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Diagnostik- und Therapiesysteme, E-Health

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Diagnostik- und Therapiesysteme, E-Health

Typischerweise werden sowohl die elektronischen Komponenten als auch die zugehörige Software entwickelt, da beides sehr eng miteinander verzahnt ist. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die mobile Diagnostik. Beispiele dafür sind die ambulante Schlafdiagnostik und das Monitoring neurologischer Patienten (z.B. Parkinson). Die verwendeten Technologien können leicht auf die Bereiche Rehabilitation und Sportmedizin übertragen werden. Weiterhin forscht die Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Kreislaufdiagnostik, z.B. der Erfassung von Embolien mittels Ultraschall (akuter Schlaganfall, offene Herz-/Gehirnoperationen). Hier werden Thromben oder Luftblasen registriert, die eine Lungenembolie oder einen Schlaganfall verursachen können. Simultan dazu kann ebenso die Durchblutung allgemein diagnostiziert werden.

Ansprechpartner:
Institut für Medizintechnik und Mechatronik

Aktuelle Projekte

Entwicklung eines Demonstrators zur Verbesserung der Schlafdiagnostik basierend auf einer neuartigen Körperschallsensorik mit hohem Patientenkomfort und möglichem Einsatz im Homecare-Bereich, Schlafmonitoring (SomnoSound)

Projektleiter: Prof. Dr. Rainer Brucher
Projektlaufzeit: 01.10.2013 - 31.03.2018

Projektbeschreibung:
Ziel des gemeinsamen Projekts "SomnoSound" ist eine kostengünstige Apnoe-Schlafdiagnostik mit Blick auf Screening, wobei ein verbesserter Tragekomfort auch für den Homecare Bereich erreicht wird. Die zu entwickelnde Sensorik dient hierbei der Erfassung von Körperschall kombiniert mit der Erkennung der 3D-Schlafposition und Bewegungen am Patienten. Mittels miniaturisiertem Mikrofon, Beschleunigungs- und Gyroskopsensoren am Hals und Brustbereich werden die Signale funktechnisch an eine Basisstation übertragen, wo die intelligente Unterdrückung von Artefakten und die Extraktion von Schlafparameter unter Ansatz von KI-Methoden in der Signalverarbeitung durchgeführt wird. Die Erfassung der Schlaflage sowie Bewegungen sind zur Differenzierung der unterschiedlichen Körperschallsignale notwendig und dienen der Erhöhung der Zuverlässigkeit in der angestrebten Diagnostik. Der Patientenkomfort ist dadurch sichergestellt, dass nur noch maximal zwei miniaturisierte Klebesensoren ohne Verkabelung am Hals und an der Brust zur Schlafdiagnostik notwendig sein sollen.

Entwicklung eines Ultraschall-Doppler-Verfahrens mit einem dazugehörigen Therapiekatheter zur automatischen Detektion und verbesserten Therapie von intraoperativen Luftembolien, Luftembolidetektor mit Therapiekatheter (EmboKath)

Projektleiter: Prof. Dr. Rainer Brucher
Projektlaufzeit: 18.03.2015 - 28.02.2018

Projektbeschreibung:
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Ultraschall-Doppler-Verfahrens mit einem dazugehörigen Therapiekatheter zur automatischen Detektion von Luftembolien in der Vena cava superior und/oder im rechtem Vorhof. Dabei soll zum einen ein hinsichtlich seiner maximalen Luftaspirationsfähigkeit optimierter Katheter mit einem Ultraschall-Dopplersystem kombiniert werden. Damit kann erstmals ein System geschaffen werden, das eine hochsensitive Detektionsmethode bei optimaler Therapieoption ermöglicht. Zum anderen wird eine Quantifizierung der eingedrungenen Luft- bzw. Gasmenge basierend auf Dopplerspektraldaten entwickelt. Abschließend erfolgt die Verifizierung und Optimierung der Software zur automatisierten Detektion und die Validierung bzgl. der Quantifizierung von Luftembolien. Die Hochschule hat hier insbesondere die Aufgabe, die automatische Erkennung und Charakterisierung von Ultraschall-Dopplersignale zur quantitativen Erfassung von venosen Lufmengen intraoperativ in der Vena cava superior und in dem rechten Vorhof zu entwickeln und experimentell zu verifizieren. Somit wird nach erfolgreichem Projektabschluss ein innovatives Verfahren mit der zugehörigen Systemtechnologie zur automatischen Detektion und Quantifizierung von intraoperativen Luftembolien zur Verfügung stehen. Gleichzeitig wird mit diesem System auch die zugehörige Therapie der Aspiration der eingedrungen Luft erheblich vereinfacht und beschleunigt werden können.

