Forschungsprojekte

Das Forschungsprojekt, aus welchem sowohl die Dissertation „Freud, Lipps und das Problem der Empathie“ wie auch eine Reihe Veröffentlichungen hervorgegangen sind, untersucht eine noch wenig ausgearbeitete philosophische Quelle von Sigmund Freud. Der durch neue Ergebnisse im neurowissenschaftlichen und kognitiven Feld (u.a. die Entdeckung der Spiegelneurone) vieldiskutierte Begriff der Empathie hat zu einer Wiederaufnahmen der Theorien von Theodor Lipps geführt, der unter den bedeutendsten Pionieren der Empathieforschung gesehen wird. Die geschichtswissenschaftliche Untersuchung eröffnet eine neue Lektüre der Texte von Lipps. Fünf Anhänge vervollständigen die Dissertation mit neuen Übersetzungen von Lipps´ Texten. Die Arbeit von DDr. Ivan Rotella systematisiert des weiteren vor dem Hintergrund der aktuellen Forschung den Begriff der Einfühlung bei Lipps und dessen Einfluss auf Sigmund Freud.

Messung mechanischer Belastungen an der Oberfläche biologischer Gewebe

Knochen ist ein faszinierendes, lebendiges und intelligentes tragendes Gewebe. Es unterstützt den Körper, erleichtert die Fortbewegung und schützt die inneren Organe. Das Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Knochens hilft bei der Entwicklung von Behandlungen und klinischen Anwendungen, die sich für komplexere und personalisierte Lösungen eignen.
Biologische Gewebe sind im Allgemeinen inhomogen und anisotrop. Um das mechanische Verhalten biologischer Gewebe zu verstehen, ist eine vollständige Beschreibung dieses Verhaltens über die gesamte Geometrie und Form der Probe erforderlich. Die mechanischen Eigenschaften von Knochen und Weichteilen wurden mit verschiedenen Ansätzen, wie In-vitro-Experimenten und numerischen Modellen, umfassend untersucht. Dehnungsmessstreifen (DMS) gelten aufgrund ihrer hohen Genauigkeit als Goldstandard für Dehnungsmessungen an der Knochenoberfläche. Messungen mit den SGs erlauben jedoch nur die Bewertung diskreter Punkte und liefern keine Verteilung der Vollfeldspannung auf der Oberfläche der Probe. Darüber hinaus erfordern SGs eine detaillierte Oberflächenvorbereitung. Eine schlechte Vorbereitung kann zu äußerst ungenauen Ergebnissen führen. Transducer und Extensometer wurden ebenfalls verwendet, um die globale Dehnung im Knochen zu messen. Alle drei früheren Dehnungsmessverfahren bewirken eine Störung der Ergebnisse aufgrund ihres Beitrags zur Tragfähigkeit und führen zu einer systematischen Unterschätzung der tatsächlichen Dehnungsverteilung.
In den letzten Jahren ermöglichten optische Messverfahren, die auf digitaler Bildkorrelation (DIC) und Rechenleistung basieren, die berührungslose Messung ganzer Oberflächen. Damit überwinden sie die Begrenzung der Kontaktierung der Oberfläche und die Verfügbarkeit einzelner Messpunkte.
Die DIC hängt von der Verfolgung der Verschiebung der erkannten Merkmale (Flecken) auf der Probenoberfläche ab. DIC verfolgt die Verschiebung zwischen verformten und unverformten digitalen Bildern der Oberfläche. Basierend auf den digitalen Bildern wird eine Vollfeld-Verschiebungskarte berechnet, aus der eine Vollfeld-Belastungskarte abgeleitet wird. Die Genauigkeit der DIC hängt von der Qualität der Flecken, den Messbedingungen (Größe und Verteilung von Licht und Flecken) sowie von verschiedener Software (Facetten- und Rastergröße) ab und Hardware-Parameter (Optik und Kameraauflösung), die optimiert werden müssen. Trotz der vielseitigen Vorteile des DIC-Ansatzes bei der Ermittlung von Vollfeld-Dehnungsmessungen an der interessierenden Oberfläche wurde die DIC für Messungen an biologischen Proben und insbesondere an Knochen noch nicht vollständig ausgenutzt.
Die Ziele dieser Studie sind: (i) eingehende Untersuchung der Genauigkeit und Präzision des DIC-Verfahrens auf der Grundlage standardisierter metallischer und polymerer Proben unter Nulllast durch Auswertung der Größe und Verteilung des Fleckenmusters, (ii) Validierung der Genauigkeit und Präzision von DIC DIC-Messsystem gegen einen präzisen Extensometer; (iii) die Verteilung der 3D-Vollfeldspannung auf der Oberfläche von biologischem Gewebe wie Knochen- und Sehnenproben bewerten; (iv) praktische Leitlinien zur Verfügung stellen, wie die Vorteile der DIC-Anwendung zur Messung von Belastungsfeldern an biologischem Hart- und Weichgewebe genutzt werden können.

