Regensburg Center of Health Sciences and Technology - RCHST
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Für Mutter und Kind konnte das Risiko der Geburt durch die Weiterentwicklung der Medizin drastisch reduziert werden. Doch wie ist es um das Wohl derer bestellt, die die Gebärende unterstützen? Eine Studie der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg hat sich mit den muskuloskelettalen Beschwerden von Geburtshelfer:innen auseinandergesetzt
The special wing geometry of dragonflies consisting of veins and a membrane forming a corrugated profile leads to special aerodynamic characteristics. To capture the governing flow regimes of a dragonfly wing in detail, a realistic wing model has to be investigated. Therefore, this study aimed to analyze the aerodynamic characteristics of a 3D dragonfly wing reconstructed from a high-resolution micro-CT scan. Afterwards, a spatially high discretized mesh was generated using the mesh generator CENTAUR™ 14.5.0.2 (CentaurSoft, Austin, TX, US) to finally conduct Computational Fluid Dynamics (CFD) investigations in Fluent® 2020 R2 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, US). Due to the small dimensions of the wing membrane, only the vein structure of a Camacinia Gigantea was captured at a micro-CT voxel size of 7 microns. The membrane was adapted and connected to the vein structure using a Boolean union operation. Occurring nconsistencies after combining the veins and the membrane were corrected using an adapted pymesh script [1]. As an initial study, only one quarter of the wing (outer wing section) was investigated to reduce the required computational effort. The resulting hybrid mesh consisting of 10 pseudo-structured prism layers along the wing surface and tetrahedra in the farfield area has 43 mio. nodes. The flow around the wing was considered to be incompressible and laminar using transient calculations. When the flow passes the vein structures, steady vortices occur in the corrugation valleys leading to recirculation zones. Therefore, the dragonfly wing resembles the profile of an airfoil. This leads to comparable lift coefficients of dragonfly wings and airfoil profiles at significantly reduced structural weight. The reconstructed geometry also included naturally occurring triangular prismlike serrated structures at the leading edge of the wing, which have comparable effects to micro vortex generators and might stabilize the recirculation zones. Further work aims to investigate the aerodynamic properties of a complete dragonfly wing during wing flapping.
High Spatial Resolution Tomo-PIV of the Nasopharynx Focussing on the Physiological Breathing Cycle
(2022)
Investigations of complex patient-specific flow in the nasopharynx requires high resolution numerical calculations validated by reliable experiments. When building the validation base and the benchmark
of computational fluid dynamics, an experimental setup of the nasal airways was developed. The applied optical measurement technique of tomo-PIV supplies information on the governing flow field in three dimensions. This paper presents tomo-PIV measurements of the highly complex patient-specific geometry of the human trachea. A computertomographic scan of a person’s head builds the basis of the experimental silicone model of the nasal airways. An optimised approach for precise refractive index matching avoids optical distortions even in highly complex non-free-of-sight 3D geometries. A linear-motor-driven pump generates breathing scenarios, based on measured breathing cycles. Adjusting of the CCD cameras‘ double-frame-rate PIV-Δt enables the detailed analysis of flow structures during different cycle phases. Merging regions of interest enables high spatial resolution acquisition of the flow field.
Surgical smoke has been a little discussed topic in the context of the current pandemic. Surgical smoke is generated during the cauterization of tissue with heat-generating devices and consists of 95% water
vapor and 5% cellular debris in the form of particulate matter. In-vivo investigations are performed during tracheotomies where surgical smoke is produced during tissue electrocautery. Furthermore, in-vitro parametric studies to investigate the particle number and size distribution and the spatial distribution of surgical smoke with laser light sheet technique are conducted. The higher the power of the high-frequency-device the larger the particles in size and the higher the resulting particle counts. The images taken show the densest smoke at 40W with artificial saliva. The resulting characteristic size distribution, which may include viruses and bacterial components, confirms that the risk arising from surgical smoke should be considered. Furthermore, the experiments will provide the database for further numerical investigations.
Exoskeletons were invented over 100 years ago but have only become popular in the last two decades, especially in the working industry as they can decrease work-related loads significantly. The most often used exoskeletons are for the lower back and shoulder since these are commonly affected body regions. All devices have in common that their purpose is to reduce internal loads of vulnerable body regions. Nevertheless, there is still little understanding on how biomechanical loading in the human body changes when exoskeletons are used. Therefore, further analyses are needed. A promising candidate for these are musculoskeletal models, which are based on an inverse dynamics approach and can calculate external parameters such as ground reaction forces or other interaction forces as well as internal parameters such as joint reaction forces or muscle activities. The various examples in the literature show that these models are increasingly used for assessing the biomechanical effects of exoskeletons on the human body. Furthermore, musculoskeletal models can calculate biomechanical loadings of humans with and without exoskeletons for all kinds of applications and allow an evaluation of their purpose.
