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Wasserroboter könnte Ertrinkende retten

Noch immer ertrinken zu viele Menschen beim Schwimmen. Die meisten davon in Binnengewässern, aber auch in Schwimmbädern kam es zu Unfällen mit tödlichem Ausgang kommen. Ein weltweit einzigartiger Wasserroboter, der zukünftig das stromlinienförmige Design eines Rochens aufweisen soll, könnte nun jedoch Bademeistern und Rettungsschwimmern zur Seite stehen und Schwimmende in Not retten.

„Es gibt typische Körperpositionen, an denen man erkennt, dass sich jemand in Gefahr befindet,“ erklärt Forschungsleiter Helge Renkewitz vom Fraunhofer Institut IOSB. An der Hallendecke angebrachte Überwachungskameras können die Bewegungsmuster und Position des Ertrinkenden im Becken registrieren und die Koordinaten an den Roboter schicken. Hat das Fahrzeug sein Ziel erreicht, ortet es mithilfe von Kameras die gefährdete Person und befördert diese an die Wasseroberfläche. Eine Fixier- und Fangvorrichtung verhindert, dass leblose Körper beim Auftauchen herunterrutschen.

An Badeseen übernehmen Flugdrohnen und Zeppelinsysteme die Aufgabe der Überwachungskameras. Diese lassen sich problemlos mit Kameras ausstatten. Für die Rettung im Badesee, wo das Wasser trüb ist, muss das Unterwasserfahrzeug anstelle von optischen mit akustischen Sensoren ausgestattet sein. Mithilfe des Echos der Schallwellen lassen sich Lage und Ausrichtung von Personen so exakt bestimmen, dass der Roboter die Zielperson autonom ansteuern und aufnehmen kann.

Ein in drei Metern Tiefe abgelassener, 80 Kilo schwerer Dummy wird vom Rettungsroboter innerhalb von zwei Minuten aufgenommen und an ein inzwischen von diesem automatisch verständigtes Rettungsteam übergeben. „Verunglückte müssen innerhalb von fünf Minuten reanimiert werden, um dauerhafte Schäden auszuschließen. Diese kritische Zeitspanne konnten wir problemlos einhalten,“ so Renkewitz.

Referenz:
Fraunhofer IOSB
Pressemeldung Fraunhofer: Autonomer Wasserroboter rettet Ertrinkende, 1.3.2021; https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2021/maerz-2021/autonomer-wasserroboter-rettet-ertrinkende.html

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Neurologie Neurowissenschaften Technologie Wissenschaft

Gehirn: mehr Rechenpower und Speicherplatz als vermutet

Nervenzellen kommunizieren miteinander via Synapsen. Deren Leistung dürfte viel höher sein, als bisher vermutet, wie Neurowissenschaftler zeigen. Die Signalübertragung ist dabei umso stärker, je grösser eine Synapse ist. „Mit dieser Erkenntnis schließen wir eine zentrale Wissenslücke der Neurobiologie“, so Kevan Martin von der Universität Zürich: „zudem ist dieses Wissen entscheidend, um zu verstehen, wie Informationen durch die Schaltpläne des Gehirns fließen und somit unser Gehirn funktioniert.“

Um die Synapsenströme zwischen Nervenzellen zu messen, fertigten sie hauchdünne Schnitte eines Mausgehirns an und führten unter dem Mikroskop feine Glaselektroden in zwei benachbarte Nervenzellen der Großhirnrinde ein. Damit konnten sie eine der beiden Nervenzellen künstlich aktivieren und gleichzeitig die Stärke des resultierenden Synapsenstroms in der anderen Zelle messen. Zudem injizierten sie einen Farbstoff, um die verästelten Zellfortsätze im Lichtmikroskop dreidimensional rekonstruieren zu können.

„Damit können nun die Schaltkreise der Großhirnrinde mithilfe von Elektronenmikroskopie exakt kartografiert und deren Informationsfluss am Computer simuliert und interpretiert werden,“ erklärt Gregor Schuhknecht, ETH Zürich: „diese Arbeiten ermöglichen ein besseres Verständnis, wie das Hirn normalerweise funktioniert, und wie «Verdrahtungsdefekte» zu neurologischen Entwicklungsstörungen führen können.“

Mithilfe von mathematischen Analysen konnten die Forschenden auch zeigen, dass Synapsen komplexer sind als bisher angenommen. Sie können nicht nur ein einziges Vesikel mit Botenstoffen aussenden, wie bisher angenommen, sondern mehrere Vesikel an verschiedenen Stellen gleichzeitig. Damit lässt sich auch ihre Signalstärke dynamischer regulieren als bisher gedacht.

