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geförderte Projekte

Standardisierung zur computerunterstützten Auswertung von medizinischen MRT-Daten (003)

Ludwig Boltzmann Gesellschaft GmbH
Technische Universität Graz

Projektleitung: Dr. Eva Scheurer

Dreidimensionale (3D) Bildgebungsverfahren wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) haben sich als wichtige technische Instrumente in der klinisch-diagnostischen Medizin etabliert. Im Rahmen dieser diagnostischen Verfahren werden laufend neue Techniken und Produkte entwickelt und erprobt, die das Aufnahmeverfahren sowie notwendige Nachbearbeitungsschritte optimieren. Neben der Entwicklung einer höheren diagnostischen Sensitivität stehen dabei die Automatisierung von gewissen Arbeitsschritten sowie die Effizienz von Arbeitsabläufen im Vordergrund.

Das Ludwig Boltzmann Institut für Klinisch-Forensische Bildgebung (LBI-CFI) in Graz hat - als weltweit einzigartige interdisziplinäre Forschungsinstitution im medizinrechtlichen Bereich - das Ziel, den Einsatz von 3D Bildgebungsverfahren für die Abklärung von gewaltsamen Verletzungen an Patienten zu entwickeln und in der rechtsmedizinischen Praxis zu etablieren. Moderne 3D Bildgebung bietet einerseits die Möglichkeit, bei lebenden Gewaltopfern zusätzlich zu äußerlich sichtbaren Verletzungen auch innere Befunde zu erheben und in die rechtlichen Verfahren einzubeziehen. Andererseits ist sie bei rekonstruktiven Fragestellungen wie z.B. bei der Aufklärung von Unfällen besonders hilfreich, da durch die Übersicht über Verletzungen des ganzen Körpers relevante Befunde in einen Zusammenhang gestellt werden können. Wichtig ist dabei auch die anschauliche Darstellung als Erklärung für medizinische Laien im Rahmen der Gerichtsverfahren. Daraus ergibt sich der Bedarf an Methoden, die eine einfache, direkte 3D Darstellung von anatomischen Strukturen und Befunden aus MRT Daten ermöglichen.

Das beantragte Projekt hat die Entwicklung einer raschen und intuitiven, standardisierten 3D Visualisierung von MRT Befunden zum Ziel, die längerfristig auch eine computerunterstützte Auswertung von MRT Daten bei gewissen klinischen Fragestellungen ermöglicht. Da es sich bei der MRT um ein strahlungsfreies Verfahren handelt, eignet sie sich bestens für den Einsatz bei medizinrechtlichen Fragestellungen, bei denen das Gesundheitsrisiko ionisierender Strahlung kaum gerechtfertigt werden kann. Die Entwicklung von Anwendungen der MRT in diesem Bereich ist deshalb hauptsächlicher Forschungsschwerpunkt des LBI. Mit Hilfe der MRT können Schwere und Grad von Körperverletzungen nicht-invasiv und strahlungsfrei untersucht und dokumentiert werden, zudem erlauben quantitative MRT-Messungen Aussagen über den Zeitpunkt der Entstehung von Verletzungen.

Forschungsbedarf im Bereich der MRT-Daten gibt es insbesondere hinsichtlich der eindeutigen Zuordnung von gemessenen Datenwerten zu anatomischen Strukturen oder Gewebetypen wie es bei CT Aufnahmen möglich ist. MRT-Aufnahmen sind zwar kontrastreich, die absoluten Datenwerte sind aber abhängig von der Position des Gewebes innerhalb des Geräts. Zudem ergeben identische MR Sequenzen und Aufnahmeparameter auf verschiedenen Geräten unterschiedliche Messwerte. Daher sind gängige Verfahren der 3D Visualisierung, welche die weitestgehende Unabhängigkeit der Messwerte vom Ort voraussetzen, nicht geeignet, die MRT Daten direkt und einfach darzustellen. Die mehrdeutige Zuordnung der MRT Messwerte zu den anatomischen Strukturen hat zur Folge, dass aufwändige Nachbearbeitungsschritte und Bildverarbeitungsmethoden eingesetzt werden müssen, um die Daten aufzubereiten, anatomische Strukturen und Befunde aus den Daten zu extrahieren und isoliert zu visualisieren und so Befunde für nicht radiologisch geschulte Personen verständlich zu präsentieren.

