautleitwert und sogar Hirnströme. Die Universität Rostock integriert diese in einem Stirnband, das problemlos während der Arbeit getragen werden kann. Es erfasst auch Umgebungsparameter, etwa Geräuschpegel und Lichteinflüsse. Stressoren wie Lärm, Temperatur oder Licht wirken bei jedem unterschiedlich. »Es gibt immer mehr LED-Beleuchtungen, deren Lichtstärke in sehr schnellem Rhythmus stark variiert«, erklärt Bieber. »Wir nehmen das nicht bewusst wahr, aber unser Gehirn registriert den Reiz eben doch.

Wenn man sich dieses Licht in Zeitlupe anschaut, sieht man, dass es häufig bis zur Hälfte seiner Intensität abfällt oder sogar komplett ausgeht und dann wieder ansteigt. Das strengt an.« Auch bei Neonröhren gibt es diesen Effekt. Um eine Möglichkeit zur Abhilfe zu schaffen, wurde das Projekt SEBA (Sensorbasiertes Erfassungssystem für psychische Belastungen und Beanspruchung am Arbeitsplatz) gestartet. Flexibel einsetzbar sollte das Messsystem sein, sichere Werte liefern können trotz körperlicher Tätigkeit. Entstanden ist ein Stirnband voller Sensoren und Schaltkreise. Die Arbeitenden sollen es etwa vier Stunden tragen, um belastbare Messwerte zu bekommen. Als Grundlage wird der individuelle Ist-Zustand aufgenommen. Der gesamte Vorgang wird über ein Smartphone gesteuert und visualisiert. Dort können auch subjektive Eindrücke eingegeben und in die Auswertung einbezogen werden. »Das ist wichtig für unsere Forschung, um das System weiter verbessern zu können«, so Bieber. Ende dieses Jahres beginnen die ersten Feldtests in einigen Firmen, die einen hohen Leidensdruck wegen hoher Krankenstände haben. Allerdings soll das Messgerät später nicht an die Unternehmen selbst gehen, sondern an externe Berater für betriebliches Gesundheitsmanagement (BGM), die schon jetzt die herkömmlichen Arbeitsplatz-Analysen durchführen. »Die Daten aus unseren Messungen werden selbstverständlich nicht an den Arbeitgeber weitergegeben«, versichert Bieber. »Die Umgebungsdaten gehen an die Berater, sodass Veränderungen am Arbeitsplatz vorgenommen werden können. Und nur, wenn der Mitarbeiter zustimmt, werden auch seine persönlichen Messergebnisse einbezogen.« Im Ergebnis dieser Analyse können bestimmte Faktoren verändert werden – je nachdem, wie der einzelne Arbeitende auf die Stressoren reagiert. »Es wäre leicht, eine Lampe auszutauschen oder eine Trennwand gegen Lärm aufzustellen, um die Mitarbeiter zu entlasten.«

Das Projekt SEBA der Universität Rostock wird vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Beteiligt sind die Firma Hamburg Applications MES, die die Hardware und Firmware entwickelt, die Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. aus Villingen-Schwenningen, die sich mit der Energieoptimierung befasst, die Firma Healthcare X.0 aus Potsdam, welche die Software entwickelt und auf Datenschutz spezialisiert ist, und nicht zuletzt die Universität Rostock, die den psychologischen Part abdeckt. Am Fraunhofer IGD wurde bisher intensiv mit Muster-Erkennung aus Bildern gearbeitet. Nun werde die gleiche Mathematik angewendet, um Muster aus Sensorsignalen zu erkennen, erläutert Bieber.

Die Stressmesseinheit für den Arbeitsplatz wird im November auf der weltgrößten Fachmesse MEDICA in Düsseldorf gezeigt. »Es gibt bisher keine Anwendungen dieser Art im betrieblichen Gesundheitsmanagement«, so Bieber. Das mobile Messgerät hat auch schon bei anderen Fachrichtungen Interesse geweckt, etwa bei Medizinern, die Phobien oder Schlafstörungen behandeln wollen.