Referenzen:
ETH, Universität Zürich; Harvard University
Structure and function of a neocortical synapse; Nature 13.1.2021; https://www.nature.com/articles/s41586-020-03134-2

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Neurologie Orthopädie Technologie Wissenschaft

Neurofeedback erleichtert das Tragen von Prothesen

Obwohl die Prothesentechnik ständig Fortschritte macht, sind beinamputierte Personen nicht immer zufrieden mit ihrer Prothese. Ein häufiger Grund dafür ist, dass die Personen das Gewicht der Prothese als zu hoch empfinden. Dies, obwohl Beinprothesen tatsächlich in der Regel weniger als halb so schwer sind als natürliche Gliedmaßen. Schweizer Forschende konnten nun zeigen, dass eine Verbindung der Prothesen mit dem Nervensystem hilft, das Prothesengewicht als geringer wahrzunehmen, was der Akzeptanz der Prothesen sehr zuträglich ist.

So wurden in den vergangenen Jahren Prothesen entwickelt, welche dem Nervensystem des Trägers ein Feedback geben. Dies geschieht über in den Oberschenkel implantierte Elektroden, die mit den dort vorhandenen Beinnerven verbunden werden. Informationen von Tastsensoren unter der Fußsohle sowie von Winkelsensoren im elektronischen Prothesen-Kniegelenk werden dazu in Stromimpulse umgewandelt und an die Nerven weitergegeben.

Dem Gehirn einer oberschenkelamputierten Person wird so vorgegaukelt, dass die Beinprothese ihrem eigenen Bein ähnlich ist. In einer im letzten Jahr veröffentlichten Studie zeigte das Team bereits, das sich Träger solcher Neurofeedback-Prothesen sicherer und mit weniger Kraftanstrengung fortbewegen können.

Dass sich Neurofeedback nicht nur in einer empfunden Gewichtserleichterung bemerkbar macht, sondern sich auch positiv auf das Gehirn auswirkt, bestätigten die Wissenschaftler nun außerdem mit einer motorisch-kognitiven Aufgabe, bei der der Proband beim Gehen Wörter mit fünf Buchstaben rückwärts buchstabieren sollte. Das sensorische Feedback ermöglichte ihm nicht nur einen schnelleren Gang, sondern er schnitt auch bei der Buchstabierübung besser ab.

Referenz:
ETH Zürich
Lightening the perceived prosthesis weight with neural embodiment promoted by sensory feedback. Current Biology, 7.1.2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960982220317826

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Infektiologie Technologie Virologie Wissenschaft

Coronatest: Wären Selbstabstriche zuverlässig?

Unter bestimmten Bedingungen kann für einen Antigen-Schnelltest ein Nasen-Selbstabstrich eine verlässliche Alternative zu einem professionellen Abstrich aus dem Nasen-Rachen-Raum sein. Antigen-Schnelltests sind zwar weniger genau als PCR-Tests, könnten aber einen wichtigen ergänzenden Beitrag zur Eindämmung der Pandemie leisten, so eine deutsche Studie.

In dieser erhielten Personen mit SARS-CoV-2-typischen Symptomen vom medizinischen Personal Instruktionen für einen Selbstabstrich. Danach sollten die Studienteilnehmenden einen Tupfer in 2 bis 3 Zentimeter Tiefe für 15 Sekunden in kreisenden Bewegungen an den Innenwänden ihrer Nase entlangführen. Anschließend entnahm medizinisches Personal von den Erkrankten einen tiefen Nasenabstrich (nasopharyngeal). Beide Proben wurden vor Ort auf einen Antigen-Schnelltest aufgetragen und die Ergebnisse miteinander verglichen. Zusätzlich nahm das Personal einen kombinierten Abstrich aus dem Mund- und Nasen-Rachen-Raum, um per PCR eine Referenz-Diagnose auf SARS-CoV-2-Infektion stellen zu können.