Practical Relevance: This article highlights the possibilities of musculoskeletal models for assessing the design and efficiency of occupational exoskeletons. Several practical use cases are described along with distinct descriptions of common implications of musculoskeletal and exoskeleton modeling.
Wie Untersuchungen zeigen, beeinträchtigen nicht medizinisch indizierte Verlegungen die Lebens- und Versorgungsqualität Sterbender stark. Das Projekt Avenue-Pal hat das Ziel, Leitlinien zu entwickeln, die diese unnötigen Verlegungen reduzieren sollen. Die hier vorgestellte Begleitstudie untersucht aus ethischer Sicht die im Sterbe- und Verlegungsprozess stattfinden Abläufe sowie deren potenziellen Gestaltungsmöglichkeiten. Mittels einer Literaturrecherche, der Teilnahme an einem Fokusgruppengespräch und einer modifizierten MEESTAR-Befragung werden die Bedingungen für eine optimale Betreuung
Sterbender sowie für ein würdevolles Sterben identifiziert und die aktuellen Abläufe im Rahmen des Verlegungsmanagements vor und während der Implementierung der Leitlinien unter Berücksichtigung der ethischen Dimensionen Selbstverständnis, Selbstbestimmung, Fürsorge, Gerechtigkeit, Privatheit und Teilhabe analysiert. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass Verlegungen v.a. aus Unsicherheiten, mangelndem palliativmedizinischem Wissen oder Personalmangel resultieren und dass die Etablierung der Leitlinien und eines palliativen Konsildienstes besonders die fachliche Kompetenz des Personal stärkt und dadurch unnötige Verlegungen reduziert werden konnten.
Jedes Jahr erleiden 270.000 Menschen in Deutschland einen Schlaganfall. In vielen Fällen können die betroffenen Personen wieder nach Hause zurückkehren und ihr Leben fortführen, benötigen dabei aber ambulante Pflege- und Therapiemaßnahmen. Gerade in ländlichen Regionen bringt dies erhebliche Herausforderungen mit sich, denen sich neue Technologien und die Digitalisierung entgegenstellen. Die Beiträger*innen des Bandes diskutieren erste Ergebnisse des Projekts »DeinHaus 4.0 Oberpfalz« aus interdisziplinärer Sicht, bei dem die Möglichkeit des Einsatzes von Telepräsenzrobotern zur Unterstützung ambulanter Pflege- und Therapiemaßnahmen untersucht wird.
Elbow stability is derived from a combination of muscular, ligamentous, and bony structures. After an elbow trauma the stability of the joint is an important decision criterion for the subsequent treatment. The decision regarding non-operative/operative care depends mostly on subjective assessments of medical experts. Therefore, the aim of this study is to use musculoskeletal simulations as an objective assessment tool to investigate the extent to which failure of different stabilizers affects the elbow stability and how these observations correspond to the assessment from clinical practice. A musculoskeletal elbow simulation model was developed for this aim. To investigate the stability of the elbow, varus/valgus moments were applied under 0°, 45°and 90° flexion while the respective cubital angle was analyzed. This was performed for nine different injury scenarios, which were also evaluated for stability by clinical experts. With the results, it can be determined by which injury pattern and under which flexion angle the elbow stability is impaired regarding varus/valgus moments. The scenario with a complete failure of the medial and lateral ligaments and a fracture of the radial head was identified as having the greatest instability. The study presented a numerical determination of elbow stability against varus/valgus moments regarding clinical injury patterns, as well as a comparison of the numerical outcome with experience gained in clinical practice. The numerical predictions agree well with the assessments of the clinical specialists. Thus, the results from musculoskeletal simulation can make an important contribution to a more objective assessment of the elbow stability.