Das M3dRES-Projekt zielt darauf ab, eine einzigartige Infrastruktur für den 3D-Druck für die medizinische Forschung in einem stark interdisziplinären Umfeld zu schaffen.
M3dRES bietet wichtige Instrumente für die personalisierte Patientenbehandlung, für die Verbesserung der Bildgebung in der Medizin, für die Beschleunigung des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin sowie für die Modernisierung der aktuellen medizinischen Ausbildung.

Der 3D Druck hält Einzug in die Medizin und kann auf verschiedene Arten unterstützen. Neben pass-genauen Implantaten und Orthesen kann der 3D Druck in der Operationsvorbereitung eingesetzt werden um ein besseres Verständnis über die geplante Operation zu erlangen. Zunehmend gewinnt dabei das Drucken von Organen an Bedeutung. In diesem Forschungsprojekt sollen mit Hilfe des Polyjet Verfahrens Materialen gedruckt werden welche realen biologischen Geweben von der Haptik aber auch hinsichtlich des biomechanischen Verhaltens möglichst nahe kommen. Die so entwickelte Drucktechnologie ermöglicht die Herstellung von patientenspezifischen Organmodellen basierend auf CT und MRT Daten, die zur präoperativen Planung vor komplizierten Eingriffen herangezogen werden können. Weiters können für die Weiterentwicklung von Operationstechniken und Implantanten mechanisch äquivalente Organe oder Prüfkörper hergestellt werden, die den Einsatz von Körperspenden für diese Belange verzichtbar machen. Die gedruckten Organe sind standardisierbar und weisen keine unerwünschte Variabilität auf, wie es bei Körperspenden der Fall ist.

Evaluierung der Genauigkeit verschiedener nicht-invasiver Methoden zur Bestimmung des Hüftgelenkszentrums für die klinische Ganganalyse bei übergewichtigen Kindern und Jugendlichen

Reproduktion von biologischen Geweben mittels 3D-Druck im Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften

Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung (AM) oder Rapid Prototyping, ist zu einem vielseitigen Werkzeug mit einem breiten Anwendungsbereich wie Fertigung, Kunst, Design und Medizin geworden. Im Bereich der biomedizinischen Technik hat sich AM nicht nur im Tissue-Engineering für Druckgerüste und in der Biomechanik für patientenspezifische Prothesen großer Beliebtheit erfreut, sondern es wurde auch als Instrument zur Herstellung realistischer 3D-Modelle vorgeschlagen. Beispielsweise bietet die individuelle Modellierung patientenspezifischer Prothesene über AM eine hervorragende Gelegenheit für Chirurgen, Vorgänge vorher zu üben. Studien haben gezeigt, dass dabei die Operationszeit reduziert und das Vertrauen des Arztes erhöht wird, was zu kürzeren Bestrahlungszeiten und niedrigeren Kosten führt. Obwohl bereits über 3D-Modellierungsansätze für die präoperative Planung berichtet wurde, ist noch ein genauerer Blick auf die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Materialien erforderlich. Gegenwärtig fehlt diesen Modellen die genaue Darstellung der Gewebebiomechanik. Dies erfordert ein Verfahren zur Feinabstimmung der mechanischen Eigenschaften der 3D-Druckmaterialien, um den in-vivo-Bedingungen genau zu entsprechen. In diesem Projekt wird der 3D-Druck auf die Aufgabe angewendet, Materialien herzustellen, die biologische Gewebe und organähnliche Strukturen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften imitieren. Die bedruckten Tücher können patientenspezifisch für die präoperative Planung sein sowie standardisiert für Anwendungen in der Forschung sein, die sich mit der Entwicklung neuartiger Operationstechniken, Implantationstechnologien und anderer medizinischer Geräte befassen. Einer der Anreize besteht darin, den Bedarf an Spenderorganen zu begrenzen und die Variabilität der in der Forschung verwendeten Organe zu reduzieren. Aufgrund der Tatsache, dass die Möglichkeiten des 3D-Drucks derzeit rapide zunehmen, kann diese Forschung auch als Grundlage für noch mehr Anwendungen in Bezug auf gedruckte Orgeln angesehen werden, die möglicherweise mit zukünftiger Technologie möglich sind. Die Hauptziele dieses Projekts sind:
die Etablierung eines Testprotokolls zur Erfassung charakteristischer biomechanischer Parameter verschiedener Gewebe, die Entwicklung von Softwarewerkzeugen zur Erreichung dieser Parameter in 3D-gedruckten Strukturen (basierend auf geeigneten Materialkombinationen und deren räumlicher Verteilung sowie Nachbearbeitungsverfahren), deren Druck Geweberepliken neben der Validierung ihrer mechanischen Eigenschaften durch Vergleich mit den tatsächlichen Gewebeeigenschaften. Alle Anweisungen zur Herstellung dieser Modelle müssen in einer sogenannten "Toolbox" enthalten sein.

