eNIFE - Biomedizintechnik

Das Alleinstellungsmerkmal des NIFE, in Form der gebündelten technischen und geistigen Infrastruktur, bietet den verschiedenen AGs die Möglichkeit eines Wissenstransfers zwischen Arbeitsgruppen der MHH und LUH, sowie Kooperationen die möglicherweise so nie entstanden wären oder würden. Hierzu zählen Forschungsaktivitäten im Bereich der Entwicklung von Bioreaktorsystemen für bioartifizielle Gefäßprothesen, der Entwicklung neuartiger Prozessorarchitekturen für digitale Hörhilfen, der Konzeptionierung neuartiger low-energy Hörgeräteprozessoren, der Entwicklung mobiler Diagnose-Systeme zur Beurteilung sensomotorischer Regulationsfähigkeiten, sowie der Entwicklung sicherheitsintegrierter und infektionsreaktiver Implantate.

Im landesgeförderten Projekt SmartBiotecs wird in Kooperation mit den Kolleginnen und Kollegen aus verschiedenen NIFE AGs u.a. an der Sensorik und zugehöriger Elektronik zu Bioreaktorsystemen gearbeitet. Die Bioreaktorsysteme sollen es beispielsweise ermöglichen, in Kooperation mit der AG Blume/Scheeper bioartifizielle Gefäßprothesen aus autologen Zellen in vitro zu züchten. Der Erfolg derartig komplexer Vorhaben muss zunächst grundsätzlich erforscht werden und ist dabei von vielen verschiedenen Prozessschritten und Parametersettings abhängig. Um diese möglichst umfangreich überwachen und anzupassen zu können, sowie möglichst automatisch zu steuern, wird der Einsatz verschiedener Sensoren mit der dahinterliegenden Signalverarbeitung und diverser Aktuatoren untersucht. Die verwendeten menschlichen Zellen benötigen sehr präzise Umgebungsbedingungen, wie z.B. eine hohe Luftfeuchtigkeit, die den Einsatz vieler elektronischer Komponenten erschwert, weshalb ein weiterer Schwerpunkt auf der Kapselung kommerziell erhältlicher Elektronik liegt. Sowohl die Konzeptionierung, als auch die Implementierung der erforderlichen Hardware- und Software-Komponenten, wird dabei von der eNIFE-Gruppe geleistet. Im Bereich der Sensorik und Messtechnik werden außerdem neuartige physikalische und chemische Sensorprinzipien und Messsysteme zur schnellen Detektion kleinster Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten und Gasen (Luft), überwiegend für medizin-, bio-, umwelt- und sicherheitstechnische Anwendungen untersucht. Hierbei werden sowohl grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen untersucht, als auch applikationsorientierte Forschungsprojekte in enger Kooperation mit wissenschaftlichen, klinischen und industriellen Partnern durchgeführt. Im Bereich der Bildverarbeitung werden Projekte zur Bildanalyse und Visualisierung von Rohdaten unterschiedlicher bildgebender Verfahren durchgeführt. Die Spanne reicht hier von der Visualisierung feinster Strukturen auf zellulärer Ebene bis hin zur Analyse von Migrationsbewegungen von Endoprothesen.

Im Exzellenzcluster Hearing4all 2.0 erforschen die Leibniz Universität Hannover, die Medizinische Hochschule Hannover sowie die Universität Oldenburg gemeinsam Möglichkeiten der Hörverbesserung für die 18 Prozent der Bevölkerung, darunter mehr als 50 Prozent der über 65-Jährigen, die an einem behandlungsbedürftigen Hörverlust leiden. Durch eine Verbesserung der individualisierten Hör-Diagnostik und der darauf angepassten Versorgung mit persönlichen Hörhilfen, forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der eNIFE AGs daran, die Kommunikationssituation der Betroffenen entscheidend zu verbessern, sei es bei der Arbeit, im Verkehr oder zu Hause. Dazu werden in diesem interdisziplinären Projekt hochperformante und verlustleistungsoptimierte Prozessorarchitekturen für elektronische Hörsysteme wie Cochlea-Implantate oder Hörgeräte erarbeitet. Der Nutzen und die Akzeptanz von derartigen Hörhilfen kann nur gewährleistet werden, wenn die komplexen technischen Randbedingungen eingehalten werden. Zu diesen Randbedingungen gehören miniaturisierte Bauformen, sehr kurze Latenzen bei der Audio-Signalverarbeitung und insbesondere ein extrem limitiertes Verlustleistungs-Budget, um lange Batterielaufzeiten zu erzielen. Gleichzeitig erfordern moderne und leistungsfähige Algorithmen für digitale Hörhilfen eine hohe Rechenleistung.