Clinical setting
Third space procedures such as endoscopic submucosal dissection (ESD) and peroral endoscopic myotomy (POEM) are complex minimally invasive techniques with an elevated risk for operator-dependent adverse events such as bleeding and perforation. This risk arises from accidental dissection into the muscle layer or through submucosal blood vessels as the submucosal cutting plane within the expanding resection site is not always apparent. Deep learning algorithms have shown considerable potential for the detection and characterization of gastrointestinal lesions. So-called AI – clinical decision support solutions (AI-CDSS) are commercially available for polyp detection during colonoscopy. Until now, these computer programs have concentrated on diagnostics whereas an AI-CDSS for interventional endoscopy has not yet been introduced. We aimed to develop an AI-CDSS („Smart ESD“) for real-time intra-procedural detection and delineation of blood vessels, tissue structures and endoscopic instruments during third-space endoscopic procedures.
Characteristics of Smart ESD
An AI-CDSS was invented that delineates blood vessels, tissue structures and endoscopic instruments during third-space endoscopy in real-time. The output can be displayed by an overlay over the endoscopic image with different modes of visualization, such as a color-coded semitransparent area overlay, or border tracing (demonstration video). Hereby the optimal layer for dissection can be visualized, which is close above or directly at the muscle layer, depending on the applied technique (ESD or POEM). Furthermore, relevant blood vessels (thickness> 1mm) are delineated. Spatial proximity between the electrosurgical knife and a blood vessel triggers a warning signal. By this guidance system, inadvertent dissection through blood vessels could be averted.
Technical specifications
A DeepLabv3+ neural network architecture with KSAC and a 101-layer ResNeSt backbone was used for the development of Smart ESD. It was trained and validated with 2565 annotated still images from 27 full length third-space endoscopic videos. The annotation classes were blood vessel, submucosal layer, muscle layer, electrosurgical knife and endoscopic instrument shaft. A test on a separate data set yielded an intersection over union (IoU) of 68%, a Dice Score of 80% and a pixel accuracy of 87%, demonstrating a high overlap between expert and AI segmentation. Further experiments on standardized video clips showed a mean vessel detection rate (VDR) of 85% with values of 92%, 70% and 95% for POEM, rectal ESD and esophageal ESD respectively. False positive measurements occurred 0.75 times per minute. 7 out of 9 vessels which caused intraprocedural bleeding were caught by the algorithm, as well as both vessels which required hemostasis via hemostatic forceps.
Future perspectives
Smart ESD performed well for vessel and tissue detection and delineation on still images, as well as on video clips. During a live demonstration in the endoscopy suite, clinical applicability of the innovation was examined. The lag time for processing of the live endoscopic image was too short to be visually detectable for the interventionist. Even though the algorithm could not be applied during actual dissection by the interventionist, Smart ESD appeared readily deployable during visual assessment by ESD experts. Therefore, we plan to conduct a clinical trial in order to obtain CE-certification of the algorithm. This new technology may improve procedural safety and speed, as well as training of modern minimally invasive endoscopic resection techniques.
In den Austausch kommen
(2022)
Mit der BaSeTaLK-App wird eine Tablet-gestützte Biographiearbeit für institutionalisierte ältere Menschen zur Steigerung der Lebensqualität ermöglicht. Um Gelingensbedingungen für die Erprobung und die mögliche Implementierung der Maßnahme zu bestimmen, wurde die Perspektive von Mitarbeitenden einer Pflegeeinrichtung eingeholt. Insbesondere eine umfassende Informationsvermittlung und eine flexible, enge Zusammenarbeit mit den Forschenden wurden hervorgehoben.
Autologous lipotransfer is a promising method for tissue regeneration, because white adipose tissue contains a heterogeneous cell population, including mesenchymal stem cells, endothelial cells, immune cells, and adipocytes. In order to improve the outcome, adipose tissue can be processed before application. In this study, we investigated changes caused by mechanical processing.
Lipoaspirates were processed using sedimentation, first-time centrifugation, shear-force homogenization, and second-time centrifugation. The average adipocyte size, stromal vascular cell count, and adipocyte depot size were examined histologically at every processing step. In addition, the adipose derived stem cells (ADSCs) were isolated and differentiated osteogenically and adipogenically. While homogenization causes a disruption of adipocyte depots, the shape of the remaining adipocytes is not changed. On average, these adipocytes are smaller than the depot adipocytes, they are surrounded by the ECM, and therefore mechanically more stable. The volume loss of adipocyte depots leads to a significant enrichment of stromal vascular cells such as ADSCs. However, the mechanical processing does not change the potential of the ADSCs to differentiate adipogenically or steogenically. It thus appears that mechanically processed lipoaspirates are promising for the reparation of even mechanically stressed tissue as that found in nasolabial folds. The changes resulting from the processing correspond more to a filtration of mechanically less stable components than to a manipulation of the tissue.