Forschungsziel des vorliegenden Projektes ist es also, mit Hilfe einer Standardisierung gemessener Signale medizinische MRT Daten einer dreidimensionalen Analyse und Betrachtung durch Volumensvisualisierungstechniken zugänglich zu machen, und so ein bis dato nicht ausreichend gelöstes Problem in der Computergrafik & Visualisierung zu beseitigen. Im Unterschied zu gängigen Methoden in der Literatur, welche eine Standardisierung als Nachbearbeitung vorschlagen, soll im vorliegenden Projekt auch die Aufnahme der MRT Daten dahingehend untersucht werden. Mit der Entwicklung von geeigneten Referenzen wird die Auswertung von standardisierten Messwerten verschiedener Gewebearten ermöglicht. Auf dieser Basis sollen 3D Visualisierungstechniken entwickelt werden, die die Wirksamkeit der computerunterstützten Auswertung in allen medizinischen Bereichen erhöhen. Die gewonnenen Forschungsergebnisse sollen die aufwändigen Nachverarbeitungsschritte zur Datenanalyse und Befundung von MRT Daten vereinfachen, und eine differenzierte, direkte 3D Visualisierung von anatomischen Strukturen und Befunden ermöglichen, sowohl für klinisch-diagnostische aber auch für medizinrechtliche Fragestellungen.

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Grundlagenuntersuchung zur Verwendung von EEG-Gehirnsignalen zur Bewertung der residualen kognitiven Verarbeitung von Wachkoma-Patientinnen und Patienten (007)

Technische Universität Graz
Albert Schweitzer Klinik Graz – Geriatrische Gesundheitszentren der Stadt Graz

Projektleitung: Assoc. Prof. DI Dr. Gernot Müller-Putz

Personen im Wachkoma haben nicht mehr die Möglichkeit mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Neben der Unfähigkeit zu sprechen oder kontrollierte Bewegungen zu machen, ist auch nicht ganz klar, wie bewusst diese Personen ihre Umwelt wahrnehmen. Im Weiteren ergeben sich aus diesem Sachverhalt zwei große Nachteile für diese Personen: erstens, ihr tatsächlicher Zustand wird oft falsch diagnostiziert, was negative Auswirkungen auf deren Behandlung hat. Im Detail unterscheidet man verschiedene Zustände: minimal bewusster Zustand ("minimally conscious state", MCS) und vegetativer Zustand ("vegetative state" VS, kein Bewusstsein). Zweitens, sie haben keine Möglichkeit sich mitzuteilen, wodurch ihre Situation zusätzlich belastet wird.

Erste Forschungsunternehmungen mit dem Ziel Bewusstsein zu detektieren um Fehldiagnosen (also falscher erkannter vegetativer Zustand) zu verhindern, wurden in den letzten Jahren durchgeführt. Die funktionelle Magnetresonanztomographie- (fMRI) Experimente von Laureys und Owen haben gezeigt, dass es möglich ist, Bewusstsein bei Wachkoma-PatientInnen sichtbar zu machen. Dennoch ist die Anwendung von fMRI in MCS PatientInnen schwierig: einerseits wegen den hohen Kosten und einer begrenzter Verfügbarkeit, andererseits weil fMRI bei manchen PatientInnen, z.B. aufgrund von metallischen Implantaten, nicht angewandt werden kann. Als Alternative wurde daher zuletzt die Elektroenzephalographie (EEG) untersucht, da sie deutlich weniger kostspielig und leicht verfügbar ist, und auch bei PatientInnen mit metallischen Implantaten angewandt werden kann. Lediglich eine konsistente Kommunikation mit EEG wurde bisher in der veröffentlichten Literatur nicht demonstriert.

In einem EU-Projekt (Decoder) haben sich Wissenschaftler (mit Beteiligung des Antragstellers) zum Ziel gemacht, einerseits eine EEG-basierende Experimentserie für die Beurteilung von Bewusstsein zu erstellen und andererseits, für entsprechende PatientInnen, eine einfache Kommunikationsmöglichkeit, ebenfalls basierend auf EEG, zu erstellen. Im Rahmen dieses Projektes haben die Technische Universität Graz (TUG) und die Albert Schweitzer Klinik (ASK) an der Umsetzung von einfachen Paradigmen zur Kommunikation mit EEG zusammengearbeitet und erste sehr wichtige Ergebnisse erzielt. Dabei wurde eine Anzahl von offenen Fragen der Grundlagenforschung identifiziert, die nur in enger Kooperation zwischen Partnern in Medizin und Ingenieurwissenschaften adressiert werden können:

  • Welche mentale Aufgaben und welche Paradigmen können zu stabilen und reproduzierbaren EEG-Merkmalen in MCS PatientInnen führen?
  • In wie fern sind individuelle Unterschiede der willentlich modulierten EEG-Merkmale in MCS PatientInnen durch die unterliegenden neurologischen Probleme beeinflusst?

