Der künstliche Hüftgelenkersatz ist eine der häufigsten und etabliertesten Operationen in der Orthopädie und Unfallchirurgie. Mehr als 200 000 Implantationen pro Jahr allein in Deutschland geben zahlreichen Menschen wieder Beweglichkeit, Flexibilität und Unabhängigkeit. Doch schon nach 3 Jahren müssen mehr als 3 Prozent dieser Hüftprothesen wieder ersetzt werden und diese Wahrscheinlichkeit steigt mit jedem Jahr weiter an. Ursächlich sind hauptsächlich Lockerungen, eine mangelnde knöcherne Integration der Prothese nach der Operation oder Knochenfrakturen im Bereich des Implantatschafts, die in biologischen und biomechanischen Veränderungen an der Knochen-Implantat-Grenze begründet liegen.

Eine quantitative und lokale Zustandsbewertung dieses Knochen-Implantat-Grenzbereichs könnte solche Veränderungen früh erkennen, aber auch das Einwachsen einer Prothese überwachen, sodass der Arzt früh reagieren und entsprechende Maßnahmen einleiten kann. Eine solche Bewertung könnte die üblichen klinischen Diagnoseverfahren, wie die klassische Röntgenaufnahme, die mangels Genauigkeit oder Quantifizierbarkeit in ihrer Aussagekraft
beschränkt sind, zu einem verbesserten klinischen Gesamtbild ergänzen.

In dieser Arbeit wurde zum Zwecke einer solchen nicht-invasiven und quantitativen Zustandsüberwachung ein akustisches Messverfahren entwickelt. Dieses basiert auf einer Idealisierung des Oberschenkels mit Hüftprothesenschaft als Mehrschichtsystem und einer analytischen Modellierung dessen akustischen Reflexionsverhaltens in Zeit- und Frequenzbereich.

Mithilfe verschiedener daraus abgeleiteter Schritte der Signalverarbeitung, die das Empfangssignal des Schallwandlers aus einer Puls-Echo-Messung wechselnd in Zeit- und Frequenzbereich untersuchen, können automatisiert relevante Kennwerte ermittelt werden, die Hinweise auf den biologischen und biomechanischen Zustand der Hüftprothese geben. Dazu zählen Schichtdicken und Dämpfungskonstanten von äußerem Weichgewebe und Knochen, aber auch die Dicke des potenziell auftretenden Weichgewebe-Bereichs zwischen Knochen und Implantat sowie Schallkennimpedanzen von Knochen und dieser Zwischenschicht.

Mittels eines eigens entwickelten Simulationstools für die eindimensionale und frequenzabhängige Schallausbreitung im Mehrschichtsystemen sowie unter Nutzung speziell ausgewählter und selbst hergestellter Ersatzmaterialien wurden die erarbeitete physikalische Modellierung und die Signalverarbeitungsalgorithmik in Simulation und Experiment erprobt. Ein Vergleich zwischen Theorie, Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Systematische Abweichungen aus früheren Arbeiten konnten durch die gänzlich neu erarbeitete physikalische Beschreibung der Situation ausgeräumt werden. Für alle beschriebenen quantitativen Kennwerte konnten gut mit Referenz-Werten übereinstimmende Ergebnisse im anwendungsnahen Bereich erzielt werden. Erste Untersuchungen zur Robustheit und Sensitivität des Algorithmus ergänzen die experimentellen Ergebnisse.

Zuletzt wurde in einer ersten Vergleichsmessung am menschlichem Oberschenkel mithilfe eines konventionellen Sonographie-Geräts aufgezeigt, dass das entwickelte akustische Verfahren zur Mehrschichtsystemcharakterisierung das Potenzial für eine Zustandsbewertung von Hüftprothesen hat.

Identifying effective drugs for focal segmental glomerulosclerosis (FSGS) treatment holds significant importance. Our high-content drug screening on zebrafish larvae relies on nitroreductase/metronidazole (NTR/MTZ)-induced podocyte ablation to generate FSGS-like injury. A crucial factor for successful drug screenings is minimizing variability in injury induction. For this, we introduce nifurpirinol (NFP) as a more reliable prodrug for targeted podocyte depletion. NFP showed a 2.3-fold increase in efficiency at concentrations 1,600-fold lower compared with MTZ-mediated injury induction. Integration into the screening workflow validated its suitability for the high-content drug screening. The presence of crucial FSGS hallmarks, such as podocyte foot process effacement, proteinuria, and activation of parietal epithelial cells, was observed. After the isolation of the glomeruli from the larvae, we identified essential pathways by proteomic analysis. This study shows that NFP serves as a highly effective prodrug to induce the FSGS-like disease in zebrafish larvae and is well-suited for a high-content drug screening to identify new candidates for the treatment of FSGS.NEW & NOTEWORTHY This research investigated the use of nifurpirinol in nanomolar amounts as a prodrug to reliably induce focal segmental glomerulosclerosis (FSGS)-like damage in transgenic zebrafish larvae. Through proteomic analysis of isolated zebrafish glomeruli, we were further able to identify proteins that are significantly regulated after the manifestation of FSGS. These results are expected to expand our knowledge of the pathomechanism of FSGS.