Der Bedarf an leistungsfähigen und extrem verlustleistungsarmen Prozessorarchitekturen für digitale Hörhilfen wird durch das Projekt Smart HeaP adressiert. Hierzu konzipiert eine AG des eNIFE eine vollständig programmierbare ASIP (Application Specific Instruction Set Processor) Architektur und implementiert diese als low-energy Hörgeräteprozessor. Durch die Verwendung einer Entwurfsumgebung wird der zu entwickelnde Chip vollständig Hochsprachen-programmierbar sein und so algorithmische Weiterentwicklungen ermöglichen.

Im biomedizintechnischen Kooperationsprojekt D-Sense DL entwickelt eine der eNIFE AGs ein mobiles Diagnose-System zur Beurteilung der sensomotorischen Regulationsfähigkeit. Dieses System aus mehreren Inertialsensoren und speziell entwickelten Algorithmen erlaubt es, verschiedene sensomotorische Testverfahren, ohne Anleitung durch einen geschulten Tester, selbst durchzuführen. Derartige Systeme können zur Selbstkontrolle im sportmedizinischen Bereich oder in der Rehabilitationsmedizin mit geringem Personaleinsatz genutzt werden.

Der Sonderforschungsbereich/Transregio 298 „SIIRI: Sicherheitsintegrierte und infektionsreaktive Implantate“ überträgt Konzepte zur Überwachung von Belastungen und Schäden aus der Fertigungs- und Werkstofftechnik auf medizinische Implantate. So soll die Forschung langfristig die Implantat- und somit auch die Patientensicherheit erhöhen. In dem Teilprojekt “Neue Messmethoden für die Lockerungsdiagnostik von Hüftendoprothesen” ist das Hauptziel die Entwicklung nicht-invasiver Methoden, die Implantatlockerungen differenziert und in einem sehr frühzeitigen Stadium erkennbar zu machen, um irreversible Knochenschädigungen zu vermeiden und somit die Revisionssituation zu verbessern. Das Konzept umfasst die innovative Kombination von der Schallemissionsanalyse zur Charakterisierung des Verankerungsstatus von Hüftendoprothesen und einer schnellen Vor-Ort-Detektion spezifischer Partikel und Biomoleküle in Körperflüssigkeiten mittels Ionenmobilitätsspektrometrie mit Elektrosprayionisation, Pyrolyse und gaschromatographischer Vortrennung. In einem weiteren Teilprojekt “Detektion der Zellbelegung auf Cochlea-Implantaten und Implantatposition zur atraumatischen Insertion und Langzeitüberwachung der Stimulationseffizienz“ ist das Ziel die Entwicklung einer neuen Methode auf Basis der Impedanzspektrometrie zur Analyse der Zellbelegung auf Cochlea-Implantat-Stimulationselektroden und zur Vorhersage der Elektrodengeometrie. Diese Methode soll auch die Überwachung der Implantatposition während der Insertion und der Langzeit-Stimulationseffizienz ermöglichen. Dabei sollen die Impedanzen zwischen allen Cochlea-Elektroden gemessen und zur Validierung eines Finite-Elemente-Modells (FEM) verwendet werden, um eine modellbasierte In-silico-Korrelation zwischen den Elektrodenimpedanzen, der Cochlea-Implantat-Position und der Zellbelegung zu bestimmen und zu validieren.