Studierendenprojekte Vom Neuronalen Netz bis zum Virtual Walk

Wird die Blutversorgung zum Herzen durch einen Verschluss in den Herzkranzgefässen blockiert, kann es zu einem Herzinfarkt kommen. Durch den Mangel an Sauerstoff und Nährstoffen sterben die Muskelzellen des Herzens ab und es kann zu Herzrhythmusstörungen führen, die den Patienten in seinem Alltag stark beeinträchtigen.

Um Herzrhythmusstörungen frühzeitiger zu entdecken, entwickelte der Student Alexander Vieira Pereira in seiner Bachelor-Thesis «Entwicklung eines neuronalen Netzes im Projekt ALVALE zur Identifizierung und Lokalisierung von Extrasystolen in 12-Ableitungs-EKGs» und in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Peacs BV, Niederlande, ein Programm, welches vorhandene Elektrokardiogramm(EKG)-Daten als Input aufnimmt und automatisch vorzeitige Ventrikelkonktraktion (PVC – premature ventricle contraction) detektiert und klassiert. Der Detektionsalgorithmus wurde durch ein Neuronales Netz (NN) aufgebaut. Das Netz liefert als Output die Lokalisation des Rhythmusfehlers. Weitere Ausgaben sind der Zeitpunkt des Fehlers und welche Herzhälfte betroffen ist. In der Trainingsphase lernte das NN diese Fähigkeiten selbstständig an.

Koronare Herzkrankheiten gehören zu den häufigsten Todesursachen in der industrialisierten Welt. Neben therapeutischen Massnahmen kann vor allem Prävention einen Krankheitsverlauf für den Patienten positiv beeinflussen, wenn die Krankheit frühzeitig erkannt wird. Somit ist gerade die Diagnose per EKG bzw. Belastungs-EKG interessant, da sie schnell, einfach und günstig ist. 

Das Ziel der Bachelor Thesis «CEBRiS: Automatische Detektion von koronaren Herzkrankheiten in Belastungs-EKG mit Deep Learning» des Studenten Nicolas Kaufmann war die Entwicklung eines diagnostischen und prognostischen RisikoScore mithilfe von Neuronalen Netzwerken für Patienten, welche an einer vermuteten oder bekannten koronaren Herzerkrankung leiden (CAD). Das Ergebnis ist eine Kombination aus etablierten und neu entwickelten diagnostischen oder prognostischen Methoden, um eine mögliche Durchblutungsstörung der Herzmuskulatur (myocardinal ischemia) zu bestimmen. Dies ermöglicht eine schnelle und personalisierte Beurteilung des Patientenzustands und kann auf einem Computer oder mobilen Gerät installiert werden.

Harnwegsinfektionen gehören in Krankenhäusern mit einem Anteil von 23.2% zu den häufigsten nosokomialen Infektionen. In 80% der Fälle sind nosokomiale Harnwegsinfektionen mit einem Katheter assoziiert, wobei zwischen 12% und 16% aller Krankenhauspatienten im Verlauf ihres Krankenhausaufenthaltes einen Blasenverweilkatheter erhalten. Der Kontaminationsweg der Erreger kann extraluminal (zwischen der Harnröhrenwand und dem Katheter) oder intraluminal (durch den Katheter) erfolgen. Insgesamt verlängern die Katheter-assoziierten Harnwegsinfektionen die Dauer der stationären Behandlung und erhöhen die Morbidität und die Mortalität sowie die Behandlungskosten.

Behandelt werden die Harnwegsinfektionen in den meisten Fällen mit Antibiotika, was zu Antibiotikaresistenzen beiträgt. Im Rahmen seiner Bachelor-Thesis «Reduktion der Harnwegsinfektionen durch UV-C Licht» in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Protecturo AG testete der Student David Csernay, ob eine Reduktion der Harnwegsinfektionen auch durch eine präventive Desinfektion der Harnröhre mittels UV-C Licht möglich ist und entwickelte dabei einen entsprechenden Prototypen.

Bildgebende Verfahren sind in fast allen Fachgebieten der Medizin weit verbreitet und zur Darstellung z.B. von pathologischen Geweben oder deformierten anatomischen Strukturen unverzichtbar. Mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren können aus CT-/ MRI-Bilddaten patientenspezifische Operationshilfsmittel, anatomische Modelle oder Implantate hergestellt werden. Diese ermöglichen eine detaillierte Operationsplanung sowie verkürzte Operationszeiten.

In Zusammenarbeit mit dem Luzerner Kantonsspital erarbeitete der Student Thomas Fritschi in seine Bachelor-Thesis «Be- und Verarbeitung von Daten bildgebender 3D-Verfahren in der Medizintechnik» eine exemplarische Fallstudie zum Thema 3D-Druck. Dabei ging es im Detail um die präoperative Planung einer Kranznahtsynostose (Kopf- und Gesichtsschädeldeformation bei Kleinkindern) unter Verwendung von Daten der Computertomographie (CT) zur Erstellung von Rekonstruktionen des Schädels sowie einer möglichen Herstellung von Markierschablonen für die Operation.

Die Firma privelop-spine AG fertig Bandscheibenimplantate im 3D-Druck Selective Laser Melting Verfahren. Angesichts der neuen Technologie soll die versteifende Wirkung des Produktes auf ein Wirbelsegmentmodell überprüft und mit einem Konkurrenzprodukt verglichen werden.

In seinem Industrieprojekt «Analyse Testvorrichtung Bandscheibenimplantat» testete und beurteilte der Student Thomas Fritschi die vorgängig gewählte Versuchsanordnung. Das komplexe Verformungsverhalten der Bandscheibenimplantate und der Wirbelsegmente wurde dabei in vereinfachte Berechnungsmodell überführt, so dass die Berechnungen mit einfachen mechanischen Rechenkonzepten durchführbar waren. Mittels der Versuchsanordnung konnten für dasselbe Testobjekt konstante Resultate erzielt werden. Aus den gewonnen Erkenntnissen wurde danach im CAD ein modifizierter Versuchsaufbau gezeichnet.

Chronische, neuropathische Schmerzen nach Rückenmarksverletzungen sind nach wie vor nicht gut verstanden und nur schwer zu behandeln. Eine mögliche Ursache der Schmerzen ist eine Nichtübereinstimmung zwischen motorischen Befehlen und sensorischen Rückmeldungen. Um die chronischen Schmerzen zu behandeln, wird daher oft eine visuelle Therapiemethode angewendet.

In seinem Industrieprojekt «Virtual Walk System» entwickelte und baute der Student David Csernay in Kooperation mit dem Schweizer Paraplegiker-Zentrum einen grundlegenden Prototypen zur Behandlung von solchen Schmerzen. Dieses visuelle System basiert auf dem Prinzip des Green Screenings. In der Projektarbeit konnte die Hardware erfolgreich getestet und alle gesetzten Teilziele bzgl. der Funktionalität vollständig gelöst werden. Somit konnte ein Prototyp entwickelt werden, der alle Grundfunktionen in ihrer einfachsten Form besitzt.

Die Fachhochschule in Linz für angewandte Wissenschaft bietet für Medizintechnik-Studierende ab dem 5. Semester ein sechstägiges internationales Programm in den Schwerpunkten Prosthetik, Materialien und medizinische Simulation an. Am Winter School-Programm 2018 nahm auch Mike Giger teil, Medizintechnik-Student im 6. Semester. In seinem Bericht und im Video gibt er einen spannenden Einblick in diese erlebnisreiche Woche.