39 der 289 Studienteilnehmer erwiesen sich auf Basis der PCR-Testung als infiziert mit SARS-CoV-2. Bei 31 von ihnen (knapp 80 Prozent) schlug auch der Antigen-Schnelltest an, wenn die Probe professionell tief aus der Nase entnommen wurde. Der Selbstabstrich aus der vorderen Nase lieferte bei 29 von den Infizierten (rund 74 Prozent) das korrekte Ergebnis. „Die Studie zeigt, dass die Selbstabstriche für den untersuchten Antigentest nicht schlechter als professionelle Abstriche aus dem Nasen-Rachen-Raum sind“, erklärt Claudia Denkinger, Uniklinik Heidelberg: „Festere Tupfer, die sich besser für den Abstrich im Nasenvorhof eignen, könnten die Genauigkeit des Tests noch erhöhen.“

Referenzen:
Charité Berlin, Universitätsklinikum Heidelberg
Head-to-head comparison of SARS-CoV-2 antigen-detecting rapid test with self-collected anterior nasal swab versus professional-collected nasopharyngeal swab. Eur Respir J 2020, https://erj.ersjournals.com/content/early/2020/11/26/13993003.03961-2020

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Personalisierte Medizin Technologie Wissenschaft

Zellen nach Maß

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) haben das Potenzial, sich in die unterschiedlichsten Zelltypen und Gewebe zu verwandeln. Die ,,Kochrezepte“ für diese Umwandlung sind jedoch häufig kompliziert und schwer umsetzbar. Ein internationales Forscherteam hat nun einen Weg gefunden, wie sich aus den iPS systematisch hunderte verschiedene Zellen – darunter Nerven-, Bindegewebs- und Blutgefäßzellen – schnell und einfach mit Hilfe von Transkriptionsfaktoren gewinnen lassen. Diese Quelle können Wissenschaftler  über die Non-Profit-Organisation Addgene nutzen.

Mit einem groß angelegten Screening fanden die Forscher insgesamt 290 DNA-bindende Proteine, die Stammzellen schnell und effizient zu Zielzellen umprogrammieren. Die Forscher wiesen nach, dass jeweils nur ein Transkriptionsfaktor genügt, um binnen vier Tagen, statt Wochen oder Monaten, aus den Stammzellen ausdifferenzierte Zellen, wie Blutgefäß- oder Gliazellen zu züchten. Das ist Neuland, weil diese Eigenschaft der iPS-Programmierung von 241 der entdeckten Transkriptionsfaktoren vorher nicht bekannt war. Am Beispiel der Nerven-, Bindegewebs-, Blutgefäß- und Gliazellen wiesen die Forscher mit verschiedenen Tests nach, dass die umgewandelten Zellen in ihrer Funktionsfähigkeit nahe an menschliche Körperzellen herankommen.

Diese Ergebnisse stoßen neue Türen auf und Wissenschaftler können nun weltweit die Transkriptionsfaktoren nutzen. Volker Busskamp von der Universität Bonn sieht als Experte für Degenerative Netzhauterkrankungen in der Augenheilkunde ein großes Potenzial für die Stammzell-Technologie: „Für Erkrankungen, bei denen die Netzhaut zugrunde geht, wie etwa bei der Altersbedingten Makuladegeneration (AMD), besteht die Hoffnung, irgendwann einmal die betroffenen Sehzellen mit Hilfe der Umwandlung von iPS zu ersetzen. Mein Team arbeitet darauf hin.“

Referenzen:
Harvard University, TU Dresden, Universität Bonn
A comprehensive library of human transcription factors for cell fate engineering, Nature Biotech,
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0742-6

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Technologie Wissenschaft

Künstliche Flimmerhärchen entwickelt

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme entwickeln künstliche Flimmerhärchen, die so programmiert werden können, dass sie sich in Wellen bewegen. In Experimenten zeigen sie, wie die millimeterkleinen Zilien viskose Flüssigkeiten genauso effektiv pumpen können wie ihr natürliches Vorbild. Ihre Forschung trägt dazu bei, das Geheimnis zu lüften, welches Bewegungsmuster einen maximalen Flüssigkeitsstrom erzeugt.