Das Fraunhofer IGD präsentiert auf der MEDICA außerdem seinen digitalen Leitstand für die Gesundheitsbranche: Health@Hand ist eine kompakte Informationszentrale für den Einsatz in Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen. Als visueller Leitstand stellt es dem Personal alle Gesundheits- und Verwaltungsdaten übersichtlich anhand eines virtuellen Abbildes der realen Station dar. Health@Hand kann mit allen Daten der Einrichtung interagieren und erfüllt zugleich alle hohen Standards an Sicherheit für diese sensiblen Informationen. Auf diesem Wege laufen notwendige Verwaltungs- und Übergabeaufgaben innerhalb einer Station deutlich schneller und reibungsloser ab. Die gesparte Zeit kommt den Patienten zugute.

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04.11.2019

Gesundheitsvorsorge per App

MEDICA 2019: Prävention durch digitale Helfer von Fraunhofer und Partnern

Apps zur Gesundheitsvorsorge werden immer populärer. Besonders beliebt sind Diagnose-Helfer, die Körper- und Fitnessdaten aufzeichnen. Dennoch halten sich Datenschutzbedenken. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer- Anwendungszentrum SYMILA in Hamm haben zwei Präventions-Apps entwickelt, die den Datenschutz wahren. Während teamFIT sich an Sporttrainer wendet, die den aktuellen Fitnesszustand ihrer Teams überwachen wollen, soll BAYathlon helfen, eine spezielle Form von Herzrhythmusstörung rechtzeitig zu erkennen. Vom 18. bis 21. November präsentiert das Forscherteam die Funktionsweise der Apps auf der MEDICA 2019 in Düsseldorf (Halle 10, Stand G05).

Vorhofflimmern ist eine der häufigsten Herzrhythmusstörungen bei Erwachsenen. Bleibt die Krankheit unentdeckt, kann sie zum Schlaganfall führen. Mit BAYathlon hat ein Forscherteam am Fraunhofer-Anwendungszentrum SYMILA in Hamm, das zum Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT in Sankt Augustin gehört, eine Diagnose-App entwickelt, mit der sich Vorhofflimmern rechtzeitig erkennen lässt. Das Projekt wird von dem Industriepartner Bayer AG gefördert, der eng in die Forschungsarbeiten eingebunden war. Das Unternehmen begleitet das Projekt mit einer Studie.

Die App, die auf allen Geräten ab Android 4.4 und auf iOS ab Version 9.3 läuft, wird in Kombination mit einem Brustgurt oder einem Pulsmesser am Handgelenk genutzt – üblicherweise beim Sport, etwa beim Laufen oder Radfahren. In dem Gurt oder dem Pulsmesser ist ein Herzfrequenzmessgerät integriert, das die Messdaten per Bluetooth an das Smartphone überträgt. BAYathlon wertet im Anschluss die Live-Herzfrequenzdaten aus, die am Display angezeigt werden. »Charakteristisch für Vorhofflimmern ist, dass der Herzschlag innerhalb weniger Sekunden starken Schwankungen unterliegt. Wird ein bestimmter Schwankungsschwellwert überschritten, erkennt der integrierte Algorithmus dies. Bei Auffälligkeiten ertönt ein akustisches Warnsignal«, erläutert Michael Fuchs, Wissenschaftler am Anwendungszentrum SYMILA. Am Display erscheint entsprechend eine Information, die den Sportler darauf hinweist, eine Pause einzulegen. Die Messergebnisse werden darüber hinaus grafisch dokumentiert, sodass Ärzte gegebenenfalls Therapien einleiten können.

Die App wurde bereits mit Hilfe von Testdatensätzen mit einer hohen Erfolgsquote von 95 Prozent geprüft.

Ein weiteres Plus: Die Daten werden in der App gespeichert und dort verarbeitet, ein Internetanschluss ist nicht erforderlich. Sie werden nicht an den Server geschickt, sodass der Datenschutz der Anwender gewährleistet ist. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal: BAYathlon lässt sich in Kombination mit allen Messgeräten nutzen, die Open Source unterstützen.

Verletzungsgefahr dank App minimieren
Mit teamFIT, das auf der Plattform teliFIT basiert, erhalten Trainer ein Tool, um den aktuellen Fitnesszustand der betreuten Sportler objektiv bewerten zu können. Ziel der Präventions-App ist es, frühzeitig zu erkennen, ob ein Spieler droht, wegen einer sich anbahnenden Verletzung längerfristig auszufallen. In diesem Fall kann beispielsweise das Trainingspensum eingeschränkt werden, um so die Belastung des Spielers zu reduzieren. Im Profisport ist es entscheidend, die ideale Balance zwischen Hochbelastung und Ruhephasen zu finden. Hierbei unterstützt die App den Trainer. teliFIT wird bereits vom Handball-Zweitligisten ASV Hamm-Westfalen e.V. genutzt, die App kann jedoch von jedem Sportverein lizensiert werden. Sie unterstützt sowohl iOS- als auch Android-Geräte.

