Roboter entwickeln für Rehabilitation und Service in der Klinik

Mobile Roboter könnten in Zukunft Patienten und Klinikpersonal unterstützen und entlasten. Das Lübecker Uni-Institut für Technische Informatik (ITI) forscht in diesem Bereich und entwickelt gemeinsam mit Unternehmenspartnern Robotik-Anwendungen für den Einsatz in der Rehabilitation und in den Servicebereichen der Klinik. Das ITI beteiligt sich mit diesem Thema an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“.

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Einen schon recht ausgefeilten Hand-Trainingsroboter für Schlaganfallpatienten kann Professor Erik Maehle bereits zeigen (s. Bild). Der promovierte Informatik-Ingenieur hat das ITI in den 90er Jahren aufgebaut und leitet es bis heute. „Wir haben uns die klinischen Anforderungen bei der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten genau angesehen und dann den Prototypen eines haptischen Handschuhs entworfen, der ein sinnvolles Greiftraining ermöglicht“, erklärt Maehle den Arbeitsansatz in diesem Projekt. Die technische Basis bilden hier ein parametrisierbares Exoskelett der Hand und ein umfassendes System von Sensoren und Aktoren, sodass die Greifbewegung des Trainierenden genau erfasst und durch erzeugte Widerstandskräfte gezielt angeregt werden kann.

Auch für die Rotationsbewegung der Hand steht am Institut bereits ein prototypisches Trainingssystem zur Verfügung. Hier arbeitet der Patient gegen einen einstellbaren Motor an. „Bei diesen und anderen Systemen verfolgen wir stets das Ziel, möglichst effiziente und kostengünstige Geräte zu bauen, die im Falle der Rehabilitationsroboter möglichst auch beim Patienten zu Hause einsetzbar sein sollen“, so der ITI-Chef. Er sieht sein Institut als forschenden Entwicklungspartner für die Hersteller: „Neben der Entwicklung und dem Bau solcher Demonstratoren oder Prototypen unterstützen wir die Medizintechnik-Unternehmen auch mit umfassenden Machbarkeitsstudien und begleitender Evaluierung.“ Dabei kooperiere das ITI praxisnah mit den Kliniken des UKSH.

In den Kliniken sieht Maehle zukünftig gerade im Bereich der Service-Roboter weitere Anwendungsgebiete. Abgeleitet aus einem laufenden ITI-Projekt in der Logistik-Industrie denken die ITI-Experten über selbststeuernde Transportroboter nach, die zum Beispiel Essen selbstständig ausliefern könnten. „Solche autonomen Auftragssysteme erhalten ihre Aufträge etwa durch Sprach- oder Gestenanweisungen von Mitarbeitern, erledigen ihre Aufgaben dann aber selbsttätig auch und gerade in offenen Umgebungen wie Krankenhaus-Räumen“, erläutert Maehle das Konzept, das er mit „out of the box“ beschreibt. Will sagen: Solche Roboter sind so vorkonfiguriert, dass man sie „aus dem Karton“ holen und sofort „losfahren“ lassen kann. Dank ihrer Orientierungs-, Selbststeuerungs- und Selbstlern-Funktionalitäten passen sie sich neuen Aufgaben und Umgebungen erfolgreich an. Maehle weiter: „Solche Systeme können auch über den Transport- oder Service-Bereich hinaus eingesetzt werden, zum Beispiel als Pflege- und Assistenz-Systeme. Auch an solchen Zukunftsanwendungen arbeiten wir mit unseren klinischen und industriellen Partnern.“

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Lübecker Gefäßchirurgen als Entwicklungspartner für Medizintechnik-Hersteller

Der Bereich Gefäßchirurgie der Lübecker Uni-Klinik für Allgemeine Chirurgie engagiert sich zusammen mit vielen anderen Kliniken des UKSH im Projekt „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“. Bereichsleiter Dr. Markus Kleemann sieht große Potenziale für eine enge Zusammenarbeit mit den Herstellern von medizintechnischen Geräten insbesondere in den aktuellen Lübecker Forschungs- und Entwicklungsgebieten hybride Operationsverfahren, Navigation, 3D-Prototyping, Durchblutungsmessung und Ultraschalldiagnostik.

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Die Lübecker Gefäßchirurgen arbeiten schwerpunktmäßig an Diagnose und Therapie von Aortenaneurysmen (Aussackungen der Hauptschlagader), Carotisstenosen (Verengungen der Halsschlagader) und der Arteriellen Verschlusskrankheit (Gefäßverengungen in den Beinen, sogenannte „Schaufensterkrankheit“). „In allen Bereichen haben wir langjährige Erfahrung auch in hybriden Operationsverfahren, bei denen im Rahmen einer Operation sowohl mit konventionellen als auch mit minimalinvasiven Techniken gearbeitet wird, worauf unsere Operateure und unsere Operationssäle vorbereitet sind“, erklärt Kleemann.

Ein besonderes Interesse haben die Lübecker Gefäßexperten in den letzten Jahren für den Bereich der navigationsgeführten Untersuchungen und Eingriffe entwickelt. „Wir arbeiten unter anderem an einem neuen Verfahren zur minimalinvasiven Therapie des Aortenaneurysmas, bei dem wir die nötige Stent-Prothese mithilfe einer innovativen 3D-Glasfasernavigationstechnologie platzieren“, erläutert der 44-jährige Oberarzt. Der Prototyp eines solchen anspruchsvollen Echtzeit-Bildverarbeitungs- und Instrumentensystems werde gerade getestet.