Der Bericht fasst Ergebnisse der Befragung bayerischen Rehabilitationseinrichtungen im Projekt Reha/TI-Konsil zusammen.
Der Digitalisierungsgrad ist – gemessen am EMRAM-Modell - in der überwiegenden Zahl der Rehabilitationseinrichtungen in Bayern, die an der Befragung teilgenommen haben, relativ gering ausgeprägt. Mehrheitlich, aber längst nicht durchgängig, liegt eine Digitalisierungsstrategie vor. Auch wenn diese vorhanden ist, so stehen drei Viertel der Einrichtungen nach eigener Aussage noch ganz am Anfang der Umset-zung. Für Informationssicherheit und Datenschutz sind Konzepte und Beauftragte meist vorhanden; die Abteilungen für Informationstechnik sind meist relativ klein und häufig beim Träger, nicht direkt bei der Rehabilitationseinrichtung angesiedelt.
Der mit der Anbindung an die Telematikinfrastruktur (TI) erwartete Aufwand ist im Bereich der Installation, aber auch der Anpassung der Arbeitsorganisation und der Schulung des Personals sehr hoch. Dahingegen wird nicht erwartet, dass die hausin-ternen TI-Komponenten sehr wartungsintensiv sind.
Hoffnungen an die Digitalisierung allgemein betreffen Erleichterungen und Vereinfa-chungen, die zu Qualitäts- und Effizienzsteigerungen führen. Herausforderungen werden häufig in der Implementierung in der Alltagspraxis gesehen. Auch techni-sche Herausforderungen und die Finanzierung von Digitalisierung allgemein und insbesondere der Anbindung an die TI wurden häufig genannt. Festzustellen ist eine verbreitete Ausstattung mit Klinischem Arbeitsplatzsystem (KAS) und Kranken-hausinformationssystem (KIS), jedoch ist in der Hälfte der Einrichtungen der techni-sche Stand der IT nicht für Anwendungen der Telematikinfrastruktur wie Kommuni-kation im Medizinwesen (KIM)/eArztbrief geeignet. Hier ist generell und insbesonde-re im Hinblick auf die Informationssicherheit sehr hoher finanzieller Aufwand not-wendig.
Einrichtungen, die Daten bislang noch analog dokumentieren und verwalten, wer-den durch die Anbindung an die TI vor sehr große Herausforderungen gestellt. Dies betrifft jedoch nur einen kleinen Teil der Einrichtungen. Die Mehrzahl hingegen ar-beitet bereits jetzt sowohl digital als auch analog. Insbesondere die häufig analoge Übermittlung an Patient*innen sowie an Hausärzt*innen verweist darauf, dass bei der Umstellung der Prozesse in den Reha-Einrichtungen die Schnittstellen und der Digitalisierungsgrad in den Privathaushalten oder den Hausarztpraxen entscheidend sind. Die Wandlungsgeschwindigkeit wird somit durch die jeweils erfolgten Schritte auf deren Seite begrenzt.
The endoscopic features associated with eosinophilic esophagitis (EoE) may be missed during routine endoscopy. We aimed to develop and evaluate an Artificial Intelligence (AI) algorithm for detecting and quantifying the endoscopic features of EoE in white light images, supplemented by the EoE Endoscopic Reference Score (EREFS). An AI algorithm (AI-EoE) was constructed and trained to differentiate between EoE and normal esophagus using endoscopic white light images extracted from the database of the University Hospital Augsburg. In addition to binary classification, a second algorithm was trained with specific auxiliary branches for each EREFS feature (AI-EoE-EREFS). The AI algorithms were evaluated on an external data set from the University of North Carolina, Chapel Hill (UNC), and compared with the performance of human endoscopists with varying levels of experience. The overall sensitivity, specificity, and accuracy of AI-EoE were 0.93 for all measures, while the AUC was 0.986. With additional auxiliary branches for the EREFS categories, the AI algorithm (AI-EoEEREFS) performance improved to 0.96, 0.94, 0.95, and 0.992 for sensitivity, specificity, accuracy, and AUC, respectively. AI-EoE and AI-EoE-EREFS performed significantly better than endoscopy beginners and senior fellows on the same set of images. An AI algorithm can be trained to detect and quantify endoscopic features of EoE with excellent performance scores. The addition of the EREFS criteria improved the performance of the AI algorithm, which performed significantly better than endoscopists with a lower or medium experience level.