Die Spieler nutzen die App mehrmals täglich vor und nach jedem Training, wobei sie bestimmte Fragen beantworten und unter anderem Angaben zum Allgemeinzustand, zum Schlaf und zum Training machen. Der Trainer erhält die ausgewerteten Daten zu allen Spielern für jeden Tag übersichtlich aufbereitet. Parameter wie WellnessScore, Chronische Belastung, Akute Belastung, EWMA (Exponatiolly Weighted Moving Averages), Frische-Index, ACWR (Acute Chronic Workload Ratio), Monotonie-Index und Beanspruchung, helfen ihm dabei, den Fitnesszustand einzuschätzen. »Die App sorgt dafür, dass die Antworten gegenüber den Mitspielern anonym bleiben. Der Trainer wiederum spart sich zeitaufwändiges Abfragen und Ausfüllen von Excellisten«, sagt Prof. Dr. Harald Mathis, Wissenschaftler am Fraunhofer FIT und Leiter des Anwendungszentrums SYMILA.

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04.11.2019

Magnetresonanz-kompatibles Ultraschallsystem erleichtert Biopsien

MEDICA 2019: Minimalinvasive Diagnostik durch multimodale Bildgebung

Biopsien gehören zu den Standardeingriffen in der interventionellen Radiologie. Besteht der Verdacht auf einen Tumor, ist die Magnetresonanztomographie (MRT) zunehmend die Methode der Wahl, um den Arzt bei der Gewebeentnahme zu unterstützen. Doch für den Patienten sind die mehrfach erforderlichen Scans unangenehm. Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben jetzt ein System entwickelt, das Ultraschall- und MRT-Bilder gleichzeitig erfassen kann. Die so initial erfassten multimodalen Daten werden anschließend permanent aufeinander registriert, so dass der hohe MR-Kontrast mittels Ultraschall außerhalb des Tomographens nutzbar gemacht werden kann. Dadurch ist nur noch ein initialer MR-Scan nötig und die Biopsie kann mit Ultrachall-Echtzeitbildgebung und MR-Kontrast sicher durchgeführt werden. Das MR-kompatible Ultraschallsystem ist vom 18. bis 21. November 2019 auf der MEDICA in Düsseldorf zu sehen (Halle 10, Stand G05).

Bei einem Tumorverdacht lässt sich mit einer Biopsie klären, ob es sich bei einem verdächtigen Knoten nur um eine harmlose oder um eine krankhafte Gewebeveränderung handelt. In der Regel wird die Untersuchung unterstützt durch Magnetresonanztomographie (MRT) durchgeführt, bei der die Patienten liegend in eine Röhre, den Tomographen, geschoben werden.

»Bisher wird der Patient für eine erste Aufnahme in den Tomographen gefahren. Im Anschluss plant der Arzt die Biopsie außerhalb des Geräts. Dabei legt er den Stichkanal fest und führt die Nadel etwas in den Patienten ein. Bei einem zweiten Scan wird die Lage der Nadel kontrolliert. Auf diese Weise führt der Chirurg die Nadel sukzessive immer weiter ein, wobei jedes Mal ein erneuter Scan erforderlich ist, um deren Lage zu kontrollieren«, beschreibt Dr. Marc Fournelle, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT den zeitaufwändigen Vorgang.

Ein Wissenschaftlerteam am Fraunhofer IBMT hat jetzt gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen am Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS und am Universitätsklinikum des Saarlandes im Projekt KoMBUS (Kombination von MR-Bildgebung und Ultraschall) ein MR-kompatibles Ultraschallsystem entwickelt, das den Vorgang zeitlich verkürzt. Ziel von KoMBUS ist es, den Prozess auf einen Scan im MRT zu beschränken und sowohl die Planung des Biopsiepfads als auch die Punktion unter Ultraschallführung zu ermöglichen. Dies bedeutet nicht nur eine Verbesserung für die Patienten. Durch die Optimierung der Untersuchung mittels Kombination der beiden bildgebenden Verfahren lässt sich auch der Aufwand für die Diagnostik deutlich senken. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert das Vorhaben mit 1,4 Mio. Euro. Es läuft bis Ende Dezember dieses Jahres.

