MEDICA 2017
•••2••• Innovationen Materials with morphological memories Developing a new generation of medical helpers: Life-long implants – vision and state of the art I mplants are routinely employed in hospitals and dental practic- es daily. They are technologically mature and offer support for people in many different ways. The interventions themselves are burdensome for the patient and continue to be fraught with risks. Researchers of the Fraunhofer FEP and IWU are working jointly on developing life-long implants in order to extend the service life of these components in the body. “The Fraunhofer IWU conducts research on materials that have morphological memories – they remember and return to their original shape after deformation – such as used in vascular stents,” explains Christian Rotsch, head of the Medical Engineering depart- ment at Fraunhofer IWU. “These are materials that are able to re- sume their prior shape once trig- gered by a thermal stimulus.” The advanced incremental fab- rication process known as 3D printing, allowing personalized, patient-specific solutions to be realized, is also a research focus at Fraunhofer IWU. At the same time, this process allows hermeti- cally sealed, active components to be integrated. Non-invasive external control over the implant thereby becomes feasible for the patient – without medical inter- vention. As part of the develop- ment of these components and the necessary technology for in- tegrating them, Fraunhofer IWU is working together closely with scientists of the Fraunhofer Insti- tute for Ceramic Technologies and Systems (IKTS). Every individual reacts differently to an implant. In order to facilitate improved engraftment and minimize com- plications, surface properties of the implants can be enhanced. Implants must be robust and bi- ologically compatible with cells in order to be able to remain in extended service and not be re- jected by the body. This is where the surface treatment expertise of the Fraunhofer FEP finds ap- plication. A stable barrier to pre- vent the diffusion of ions or oth- er cytotoxic constituents can be achieved through suitable coat- ing and modification of many substrate materials, for example. “Implants containing nickel are coated and modified in a way that prevents allergies from being trig- gered in patients, and additionally that cell growth on specific areas of the surface can be selectively promoted or hindered,” explains Gaby Gotzmann, Project Manager in the Medical Applications Group at Fraunhofer FEP. Advantageous “Biological functionalization through the utilization of low-en- ergy electron-beam technology has proven to be especially advan- tageous in comparison to prior processes, since temporally stable effects can be attained with e- beams. Moreover, this technology is suitable as well for sterilization of medical surfaces and components, whereby implants with integrated electronic components and deli- cate constituent materials are able to be safely and thoroughly steri- lized.” Because the technologies described here are application- and substrate-specific, all processes must be adapted and matched to new potential applications. Hip stem with integrated memory-retaining components from Fraunhofer IWU and barrier coating as well as surface modification by Fraunhofer FEP Photo: Fraunhofer IWU Digitaler Co-Therapeut sorgt für korrekte Trainingsübungen Chemnitzer Forscher entwickeln technisches Assistenzsystem für Rehabilitation – Demonstrator am Medica-Stand 3/D94 Ein neuartiges Assistenzsystem, das künftig Therapeuten als tech- nische Hilfe unterstützen könnte, stellen Wissenschaftler der Tech- nischen Universität Chemnitz auf der Medica am Stand 3/D94 vor. In der Rehabilitation nach einem Unfall oder einer Erkrankung sind derzeitig Eins-zu-eins-Betreu- ungsverhältnisse von Therapeut zu Patient eher eine Seltenheit. Vielmehr treten Verhältnisse von eins zu acht bis eins zu fünfzehn auf. Daraus ergibt sich ein hoher Betreuungsaufwand für Thera- peuten, die gleichzeitig mehrere Patienten begleiten und somit den Therapieprozess eines einzel- nen Patienten nicht durchgehend überwachen können. Die korrekte Ausführung der Trainingsübungen ist allerdings entscheidend für den Erfolg ei- ner Therapie. Bewegungen eines Patienten können beispielsweise zu schnell und mit zu großer oder zu kleiner Amplitude ausgeführt werden. Zudem schleichen sich mit der Zeit Fehler bei der Ausfüh- rung von Übungen ein, die ohne zeitnahe Korrektur sogar eine ne- gative Auswirkung auf die Gesun- dung haben können. Maschinelles Lernen An dieser Stelle setzt die Arbeit der Nachwuchsforschergruppe AssiSt von der TU Chemnitz an. Ihr gelang es mit Verfahren des maschinellen Lernens, das Feed- back des Therapeuten in Form ei- nes technischen Assistenzsystems nachzubilden. „Dadurch ist es möglich, die von Patienten ausge- führten Bewegungen in Echtzeit mithilfe einer intelligenten Sen- sortechnologie zu analysieren und anschließend per Anweisung über ein Feedbackdisplay zu korrigie- ren – vor allem in den Phasen, in denen Therapeuten den Therapie- prozess nicht begleiten können“, berichtet Julia Richter vom Pro- jektteam. Mit Patienten kommt der entwickelte Demonstrator erstmals 2018 in klinischen Tests in einer in Chemnitz ansässigen Rehabilitationseinrichtung zum Einsatz. „Ziel ist es, die Mensch- Maschine-Schnittstelle sowie die Integration in den klinischen All- tag zu optimieren und die Pra- xistauglichkeit zu evaluieren“, blickt Richter voraus. Perspekti- visch visieren die Nachwuchsfor- scher auch eine Überführung des derzeitigen Demonstrators zur Marktreife an. „Die Medica bietet eine ideale Möglichkeit, um weitere Partner und Akteure zu gewinnen, so- dass in naher Zukunft ein breites Spektrum von Anwendern von diesem innovativen System pro- fitieren kann“, schätzt Richter ein und ergänzt: „Wir beantworten in Düsseldorf und natürlich auch darüber hinaus gern alle Fragen zu therapeutischen sowie techni- schen Hintergründen unseres As- sistenzsystems.“ Die Forschung der interdisziplinä- ren Nachwuchsforschergruppe wird unterstützt durch den Euro- päischen Sozialfond (ESF) und den Freistaat Sachsen. Echtzeit-Feedback am Display: Die Chemnitzer Forscher Lars Lehmann und Julia Richter testen das Therapieas- sistenzsystem im Labor. Foto: TU Chemnitz / Wolfgang Thieme
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