Dabei kommt auch die dritte Kernkompetenz der Lübecker Gefäßspezialisten zum Einsatz, das 3D-Rapid-Prototyping. In Zusammenarbeit mit Partner-Einrichtungen auf dem Lübecker Campus werden patientenindividuelle Modelle – im Beispiel: der Aorta – im 3D-Drucker hergestellt, die eine exakte und effiziente Planung des späteren Eingriffs ermöglichen. „Die komplexe, zeitaufwendige Daten-Aufnahme und Bildsegmentierung, die für die geführte Navigation notwendig ist, findet also schon vor der Operation statt“, so Kleemann. Das gesamte Verfahren sei darauf ausgelegt, dass für den Patienten die Kontrastmittelgabe und die Strahlenbelastung gegenüber der klassischen zweidimensionalen Angiografie mit Durchleuchtung erheblich reduziert werde.

Auf dem Gebiet der Durchblutungsmessung konnte in Lübeck bereits ein neues optisches Messgerät erfolgreich im Darmbereich getestet werden, das mit der fluoreszierenden Wirkung des Kontrastmittels Indigocyaningrün arbeitet. Hier kann Kleemann sich perspektivisch einfach anzuwendende Messgeräte auch für den Patienten zuhause vorstellen.

Große Entwicklungs- und Zukunftschancen sieht der Gefäßchirurg auch im Bereich der Ultraschall-Technologie. „Wenn es uns gelingt, Gefäßverengungen von außen durch hochfokussierten Ultraschall zu beheben, hätten wir ohne Operation eine große Entlastung für den Patienten erreicht. Solche Verfahren und Geräte werden kommen“, prophezeit Kleemann. Außerdem erwartet er Fortschritte hin zu einer automatisierten Ultraschall-Diagnostik von der Zusammenarbeit mit den Robotik-Experten der Lübecker Universität: „Warum sollen wir nicht in absehbarer Zeit einfache, standardisierte Ultraschall-Untersuchungen von darauf spezialisierten, extrem genau und zuverlässig arbeitenden Robotern machen lassen?“

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Drahtlose Kommunikation in der Klinik

Das Kompetenzzentrum „CoSA“ der Fachhochschule Lübeck unterstützt Medizintechnik-Hersteller bei der Entwicklung von störungsfreien drahtlosen Kommunikationssystemen für den Einsatz in der Klinik. Das Team von Professor Horst Hellbrück beteiligt sich mit seinen Dienstleistungsangeboten an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“.

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Doktorand Mathias Pelka (links) und Professor Horst Hellbrück demonstrieren eine Lokalisationsanwendung im mit Ultrabreitbandempfängern ausgestatteten Laborraum. Auf dem Monitor sieht man als rotes Kästchen den Ort, an dem sich der kleine Sender (in der Hand von M. Pelka) im abgebildeten Raum befindet.

Der Name „CoSA“ steht für „Communication – Systems – Applications“. CoSA ist Teil des Kompetenzzentrums Medizintechnik „TANDEM“ der Universität und der Fachhochschule auf dem gemeinsamen BioMedTec-Campus. Im Fokus der Zusammenarbeit mit entwickelnden Geräteherstellern liegen die Themen „robuste“ Vernetzung und Lokalisation. Auf beiden Gebieten stehen die aktuell 13 CoSA-Mitarbeiter mit ihrer wissenschaftlichen und anwendungserfahrenen Kompetenz sowohl für Prüfverfahren und Machbarkeitsstudien als auch für die konkrete Entwicklung von Geräte-Komponenten und Systemen bis hin zum Prototypen zur Verfügung.

„Jeder kennt das vom WLAN zuhause, wenn zufällig alle Nachbarn auf dem gleichen Übertragungskanal surfen und es spürbar langsamer wird: Funksysteme sind durchaus belastungs- und störanfällig. Im klinischen Alltag aber müssen sie aus Sicherheitsgründen möglichst störungsfrei funktionieren – wir sprechen dann von robuster Vernetzung“, erläutert Horst Hellbrück die Problemlage im Bereich der Drahtloskommunikation. Das CoSA-Team hat einen Funktionstest entwickelt, der gegebene Funkstrecken untersucht. Der Test geschieht in einem Umfeld, in dem verschiedene Funkstandards (wie WLAN, Bluetooth usw.) zur Vernetzung oder Bedienung von Geräten im Einsatz sind, die sich gegenseitig stören können. „Wir haben damit zum Beispiel mit Erfolg die Robustheit der Fernbedienung eines OP-Tisches getestet“, so Hellbrück.

Aber es geht CoSA nicht nur ums Testen und Prüfen, sondern auch um die zukunftsfähige Optimierung von drahtlosen Übertragungssystemen einschließlich der Entwicklung von Hardware- und Software-Komponenten. Hellbrück berichtet etwa von einem neuen, in der Entwicklung befindlichen Übertragungsgerät („Transceiver“, Sende-Empfangs-Anlage), das in der Lage sein wird, sich selbst automatisch zu konfigurieren und so potenziellen Störungen regelrecht auszuweichen: „Ein solcher Transceiver kennt alle möglichen Funkstandards und umgeht dank intelligenter Software mögliche Interferenzen. In der Endausbaustufe können solche Geräte sich dank integrierter Umgebungssensoren, die ihrerseits miteinander kommunizieren, auf weitere mögliche Störquellen im Umfeld einstellen und die Übertragung adaptiv sicherstellen.“

Drahtlos funktionieren auch neuartige Lokalisationssysteme, die das Lübecker FH-Team entwickelt. Wesentliche Bestandteile sind hier kleine drahtlose Sender, die eine sehr genaue Ortung von damit ausgestatteten Personen oder Gegenständen ermöglichen. „Hierfür verwenden wir sogenannte Ultrabreitbandsignale mit einem extrem großen, gut skalierbaren Frequenzbereich und entwerfen neue adaptive Filter, damit die Geräte ein Objekt auch tatsächlich schnell und zuverlässig verfolgen können“, erläutert Doktorand Mathias Pelka.