Atemlage kann aus Live-Ultraschalldaten identifiziert werden
Mit dem MR-kompatiblen Ultraschallsystem lassen sich Ultraschalldaten parallel zu den MR-Daten aufnehmen und einander zuordnen. Somit erhält der Arzt zu der passenden aktuellen Atemlage MR-Daten, auch wenn der Patient sich nicht mehr im Tomographen befindet. Der Chirurg kann so mittels Ultraschall und MR-Kontrast die Führung der Nadel unter Echtzeitbildgebung ausserhalb des MRT planen. »Während der Patient atmet, verschiebt sich die Lage der Organe im Körper. Für den Operateur besteht die Herausforderung darin, dass er immer in einer Atemlage planen und stechen muss, da sich die Organe durch die Größenänderung der Lunge verschieben. Andernfalls besteht das Risiko, falsch einzustechen und das gewünschte Gewebe nicht zu treffen«, erläutert Fournelle die Problematik.

Die neue Lösung des Fraunhofer-Teams nimmt über mehrere Atemzyklen Ultraschall-(US) und MR-Daten parallel auf, während sich der Patient im MRT befindet. Für jede Atemlage wird ein passendes MR-Bild aufgenommen, auch im Ultraschall werden kontrastarme Läsionen sichtbar. Wenn der Patient aus dem Tomographen gefahren wird, erfasst das System mittels spezieller Algorithmen die aktuelle Atemlage aus den Echtzeit-Ultraschalldaten und sucht aus den vorher aufgenommenen Datensätzen das zur jetzigen Atemlage passende MR-Bild heraus. Mediziner mit weniger Erfahrung erhalten auf diese Weise eine Hilfestellung. Ein weiterer Vorteil: MRT-Zeit ist teuer, zudem sind die MR-Tomographen häufig ausgebucht und besetzt. Das neue MR-kompatible Ultraschallsystem ist ein Baustein zur MR-basierten Biopsie, da mit diesem Ansatz MRT-Zeit eingespart wird, ohne die Versorgungsqualität zu reduzieren.

Das Gerät umfasst neben der Elektronik einen MR-kompatiblen Bildschirm sowie zwei Ultraschallwandler. Eine Ultraschallsonde ist für das Bewegungstracking zuständig – diese wird am Patienten befestigt und nimmt die Ultraschall-Daten in Echtzeit auf. Der zweite bildgebende Wandler erlaubt die Kontrolle der Lage der Nadel nach dem MRT-Scan. Die Planungssoftware, ebenfalls Bestandteil des Systems, wurde am Fraunhofer MEVIS in Bremen entwickelt. Die Software teilt dem Anwender mit, wann der Patient sich in der idealen Atemlage befindet und zeigt die zur aktuellen Lage gehörenden MR-Bilder an. Darüber hinaus wird ein Vorschlag für einen optimalen Punktionspfad (Einstichpunkt und Winkel) gemacht.

Die einwandfreie Funktionsweise der Hard- und Software-Kombination konnte in Tests am Phantom erfolgreich nachgewiesen werden. Klinische Studien wurden bereits beantragt, sie werden voraussichtlich in wenigen Monaten am Universitätklinikum des Saarlandes starten. Die Forscherinnen und Forscher präsentieren einen ersten Demonstrator des Systems vom 18. bis 21. November 2019 auf der Messe MEDICA in Düsseldorf am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 10, Stand G05.

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04.11.2019

Neuronale Netze ermöglichen autonome Steuerung von Kathetern

MEDICA 2019: KI für die endovaskuläre Schlaganfalltherapie

Bei einem Schlaganfall zählt jede Minute, durch schnelles Handeln lassen sich schwere Hirnschäden mindern. Sind große Blutgefäße im Gehirn durch Gerinnsel verstopft, entfernt der Operateur den Verschluss mithilfe eines Katheters, den er in die Leiste des Patienten einführt. Doch der komplizierte Eingriff erfordert viel Erfahrung, nur wenige Spezialisten können ihn ausführen. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher setzen auf Künstliche Intelligenz, um den Katheter autonom, computergesteuert, zuverlässig und schnell zum Ort des Eingriffs zu navigieren. Erste Tests im Simulationsmodell und am Prüfstand sind vielversprechend. Vom 18. bis 21. November präsentiert die Forschergruppe die Funktionsweise ihrer neuen Methode auf der MEDICA 2019 in Düsseldorf an einem Gefäßphantom (Halle 10, Stand G05).

