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.

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.

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.

Environmental pollution is an ever-growing concern. Industrial sites as well as agricultural use areas can bear immense harmful burdens. Unintentionally improperly disposed of wastes as well as illegally dumped chemicals pose additional risks in the environment, while remains of pharmaceuticals are a regular concern in sources of drinking water. Pollutants such as PFAS and microplastics could even be detected in the most remote regions of the earth and are known for adverse effects on humans and their environment. Establishing a comprehensive overview of where pollution of which severity and with what substances occurs is thus important, so remediations can be planned and prioritized. This necessitates fast, versatile, reliable and cheap measurements, ideally directly at sampling sites.

A promising class of transducers for detecting a multitude of pollutants are DNA Quantum Clusters. QC:DNA are highly sensitive and selective transducers for many substances, showing responses in their fluorescent behaviors based on their chemical environment. Based on the specific design, QC:DNA can interact with different chemical species and exhibit tuned excitation and emission wavelengths.

For the use of such transducers, we present a fluorescence reader integrated around capillaries. The system is designed for easy and fast customization for a large range of excitation and emission wavelengths while focusing on system portability and striving for affordability. The microfluidic system controlling and performing the assay is based on droplet sequences to facilitate fast mixing while allowing for incubation times with minimal dispersion and enabling a temporary storage and a precise processing of samples.

Loosening of an artificial hip joint is a frequent complication in orthopedics and trauma surgery. Due to a lack of accuracy, conventional diagnostic methods such as projection radiography cannot reliably diagnose loosening in its early stages or detect whether it is associated with the formation of a biofilm in the bone-implant interface.

In this work, we developed an ultrasonic measurement procedure for quantifying the thickness of the layer between bone and prosthesis as a correlate to loosening. In principle, it also allows for the material characterization of the interface. An analytical model for the reflection of sound waves in a three-layer system was combined with a new data processing method to face the challenges of the specific medical application. By non-linear fitting the theoretical prediction of the model to the actual shape of the reflected sound waves in frequency domain, the thickness of the interlayer can be determined and predictions about its physical properties are possible. The presented approach was successfully applied to idealized test systems and a bone-implant system for thickness determination in the range of approx. 200 µm to 2 mm [1].

The talk will focus on the physical background and the key concepts of the procedure as well as on representative experiments, but also highlight its future potential in medical application.

[1] J. Lützelberger et al., Sensors 23, 5942 (2023)

Optoacoustics is a metrology widely used for material characterisation. In this study, a measurement setup for the selective determination of the frequency-resolved phase velocities and attenuations of longitudinal waves over a wide frequency range (3-55 MHz) is presented. The ultrasonic waves in this setup were excited by a pulsed laser within an absorption layer in the thermoelastic regime and directed through a layer of water onto a sample. The acoustic waves were detected using a self-built adaptive interferometer with a photorefractive crystal. The instrument transmits compression waves only, is low-contact, non-destructive, and has a sample-independent excitation. The limitations of the approach were studied both by simulation and experiments to determine how the frequency range and precision can be improved. It was shown that measurements are possible for all investigated materials (silicon, silicone, aluminium, and water) and that the relative error for the phase velocity is less than 0.2%.

Blood oxygen saturation is an important clinical parameter, especially in postoperative hospitalized patients, monitored in clinical practice by arterial blood gas (ABG) and/or pulse oximetry that both are not suitable for a long-term continuous monitoring of patients during the entire hospital stay, or beyond. Technological advances developed recently for consumer-grade fitness trackers could-at least in theory-help to fill in this gap, but benchmarks on the applicability and accuracy of these technologies in hospitalized patients are currently lacking. We therefore conducted at the postanaesthesia care unit under controlled settings a prospective clinical trial with 201 patients, comparing in total >1,000 oxygen blood saturation measurements by fitness trackers of three brands with the ABG gold standard and with pulse oximetry. Our results suggest that, despite of an overall still tolerable measuring accuracy, comparatively high dropout rates severely limit the possibilities of employing fitness trackers, particularly during the immediate postoperative period of hospitalized patients.

Among the many acid-base concepts, the theory of Usanovich is one of the least known despite the most general scope including almost all chemical reaction types and even redox chemistry. Published 1939 in a Soviet journal in Russian language, it gained little immediate attention, and was later criticized mainly as being too broad in scope. Although several articles recently remembered Usanovich and his acid–base theory, one major inconsistency again was overseen: the electron is put in a row along with anions. Chemical history probably correctly puts this concept aside, also because it added little explanation capabilities beyond the elaborated considerations of the simultaneously published acid–base theory of Gilbert N. Lewis which was later refined by Pearson (hard and soft acids and bases, “HSAB”). A modified version of the core of Usanovich' concept is finally discussed. It combines the classic protic and aprotic acid–base concepts on the foundations of Lewis’ and Pearsons ideas.