In einem aktuellen CoSA-Projekt kommt das Lokalisations-Know-how der Lübecker bereits einem patientennahen System zugute. „Wir arbeiten an einem Zwei-Sensor-System für die invasive Blutdruckmessung während der Operation“, berichtet Professor Hellbrück. „Dabei geht es unter anderem um die automatische Korrektur des Mess-Referenzpunktes, wenn der Patient sich bewegt oder bewegt wird. Dazu bauen wir den Prototypen eines drahtlosen Sensoren-Netzwerks, das die Positionsbestimmung optimieren soll.“

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vgl. auch: www.industrie-in-klinik.de

Orthopädische Hilfsmittel werden intelligent

Im Labor für Biomechanik und Biomechatronik der Lübecker Uni-Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie entwickeln Ärzte und Ingenieure in Zusammenarbeit mit Medizintechnik-Herstellern neuartige orthopädisch-technische Hilfsmittel. Die „intelligenten“ Korrekturhilfen sollen zukünftig den Heilungsverlauf etwa nach Knochenbrüchen oder Kreuzband-Operationen individuell optimieren. Die UKSH-Biomechatronik-Experten beteiligen sich mit ihrer Expertise und Erfahrung an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“.

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Robert Wendlandt (links, mit Smartphone zur Auswertung der Sensor-Daten) und Arndt P. Schulz mit dem „fühlenden“ Orthesen-Stiefel (und einem „intelligenten“ Sensor-Chip auf dem Monitor)

„Biomechatronik“ verbindet als Wissenschaft die Bereiche Biologie, Mechanik und Elektronik. Insbesondere sucht der medizinisch orientierte Biomechatroniker in dieser Verbindung dreier Wissenswelten nach Anwendungen, die dem Menschen konkret helfen. Heraus kommen dann unter anderem „intelligente“ orthopädische Systeme. Ihre „Intelligenz“ besteht darin, dass sie neben der rein mechanischen Funktionalität – zum Beispiel einer Knochenverbindungsplatte – auch über Sensoren und Aktoren verfügen, die mit bestimmten Auswertungs- und Steuerungsalgorithmen zu einem System integriert werden, das den Heilungsprozess mit sinnvollen Einstellungen und Vorschlägen optimieren hilft.

„Wir Orthopäden suchen immer nach der biomechanischen Optimierung, nach dem bestmöglichen Vorgehen bei der Unterstützung des Heilungsprozesses des einzelnen Patienten. Die intelligenten Systeme können zukünftig dabei helfen, ob von außen angewendet oder fest implantiert“, erläutert Professor Dr. Arndt P. Schulz das Ziel dieser Entwicklungsarbeit. Schulz leitet den Forschungsbereich der Klinik für Orthopädie. Sein Laborleiter Dr. Robert Wendlandt ergänzt: „Die Frage ist zu jedem Zeitpunkt: Welche Belastungseinstellung fördert jetzt am besten die Wiederherstellung, also beispielsweise das Zusammenwachsen des gebrochenen Knochens?“

Für genau diesen Beispielfall haben die Lübecker Biomechatroniker bereits ein von außen am Knochen zu fixierendes Haltesystem mit Kraftsensoren, kleinen Motoren und intelligenter Steuerung gebaut, das im Prinzip die optimalen Behandlungseinstellungen über Wochen und Monate vollautomatisch vornehmen kann – ganz ohne die sonst mehrmals täglich nötigen manuellen Einstellarbeiten am traditionellen Fixateursystem. Zur Kontrolle können die Kraft-Messdaten über eine Mobil-App oder das Internet dem behandelnden Arzt zur Verfügung gestellt werden. Ähnlich funktioniert die Stiefel-Orthese (Bild), die aktuell entwickelt wird. „Der Schuh, der in der Sohle fühlen kann, liefert uns direkte, harte Infos über den Belastungszustand am Ort des Heilungsgeschehens und über das tatsächliche Auftritt-Verhalten des Patienten nach der Fuß-OP, also nicht nur indirekte Eindrücke durch bildgebende Verfahren“, erklärt Professor Schulz den Vorteil solcher Systeme für Arzt, Patient und Physiotherapeut. „Den Zusammenhang solcher Daten mit dem subjektiven Schmerzempfinden der Patienten untersuchen wir gerade in einer umfangreichen klinischen Studie.“

Ähnliche Systeme gibt es bald auch als Implantate. „Wir haben den Prototypen eines Sensors entwickelt, der zum Beispiel nach einer Kreuzband-Operation fest implantiert werden kann“, erklärt Robert Wendlandt. Der Sensor misst ständig verschiedene Parameter, insbesondere Längenveränderungen und Kraft. „Die Daten werden dann über Bluetooth an eine momentan entwickelte Unterstützungs-App auf dem Smartphone gesendet, die konkrete Verhaltensratschläge etwa zur aktuellen Belastungsgrenze gibt, wie man das von den modischen Fitness-Trackern kennt“, so der Ingenieur.

Das Lübecker Labor ist für die Entwicklungszusammenarbeit mit Herstellern von orthopädischen Hilfsmitteln komplett ausgestattet, sodass hier auch die Eigenherstellung von Prototypen einschließlich der gesamten Mikroelektronik möglich ist. Arndt-Peter Schulz betont darüber hinaus: „Als Entwicklungspartner bieten wir den Herstellern neben langjähriger Erfahrung und umfassender Kompetenz auch den Zugang zu relevanten Klinikern und Test-Anwendern vor Ort – und vor allem eine tiefgehende Beratung mit dem gemeinsamen Ziel einer anwendernahen Produktentwicklung und Produktevaluation.“ Nicht selten entständen auf diese Weise gemeinsame Publikationen wie Projekt- oder Testberichte, Usability-Analysen und andere, auch zulassungs- und vermarktungsrelevante Dokumentationen sowie Postmarket- und Nachuntersuchungsstudien.