Etwa 270 000 Menschen erleiden hierzulande jedes Jahr einen Schlaganfall – eine plötzliche Durchblutungsstörung im Gehirn. Diese muss schnellstens ärztlich behandelt werden. Andernfalls sterben so viele Gehirnzellen ab, dass der Patient bleibende Schäden wie Lähmungen oder Sprachstörungen davonträgt oder sogar stirbt. Ärzte therapieren den Hirnschlag immer häufiger durch eine Thrombektomie, einen Eingriff, bei dem über einen Gefäßzugang in der Leiste ein dünner Katheter über die Hauptschlagader bis in das verschlossene Hirngefäß vorgeschoben wird. Im Bereich des Gefäßverschlusses öffnet sich ein sogenannter Stent-Retriever – ein winziges korbähnliches Geflecht – und verhakt sich mit dem Gerinnsel. Beim Zurückziehen des Katheters bleibt der Pfropfen an der Geflechtstruktur hängen und wird so entfernt. Dieses Verfahren dauert 45 Minuten bis zu 3,5 Stunden, je nach Expertise des Operateurs. Die Thrombektomie setzt eine lange Ausbildung und viel Übung voraus. Allein zehn bis 90 Minuten benötigt der Mediziner – je nach Patient –, um den Katheter zum Blutgerinnsel zu navigieren. Diese Problematik adressieren Forscherinnen und Forscher der Mannheimer Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB, die an das Fraunhofer-Institut für Automatisierung und Produktionstechnik IPA angegliedert ist. Mithilfe eines robotischen Assistenzsystems – einem computergesteuerten Katheter – wollen sie eine zuverlässigere und schnellere Variante der Therapie etablieren. Die Besonderheit: Der Katheter wird durch Methoden der Künstlichen Intelligenz autonom zum Ort des Eingriffs navigiert. »Die Operation selbst, also das Herauslösen des Blutpfropfens mithilfe des Stent-Retrievers, führt nach wie vor der Arzt durch. Aber die komplizierte Navigation dorthin, bei der schwierige Anatomien zu überwinden sind, soll künftig ein autonom gesteuerter Katheter erledigen«, sagt Johannes Horsch, Wissenschaftler der Projektgruppe. »Die autonome Intervention per Katheter eignet sich aber nicht nur bei einem Schlaganfall, sie lässt sich vielseitig anwenden, etwa bei der endovaskulären Operation von Herzinfarkten oder Lebertumoren«, betont der Ingenieur.

Autonome Navigation durch Deep Reinforcement Learning
Ermöglicht werden soll die autonome Navigation durch Deep Reinforcement Learning (DRL), eine Methode, mit der sich neuronale Netze trainieren lassen. Sie ähnelt der Art, wie Menschen lernen. Die Besonderheit von DRL: Der Algorithmus generiert die Daten zum Trainieren des neuronalen Netzes eigenständig durch permanentes Üben am Computer-Simulationsmodell – einer virtuellen Nachbildung eines Gefäßbaums und Katheters, mit der der reale Algorithmus interagieren kann. Die Forscher haben dazu einen zusätzlichen Bewertungsalgorithmus entwickelt, der bewertet, ob die jeweilige Aktion richtig oder falsch ist. Wird der Führungsdraht korrekterweise nach rechts gedreht und an der Verzweigung in das dortige Gefäß geschoben, so erhält der Algorithmus einen Pluspunkt beziehungsweise einen Zahlenwert von beispielsweise »+1«. Bei einer falschen Aktion lautet der Zahlenwert entsprechend »-1«. Auf Basis dieser Rückmeldungen lernt der Algorithmus eigenständig, und das neuronale Netz wird laufend entsprechend angepasst und optimiert. »Mit dem Modell können wir virtuell alle möglichen Bewegungen des Katheters simulieren und das neuronale Netz bis zu einem gewissen Stadium trainieren. In bisherigen Tests am Simulationsmodell waren wir in 95 Prozent der Fälle erfolgreich, sprich der Katheter konnte in einem vereinfachten Szenario problemlos autonom zum Gefäßverschluss navigiert werden. Bis zum Start der MEDICA wollen wir jedoch eine Erfolgsquote von 99 Prozent erzielen«, sagt Horsch.