Fechtpuppe

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling, Prof. Dr. Thomas Engleder
Projektlaufzeit: 10/2012 - offen

Projektbeschreibung:
Das Universitätsklinikum Ulm und die TU München unterstützten die Fecht-Nationalmannschaft bei der Verbesserung der Trainingsmöglichkeiten und der Leistungsdiagnostik. Im Rahmen von zwei abgeschlossenen Bachelorprojekten und einer laufenden Bachelorarbeit wurde an der Hochschule Ulm eine Fechtpuppe entwickelt, die kleine selbstleuchtende Trefferflächen aufweist und die Reaktionszeit der Sportler zwischen einem optischen Startsignal und dem Treffen des Ziels messen kann. In der ersten Version war diese Fechtpuppe noch starr und stellte damit einen Gegner dar, den die Sportler im Wettkampf so nicht erleben. Mittlerweile ist die Puppe motorisiert und kann sich nach vorne und nach hinten bewegen und stellt damit bereits eine realistischere Wettkampfsituation dar. Seit 2014 kann sich der Waffenarm bewegen.

Im Jahr 2015 sind zwei Publikationen zur Fechtpuppe veröffentlicht worden. Davon war eine peer reviewed. 



Abgeschlossene Projekte

Entwicklung einer elektrischen Gewebeimpedanzmethode zur Beobachtung von Muskel-Fascien-Kompartments für eine evidenz-basierte Physiotherapie (eFascia)

Projektleiter: Prof. Dr. Rainer Brucher, Prof. Dr. Klaus Paulat
Projektlaufzeit: 01.08.2016 - 01.09.2017

Projektbeschreibung:
Das muskuläre Bindegewebe (Faszien) bildet ein körperweites architektonisches Spannungsnetzwerk, das jeden Muskel sowie jede einzelne Muskelfaser umhüllt und mit anderen Strukturen verbindet und damit Kompartments bildet. Neuere Erkenntnisse verdeutlichen eine signifikante Rolle der Faszien in der muskulären Kraftübertragung, bei der Körperwahrnehmung sowie bei vielen Schmerzsyndromen. Die Forschungsgruppe soll gezielt die Präsenz kontraktiler Bindegewebszellen in den Faszien untersuchen, sowie die Fähigkeit der Faszien, dank dieser Zellen, ihren Gewebetonus (Steifigkeit) zu modulieren. Im ersten Schritt wurde hierfür ein Impedanz-Monitor entwickelt, der es erlaubt Kompartmentveränderung während physiotherapeutischer Prozeduren möglichst objetiv Veränderungen zu dokumentieren. Weiterführend folgt nun eine aufsetzende Studie um die oben geschilderten Effekte nachzuweisen.


Eichung des nichtinvasiv ermittelten Hirndrucks, ICP

Projektleiter: Prof. Dr. Klaus Paulat
Projektlaufzeit: 