Der Ziel dieses interdisziplinären Projektes ist zweifach: (1) Ziel ist es den Wissensstand über die Stabilität und Konsistenz der EEG-Merkmalen über verschiedene mentale Aufgaben und Paradigmen in MCS PatientInnen zu erhöhen. (2) wir bestreben Daten über und Beweise für die Rolle der unterliegenden neurologischen Probleme in EEG-Merkmalen, hervorgerufen durch verschiedene Prinzipien (d.h. mentale Vorstellung, auditorische evozierte Potentiale), zu sammeln.

Die Ergebnisse dieses Projektes werden zu einem besseren Verständnis über die residuale kognitive Verarbeitung in MCS PatientInnen, sowie zu einer verbesserten Charakterisierung im Sinne von interindividueller Unterschiede führen.

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Molekulargenetische Tumoranalyse als Grundlage einer gezielten Therapieauswahl (013)

Medizinische Universität Graz
Technische Universität Graz
IFZ – Interuniversitäres Forschungszentrum für Technik, Arbeit und Kultur

Projektleitung: Mag. Dr. Karl Kashofer

Krebs ist nach den Herz-Kreislauferkrankungen die zweithäufigste Todesursache in Österreich. Im Jahr 2010 gab es in Österreich 36733 Neuerkrankungen an Krebs, davon 5922 in der Steiermark. Die Versorgung der steirischen PatientInnen übernimmt schwerpunktmäßig die Klinische Abteilung für Onkologie der Medizinischen Universität Graz in enger Kooperation mit allen Krankenhäusern der Steiermark. Die klinische Abteilung für Onkologie an der Medizinischen Universität Graz ist eine im europäischen Raum führende Abteilung für ganzheitliche und nachhaltige onkologische Medizin. Derzeit werden Tumortherapien nach Tumorentitäten, also nach anatomischen Grenzen zum Beispiel für Lungentumore, Lebertumore oder Leukaemien gewählt. Es stehen für die meisten Krebsarten ein bis zwei evidenzbasierte Therapielinien im metastasierten Stadium zu Verfügung. Sind diese Therapielinien aufgebraucht wird „best supportive care" empfohlen, bzw. bei gutem Allgemeinzustand der Patientin/ des Patienten basierend auf Fallbeispielen oder kleinen retrospektiven Studien aus der Literatur eine weitere Therapielinie gewählt. Eine individuelle Therapie, basierend auf einer genauen molekularpathologischen Analyse der Krebserkrankung könnte jedoch eine größere Effektivität zeigen. Ziel dieser Studie ist es, bei PatientInnen mit fortgeschrittener metastasierter Tumorerkrankung, für die keine weitere evidenzbasierte Therapie vorhanden ist, durch die molekulargenetische Analyse einer Gewebeprobe aus einer Metastase eine weitere zielgerichtete Tumortherapie anbieten zu können.

Dazu werden am Institut für Pathologie mit der dort etablierten Technik des Ion Torrent Halbleitersequenzierverfahrens die Veränderungen sämtlicher Gene der menschlichen Erbmasse im Tumor bestimmt. Zusätzlich werden auch die dynamischen Veränderungen der Genexpression durch Transkriptomsequenzierung aufgezeichnet. Diese beiden Datensätze beschreiben die statischen Veränderungen des Tumorgenoms, sowie seine dynamische Ausprägung über die gesamte menschliche Erbmasse. In der Forschungsgruppe Bioinformatik des Instituts für Genomik und Bioinformatik der Technischen Universität Graz soll eine Analyseplattform erstellt werden, die die genetischen Veränderungen der Tumorerkrankung des Patienten erfasst und mit den in einer Datenbank erfassten Wirkungsmechanismen von vielen verschiedenen Tumortherapien vergleicht. Aus dem Vergleich der Wirkungsziele der Therapie und den genetischen Veränderungen des Tumors kann eine Bewertung der voraussichtlichen Effektivität der Therapie erstellt werden. Diese Bewertung wird für alle möglichen Therapien durchgeführt und eine Reihung der Therapien erstellt. Diese Methode wird dem behandelnden Onkologen ein Werkzeug zur Verfügung stellen das ihm aus den vorhandenen Therapien jene vorschlagen kann die am besten zum genetischen Profil des Tumors passen. Die Zusammenarbeit der Klinischen Abteilung für Onkologie, des Institutes für Pathologie und des Instituts für Genomik und Bioinformatik der TU Graz in dieser Studie eröffnet neue Möglichkeiten in Zukunft eine wesentlich effizientere Auswahl der besten Behandlung für Krebspatienten treffen zu können. Das IFZ erweitert die Erfassung von Erwartungshaltungen von PatientInnen auf weitere Akteursgruppen, wie die Perspektiven von EntscheidungsträgerInnen um die konkreten Implikationen der Innovationspraxis in der medizinischen Forschung zu untersuchen.