Komplexe Knochenbrüche müssen oft unfallchirurgisch versorgt werden. Die einzelnen Knochenfragmente werden dabei mittels Implantaten (Platten oder Stäbe) fixiert, um den Bruch zu stabilisieren. Die Verankerung der Implantate erfolgt unter anderem mit Knochenschrauben. Leider können sich diese Schrauben lösen oder ausbrechen, wenn der Patient den verletzten Knochen zu stark belastet oder seine Knochenqualität – und dadurch die Verankerung - unzureichend ist. Das Implantat muss dann in einer neuerlichen Operation ausgetauscht werden. Dies stellt für den Patienten aber auch für das Gesundheitssystem eine erhebliche und vor allem zusätzliche Belastung dar. In diesem Projekt soll ein computer-basierendes Schrauben-Versagenskriterium entwickelt werden, mit Hilfe dessen man vorhersagen kann, ob eine bestimmte Schraube in einem bestimmten Patienten den Belastungen standhalten wird oder nicht. Zur Entwicklung dieses Versagenskriteriums, werden eine große Anzahl an Knochenproben mit implantierten Knochenschrauben untersucht. Diese Knochen-Schrauben-Einheiten werden mittels CT gescannt und der Schraubenkopf wird in einer mechanischen Prüfmaschine in unterschiedlichste Richtungen belastet. Die Versagenslasten aller Proben werden dann in Beziehung zur jeweiligen Knochenmorphologie (Dichte, Architektur) in der Umgebung der Schraube gesetzt, die man aus den CT Bildern erhält. Als Resultat bekommt man einen mathematischen Zusammenhang, welcher für eine bestimmte Knochenstruktur und Lastrichtung die Versagenslast dieser Schraube angibt. Als Schraubenmaterial wird Standardtitan sowie ein neuartiges biodegradierbares Magnesium verwendet, das sich im menschlichen Körper auflösen kann. Damit wäre der normalerweise durchgeführte operative Eingriff nach erfolgter Knochenheilung zur Entfernung des Implantats obsolet. Um dieses vielversprechende Material einem klinischen Einsatz näherzubringen und um Know-How zu gewinnen, werden die Magnesiumschrauben kontrolliert degradiert und ihre Versagenslasten jenen von normalen Titanschrauben gegenübergestellt.

Survey of the microbial faecal Pollution status of the Lower Austrian Danube River on the basis of Escherichia coli

