Forschungsschwerpunkte
Die Forschungsgebiete umfassen personalisierte Analysen der Belastungen und Verformungen von menschlichen Geweben (insbesondere des Bewegungsapparates) auf der einen Seite und der Entwicklung von personalisierten Produkten und Verfahren auf der anderen Seite.
Personalisierte Analysen von humanen Geweben
Die Bestimmung der individuellen mechanischen Eigenschaften von Geweben bildet die Grundlage für weitergehende Analysen des Gewebeverhaltens, z. B. unter verschiedenen Belastungen bei der Interaktion mit technischen Strukturen. Dabei muss das komplexe Materialverhalten der Gewebe durch adäquate mathematische Modelle beschrieben werden, die durch Messdaten an den individuellen fall angepasst werden müssen. Neben der Modellierung der Gewebeeigenschaften ist die Entwicklung von geeigneten Messverfahren für die Charaktersierung der Gewebeeigenschaften der zentrale Gegenstand der Forschungsarbeiten in diesem Themencluster.
Smarte und personalisierte Produkte in derMedizintechnik, in der Pflege und im Gesundheitswesen
In diesem Themencluster beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von personalisierten Produkten bis hin zur ihrer Produktentstehung. Personalisierung bedeutet in der Erweiterung zur Individualisierung, dass Produkte an die Humanstruktur angepasst werden müssen. Durch Personalisierung kann Schädigung vorgebeugt und das Wohlbefinden für den Nutzenden durch erhöhten Komfort gestärkt werden. Hierbei sehen wir vielfältige Anwendungsmöglichkeiten: bei der Prothesen- und Endoprothesenentwicklung, der Entwicklung von Exo-Skeletten sowie Orthesen bis hin zu „personalisierten Konsumprodukten“, wie Schulranzen, Schreibtischstühle, etc.
Der Fokus des Forscherteams liegt in der Verbesserung der Prozesskette „Personalisierte Produkte“, von der nicht-invasiven Datenaufnahme, eine Datenaufnahme in der Nutzungsphase, der Datenverarbeitung und -haltung, der Entwicklung von Kennwerten für Materialien und Konfiguratoren sowie das Monitoring und der additiven Fertigung der Produkte. Eine enge Zusammenarbeit mit dem Themencluster Biomechanik und Simulation ist uns wichtig, um auf Simulationsergebnisse zurückzugreifen und diese mit den Werkzeugen der modernen „virtuellen Produktentwicklung“ (Internet of Things, Generatives Design) zu verknüpfen. Wichtig ist uns ebenso die Einbindung der Nutzenden in den Produktentstehungsprozess, u.a. indem Bedarfe und Anforderungen an Produkte in der Medizin sowie im Pflege- und Gesundheitswesen in „geschützten virtuellen Räumen“ durch Mixed Reality Methoden zu ermitteln.
Projekte
Ziel des Vorhabens ist, durch die Kombination von experimentellen Untersuchungen und Simulationen des Bewegungsapparates neue Informationen über die individuellen Bewegungseigenschaften nutzbar zu machen. Diese Erkenntnisse werden in anwendungsorientierten Projekten mit Partnern aus der Klinik (Therapieplanung) und Industrie (Produktentwicklung) genutzt. Der Ansatz basiert auf der im Forschungslabor Personalized Biomedical Engineering erarbeiteten Expertise, die gesamte Prozesskette zur Modellbildung des humanen Bewegungsapparates und die Konstruktion und Herstellung von personalisierten Verfahren und Produkten zu realisieren.
Digitale Technologien, v.a. die Mixed Reality, bieten viele Chancen, den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen in der Pflege und Medizin zu begegnen, Arbeitsprozesse zu verbessern und damit die Pflege- und Gesundheitsfachpersonen nachhaltig zu entlasten. Anwendungsszenarien erstrecken sich in der Simulation von Interaktionen zwischen Menschen, als auch zwischen Mensch(en) und Produkt(en)/Maschin(en).
Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Produkt nicht losgelöst von den Klient/-innen bzw. Pflege- und Gesundheitsfachpersonen betrachtet werden kann. Aus diesem Grund strebt das interdisziplinäre Vorhaben “Hybrid-Thinking - Entwicklung von Lern- und Erfahrungsräumen in der pflegerischen und medizinischen Versorgung durch Mixed Reality” die Umsetzung gemeinsamer anwendungsorientierter Forschungs- und Entwicklungsvorhaben an, in die Klient/-innen, Pflege- und Gesundheitsfachpersonen partizipativ eingebunden werden.