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Computerunterstützte akustische Diagnostik thorakaler Erkrankungen (014)

Technische Universität Graz
Medizinische Universität Graz

Projektleitung: Assoc.-Prof. DI Dr. Franz Pernkopf

Ziel des vorliegenden transdisziplinären grundlagenorientierten Forschungsprojektes ist die computerunterstützte Analyse von akustischen Signalen zur nicht‐invasiven Diagnostik thorakaler Erkrankungen. Dabei werden akustische Signale über Sensoren, die am Thorax des Patienten positioniert sind, aufgenommen und mittels intelligenter Analyseverfahren klassifiziert. Die physiologischen Atemgeräusche werden über eine krankheitsbedingte Veränderung der Schallbedingungen in der Brusthöhle unterschiedlich alteriert und sind deshalb als akustisch charakteristische Signale wahrnehmbar. Das Projektziel ist eine zuverlässige computerunterstütze Analyse und Klassifikation dieser Signale. Im Projekt soll eine Methode einschließlich eines Demonstrators für eine zuverlässige und frühzeitige Erkennung eines Pneumothorax entwickelt werden. Dies unterstützt kostengünstiges Screening von Risikopatienten, die Erstdiagnostik im Notarztwesen und die permanente Observanz von Personen in Risikoberufen. Weiters werden neue wissenschaftliche Methoden für die Analyse einer Vielzahl weiterer (pathologischer) thorakaler akustischer Signale erforscht und neues Fachwissen für die Verarbeitung dieser Signale aufgebaut.

Das Projekt umfasst drei Forschungsschwerpunkte:

  1. Sensorik und Aufnahmetechnik: Für eine optimale Signalqualität müssen ein‐ und mehrkanalige Aufnahmeverfahren untersucht werden. Weiters ist die Positionierung der Sensoren und die Signalübertragungstechnik zu klären.
  2. Signalverbesserung und Artefaktunterdrückung: Es werden verschiedene Ansätze zur optimalen Unterdrückung von Herz‐ und anderen Störgeräuschen im Zeit‐ und Frequenzbereich analysiert und bewertet. Bei einem einkanaligen Aufnahmeverfahren ist eine Methode zur automatischen Segmentierung des Signals zu entwickeln.
  3. Klassifikation: Der Klassifikator benötigt eine adäquate parametrische Repräsentation des Signals, wobei klassenspezifische Eigenschaften des Signals akzentuiert werden sollen. Die Merkmale werden von dem fourier‐ und wavelettransformierten Signal abgeleitet und evaluiert. Für die Klassifikation werden diskriminativ optimierte Klassifikatoren verwendet, die durch graphische Modelle repräsentiert werden. Diese werden mit Methoden wie Support‐ Vector‐Machines oder neuronalen Netzen experimentell verglichen. Diskriminative Lernverfahren von graphischen Modellen lassen neue Erkenntnisse und bessere Ergebnisse erwarten. Klassifikatoren, die auf graphischen Modellen basieren liefern neben dem Klassifikationsergebnis auch Aussagen zur Konfidenz des Klassifikators.

Die Publikation der wissenschaftlichen Forschungsergebnisse erfolgt bei einschlägigen internationalen Tagungen und in Fachzeitschriften. Zusätzlich wird zur Dissemination ein Demonstrator bzw. Prototyp für Smartphones entwickelt. Weiters wird eine Datenbank mit thorakalen akustischen Signalen erstellt und anonymisiert der Forschungsgemeinschaft für weitere Forschungszwecke zur Verfügung gestellt.