Damit der Mediziner die autonome Navigation während des Eingriffs nutzen kann, muss der Katheter im Patienten in Echtzeit lokalisiert werden. Hieran arbeitet der Projektpartner, das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS. Dort entwickeln die Experten einen »intelligenten Katheter«, der sich mittels faser-optischer Sensorik und ohne Bildgebung im Gefäßsystem lokalisieren lässt. Außerdem trainieren sie neuronale Netze zur Extraktion des Katheters aus fluoroskopischen Bilddaten. Im nächsten Schritt werden die im Simulationsmodell generierten Ergebnisse auf Phantome übertragen, einer Nachbildung eines Gefäßbaums aus Kunststoff.

Steuerungsalgorithmus vereint Erfahrungswissen von vielen Ärzten
Der Steuerungsalgorithmus wird das Erfahrungswissen von vielen Ärzten umfassen und infolgedessen ein schnelleres Navigieren durch den Körper erlauben. Vor allem aber wird die große Streuung der sehr unterschiedlichen Dauer der Eingriffe, bedingt durch die variierenden Anatomien der Patienten, vermieden. Ein weiterer Vorteil: Insbesondere kleine Kliniken, die nicht über entsprechend ausgebildete Spezialisten verfügen, sollen künftig von dem Verfahren profitieren. Sie wären dann in der Lage, endovaskuläre Schlaganfalltherapien durchzuführen, bei denen Katheter zum Einsatz kommen. Diese Eingriffe können in der Regel nur in spezialisierten Schlaganfallstationen – sogenannten Stroke Units – durchgeführt werden.

Komplexes Zusammenspiel zwischen Katheter und Draht
Derzeit navigieren die Forscher in ihren Simulationstests einen Führungsdraht, im nächsten Schritt starten die Untersuchungen mit einem Katheter, der den Draht ummantelt. »Bei einer realen Operation ist der Katheter über den Draht geschoben. Der Katheter wird nachgeschoben, wenn der Führungsdraht in das richtige Gefäß navigiert wurde«, sagt Horsch. Ziel des Teams ist der Einsatz von zwei oder drei ineinanderliegenden Kathetern, die immer kleiner werden, um in die filigranen Blutgefäße im Kopf zu passen, die wesentlich enger sind als die Gefäße etwa in der Leistenregion.

Bis zum Projektende im September 2020 werden die Forscherinnen und Forscher in präklinischen Untersuchungen den Steuerungsalgorithmus am Silikonphantom perfektionieren, das den gesamten Gefäßbaum von der Leiste bis zum Kopf nachbildet. In Anschlussprojekten soll das System insbesondere hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Sicherheit weiterentwickelt werden. Daran anschließend sind für klinische Studien zum Nachweis der Sicherheit und Wirksamkeit etwa vier bis fünf Jahre anberaumt. »Es wird sicher noch zehn bis 15 Jahre dauern, bis das System kommerziell in Kliniken eingesetzt werden kann, zuvor sind umfangreiche Forschungsarbeiten sowie klinische Studien erforderlich. Von Gesetzgeberseite ist darüber hinaus die rechtliche regulatorische Zulassung von neuronalen Netzen in der Medizin zu klären«, resümiert der Wissenschaftler. Den Stand ihrer Forschung demonstrieren der Ingenieur und seine Kollegen vom 18. bis 21. November auf der MEDICA in Düsseldorf (Halle 10, Stand G05).

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04.11.2019

Sanftere künstliche Beatmung

Fraunhofer-Technik auf der MEDICA 2019: Intensivmedizin für Frühgeborene

In der Intensivmedizin ist die künstliche Beatmung häufig das letzte Mittel, um das Leben eines Patienten zu retten. Leider kann sie mit akuten oder chronischen Lungenschädigungen einhergehen – insbesondere wenn das Beatmungsgerät gegen den Atemimpuls des Patienten arbeitet. Forscherinnen und Forscher der Mannheimer Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie entwickeln einen neuartigen Sensor, mit dessen Hilfe gerade bei Frühgeborenen und Kindern die Beatmung sanfter gestaltet werden soll. Ein Prototyp des Sensors ist vom 18. bis 21. November 2019 auf der MEDICA in Düsseldorf zu sehen (Halle 10, Stand G05).