Projektbeschreibung:
Bei einer intrakraniellen Raumforderung steigt nach Aufbrauchen des intrakraniellen Reservevolumens der intrakranielle Druck (ICP) an. Ein erhöhter ICP führt einerseits zu einer direkten Parenchymschädigung, andererseits resultiert durch eine Minderperfusion bei sinkendem cerebralen Perfusionsdruck (CPP) eine cerebrale Hypoxie. Die moderne neurologische-neurochirurgische Intensivmedizin ist darauf ausgerichtet, den ICP zu normalisieren um einen ausreichenden CPP zu erhalten. Hierzu ist die kontinuierliche Registrierung des ICP ein wesentliches Verfahren im Rahmen der Intensivtherapie. Alle bisherigen Standard-Verfahren sind jedoch mit einem operativen Eingriff, der Eröffnungdes knöchernen Schädels, verbunden. Wir haben in der Vergangenheit drei verschiedene, physikalisch voneinander unabhängige Methoden entwickelt um den Hirndruck nichtinvasiv, also völlig ohne Schädeloperation, zu registrieren und den zeitlichen Verlauf zu verfolgen. Alle Methoden liefern jedoch nur qualitative Ergebnisse.

In der Promotionsarbeit von Frau Grebe sollen diese Messungen nun durch Eichverfahren quantifiziert werden. Im Berichtszeitraum 2015 wurden jedoch kaum Fortschritte erzielt, da die Doktorandin eine Stelle in der Industrie angenommen hat und entsprechend wenig Arbeit in ihrer Promotion investieren konnte. In 2016 soll nun dieses Projekt mit Abgabe der Dissertation endgültig fertig gestellt werden.

Auftriebs- und Beatmungssystem zur mechanischen Beatmung eines Ertrinkungspatienten

Projektleiter: Prof. Dr. Klaus Paulat
Projektlaufzeit: 2012 - 2015 

Projektbeschreibung:
Ertrinken gehört weltweit zu den führenden Ursachen von Tod und schwerer, dauerhafter Schädigung von Menschen. Gemäß der Daten der Weltgesundheitsorganisation (WHO) führt das Ertrinken weltweit jährlich zu rund 500.000 Todesfällen bzw. stellt 0,7% aller Todesursachen dar. Die frühzeitige Beatmung von Ertrinkungspatienten an Land mit einer hohen Sauerstoffkonzentration wird angestrebt. Zudem gibt es neuerdings eine Empfehlung des europäischen Rates für Wiederbelebung (European Resuscitation Council, ERC), die eine Beatmung von Ertrinkungspatienten bereits im Wasser während des Rettungsschwimmens empfiehlt. In diesem Forschungsprojekt entwickelten wir bereits 2012 mit Hilfe von Frau Salzer (HS Ulm) und Herr Dr. Winkler (Uniklikum Ulm) ein Rettungsutensil, das es erstmals erlaubt, schnell und sicher den Verunglückten im Wasser mit einer Sauerstoffflasche zu beatmen und ohne Zeitverlust abzutransportieren. Dieses Gerät wurde in einer größeren Studie mit 17 professionellen Rettungskräften und der Wasserwacht des Roten Kreuzes auf den praktischen Einsatz im offenen Gewässer getestet. Die Ergebnisse wurden 2015 publiziert unter dem Titel: "A novel rescue-tube utility for in-water resuscitation" in Aerospace Medicine and Human Performance.

Kommt es durch Vibration oder Stretching zu Veränderungen des plantaren Fasciengewebes?