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Lübecker Augenärzte entwickeln Lasersystem für die Behandlung von Frühgeborenen

Die Lübecker Klinik für Augenheilkunde des UKSH gehört zu den deutschlandweit führenden Einrichtungen insbesondere im Bereich der Erkrankungen der Netzhaut. Das Team von Klinikleiter Professor Dr. Salvatore Grisanti beteiligt sich gemeinsam mit anderen Kliniken des UKSH-Campus Lübeck an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“. Ein beispielgebendes aktuelles Entwicklungsprojekt zielt auf die Miniaturisierung und leichtere Handhabbarkeit von Lasersystemen, die insbesondere für die Behandlung von Frühgeborenen eingesetzt werden sollen.

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Bei frühgeborenen Säuglingen kommt es vor, dass ihre Netzhaut nach der Zeit im Inkubator in abnormer Weise reift. Die Babys drohen durch Wucherungen „unreifer“ Netzhautgefäße zu erblinden. Wird dieses Phänomen rechtzeitig erkannt, kann der Augenarzt den Wucherungsprozess stoppen, indem er die abnorme Netzhaut mit dem Laser verödet. „Bei diesen und anderen selbst nicht so beweglichen Patienten kommt es darauf an, das portable Lichtlupen-Instrument zur Untersuchung des Augenhintergrundes – das Kopf-Ophthalmoskop – und das eigentliche Behandlungsinstrument – den Laser samt Auslöser – in ihrem Zusammenspiel so zu optimieren, dass der Arzt mit größter Flexibilität, Sicherheit und Effektivität arbeiten kann“, erklärt Salvatore Grisanti. Sein Team arbeitet deshalb gemeinsam mit einem Gerätehersteller daran, eine bestimmte Lasertechnologie handhabungstechnisch zu erneuern: „Wir haben beim Laser einen effektiven Wellenlängen-Standard wiederentdeckt, der aber bisher nur in großen Geräten verwendet wird. Für uns geht es nun um die Miniaturisierung, damit die Gesamtergonomie bei der Behandlung verbessert wird.“ Projektziel sei es insbesondere, ein kompaktes und leichtes Gesamtsystem zu entwickeln, das es dem Behandler erlaubt, auf einfachste Weise mit spezieller Laserauslösung zu arbeiten, ohne einer anderen bedientechnischen Ablenkung ausgesetzt zu sein, wie es derzeit der Fall ist.

Aber nicht nur in diesem Bereich sieht Klinikchef Grisanti große Potenziale für eine enge Zusammenarbeit seiner Klinik mit den Herstellern von medizintechnischen Geräten. „Wir entdecken ständig neue technische Entwicklungsbedarfe für eine noch bessere Behandlung unserer Patienten und suchen gemeinsam mit engagierten Herstellern nach zielführenden Anwendungslösungen“, so der Augenarzt.

Ein weiteres Beispiel ist ein Entwicklungsprojekt im Bereich der „Beschichtung“ von unterschiedlichen Implantaten, die intraokular (im Auge) eingesetzt werden. In Kooperation mit einem innovativen Hersteller und mit Spezialisten für Nanotechnologie testen die Lübecker Augen-Forscher den Einsatz einer Beschichtung von intraokularen Implantaten. Hierzu gehören künstliche Linsen zur Behandlung des „Grauen Stars“ (Linsentrübung) oder Drainagesysteme für den „Grünen Star“ (Erkrankung des Sehnerven). „Wir hoffen, Nano-Beschichtungen zu finden, mit denen die Implantate unanfällig für Abkapselungsprozesse werden und somit die Funktionsfähigkeit langfristig erhalten bleibt“, erläutert Prof. Grisanti.

Im Labor der Lübecker Augenklinik wird auch daran gearbeitet, künstliche Hornhäute zu züchten. „Die Hornhaut-Transplantation ist die häufigste Transplantation überhaupt“, berichtet Salvatore Grisanti. Da nicht genügend Spender zur Verfügung stehen, sei es sinnvoll, an Alternativen zu forschen. Sein Team erziele zurzeit erste Labor-Erfolge auf Basis eines Quallen-Kollagens.

Die Bandbreite der Innovationsthemen umfasst auch die Digitalisierung. Die Lübecker Universitäts-Augenklinik ist die deutschlandweit führende Klinik der Maximalversorgung im Hinblick auf die Umsetzung einer integrierten elektronischen Patientenakte im Klinik-Informationssystem. Derzeit wird die Weiterentwicklung mit Anbindung der vielfältigen Diagnostikmöglichkeiten in der Augenheilkunde fokussiert. „Die umfassende Bereitstellung und zielführende Auswertung von Patientendaten bringt uns einer optimalen Versorgung in effizienten Prozessen näher“, stellt Klinikchef Grisanti die Bedeutung der Klinik-IT heraus.

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Lübecker Chirurgen auf dem Weg zu neuen Navigationstechnologien im OP

Die Lübecker Klinik für Allgemeine Chirurgie des UKSH gehört zu den deutschlandweit führenden Einrichtungen für minimal-invasive Operationstechnik insbesondere im Bereich der Laparoskopie („Bauchspiegelung“). Das Team von Klinikchef Professor Dr. Tobias Keck beteiligt sich gemeinsam mit anderen Kliniken des UKSH-Campus Lübeck an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“. Keck sieht in diesem Zusammenhang große Potenziale für eine enge Zusammenarbeit mit den Herstellern von medizintechnischen Geräten insbesondere in den speziellen Lübecker Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkten Navigation und Bildgebung.