Mehr als 10 Prozent der 250.000 pro Jahr in Deutschland implantierten Hüftprothesen lockern sich bereits in der ersten 10 Jahren nach der Operation wieder, was für die Patienten häufig schmerzhafte und komplikationsreiche Revisionsoperationen zur Folge hat. Bei einer Lockerung entwickelt sich zwischen Knochen und Implantat ein dünner Weichgewebe-Spalt. Dessen Dicke lässt Rückschlüsse auf den Grad der Lockerung zu und seine Materialeigenschaften geben Hinweise auf die Lockerungsursache, die rein mechanisch bedingt oder durch bakterielle Infektion ausgelöst sein kann. Klinisch übliche Diagnosetechniken wie die Projektionsradiographie (klassische Röntgenaufnahme) versagen jedoch bei der verlässlichen Erkennung einer Lockerung im Frühstadium sowie der Differenzierung deren Ursache.
Um diesem Problem zu begegnen, haben wir ein Ultraschallmessverfahren zur lokalen und quantitativen Charakterisierung der Knochen-Implantat-Grenzschicht entwickelt. Ein analytisches Modell für die Reflexion von Schallwellen in einem Dreischichtsystem wurde mit einer neuartigen Datenverarbeitungsmethodik kombiniert, um den Anforderungen der spezifischen medizinischen Anwendung gerecht zu werden. Durch nichtlinearen Fit der theoretischen Vorhersage des Modells an die tatsächliche Signalform der reflektierten Schallwellen im Frequenzbereich kann die Dicke der Zwischenschicht bestimmt werden und Vorhersagen über ihre physikalischen Eigenschaften sind möglich. Dadurch lassen sich dann potenziell Informationen zu Grad und Ursache der Lockerung gewinnen.
Der vorgestellte Ansatz wurde bereits erfolgreich auf idealisierte Testsysteme und ein Knochen-Implantat-System zur Dickenbestimmung im Bereich von ca. 200 µm bis 2 mm angewendet.

Der Vortrag wird sich auf den physikalischen Hintergrund und die Schlüsselkonzepte des Verfahrens sowie auf repräsentative Experimente konzentrieren, aber auch das zukünftige Potenzial der Technologie in der medizinischen Anwendung aufzeigen.

The precise positioning of objects (especially on a flat surface), is crucial in numerous industrial applications, from large

object movement in machine tools to precise alignment in optical microscopes. This paper focuses on targeted movement

and positioning of smaller objects on a flat surface using piezoelectric actuators. Specifically, it investigates the stick-slip

motor principle for achieving high-speed transport and high-resolution positioning. The stick-slip motor utilizes the friction

between objects and surfaces to generate motion. The experimental setup includes a piezoelectric actuator inducing

asymmetric vibrations in a glass plate (stator), resulting in controlled movement of a slider (the object). An asymmetrical

excitation signal, generated by superimposing two sinusoidal waves, is applied to the piezoelectric actuator. The influence

of the different parameters of the excitation signal on the object speed is examined in more detail. The results demonstrate

successful movement and precise positioning of various objects. It concludes that the developed stick-slip motor can

efficiently move objects of different materials and sizes, offering a versatile solution for precise object positioning in

confined spaces.

Für die nicht-invasive Durchflussmessung werden meist Ultraschallsensoren verwendet, die reversibel an das zu untersuchende Rohrsystem angebaut werden. Die Messgenauigkeit dieser Sensoren wird durch mögliche Ablagerungen im Rohrinneren beeinflusst.

In dem hier vorgestellten Forschungsvorhaben, soll es mit Hilfe eines ultraschallbasierten Messverfahren möglich sein, sowohl die Materialeigenschaften und Wandstärke des Rohres direkt zu ermitteln als auch eventuell vorhandene Schichten im Rohrinneren zu detektieren und zu charakterisieren. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Messgrößen soll zukünftig eine präzisere Durchflussmessung von klemmbaren Ultraschalldurchflusssensoren ermöglicht werden. Um die Algorithmen zur Charakterisierung der Materialeigenschaften zu erproben, wurden zunächst Simulationen zur Wellenausbreitung der geführten akustischen Wellen und deren Interaktion mit Schichten durchgeführt. Es erfolgte die Auswertung der beiden Grundmoden, A0 und S0, in einem definierten Frequenzbereich. Im Anschluss erfolgte die experimentelle Überprüfung auf einer ebenen Platte mit definierten Schichten von 415 μm und 780 μm. Die bisherigen Messergebnisse zeigen, dass es möglich ist mit dem entwickelten Algorithmus das Material und die Schichten zu charakterisieren. Die noch vorhandene Abweichung der Materialdaten von den Literaturwerten ergibt sich u. a. aus dem Schwingungsverhalten der Piezokeramik. Zukünftig soll die Auswertung durch direkte Messung der Schwingungseigenschaften der Piezokeramik weiter optimiert werden.