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Weiterentwicklung und Validierung der Offenen Mikroperfusion zur kliniktauglichen Technologie für die Medikamentenevaluierung (023)

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
Medizinische Universität Graz

Projektleitung: Ing. Joachim Priedl, MA

Die OFM (Open Flow Microperfusion) ist eine minimalinvasive Samplingtechnologie zur Gewinnung kleinster Flüssigkeitsmengen aus dem Gewebe. Diese Proben werden dann einer maßgeschneiderten Analytik zugeführt. Auf diese Art und Weise können Stoffwechselvorgänge, Entzündungsvorgänge auf molekularer Ebene sowie die Konzentration und Wirkung von Medikamenten (Phamakodynamik und Pharmakokinetik) direkt in den zu therapierenden Geweben wie Cutis, Subcutis oder Muskelgewebe untersucht werden.

Ein OFM-System für die Anwendung am Menschen besteht aus einer tragbaren Mikroperistaltikpumpe, Schlauchsystemen, Beuteln, implantierbaren Kathetern und Sammelbehältnissen für die Proben. Dieses System liegt derzeit als „Beta-Version" in Form von human anwendbaren Prototypen vor.

Diese "Beta-Version" der OFM Technologie für klinische Anwendungen wurde von 2008 bis 2011 im FFG-geförderten Projekt „CASE" realisiert. Um die Technologie zeitgerecht verfügbar zu machen wurden damals erhebliche zusätzliche Mittel seitens JR in die beschleunigte Entwicklung der OFM investiert. Es konnten bereits in der Entwicklungszeit erste Auftragsstudien namhafter Arzneimittelhersteller akquiriert und äußerst erfolgreich abgeschlossen werden. Durch aktive Akquisetätigkeit, nationale und internationale Kongressbeiträge, Buchbeiträge und wissenschaftliche Publikationen in peer-reviewed journals erreicht die Technologie einen immer breiteren Bekanntheitsgrad, was sich auch in der aktuellen Auftragslage an Arzneimittelstudien für JR wiederspiegelt. Die aktuellen Forschungsaufträge zeigen, dass sich die OFM-Methodik vielversprechend im Bereich der präklinischen Entwicklung (frühe Wirkstoffkandidatenauswahl) sowie in der klinischen Entwicklung (Zulassungsstudien, Bioäquivalenzstudien) weiterentwickeln wird.

Trotz der vielversprechenden bis dato gewonnenen Erkenntnisse und erfolgreichen Studienabschlüsse stößt die OFM mit Ihrem derzeitigen Entwicklungsstand an Ihre Grenzen. Aufgrund der noch äusserst komplexen Handhabung der Erstgeräte ist beim Studieneinsatz medizintechnisch gut eingeschultes und sehr versiertes Personal bzw. Zusatzpersonal erforderlich. Das erschwert die Nutzung am Standort Graz und behindert die externe Anwendung und Akzeptanz und damit die weitere Verbreitung der Methodik erheblich. Konkrete Lösungsansätze für kliniktauglichere Komponenten sind bereits vorhanden, in einer proof-of-concept Studie wurde bereits eine sehr leicht handhabbare Form des Samplings mit großem Erfolg getestet (93% des Soll bei Erstanwendung erreicht). Die Weiterverfolgung dieser Lösungskonzepte sollte zu einfach bedienbaren Geräten in zertifizierbarer Medizinproduktequalität führen, welche auch an externen Zentren bereitwillig für Studien eingesetzt werden und so das OFM-Studienaufkommen vervielfachen sollten.

Nachfolgend werden die aktuellen Erfahrungen und die daraus resultierenden Einschränkungen für die Anwendung der bestehenden Technologie zusammengefasst.

Primäres Ziel der OFM ist es, ein über die Zeit stabiles Probevolumen aus dem Gewebe zu liefern. Die Erfahrung zeigt, dass Unterbrechungen im Transport der Probenflüssigkeit kritisch für die Validität der Daten sind. Schlimmstenfalls kann die Probengewinnung zum Erliegen kommen und damit das Studienergebnis gefährden.

Bekannte Ursachen für Unterbrechungen sind Schwankungen im Pumpvolumen (kurzfristig keine Pumpleistung), Undichtigkeiten im System oder auch ein zu lange andauernder Wechselvorgang des Sampling-Gefäßes bei dem die Flüssigkeitssäule zum Erliegen kommt.

Besonders relevant scheint der anzuwendende Unterdruck im PULL-Zweig des Systems, mit dem die Proben in das Sammelgefäß gesaugt werden sollen. Um diesen Druck zu erfassen, wird Im Projekt zunächst ein Messsystem zur Erfassung von kleinsten Drücken im Samplinggefäß entwickelt. Dieses äusserst totraumarme System wird dann in Studien am Menschen die nötigen Erkenntnisse um die Druckverhältnisse beim in-vivo Sampling liefern.