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„Als eines von deutschlandweit nur zwei zertifizierten Exzellenzzentren für minimal-invasive Chirurgie legen wir Wert darauf, an der Spitze des technologischen Fortschritts zu agieren“, formuliert der 44-jährige Chirurg seinen Anspruch. „Dazu gehört zum Beispiel, dass wir bereits häufig mit der neuen Technologie der 3D-Laparoskopie arbeiten, die uns mit ihrem räumlichen Bildeindruck unter anderem ermöglicht, hoch präzise, auch rekonstruktive Operationen an der Bauchspeicheldrüse vorzunehmen.“
Für die Zukunft sieht Tobias Keck insbesondere auf dem Feld der computergestützten Navigation gute Chancen für neue Technologien, die zu noch besseren und den Patienten weniger belastenden Operationsergebnissen führen können: „Wir versprechen uns von Fortschritten in der Robotik und in der Bildgebung neue Impulse für die optimale Navigation während der Operation. Auf diesen Gebieten führen wir bereits mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte auch in Zusammenarbeit mit Geräteherstellern durch.“

In einem gemeinsamen Projekt mit dem Institut für Robotik der Lübecker Universität arbeiten die Chirurgen an der Weiterentwicklung von ultraschallbasierten Techniken zur Navigation mithilfe eines Robotik-Systems. Dabei geht man von einer Grundproblematik jeder „klassischen“ OP-Navigation auf Basis von zuvor angefertigten CT- oder MRT-Bildern aus: Beim Eingriff entstehen ständig von den Bilddaten abweichende Bewegungsartefakte, denn der Patient beziehungsweise das operierte Organ werden bewegt. Eine präzise Navigation ist nur möglich, wenn diese Störungen in der permanenten Bildgebung sofort korrigiert werden können. „Rein von der softwareseitigen Bilddatenkorrektur her stehen wir hier vor hohen Hürden, also denken wir über die Robotik-Alternative nach: einen sich selbst stets nachsteuernden Roboter-Arm einzusetzen, der auf der Basis des Ultraschall-Trackings ständig mit jeder Bewegung mitgeht, sodass der Operateur durchgängig eine Art Ultraschall-Livebild sehen kann“, erklärt der technologiebegeisterte Chirurg den neuen Ansatz. Da Ultraschall keinerlei Strahlenbelastung darstelle, sei diese Methode für Patienten wie Operateure von Vorteil. Darüber hinaus erhofft sich Tobias Keck von den Robotik-Experten auch weiter verbesserte OP-Konsolen. An solchen Visualisierungs- und Steuerkonsolen arbeitet der Operateur mit kleinen Hebeln, die Roboter-Arme steuern, welche die eigentlichen OP-Instrumente präzise und zitterfrei führen.

Im Bereich der intraoperativen Bildgebung interessieren sich die Lübecker Chirurgen gegenwärtig besonders für eine zukunftweisende Verknüpfung der sogenannten „konfokalen“ Mikroskopie mit der in Lübeck bereits erforschten fluoreszierenden Wirkung des Kontrastmittels Indigocyaningrün (ICG). „Daraus kann und wird die In-vivo-Histologie der Zukunft entstehen“, erläutert Tobias Keck. Solche Konfokalmikroskope seien heute komplexe Scanning-Systeme, die scharfe und kontrastreiche Schnittbilder liefern, die dann übereinander gerastert werden, sodass ein genaues, gut interpretierbares Bild des betrachteten Gewebes entsteht. Mit dem Fluoreszenzeffekt von ICG könne dabei eine schnelle und klare Markierung bestimmter Strukturen erzeugt werden.

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Lübecker Intensivmediziner auf dem Weg zu intelligenten Assistenz-Systemen

Die Lübecker Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin am UKSH entwickelt in Zusammenarbeit mit Medizinprodukte-Herstellern neue, intelligente Assistenz-Systeme. Das Klinik-Team von Professor Dr. Carla Nau beteiligt sich nicht nur in diesem Themenfeld an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“.

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Auf dem Lübecker UKSH-Campus werden in jedem Jahr über 40.000 operative Eingriffe durchgeführt. Über 4.000 Patienten müssen jährlich intensivmedizinisch versorgt werden und dabei auch zeitweise künstlich beatmet werden. Gerade in diesem sensiblen Feld der modernen Medizin kommt es auf die Qualität der verfügbaren Technologie wesentlich an. „Wir behandeln Hochrisiko- und kritisch kranke Patienten, deshalb versuchen wir, auch unsere Überwachungs- und Behandlungstechnologien im Sinne der Versorgungsqualität der Patienten ständig zu verbessern“, erklärt Prof. Nau, die seit 2013 die Lübecker Klinik leitet. Dazu arbeitet das Klinik-Team erfolgreich mit Medizintechnik-Herstellern und den technologischen Forschungseinrichtungen auf dem Lübecker BioMedTec-Campus zusammen.