Zilien sind haarähnliche Strukturen, die zum Beispiel in den Atemwegen vorkommen. Durch die Zilienbewegung wird Schleim und an ihm haftende, unerwünschte Substanzen aus den Atemwegen befördert. Der Roboter, den die Wissenschaftler nun entwickelt haben, ähnelt echten Flimmerhärchen. Der einzige Unterschied ist die Größe: Jedes Replikat einer Zilie ist knapp einen Millimeter lang. Das ist hundertmal grösser als ein natürliches Flimmerhärchen. Dafür ist jedes Härchen programmierbar: Die Forscher können die Bewegung jedes einzelnen Flimmerhärchens fernsteuern und auch die koordinierte Bewegung aller Flimmerhärchen im Zusammenspiel mit ihren Nachbarn. „Mit unserem künstlichen System können wir Bewegungen ähnlich wie echte Flimmerhärchen in einem größeren Maßstab nachahmen, wobei immer die gleichen physikalischen Gesetze gelten. Auf diese Weise können wir viele verwertbare Daten erzeugen. Wir können quantifizieren, welche Bewegungsmuster einen maximalen Flüssigkeitsstrom erzeugen“, so Studienautor Xiaoguang Dong.

Das Team ist davon überzeugt, dass ihr Forschungsprojekt weitere Forschung inspirieren wird: Die künstlichen Flimmerhärchen könnten für die weitere Untersuchung vieler interessanter wissenschaftlicher Fragen genutzt werden und auch dazu, um hochmoderne Miniaturroboter zu entwickeln. Diese könnten etwa als innovative kabellose medizinische Geräte eingesetzt werden.

Referenzen: MPI-IS, Stuttgart
Bioinspired cilia arrays with programmable nonreciprocal motion and metachronal coordinatio; Sciences Advances 6.11.2020; https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabc9323.full

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Dermatologie Technologie Wissenschaft

Elektronische Haut kann auf Schmerz reagieren

Australischen Forschern ist ein Durchbruch bei der Entwicklung eines künstlichen Haut-Ersatzes gelungen. Sie haben eine elektronische „Haut“ entwickelt, die wie echte Haut auf Schmerzen reagiert und diese auch mit der gleichen Geschwindigkeit wie menschliche Zellen weiterleitet. Die neue Haut könnte als Alternative zu Hauttransplantaten zur Verfügung stehen und den Einsatz von intelligenter Prothetik und Robotik entscheidend vorantreiben.

Bisher konnte keine Technologie das menschliche Schmerzgefühl realistisch nachahmen. Das neue Material reagiert jedoch sofort, wenn Druck, Hitze oder Kälte eine schmerzhafte Schwelle erreichen. „Es bedeutet, dass unsere künstliche Haut den Unterschied zwischen dem sanften Berühren einer Nadel mit dem Finger oder dem versehentlichen Stechen selbst erkennt,“ so das Team um Prof. Madhu Bhaskaran: „eine kritische Unterscheidung, die auf elektronischem Wege noch nie erreicht wurde“.

Für ihr System haben die Techniker drei eigene vorangegangene Erfindungen die bereits zum Patent angemeldet sind kombiniert: sehr dünne, dehnbare Elektronik; temperaturreaktive Beschichtungen und elektronische Speicherzellen, die die Art und Weise imitieren, wie das Gehirn das Langzeitgedächtnis nutzt, um vorhergehende Informationen abzurufen und zu speichern.

Referenzen:

RMIT University, Melbourne; National Institute of Cardiovascular Diseases, BangladeshArtificial Somatosensors: Feedback receptors for electronic skins; Advanced Intelligent Systems 1.9.2020; https://doi.org/10.1002/aisy.202000094

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Ophthalmologie Technologie Wissenschaft

Künstliche Intelligenz gegen Blindheit

Internationale Forscher haben mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) ein Modell entwickelt, das die Behandlung von Blindheit und Sehverlust zukünftig grundlegend verändern könnte.

Das Team trainierte ein künstliches neuronales Netzwerk – d.h. einen Computeralgorithmus, der die Funktionsweise von Neuronen im menschlichen Gehirn nachahmt -, um differenzierte Zellen im Netzhautgewebe zu identifizieren und vorherzusagen. Die Maschine war in der Lage, differenzierte Zellen mit einer Genauigkeit von 84% zu erkennen, verglichen mit 67%, die vom Menschen erreicht wurden.

„Die menschliche Netzhaut hat eine sehr begrenzte Regenerationsfähigkeit“, so Pavel Volchkov vom Moskauer Institut für Physik und Technologie. „Dies bedeutet, dass jeder fortschreitende Verlust von Neuronen – beispielsweise beim Glaukom – unweigerlich zu einem vollständigen Verlust des Sehvermögens führt.“ „Wir sind der Entwicklung von Zelltherapien für Netzhauterkrankungen einen Schritt näher gekommen. Außerdem kann der Ansatz nicht nur auf andere Zelllinien übertragen werden, sondern auch auf andere menschliche künstliche Organe.“, so Co-Autor Evgenii Kegeles vom Schepens Eye Research Institute, USA.