Die pumpenseitig rein technischen Ursachen für etwaige Instabilitäten des Systems sind bereits ermittelt.

Aus diesen Erkenntnissen und den bereits bekannten technischen Grenzen kann dann ein System konzeptioniert, entwickelt, als Prototypen erstellt und im klinischen Umfeld validiert werden. Die klinische Entwicklung erfolgt vor allem an der Mikroperfusionspumpe und an einer neuartigen Samplingeinheit. Die Leistungsfähigkeit wird abschließend unter klinischen Bedingungen im Rahmen einer Studie gemeinsam mit der medizinischen Universität Graz validiert. Im Fokus dieser Validierung werden vor allem Robustheit und Alltagstauglichkeit der Technologie sowie die Reproduzierbarkeit der Samplingergebnisse liegen.

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Oberflächenveränderung von Titanlegierungen zur Verbesserung der Biokompatibilität von Implantaten (024)

Technische Universität Graz
Medizinische Universität Graz

Projektleitung: Dr. Fernando Warchomicka

In den letzten 50 Jahren erlebte nicht nur die Entwicklung von Gelenksimplantaten (zum Beispiel: Knie, Hüfte oder Schulterimplantate) einen stetiges Wachstum sondern auch die Anwendung von Implantaten für die Fixierung von komplexen Frakturen. Allein in Österreich werden jährlich rund 30.000 Gelenksoperationen durchgeführt, die besonders dazu dienen sollen, die Lebenserwartung jener Patienten zu erhöhen, die über 65 Jahre alt sind und an Symptomen von Osteoporose leiden.

Leider kommt es durch den Einsatz von Implantaten nach wie vor zu unerwünschten Komplikationen, wie z.B. zu postoperativen Infektionen. Die postoperative Infektion am Implantat ist die am häufigsten vorkommende unerwünschte Komplikation. Die Ursache dafür ist die zu geringe Gewebeadhärenz an der Schnittstelle zwischen Implantat und Gewebe und die daraus resultierende Gleitbewegung des Implantates. Dies verursacht mechanische Irritationen und in weiterer Folge die Bildung einer Kapsel. Zwischen Kapsel und Implantat entsteht so ein flüssigkeitsgefüllter Hohlraum, in dem sich Bakterienausbreiten und vermehren können. Aus diesem Grund ist eine optimale Bioverträglichkeit des Materials erforderlich, um mögliche Irritationen des lokalen oder ortfremden Gewebes zu minimieren. Des Weiteren ist es notwendig, eine gute Oberfläche des Implantats zu entwickeln, um die Schnittstelle zwischen Material und Gewebe zu verbessern. Mehrere Studien haben gezeigt, dass eine Verbesserung der Gewebeadhärenz durch Gestaltung der Oberflächenstruktur des Implantats erzielt werden kann.

Eine ganz neuartige und vielversprechende Möglichkeit zur Optimierung der Oberfläche von Implantaten wird in der gezielten Strukturierung des Implantates mittels Elektronenstrahl‐ Oberflächenbehandlung gesehen. Dabei wird unter Zuhilfenahme eines fein fokussierten, hoch‐energetischen Strahls das metallische Material lokal, ohne jegliches Zusatzmaterial, im Mikro‐ oder Millimeterbereich strukturiert. Als Resultat erhält man je nach Bedarf nadelige bis wellenartige Oberflächenstrukturen. Diese Art der Oberflächenbehandlung ist mit keinem anderen Verfahren durchführbar als mit der Elektronenstrahlschweißanlage (Pro Beam EBG 45‐150). Diese Anlage wurde über das Projekt EFRE (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) für Forschungszwecke angeschafft. Es konnten bereits erfolgreiche Versuche durchgeführt werden. Als zu untersuchendes Material werden drei verschiedene Titanlegierungen (α, α+β und β) verwendet, diese decken den potentiellen Anwendungsbereich für Implantate ab. Titan und Titan‐Legierungen finden auf Grund ihrer ausgezeichneten Biokompatibilität, dem niedrigen Elastizitätsmodul und der verbesserten Korrosionsbeständigkeit gegenüber rostfreien Edelstähle Anwendung als Implantatwerkstoff. Die Prozessparameter des Elektronenstrahl‐Verfahrens und die chemische Zusammensetzung der verwendeten Legierungen bilden die Einflussparameter für die Bildung der Oberflächenstruktur (Größe, Form, Oberflächenrauhigkeit) sowie der Mikrostruktur des Grundmaterials, des Interfaces zwischen Grundmaterial und den durch Elektronenstrahl aufgeschmolzenen Materiales. Metallographische Untersuchungen werden für die Beurteilung der Mikrostruktur (Poren, Einschlüsse, Inhomogenität) und Oberflächenbeschaffenheit (Nanobis Millimeterbereich) durchgeführt. Oberflächenstrukturen, welche eine Reproduzierbarkeit, gute mechanische Eigenschaften sowie eine stabile Mikrostruktur aufweisen, werden mittels in vitro Untersuchungen untersucht. Nach entsprechender Zellbesiedelung wird die Implantatoberfläche untersucht und bewertet.