Projektleiter: Prof. Dr. Klaus Paulat
Projektlaufzeit: 2012 - 2015 

Projektbeschreibung:
Als Spin off aus dem Hirndruckprojekt wurde das Gerät zur Messung der elektrischen Impedanz für die Dynamik der Flüssigkeitsveränderungen in Extremitäten verwendet: Das Ziel dieser Studie ist es, Veränderung der plantaren Strukturen und der Achillessehne zu erfassen um Spannungs- und Flüssigkeitsveränderungen des Gewebes zu dokumentieren. So sollen Rückschlüsse auf die zu Grunde liegenden Prozesse eines bereits beschriebenen Bewegungsplus ermöglicht werden. 61 ProbandInnen im Alter von 22 bis 75 Jahre konnten in die Studie aufgenommen werden. 26 ProbandInnen bilden die Verumgruppe. Die übrigen ProbandInnen formen drei Kontrollgruppen. Zwei verschiedene Ansätze zur Behandlung des Bindegewebes werden im Rahmen der Studie untersucht. An jeweils einem Fuß der ProbandInnen wurde mit einem Matrix Rhythmus Gerät® im Bereich von 8- 10 Hz Vibration appliziert, an dem anderen wurden die ProbandInnen angeleitet eine Behandlung mit MELT® Bällen durchzuführen; es wurde darauf geachtet, dass es bei beiden Methoden zur Stimulierung desselben anatomischen Bereiches kam. Die Behandlungsdauer betrug jeweils fünf Minuten. Vor und nach den Anwendungen wurden folgende Messwerte erhoben: der Finger-Boden-Abstand, die Impedanz des Fußes, die Anspannung der Achillessehne (mittels Fotovergleich) sowie die viskoelastischen Eigenschaften der Fußsohle (anhand von zwei gleich bleibenden Messpunkten ermittelt mit dem MYOTON PRO®). Die bisher durchgeführte Analyse der gemessenen Daten zeigt für die Impedanzmessungen eine Zunahme des Widerstandes beim Stretching mittels Bällen; dies läßt sich durch eine Abnahme der Flüssigkeitsmenge im Gewebe erklären. Darüber hinaus verändern sich die viskoelastischen Eigenschaften des plantaren Fasziengewebes in Richtung Abnahme der Steifigkeit. Die Vibration beeinflusst die viskoelastischen Eigenschaften im Bereich der Ferse noch stärker. Die Messparameter der Achillessehne deuten auf eine Relaxation und damit auf eine Verkleinerung des Unterschenkel-Fußwinkels hin. In 2015 wurde das Projekt im Rahmen der Masterarbeit von Frau Frenzel abgeschlossen, sowie auf dem 4. Fascia Research Congress in Washington vorgestellt. Ferner wurde auf dem Fascien Forschungs Kongreß Reisensburg (Günzburg) am 17. bis 18.11.2015 ein Übersichtsvortrag über die Methodik der Impedanz und der Impedanztomographie gehalten.

Parkinsonmonitor

Projektleiter: Prof. Dr. Ronald Blechschmidt
Projektlaufzeit: 01.07.2012 - 30.06.2015

Projektbeschreibung:
Parkinson ist eine degenerative Erkrankung des Nervensystems, bei der durch den Untergang der dopaminergen Nervenzellen im Gehirn vor allem die motorischen Fähigkeiten der betroffenen Personen beeinträchtigt sind. Die langfristig erfolgreiche Therapie des Morbus Parkinson erfordert eine engmaschige und objektive Verlaufskontrolle sowie eine hohe Betreuungskonstanz. Zur Erfassung objektiver Daten aus der häuslichen Situation ist die zeitweise kontinuierliche Überwachung zur Einschätzung und Erfassung des aktuellen Patientenzustandes sinnvoll. Aufgrund der aufwendigen Auswertung der erzeugten Datenmengen wird diese Technik - trotz vieler positiver Veröffentlichungen - nicht in der Praxis eingesetzt. Es fehlt ein Verfahren, welches an die Bedürfnisse des behandelnden Neurologen angepasst ist. Im Rahmen dieses Vorhabens wird die, dem Neurologen bekannte Diagnosetechnik auf die Langzeitbeobachtung übertragen. Die aufgezeichneten Daten werden in dem Unified Parkinson Disease Rating Scale (UPDRS) zusammengefasst und die Bewegungsstörung als animierter Avatar dargestellt. So bekommt der Neurologe die Informationen, die er auch in der Praxis erhebt. Durch genauere Anpassung der Therapie können Überdosierungen vermieden werden und somit Langzeitfolgen hinausgezögert werden (z.B. Wirkungsverlust L-Dopa). Als Nebeneffekt erwarten wir eine Steigerung der Compliance durch die verbesserte Patienten-Arzt Interaktion. Das Smartphone soll in Zukunft die zentrale Auswertung der Daten sowie die Kommunikation mit dem Patienten übernehmen. D.h. es soll den Patienten bei Bedarf zur Durchführung von Referenzübungen auffordern und die Medikamenteneinnahme aufzeichnen. Weiterhin kann der Patient besondere Ereignisse per Sprachaufzeichnung festhalten. Unsere Vision: Die Patienten legen das Gerät regelmäßig (z.B. jeden dritten Tag) über 24 Stunden an. Die Bewegungsdaten werden von dem Smartphone sofort ausgewertet, um die Referenzübungen bei Bedarf anzufordern. Alle gesammelten Daten geben sowohl dem Patienten als auch dem behandelnden Facharzt einen objektiven, zeitlichen Verlauf der Symptome. Damit können die regelmäßig auftretenden Spätfolgen der Therapie aufgeschoben und die Lebensqualität des Patienten verbessert werden. Ideal wäre es, wenn das System eine Unter- bzw. Überdosierung vorhersagen könnte und prophylaktisch die Medikamentengabe individuell vorzieht oder hinausschiebt.