Ein Forschungsschwerpunkt des Forschungslabors PBE ist die Entwicklung neuer nichtinvasiver Verfahren zur Bestimmung der individuellen mechanischen Eigenschaften der menschlichen Aorten- und Aneurysmenwand. Die Forschung wird in enger Zusammenarbeit mit der Klinik für Gefäß- und Endovascularchirurgie des Universitätsklinikums Frankfurt und der Herzchirurgie des Universitätsklinikums Marburg durchgeführt. Durch Nutzung eines modifizierten Echtzeit-3D-Echokardiographie-Geräts (4D-Ultraschall) wurde eine neue nichtinvasive, klinisch einsetzbare Bildgebung für die menschliche Aorten- und Aneurysmenwand etabliert. 4D-Ultraschall liefert Daten der Aorten- und Aneurysmenwand mit einer hohen zeitlichen Auflösung von 20 bis 40 Bildern/Sekunde, so dass die Dynamik der Wandbewegung unter der Einwirkung der pulsatilen Blutdruckamplitude erfasst werden kann. Zudem erlaubt das Verfahren die Bestimmung der lokalen Verformungen von Gefäßwandstücken mit einer Größe von nur 2x2 mm².
Ein großes bisher ungelöstes Problem sind die während des SLM-Prozesses entstehenden elastischen und plastischen Stauchungen und Dehnungen im Bauteil, welche zu inneren Bauteilspannungen führen. Diese können auch durch aufwändige Wärmenachbehandlung nicht vollständig beseitigt werden und führen im Nachgang zu funktionshinderlichen oder funktionsverhindernden strukturellen Inhomogenitäten. Dieser technologischen Herausforderung stellt sich das geplante Forschungsprojekt MINIBA mit dem Ziel, dem SLM Selective Laser Melting (SLM) neue Anwendungen speziell im Bereich der individualisierten Gelenkprothetik zu erschließen.
Im Forschungsprojekt „EasyGoing@Home“ arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus den Ingenieur- und Pflege- & Gesundheitswissenschaften gemeinsam an einer technischen Entwicklung für die heimparenterale Ernährung. Tägliche lange Ernährungszeiten schränken Patienten und Patientinnen in ihrem alltäglichen Leben stark ein. Um ihnen mehr Selbstbestimmtheit in der Therapie zu ermöglichen, wird ein System zum eigenständigen Konnektieren und Diskonnektieren entwickelt. Das Projekt wird durch das „Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst“ im Förderprogramm „Forschung für die Praxis“ gefördert und liefert einen gesellschaftlichen Beitrag zum gesetzlich verankerten Leitbild „ambulant vor stationär“, zum Erhalt der Mobilität im Sinne der Patientenautonomie.
Die Versorgung mit Hüftendoprothesen (HEP) ist derzeit die einzige verfügbare Therapieoption bei fortgeschrittener Arthrose im Hüftgelenk (Coxarthrose), von der im Lauf ihres Lebens bis zu 25% der Bevölkerung betroffen sind. Das vorliegende Forschungsprojekt soll das Potential von personalisierten numerischen biomechanischen Simulationsmodellen für die Verbesserung der Planung von Hüftgelenkersatzoperationen untersuchen, um eine optimale Versorgung der Patientinnen und Patienten zu ermöglichen. Dadurch können verschiedene Operationsvarianten virtuell durchgespielt, ihre Ergebnisse vergleichend bewertet und die Variante ausgewählt werden, die das in Hinblick auf die Haltbarkeit der Prothese, aber auch eine möglichst „natürliche“ und schmerzfreie Beweglichkeit optimale Ergebnis verspricht.
Medienzusätze für die Zellkultur aus tierischen Quellen werden für viele Anwendungen in Industrie und Forschung benötigt. Eine Alternative zu tierischen Seren, bezüglich der breiten Anwendung verschiedener Zellen in der Zellkultur, ist bis dato kommerziell nicht erhältlich. Aus ökonomischen/ethischen Gründen ist dies für die Forschungsgruppen - Institute aber von wesentlicher Bedeutung.
In diesem Projekt steht das „3-R Prinzip“, dessen internationale Grundlage die Vermeidung (Replacement) und Reduktion (Reduction) der Tierversuche, sowie die Vermeidung deren Leidens (Refinement) zum Ziel hat, im Fokus: Fötales Kälberserum wird reduziert, durch chemisch definierte Wachstumsfaktoren ergänzt und der Industrie sowie Forschung für eine breite Anzahl von Zelltypen zur Verfügung gestellt.
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Personalized Biomedical Engineering
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