Dieses Forschungsvorhaben wird als Teil in eine Dissertation eingearbeitet und in Kooperation zwischen dem Institut für Werkstoffkunde und Schweißtechnik der Technischen Universität Graz (TUG) und dem Institut für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie der Medizinischen Universität Graz (MUG) durchgeführt.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuen Generation von Implantaten mit zwei Hauptaspekten: Einerseits Verständnis und Verbesserung der Zellaktivität an der Schnittstelle Material und Gewebe für Permanent‐ und Kurzzeitimplantate mit dem Ziel einer schnellen Einheilung des Implantates. Andererseits die Stärkung des Kompetenzzentrums Steiermark durch Know‐How Gewinn und mögliche neue Forschungsfelder.

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Kurztitel: "rE(EG)map!" Motorisches Lernen und Ruhenetzwerke nach Schlaganfall: Studie zur Erforschung kortikaler Reorganisation bei Gangrehabilitation durch kombinierten Einsatz von Elektroenzephalogram (EEG) und funktionaler Magnetresonanztomographie (fMRT) (026)

Die Technische Universität Graz erforscht in Kooperation mit der Klinik Judendorf-Straßengel - Institut für Neurologische Rehabilitation und Forschung und der Medizinischen Universität Graz, wie Rehabilitation nach dem Schlaganfall im Gehirn wirkt (Projektleitung: Ass.-Prof. DI Dr. Reinhold Scherer)

Externe Verknüpfung Kleine Zeitung (Sonja Saurugger): "Wie die Reha nach dem Schlaganfall wirkt"

Bildgebende Verfahren ermöglichen es, ohne jeglichen invasiven Eingriff Einblicke in die Funktion des Gehirns lebender Menschen zu erhalten. Diese Möglichkeit hat zu einer wahren Revolution in der Gehirnforschung geführt. Beschäftigen sich Versuchspersonen mit einer bestimmten motorischen oder kognitiven Aufgabe, dann werden funktional zugehörige Gehirnareale aktiviert. Durch die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) können aktive Gehirnregionen identifiziert und räumlich exakt zugeordnet werden. Die fMRT misst jedoch langsame im Sekundenbereich modulierte Stoffwechselprozesse. Dies schließt die Erfassung der Hirnfunktion bei schnellen, dynamischen Prozessen, wie etwa beim Gehen aus. Das Elektroenzephalogramm (EEG) hingegen erfasst die summierte bioelektrische Aktivität des Gehirns an der Kopfoberfläche mit einer zeitliche Auflösung im Millisekunden Bereich; die Ortsauflösung liegt jedoch im Zentimeterbereich. Das EEG ermöglicht daher die Erfassung neuronaler Prozesse in Echtzeit, erschwert allerdings eine möglichst exakte Lokalisation kortikaler Aktivität und der dazugehörigen Quellen. Die Ortsauflösung der MRT liegt im Gegensatz dazu im Millimeterbereich und erlaubt auch Aussagen über die Aktivierung tiefer gelegener subkortikaler zerebraler Strukturen. Eine Kombination der Vorteile beider Methoden - der hohen Ortsauflösung der MRT und der hohen Zeitauflösung des EEG - erscheint daher hochgradig erstrebenswert zur Maximierung der Informationsausbeute.