Der Einsatz von künstlicher Intelligenz im Gesundheitsbereich verspricht besonders großen Nutzen durch eine bessere Versorgung sowie effizientere Abläufe und bietet damit letztlich auch ökonomische Vorteile. Dem stehen unter anderem Befürchtungen entgegen, dass sich durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz das Arzt-Patienten-Verhältnis verändern könnte, Arbeitsplätze gefährdet seien oder die Ökonomisierung des Gesundheitswesens einen weiteren Schub erfahren könnte. Zuweilen wird die Debatte um diese Technologie, zumal in der Öffentlichkeit, emotional und fern sachlicher Argumente geführt. Die Autorinnen und Autoren untersuchen die Geschichte des KI-Einsatzes in der Medizin, deren öffentliche Wahrnehmung, Governance der KI, die Möglichkeiten und Grenzen der Technik sowie Einsatzgebiete, die bisher noch nicht oder nur wenig im Fokus der Aufmerksamkeit waren. Dabei erweist sich die KI als leistungsfähiges Werkzeug, das zahlreiche ethische und soziale Fragen aufwirft, die bei der Einführung anderer Technologien bereits gestellt wurden; allerdings gibt es auch neue Herausforderungen, denen sich Professionen, Politik und Gesellschaft stellen müssen.
Der Einsatz von Robotern in der Rehabilitation könnte neue Möglichkeiten in der Behandung eröffnen. Maßnahmen im Bereich von Teletherapie und Telenursing, die nach einem Schlaganfall mit einem Telepräsenzroboter durchgeführt werden, erweitern das Spektrum der ambulanten Therapie und Pflege. Wie sehen Betroffene, Angehörige, Pflegende und Therapeut*innen die robotischen Systeme?
Die Entwicklung einer an die spezifischen Bedürfnisse von Menschen mit Aphasie angepassten Smartphone-basierten App erfordert einen umfangreichen Entwicklungsprozess. Dabei ist es wichtig, die Zielgruppe von Anfang an in den Prozess einzubeziehen, um die spezifischen Wünsche und Anforderungen an die App erfassen und in den Entwicklungsprozess integrieren zu können. In diesem Beitrag wird die nutzerzentrierte, partizipative Entwicklung der App PeerPAL vorgestellt. Mit der App sollen neben einem digitalen Austausch auch reale Face-to-Face-Treffen stimuliert werden mit dem Ziel, die autonome Vernetzung unter den Betroffenen zu fördern und dadurch die Lebensqualität von Menschen mit Aphasie zu steigern.
Das Forschungsprojekt „Dein Haus 4.0 Oberpfalz – Telepräsenzroboter für die Pflege und Unterstützung von Schlaganfallpatientinnen und -patienten (TePUS)“ untersucht den Einsatz von zwei Varianten von Telepräsenzrobotern. Das Arbeitspapier stellt die sozialwissenschaftliche Begleitforschung des Projekts vor. Diese hat zum einen zum Ziel, Akzeptanz und Potenzial der eingesetzten technischen Assistenzsysteme empirisch zu untersuchen. Daneben werden ethisch, rechtlich, gesellschaftlich und organisatorisch relevante Fragestellungen des Technikeinsatzes und der Mensch-Technik-Interaktion analysiert (ELSI-Begleitstudie).
BACKGROUND:
Due to their corrugated profile, dragonfly wings have special aerodynamic characteristics during flying and gliding. OBJECTIVE: The aim of this study was to create a realistic 3D model of a dragonfly wing captured with a high-resolution micro-CT. To represent geometry changes in span and chord length and their aerodynamic effects, numerical investigations are carried out at different wing positions. METHODS:
The forewing of a Camacinia gigantea was captured using a micro-CT. After the wing was adapted an error-free 3D model resulted. The wing was cut every 5 mm and 2D numerical analyses were conducted in Fluent® 2020 R2 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA). RESULTS: The highest lift coefficient, as well as the highest lift-to-drag ratio, resulted at 0 mm and an angle of attack (AOA) of 5∘. At AOAs of 10∘ or 15∘, the flow around the wing stalled and a Kármán vortex street behind the wing becomes
CONCLUSIONS:
The velocity is higher on the upper side of the wing compared to the lower side. The pressure acts vice versa. Due to the recirculation zones that are formed in valleys of the corrugation pattern the wing resembles the form of an airfoil.