Ein Beispiel für neue Entwicklungsperspektiven sind verbesserte Monitoringtechnologien für Beatmungsgeräte, die in Lübeck getestet werden sollen. Ein konkreter Anwendungsfall: Wenn der Intensivmediziner einen Patienten aus der künstlichen Beatmung zurück in die natürliche Eigenatmung führen will, bedient er sich heute normalerweise der Schritt-für-Schritt-Methode, das heißt: Er testet, wie der Patient auf schrittweise weniger zugeführte Atemunterstützung reagiert. Der Arzt verlässt sich in diesem Prozess auf seine Erfahrungswerte. „Zukünftig soll der Arzt durch Echtzeit-Messdaten eines intelligenten Monitoring-Gerätes unterstützt werden“, erläutert Carla Nau. „Neue Software- und Sensorik-Systeme machen es möglich, die Prozess-Sicherheit zu erhöhen, und zwar vollständig nicht-invasiv. Man kann sagen: Das Gerät berät den Arzt auf der Basis von ständig aktualisierten und rückgekoppelten physiologischen Messdaten und empfiehlt entsprechende Schritte der Beatmungs-Deeskalation.“

Solche Assistenz-Systeme sollen laut Nau in Zukunft noch weitaus „intelligenter“ werden. Gemeint ist hier die technologische Fähigkeit, die als Daten vorliegenden Informationen aus verschiedenen Geräten und aus der elektronischen Patientenakte zu einer sinnvoll-zielführenden Empfehlung für den behandelnden Intensivmediziner zu integrieren. „Was wir uns von diesem Big-Data-Thema mittelfristig erhoffen, ist zum Beispiel ein Monitoring-System mit Daten-Integrationsfunktion, das automatisch auf Gefahren hinweist, zum Beispiel auf die Entwicklung einer Lungenentzündung oder Sepsis, und das beispielsweise auch den Zeitraum bis zum Aufwachen aus der Narkose individuell vorhersagen kann“, so die Klinik-Chefin.

Ein anderes Zukunftsthema sieht die 47-Jährige in der technologischen Verbesserung von Simulatoren in der Mediziner-Ausbildung: „Ich wünsche mir für unseren Simulations- und Ausbildungs-OP eine Full-Scale-Puppe für das Intensivmedizin- und OP-Training, die ihre ‚physiologischen‘ Reaktionen auf die jeweiligen Notfallmaßnahmen der Trainierenden vollautomatisch realitätsnah steuern kann, in die also zum Beispiel auch ein Lungenmodell und ein Hämodynamikmodell integriert ist.“ Auch im Bereich der Telemedizin engagiert sich die Lübecker Klinik-Leiterin: „Die bundes- und weltweite Fern-Konsultation von Experten durch Experten mit sicheren Kamera-Übertragungssystemen kann und wird die Qualität von Diagnose und Behandlung erhöhen. Und warum sollte ein nur schwer beweglicher kranker Mensch nicht per Kamera am Bett in der Klinik oder zu Hause mit seinem Anästhesisten ein Aufklärungsgespräch führen können, wenn die körperliche Untersuchung bereits erfolgt ist?“, fragt Carla Nau, rein rhetorisch.

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Lübecker Dermatologen entwickeln Verfahren zur besseren Diagnostik und Therapie von Hautkrankheiten und Allergien

Das menschliche Immunsystem arbeitet nicht immer problemlos. Manchmal wendet es sich gegen im eigenen Körper befindliche Stoffe und produziert unerwünschte entzündliche Prozesse in sogenannten „Autoimmunerkrankungen“. Noch viel häufiger reagiert das Immunsystem in überschießender Weise auf von außen kommende Reizstoffe, man spricht dann von Allergien. Die medizinische Forschung arbeitet an neuen Verfahren, die eine individuelle Diagnostik und Therapie solcher Erkrankungen ermöglichen. Die Lübecker Klinik für Dermatologie, Allergologie und Venerologie (kurz: Hautklinik) am UKSH entwickelt in Zusammenarbeit mit Medizinprodukte-Herstellern neue Nachweis- und Behandlungstechniken auf diesen Gebieten. Das Klinik-Team von Professor Dr. Detlef Zillikens beteiligt sich in diesem Themenfeld an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“.

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Vor einem neuen Färbeautomaten im Labor: (v. r.) Prof. Detlef Zillikens, Prof. Karin Hartmann, Prof. Enno Schmidt

„Hautkrankheiten und Allergien beeinträchtigen die Lebensqualität unserer Patienten oft erheblich. Wir entwickeln deshalb ständig neue Verfahren für eine bessere Erkennung von spezifischen, das Krankheitsbild erzeugenden Antikörpern im Körper eines Patienten“, erklärt der Klinik-Leiter. Dabei setzt Zillikens auf eine enge Kooperation mit Herstellern von Laborgeräten und Labordiagnostika. „Von unserer Seite kommen gut charakterisierte Patienten-Daten und -Proben aus unserer wachsenden Biobank und später die Möglichkeit der umfassenden klinischen Validierung. Die Hersteller bringen die Expertise ein für die Produktion von geeigneten, sensitiven und spezifischen Nachweisstoffen und von neuen Geräten zur standardisierten, automatischen Bearbeitung von Gewebeproben und Seren“, erläutert Professor Dr. Dr. Enno Schmidt, Direktor des Lübecker Institut für Experimentelle Dermatologie.

Professor Dr. Karin Hartmann hat sich auf das Thema Allergien spezialisiert. „Allergien werden weltweit immer häufiger, aber die Menschen reagieren regional auf ganz unterschiedliche Allergene, sodass hier ein weites Forschungs- und Entwicklungsfeld vor uns liegt“, berichtet die Leiterin der Allergieabteilung der Hautklinik. Die Lübecker Experten arbeiten gegenwärtig unter anderem an der Testung und Validierung sogenannter „rekombinanter Allergene“ (also künstlich hergestellter allergener Eiweiße) für den Einsatz in einem in der Entwicklung befindlichen „Random-Access-Automaten“. Dieser Automat soll zukünftig die automatische Analyse von Antikörpern im Serum (des Patientenblutes) ermöglichen. Dabei kommt eine spezielle „Beads“-Technologie zum Einsatz: Mit den in bestimmter Weise beschichteten magnetischen Träger-„Kügelchen“ wird es möglich, Blut auf gleich mehrere Allergene gleichzeitig und unabhängig voneinander zu analysieren. „Das macht diese Technologie mit ständiger Zugriffsmöglichkeit nicht nur praktischer bei der täglichen Laborarbeit und präziser hinsichtlich der Ergebnisse, sondern auch schneller und wirtschaftlicher für das Labor“, betont Professor Schmidt.