Verbesserung der Abschätzung des nichtinvasiven, über Ultraschall Doppler gemessenen, ICPs durch die Berücksichtigung der Autoregulation, Cerebrale Autoregulation und Hirndruck

Projektleiter: Prof. Dr. Klaus Paulat
Projektlaufzeit: 01.05.2014 - 20.08.2014

Projektbeschreibung:
Der intrakranielle Druck (ICP) läßt sich prinzipiell außer mit den 3 von uns entwickelten Methoden auch noch mittels Transkraniellem Ultraschall Doppler abschätzen. Weltweit, vor allem aber in Deutschland, England und den USA, gibt es ein Bestreben, diese Möglichkeit für die nichtinvasive ICP Bestimmung zu nutzen, weil Ultraschall Doppler sowieso auf der Intensivstation zur Verfügung steht und deshalb kein weiteres Verfahren mehr eingesetzt werden müßte.

Im Rahmen eines Forschungssemesters wurde mit der Arbeitsgruppe an der University of Washington in Seattle (USA) versucht, deren bisherige sehr weit variierenden Ergebnisse wesentlich zu verbessern. So wurde beispielsweise in deren Aufzeichnungen und Auswertungen der Status der zerebralen Autoregulation und die noch verbleibende Autoregulationsreserve nicht berücksichtigt. Dies stellt jedoch eine entscheidende Vorbedingung zur Anwendung der Methode dar. Da dieser Aspekt bisher jedoch noch keine Beachtung fand oder zu schwierig in der klinischen Routine war, finden sich in den Datenaufzeichnungen auch keine Hinweise darauf. So mußte aus den vorhandenen Daten die Autoregulation abgeschätzt werden, z.B. als Korrellation von Blutgeschwindigkeit und Blutdruck. SDie Ergebnisse werden zurzeit aufgearbeitet, formuliert und demnächst publiziert unter dem Titel: „A Multivariate Perspective of the Relationship between Intracranial Pressure, Blood Flow velocity and Arterial Blood Pressure“.


Veröffentlichungen

  • Kalkbrenner Christoph, Eichenlaub Manuel, Brucher Rainer: Development of a new homecare sleep monitor using body sounds and motion tracking. Current Directions in Biomedical Engineering (CDBME), Band 1, Heft 1, September 2015, pp. 30–33, ISSN (Online): 2364-5504, doi: 10.1515/cdbme-2015-0008 http://www.degruyter.com/view/j/cdbme.2015.1.issue-1/cdbme-2015-0008/cdbme- 2015-0008.xml
  • Gross A., Stangl F., Hoenes K., Heßling M., R. Brucher R.: Frequency-Controlled Power Ultrasound Unit for Battery-Powered UVC-LED Based Disinfection. System International Journal of Advanced Research in Computer Science and Electronics Engineering 2014, Vol. 12 3, p. 476-481, http://ijarcsee.org/index.php/IJARCSEE/article/view/515/485
  • Kalkbrenner C.,Stark P., Kouemou, G., Algorri, M.-E., Brucher, R.: Sleep monitoring using body sounds and motion tracking. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2014 36th Annual International Conference of the IEEE , pp. 6941- 6944, 26-30 Aug. 2014, doi: 10.1109/EMBC.2014.6945224


Quicklinks