Im Rahmen des HTI Projektes BCI4REHAB wurde bereits erfolgreich eine Methode zur Kombination von EEG und MRT erarbeitet, implementiert und auch an gesunden Personen evaluiert. EEG Quellenrekonstruktion und Independent Component Analysis (ICA) in Kombination mit MRT Bildern und 3-D Modellierung des Kopfes ermöglichen es jetzt, Gehirnfunktionen in hoher zeitlicher Auflösung mit verbesserter Ortsauflösung zu untersuchen. Aufgrund der Komplexität der Methodik und der Interdisziplinarität des Ansatzes gibt es weltweit nur wenige Gruppen, die dieses Verfahren auch technisch anwenden und einen derartigen Ansatz in weiterer Folge auch in einer klinischen Kohorte testen können. Der Forschungsstandort Steiermark bietet hier einzigartige Bedingungen und das Projektteam gehört zu den weltweit federführenden Gruppen, die sich mit derartigen Fragen beschäftigen.

Das Ziel der steirischen Forschung ist es, unter Zuhilfenahme des erarbeiteten multimethodalen und interdisziplinären Ansatzes, neue Erkenntnisse sowie ein besseres Verständnis der Gehirnfunktionen und der dazugehörigen Prozesse der motorischen Kontrolle und des motorischen Lernens (mit Schwerpunkt auf das komplexe Verhalten Gehen) zu gewinnen und die Gehirnaktivität bei der Durchführung funktioneller Bewegungen mit synergistischer Aktivierung mehrerer Muskeln zu erforschen. Dies kommt den normalen physiologischen Prozessen deutlich näher und verspricht ein umfassenderes Bild der Gehirnfunktion bei komplexen Bewegungsabläufen (wie beim Gehen) um zudem ein verbessertes Verständnis der neurophysiologischen Korrelate erfolgreicher Neurorehabilitation zu erlangen. Der Großteil der Grundlagenforschung auf diesem Gebiet fokussiert sich methodisch-bedingt lediglich auf die Modellierung isolierter Bewegungen einzelner Muskelpaare.

Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll die Gehirnfunktion von SchlaganfallpatientInnen im Verlauf der motorischen Gangrehabilitation untersucht werden. Das Ziel liegt in der Förderung des Grundlagenwissens zur motorischen Kontrolle des komplexen Verhaltens Gang und zum motorischen Lernen, das sich assoziiert mit gezielter Neurorehabilitation ereignen dürfte, um letztlich die funktionellen Auswirkungen von Hirnschädigungen durch einen Schlaganfall zu limitieren. Um dies zu erforschen, soll eine Studie durchgeführt werden, in welcher der Verlauf der motorischen Gangrehabilitation während der automatisierten Therapie in der robotischen Gangorthese Lokomat (Hocoma, Volketswil, Schweiz) bei Schlaganfall PatientInnen untersucht wird. Die Gehirnfunktion der TeilnehmerInnen wird dabei mittels EEG während der Gangrehabilitation am Lokomat gemessen. MRT und fMRT Untersuchungen werden vor und nach der Rehabilitation durchgeführt.

Das an körperlich gesunder ProbandInnen entwickelte Modell beschreibt das Verhalten aufrechten, aktiven Gehens anhand von EEG Rhythmen und wird um Daten von SchlaganfallpatientInnen erweitert. Zusätzlich soll durch serielle MRT Untersuchungen inklusive fMRT die exakte Lokalisation und die Intensität der durch den Hirninfarkt verursachten Gewebeschädigung, aber auch die Integrität der descendierenden Pyramidenbahn, ein Zusammenhang zwischen zerebraler Funktionsänderung und Strukturänderung sowie mit dem Training assoziierter Änderungen erfasst werden. Dazu werden auch globale und umschriebene Änderungen in der funktionellen Netzwerkarchitektur des Gehirns erfasst (Ruhenetzwerke oder „resting-state networks"). Diese Netzwerke sind auch „aktiv" wenn Personen sich nicht mit einer Aufgabe beschäftigen und daher besonders attraktiv, um paradigmenfrei bei neurologisch beeinträchtigten Personen Hirnfunktionen zu studieren. Die Änderungen von „resting-state networks" sollen auch mithilfe des EEGs am Patienten erforscht und Ergebnisse mittels fMRT evaluiert bzw. zu den fMRT Daten korreliert werden.

Dieses Projekt dient dem Ausbau und der nachhaltigen Sicherung der bereits existierenden exzellenten Vernetzung von Steirischen WissenschaftlerInnen unterschiedlicher Disziplinen. Diese einzigartige Kollaboration zwischen Technik und Medizin wird den Forschungsstandort Steiermark stärken und in der Zukunft weiterhin eine Vorreiterrolle in diesem Fachgebiet zukommen lassen.

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