Bei einer Gruppe von weniger verbreiteten Hautkrankheiten haben die Lübecker Hautärzte bereits mehrere neue Behandlungssysteme gefunden, die auch kommerziell erhältlich sind und erfolgreich eingesetzt werden. Bei den „bullösen“ (blasenbildenden) Autoimmundermatosen handelt es sich um eine Gruppe von Autoimmunkrankheiten, die Professor Zillikens als „Rheuma an der Haut“ beschreibt. „Wir konnten hier in den letzten Jahren nicht nur Nachweise von diversen auslösenden Autoantikörpern im Hautgewebe beziehungsweise im Blutserum der Patienten finden, sondern für einige dieser Autoantikörper auch Adsorber- oder Reinigungsverfahren entwickeln, die diese schädlichen Autoantikörper wirksam aus dem Blut entfernen “, so der Klinikchef. Weitere spezifisch wirksame Adsorbersysteme seien in der Entwicklung. In diesem Zusammenhang validieren Professor Zillikens und sein Team für einen Hersteller gegenwärtig auch einen neuen Färbeautomaten für Gewebeschnitte (Bild), der die Laborarbeit weiter beschleunigen und optimieren soll.

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Lübecker Gynäkologen entwickeln innovative Lokalisationsverfahren bei minimal-invasiven Operationen

Mehr als 800 Mal pro Jahr operieren die Ärzte der Klinik für Gynäkologie und Geburtshilfe des UKSH mit der „Schlüssellochtechnik“ der Laparoskopie. Das Team von Klinikdirektor Professor Dr. Achim Rody beteiligt sich in diesem Themenfeld an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“. Ein besonderes Augenmerk legen die Lübecker Kliniker dabei auf die Zusammenarbeit mit Medizintechnik-Herstellern bei der Entwicklung verbesserter Lokalisationsverfahren und -instrumente für die minimal-invasiven Operationen insbesondere im onkologischen Bereich.

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Prof. Achim Rody zeigt sein tägliches Arbeitsgerät: ein Endoskop an einem im OP verwendeten Laparoskopie-Turm.

„Als Gynäkologen stehen wir im laparoskopischen Bereich ohnehin immer an der Spitze der technischen Entwicklung; schließlich war es Anfang der 80er Jahre mit Kurt Semm auch ein deutscher Gynäkologe, der dieses Verfahren als sogenannte ‚Pelviskopie‘ nicht nur für die Diagnose, sondern auch chirurgisch eingesetzt hat“, erzählt Professor Rody. Inzwischen habe sich die endoskopische Technologie erheblich weiterentwickelt, stoße aber gerade im Bereich der präzisen Lokalisation etwa von Tumoren während der Operation auch gelegentlich an ihre Grenzen. „Mit neuen optischen Verfahren und Technologien sind wir heute auf dem Weg, Tumoren oder andere kranke Gewebeteile auch intraoperativ noch exakter erkennen zu können, damit wir so wenig Gewebe wie möglich, aber so viel wie nötig entfernen können“, erläutert Rody das Entwicklungsziel in der Kooperation mit Technologie-Herstellern.

Ein Beispiel ist die in der Frauenheilkunde regelmäßig durchgeführte Entfernung von Lymphknoten bei Brustkrebs und bösartigen Tumoren des weiblichen Genitals. Hier erforschen die Spezialisten am zertifizierten Lübecker Krebszentrum eine Möglichkeit, den sogenannten „Wächterlymphknoten“ besser als bisher zu identifizieren. Der „Wächter“ ist der erste in der Abflussbahn der Tumor-Lymphflüssigkeit liegende Knoten. „Mithilfe der fluoreszierenden Wirkung des Kontrastmittels Indigocyaningrün erhalten wir einen gegenüber dem gängigen Mittel ‚Patentblau‘ oder gegenüber dem Einsatz von radioaktiven Markierungsstoffen klarer umrissenen Lymphknoten, der präzise entfernt werden kann und muss. Aber die umliegenden Knoten können bei Nichtbefall erhalten bleiben“, erklärt der erfahrene Operateur, der seit 2012 die Lübecker Frauenklinik leitet. So könnten Nerven sicher geschont und Lymphödeme vermieden werden.

Die gezielte Lokalisation und Verfolgung von Tumoren und anderen Gewebe-Herden während der Operation kann mit verschiedenen Geräte-Technologien verbessert werden. So arbeitet das Rody-Team unter anderem an der Entwicklung eines im Körper anwendbaren fokussierten Ultraschalls, mit dem die sogenannten „Myome“ (zumeist gutartige Gebärmutter-Muskeltumoren mit breitem Beschwerdebild) präziser und schonender als bisher verödet werden können. Bei der Behandlung der schmerzhaften „Endometriose“ (gebärmutterschleimhautähnliches Gewebe außerhalb der Gebärmutterhöhle) geht es zunächst darum, das in Form und Farbe heterogene Erscheinungsbild des „falschen“ Gewebes mit optischen Verfahren klarer darstellbar zu machen. „Dies kann möglicherweise in Verbindung mit der optischen Kohärenztomographie oder mit einer anderen neuen Bildgebungstechnik wie dem ‚narrow band imaging‘ mit seiner spezifischen Gewebeautofluoreszenz gelingen“, formuliert der Klinikchef vorsichtig.