Eine Behandlung nach vorderer Kreuzband(VKB)-rekonstruktion ist notwendig, um früh wieder mit Sport beginnen zu können, sowie Langzeitschäden vorzubeugen. Die empfohlene Anzahl postoperativer Physiotherapieeinheiten ist unklar, vor allem weil Studien gute klinische Ergebnisse trotz geringerer physiotherapeutischer Betreuung (Heimübungsprogramme) zeigten. Das Gangbild spielt eine wesentliche Rolle im Rehabilitationsprozess. Aus diesem Grund und weil eine 3D-Ganganalyse teuer ist, werden für den klinischen Einsatz leistbare und leicht anwendbare Geräte benötigt. Tragbare Systeme wie die IMUs (Inertial Measurement Unit) werden bereits für klinische Untersuchungen verwendet. Dennoch gibt es nur wenige angemessene Methoden und Scores für ganganalytische Untersuchungen nach VKB-Rekonstruktion. Die aktuelle Studie konzentriert sich auf ganganalytische Betrachtungen der frühen Rehabilitation nach vorderer Kreuzbandrekonstruktion. Für diesen Zweck wird ein spezifischer VKB-Rehabilitationsscore entwickelt, welcher mehrere Gangaspekte sowie klinische Parameter berücksichtigt. Die Qualität des auf IMU-Daten-basierenden Scores wird mittels einem 3D Ganganalysesystem evaluiert. Basierend auf diesem entwickelten Score wird das Ergebnis von unterschiedlichen Rehabilitationsprogrammen (Heimübungen versus standardisierte Therapie) geprüft. Zu diesem Zweck wird eine klinische Studie durchgeführt. Zwei Patientengruppen mit unterschiedlichem
postoperativem Behandlungsansatz nach VKB-Rekonstruktion werden gebildet. Die Ganganalysen sind in den postoperativen Wochen 6-7, 8-10 und 12-13 angesetzt, wobei hierfür einerseits ein einfaches IMU-basiertes System (G-Walk) und andererseits ein 3D-Ganganalysesystem für Validierungszwecke verwendet wird. Ein neuer VKB-Rehabilitationsscore wird entwickelt, welcher klinische Parameter (u.a. Bewegungsausmaß, IKDC, Lysholm), Standardparameter der Ganganalyse (Kinematik, Kinetik, räumlich-zeitliche Parameter), sowie auch komplexere Parameter wie Komplexität, Regelmäßigkeit oder lokale Stabilität berücksichtigt. Statistische Analysen werden durchgeführt, um den Einfluss der Rehabilitationsprogramme sowie die Eignung des IMU-basierten Scores gegenüber der 3D Ganganalysedaten zu überprüfen.

Ein quantitatives Konzept zur Untersuchung human-assoziierter Antibiotikaresistenzen in Flüssen entlang des humanen Abwasserpfades

Bei der Entwicklung neuer Medizinprodukte und in der medizinischen Ausbildung sowie zur Vorbereitung komplexer Eingriffe sind Leichentests unumgänglich. Damit verbunden sind ethische Bedenken, rechtliche Einschränkungen und hohe organisatorische Aufwände, Testergebnisse sind nicht reproduzierbar und es sind nicht alle Pathologien verfügbar. Ähnliche Einschränkungen sind auch bei der Durchführung von Tierversuchen gegeben.
Künstliche anatomische Modelle könnten Leichentests weitgehend ersetzen, wenn sie im anatomischen Aufbau, in den mechanischen Eigenschaften und in weiteren anwendungs- spezifischen Funktionalitäten möglichst gleichwertig zu "echten" Humanpräparaten sind. Außerdem könnten solche Modelle direkt aus medizinischen Bilddaten (z.B. CT, MRT) abgeleitet und jede patientenindividuelle Pathologie als künstliches anatomisches Modell hergestellt werden. Um dies zu erreichen sind Kompetenzen zu Materialtechnologie, Anato- mie, Medizintechnik und Herstellverfahren – insbesondere additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) - zu bündeln und die technologischen Grundlagen anhand der Entwicklung erster Muster zu erforschen.
Die erforderlichen Kompetenzen sind in den NÖ Technopolen Wiener Neustadt und Krems vorhanden und werden durch die medizinische Forschung in den NÖ Universitätskliniken ergänzt. Durch Zusammenschluss der damit befassten NÖ Forschungsinstitutionen ist diese herausfordernde aber lohnende Vision erreichbar.
Im Gegensatz zu aktuell am Markt verfügbaren anatomischen Modellen werden die in diesem Forschungsprojekt entwickelten anatomischen Modelle funktional, haptisch, mecha- nisch sowie in Textur und Aussehen deutlich näher an der Realität sein, in der Herstellung kostengünstiger und für bestimmte Anwendungen einen tatsächlichen Ersatz von "Körper- spenden" ermöglichen.
Im Zuge dieses Forschungsprojektes werden 6 hochwertige Forschungsarbeits- bzw. Aus- bildungsplätze für Dissertanten und Diplomanden in NÖ neu geschaffen. Die Zukunftsvision beinhaltet auch die spätere Gründung eines NÖ Unternehmens zur Entwicklung, Produktion und weltweiten Vermarktung realitätskonformer, künstlicher anatomischer Modelle. Damit wird der Entwicklungsprozess in der Medizintechnik vereinfacht, die medizinische Ausbil- dung verbessert und das Risiko komplexer Eingriffe deutlich reduziert.