Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik
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Magnetic fluid hyperthermia (MFH) enables the controlled release of therapeutical heat using magnetic nanoparticles (MNP) as heating agents. The MNP are excited in an externally applied alternating magnetic f ield (AMF). The excitation energy is transformed into heat via magnetic relaxation of the MNP. This heat is then dissipated into their immediate surroundings, e. g. a tumor, facilitating the therapy of organ-confined cancer. Treatment efficacy relies on MFH efficiency to generate heat, which is dependent on the MNP interaction with their environment. Here, different approaches of modelling this interaction well as corresponding in vitrostudies are discussed with respect to two different applications: MFH after magnetic targeting of MNP to a tumor site and MFH through inductive heatable stents with incorporated MNP for treatment of endoluminal tumors. For these applications, MNP are restricted in their mobility and form clusters, which influences their magnetic relaxation and heating behavior. Using theoretical modelling techniques, sets of parameters are predicted which match field amplitude and frequency to MNP size and magnetic properties for optimized MFH efficiency. For the magnetic targeting application, the MNP interaction with tumor cells and its impact on heating efficiency is estimated by heating experiments on MNP immobilized in hydrogels, mimicking the settings in cellular environments such as binding to cell membranes and agglomeration inside lysosomes. Such hydrogels have tunable material properties that allow to quantify the effects of clustering and immobilization on particle heating. Further, the general feasibility of MFH is addressed with in vitro MFH experiments carried out with pancreatic tumor cells. Besides the obvious bulk temperature cytotoxic effect, the so-called nanoheating effect, i. e. heat developed up to 100 nm away from the MNP surface, is demonstrated. For the inductive heatable stents, different MNP are investigated concerning their concentration, immobilization and agglomeration effects on heating efficiency. The dipolar particle-particle interaction and the effective anisotropy energy increase for MNP agglomerates, directly influencing their non-linear dynamic magnetic susceptibility. Since hyperthermia and magnetic paticle imaging (MPI) rely on the non-linear dynamic magnetic susceptibility, the same behavior is observed in both techniques. So, the imaging performace of the stents is also presented.
Robotergestütztes System für ein verbessertes neuromuskuläres Aufbautraining der Beinstrecker
(2019)
Neuromuskuläres Aufbautraining der Beinstrecker ist ein wichtiger Bestandteil in der Rehabilitation und Prävention von Muskel-Skelett-Erkrankungen. Effektives Training erfordert hohe Muskelkräfte, die gleichzeitig hohe Belastungen von bereits geschädigten Strukturen bedeuten. Um trainingsinduzierte Schädigungen zu vermeiden, müssen diese Kräfte kontrolliert werden. Mit heutigen Trainingsgeräten können diese Ziele allerdings nicht erreicht werden. Für ein sicheres und effektives Training sollen durch den Einsatz der Robotik, Sensorik, eines Regelkreises sowie Muskel-Skelett-Modellen Belastungen am Zielgewebe direkt berechnet und kontrolliert werden. Auf Basis zweier Vorstudien zu möglichen Stellgrößen wird der Aufbau eines robotischen Systems vorgestellt, das sowohl für Forschungszwecke als auch zur Entwicklung neuartiger Trainingsgeräte verwendet werden kann.
Hintergrund: Der Aufenthalt von Astronauten in Schwerelosigkeit führt zu einer Degeneration ihres muskuloskelettalen Systems. Um dies zu vermeiden, wird auf der internationalen Raumstation (ISS) täglich ein zweieinhalbstündiges Trainingsprogramm absolviert. Dieses beinhaltet unter anderem ein Laufbandtraining, wobei Belastungslevel von 70-80% des Körpergewichts (KG) meist nicht überschritten werden. Die Auswirkungen eines körpergewichtunterstützten Lauftrainings auf die Arbeitsweise der Plantarflexoren ist jedoch unklar. Da geringere Kräfte auf der Achillessehne lasten, wird vermutet, dass diese weniger stark gedehnt wird. Allerdings bleibt offen, welchen Einfluss eine kürzere Sehne auf die Muskelfaserbündellänge, den Fiederungswinkel sowie die Gesamtlänge der Muskel-Sehnen-Einheit (MSE) des M. gastrocnemius medialis (GM) nimmt. Dabei ist ein besseres Verständnis über die Arbeitsweise von Muskel und Sehne unter Teilbelastung unabdingbar für eine effektive Trainingsgestaltung.
Fragestellung: Welchen akuten Effekt hat ein Lauftraining auf dem vertikalen Laufband mit 70% (ISS) und 38% (Marsgravitation) im Vergleich zu 100% Körpergewicht auf die Achillessehnenlänge und wie beeinflusst dies die Arbeitsweise der Muskelfaserbündel und Muskel-Sehnen-Einheit des GM?
Methoden: 8 männliche Probanden (31.9 ± 4.7 Jahre) haben bei 70%, 38% und 100% KG ein Lauftraining auf einem vertikalen Laufband absolviert. Die Längenänderung der Muskelfaserbündel des GM während der Stützphase wurden anhand aufgezeichneter Ultraschallvideos bestimmt. Mittels Gelenkkinematik der unteren Extremitäten wurde die MSE Länge abgeschätzt und anschließend die Sehnenlänge mithilfe eines MSE-Models berechnet. Zur Analyse des Effekts der Teilbelastung wurde eine Varianzanalyse für abhängige Stichproben angewendet.
Ergebnisse: Körpergewichtunterstützes Lauftraining führt akut zu einer signifikant kürzeren maximale Sehnenlänge (P < 0.001). Im Vergleich zum Laufen mit 100% KG, ist bei 70% KG die maximale Sehnenlänge um 5.6 ± 3.7 mm (P < 0.001) und bei 38% KG um 11.2 ± 3.8 mm (P < 0.001) reduziert. Zum Zeitpunkt der maximalen Sehnenlänge ist bei Teilbelastung die MSE-Länge ebenfalls signifikant kürzer (P < 0.001) mit einem Längenunterschied von 1.8 ± 2 mm (P = 0.038) bei 70% KG und von 5.2 ± 2.5 mm (P = 0.002) bei 38% KG. Im Gegensatz dazu arbeiten die Muskelfaserbündel zum gleichen Zeitpunkt bei längerer Länge (P < 0.001) aber geringerem Fiederungswinkel (P = 0.002). Im Vergleich zu 100% KG, sind bei 70% und 38% KG die Faserbündel um 3.3 ± 1.9 mm (P = 0.4001) und 5.4 ± 1.5 mm (P < 0.001) länger aber 2.7 ± 2° (P = 0.014) und 3.7 ± 2.3° (P = 0.009) stumpfer im Winkel. Die Gesamtverkürzung der Faserbündel bleibt unverändert (P = 0.199).