In der intensivmedizinischen Pflege von Frühchen ist eine künstliche Beatmung aufgrund der unterentwickelten Lunge häufiger notwendig. Dabei können verschiedene Komplikationen auftreten: Ein Volutrauma entsteht, wenn das Beatmungsgerät zu viel Luft in die kleine Lunge presst. Zu einem sogenannten Barotrauma kommt es, wenn der Apparat Luft mit zu hohem Druck einleitet, besonders wenn das Frühchen eigentlich gerade ausatmen möchte. Um beides zu vermeiden, gehen die Ärzte bei den Kleinsten besonders vorsichtig vor. Beispielsweise wird der Tubus nicht wie beim Erwachsenen luftdicht mit der Luftröhre abgedichtet. So kann immer ein wenig Luft entweichen und das Risiko eines Traumas wird verringert. Die optimale Beatmung der kleinen Patienten wird dadurch jedoch erschwert.

Jan Ringkamp und Dr. Jens Langejürgen von der Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA arbeiten deshalb an einem sanfteren Verfahren. Thorax-Monitoring heißt der kleine Apparat, den die Forscher entwickelt haben. »Im Prinzip ist das ein Messgerät, das erkennt, ob ein künstlich beatmeter Patient gerade ein- oder ausatmen möchte«, erklärt Ringkamp. »Damit wäre ein Beatmungsgerät in der Lage, sich ohne Verzögerung an die Wünsche des Patienten anzupassen. Keine Volu- oder Barotraumata mehr und eine optimale Beatmung – so die Vision.«, ergänzt Langejürgen.

Thorax-Monitoring erkennt den Wunsch des Patienten
Das Thorax-Monitoring verwendet zwei Antennen, die sich auf oder neben dem Brustkorb des Patienten anbringen lassen. Die eine sendet eine elektromagnetische Welle aus, die andere empfängt sie. Dabei machen es sich die Wissenschaftler zunutze, dass Muskeln, Fett und Gewebe andere elektrische Eigenschaften besitzen als die Atemluft in der Lunge. Klingt kompliziert, ist aber ganz einfach: Beim Einatmen füllen sich die Lungenflügel mit Luft und dehnen sich aus. In der Luft kommt die elektromagnetische Welle schneller voran als im Gewebe. Beim Ausatmen ist es umgekehrt: Die Lungenflügel fallen in sich zusammen, die elektromagnetische Welle muss sich vor allem durch Gewebe kämpfen und kommt langsamer vorwärts.

Es gibt also einen deutlich messbaren Unterschied zwischen Ein- und Ausatmen, den das Thorax-Monitoring registriert. Das funktioniert auch bei Frühchen und anderen Patienten, die nicht selbst atmen können, dies aber versuchen. »Selbst wenn sich die Lunge nur minimal ausdehnt oder zusammenzieht, wirkt sich das auf den Signalverlauf aus. Wir können im Labor nachstellen, dass wir Änderungen deutlich unter einem Milliliter identifizieren können«, erklärt Ringkamp. »Thorax-Monitoring erkennt also sozusagen den Wunsch des Patienten und kann das Beatmungsgerät anweisen, ihn dabei zu unterstützen. Ein Vorteil unseres Ansatzes besteht darin, dass wir den Patienten hierfür nicht berühren müssen. Dies ist gerade bei der empfindlichen Haut von Frühchen wichtig«, so Langejürgen.

Einen frühen Prototyp haben die Wissenschaftler bereits gebaut und getestet. Im November stellen sie ihn auf der MEDICA dem Fachpublikum in Halle 10 am Stand G05 vor. Zu sehen ist auf dem Messestand eine kleine Puppe, die an einen Beatmungsbeutel angeschlossen ist und von Besuchern beatmet werden kann. Der Körper der Puppe ist mit Wasser gefüllt, ihre künstliche Lunge verdrängt das Wasser im Körper, auf ihrem Brustkorb sind die beiden Antennen angebracht. Ein Bildschirm zeigt das verarbeitete Signal des Thorax-Monitoring.

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The Fraunhofer-Gesellschaft is the leading organization for applied research in Europe. Its research activities are conducted by 72 institutes and research units at locations throughout Germany. The Fraunhofer-Gesellschaft employs a staff of more than 26,600, who work with an annual research budget totaling 2.6 billion euros. Of this sum, 2.2 billion euros is generated through contract research. Around 70 percent of the Fraunhofer-Gesellschaft’s contract research revenue is derived from contracts with industry and from publicly financed research projects. International collaborations with excellent research partners and innovative companies around the world ensure direct access to regions of the greatest importance to present and future scientific progress and economic development. 

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> 5000

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1949