Aktuell bereits im Aufbau ist ein 3D-Laparoskopie-Geräte-Turm. „In Zusammenarbeit mit einem Hersteller bekommen wir hier einen gegenüber dem bisherigen 2D-Bildstandard erheblich verbesserten Bildeindruck, sodass wir beim Operieren, speziell beim Setzen von Nähten, tatsächlich räumlich sehen und navigieren können“, freut sich Achim Rody, der zurzeit auch an einem Vergleich der 3D-Technik mit der neuen hochauflösenden „4K“-Monitortechnologie arbeitet. Diese und andere Geräte, darunter zum Beispiel eine neu entwickelte Ultraschallschere, werden jetzt in Lübeck erprobt. Für die Zukunft erwartet Rody gerade für die gynäkologische Onkologie ein „Arbeiten unter Sicht“, womit gesagt ist: Identifikations-, Lokalisations- und Visualisierungstechnologien werden so weit verbessert werden, dass neben der Operation auch die medikamentöse Behandlung bildgebend nachvollzogen werden kann. „Ich möchte noch zu meiner aktiven Zeit den Tumor regelrecht am Bildschirm verschwinden sehen können“, blickt der 46-Jährige einige Jahre voraus.

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Campus-Werkstätten als Entwicklungsdienstleister für Medizintechnik-Hersteller

Die Forschungs- und Versuchswerkstätten auf dem Lübecker Hochschulcampus vernetzen sich. Gemeinsam beteiligen sie sich an der „Industrie-in-Klinik-Plattform Lübeck“ und stellen ihre Dienstleistungen als Entwicklungspartner für Medizintechnik-Hersteller zur Verfügung. Die Koordination übernimmt das Fabrikationslabor („FabLab“) von Technikzentrum und UniTransferKlinik, das sich mit seinen Campus-Partnern damit zum „Medical FabLab“ weiterentwickelt.

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In den Campus-Werkstätten werden unter anderem Forschungsmodelle und Prototypen gebaut. Hier präsentieren einige Werkstattleiter stellvertretend eine Reihe von Modellen der menschlichen Aorta. V.l.n.r.: Dennis Wendt (FraunhoferEMB), Alexander Mildner (FabLab TZL), Reinhard Schulz (Wissenschaftliche Werkstatt Feinmechanik der Universität), Dirk Steinhagen (Institut für Medizintechnik der Universität),

In der Forschungs- und Entwicklungsarbeit geht es gerade in der Medizintechnik nach der Ideen- und Konzeptionsphase häufig darum, neue Geräte-Bauteile oder Prototypen für weitere Tests herzustellen. Hier kommen die Forschungs- und Versuchswerkstätten auf dem Campus ins Spiel, die eine Vielzahl von Fertigungsmöglichkeiten anbieten. „Wir ermöglichen das Rapid Prototyping mit modernen 3D-Druckern ebenso wie die konventionelle Herstellung von großen Teilen mithilfe von CNC-gesteuerten Fräsen oder von kleinen Teilen mittels feinmechanischer Präzisionsgeräte“, beschreibt Alexander Mildner als Koordinator und FabLab-Leiter die Angebotsbandbreite des neuen, hochschul- und einrichtungsübergreifenden Werkstatt-Netzwerkes.

In den neun beteiligten Campus-Werkstätten stehen modernste Geräte zur Verfügung, darunter verschiedene 3D-Drucker mit Verfahren für unterschiedliche Materialien und Bauteileigenschaften, CNC-Fräsen, CNC-Drehmaschinen, Lasercutter und Laser zur Mikromaterialbearbeitung, 3D-Scanner, Biegemaschinen, Schweißgeräte, Lackierkabine, Säge- und Schleifmaschinen und viele mehr. „Auch für den Elektronik-Bereich sind wir gut ausgestattet, sodass zum Beispiel Layout und Fertigung elektronischer Schaltungen oder Komponenten hier möglich sind“, erläutert Alexander Mildner.

Dabei legt der 30-jährige Maschinenbau-Ingenieur Wert darauf, dass mit dem Medical FabLab ein spezielles Konzept hochschulnaher, teiloffener High-Tech-Werkstätten umgesetzt wird: „So können Hersteller, mit denen wir in Projekten zusammenarbeiten, von der Kreativität und Arbeitsroutine von Mitarbeitern und Studierenden auf unkomplizierte Weise profitieren und schnell zu präsentablen Bauteil-, Prototyp- oder auch Kleinserien-Ergebnissen kommen.“ Kompetente Beratung bis hin zur Mitentwicklung etwa des Produktdesigns und die Schulung externer Maschinen-Nutzer gehörten dabei zum Angebot des Medical FabLab stets dazu. „Nicht zuletzt haben wir Know-how und Erfahrung in Sachen Normenkonformität und Qualitätssicherung, was gerade im Medizinproduktebereich von großer Bedeutung ist und uns die sogenannte Eigenherstellung für klinische Validierungsverfahren ermöglicht“, so Mildner.

Das junge Medical FabLab Lübeck ist bereits in einigen Produktbereichen als Partner von Herstellern und Kliniken tätig. So wurden beispielsweise aus vorliegenden medizinischen Bilddaten diverse 3D-Modelle erstellt und gedruckt. Eine menschliche Aorta wurde in verschiedenen Härten für die Verwendung in der klinischen Forschung gedruckt. (s. Bild) Der Prototyp eines Gerätes für Schärfe- und Kontrastsichtmessungen wurde im Hinblick auf Bauteildesign und Fertigungsoptimierung begleitet. Und es wurden Mikroskop-Probenplättchen per Laser im Mikrobereich graviert und perforiert.

(rwe)