Referenzen:
Moscow Institute of Physics and Technology – MIPT, Ivannikov Institute for System Programming, Schepens Eye Research Institute
Convolutional Neural Networks Can Predict Retinal Differentiation in Retinal Organoids
Front. Cell. Neurosci., 03 July 2020 |
https://doi.org/10.3389/fncel.2020.00171

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Onkologie Technologie Therapie Wissenschaft

Gerät zerschreddert Tumorzellen

Forscher der Johannes Kepler Universität Linz (JKU) haben einen „Tumorzellschredder“ entwickelt, der bereits zum Patent angemeldet wurde. Mit dem Gerät kann das Blut so geschert werden, dass es unbeeinträchtigt bleibt, die zirkulierenden Verbände von Tumorzellen, so genannte CTCs (circulating tumor cells), aber Schaden nehmen bzw. zerstört werden. Durch entsprechende Regelung des Geräts wird der natürliche Blutstrom nicht beeinträchtigt. Ein derartiges Verfahren ist völlig neu.

Das innovative Gerät ist noch kein ausgereifter Prototyp, sondern ein Demonstrator. Es zeigt, dass das Prinzip funktioniert, also die CTCs zerstört werden können. Für die Entwicklung eines klinisch einsetzbaren Geräts, sei noch viel Forschung und ein hoher Finanzierungsaufwand, sowie weitere unterschiedliche Tests erforderlich. Erst dann können klinische Studien und die Zulassung als Medizingerät erfolgen.

Auch wenn der Weg bis zum Einsatz für Patienten noch ein weiter ist, so ist das Forscherteam vom Potenzial des „Tumorzellschredders“ überzeugt: „Er könnte Patienten mit schlechter Prognose mehr Lebenszeit und Lebensqualität schenken.“

Referenz:
JKU – Johannes Kepler Universität Linz
https://www.jku.at/news-events/news/detail/news/jku-entwickelt-geraet-das-tumorzellen-zerschreddert

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Kardiologie Leben Technologie Telemedizin Therapie Wissenschaft

Sprachanalyse identifiziert Lungenstauungen

Die Sprachanalyse mit einer Smartphone-App identifiziert Lungenstauungen bei Patienten mit Herzinsuffizienz und ermöglicht ein frühzeitiges Eingreifen, bevor sich ihr Zustand verschlechtert.

Herzinsuffizienz betrifft weltweit mehr als 26 Millionen Menschen. Sie ist die häufigste Ursache für Krankenhausaufenthalte in den USA und in Europa. Eine strenge Überwachung der Patienten könnte die damit verbundenen Krankenhausaufenthalte und Todesfälle verringern. Das häufigste Symptom ist Atemnot, die durch Wasserstauungen in der Lunge verursacht wird. Eine Lungenstauung führt zu subtilen Veränderungen der Sprachmuster, die ein Instrument zur Beurteilung des klinischen Status sein können.

Die Studie umfasste 40 Patienten, die mit akuter Herzinsuffizienz und Lungenstauung ins Krankenhaus eingeliefert wurden. Die Patienten wurden gebeten, bei der Aufnahme und kurz vor der Entlassung fünf Sätze auf einem Standard-Smartphone aufzuzeichnen. Die Dauer jeder Aufnahme betrug 2–5 Sekunden. Die Forscher fanden heraus, dass die Technologie erfolgreich zwischen dem Zustand bei der Aufnahme und dem Zustand bei der Entlassung unterschied.

Das System könne zur Überwachung von Patienten mit Herzinsuffizienz zu Hause eingesetzt werden. Kleine Abweichungen, die den Beginn der Flüssigkeitsansammlung anzeigen, erzeugen bei behandelten Ärzten einen Alarm. „Personen mit frühen Anzeichen einer Lungenstauung könnten Anpassungen ihrer Behandlung erhalten, wodurch die Notwendigkeit eines Krankenhausaufenthaltes vermieden wird“, so der Studienautor Professor Offer Amir.

Referenz:
ESC Pressemitteilung, 19. Juni 2020 European Society of Cardiology

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