Die Nacht der Biosignale 2024 - Ein Rückblick

Die Nacht der Biosignale liegt hinter uns, und wir möchten uns herzlich bei allen bedanken, die mitgewirkt und teilgenommen haben. Ihre Begeisterung und Unterstützung haben dieses besondere Ereignis erst möglich gemacht. Unten finden Sie eine Auswahl der Videostreams, die während der "2024er-Nacht" entstanden sind.

Magnetische Sensorik - Besser als EEG und EKG?

Prof. Dr. Gerhard Schmidt

Für viele neurologische oder kardiologische Untersuchungen werden elektrische Sensoren verwendet – man spricht dann von Elektroenzephalographie (EEG) bzw. Elektrokardiographie (EKG). Hierzu werden Elektroden über dem Brustkorb oder am Kopf angebracht und es werden elektrische Spannungen gemessen. Dies klappt recht gut, allerdings verläuft die Ausbreitung von den Quellen (dem Herzen oder dem Gehirn) zu den Sensoren meist auf sehr „ungewöhnlichen“ Wegen. Alternativ können neu entwickelte magnetische Sensoren verwendet werden – hier findet eine Ausbreitung statt, die für die meisten Menschen merklich „materialunabhängiger“ ist. Durch die magnetischen Messungen könnte es in der Zukunft möglich sein, viel genauere medizinische Analysen durchzuführen, die sogar ohne Körperkontakt auskommen – ähnlich dem „Trikorder“ aus „Star Trek“.

Im Rahmen dieses Vortrags wird zunächst der Sonderforschungsbereich 1261 (Magnetoelectric Sensors: From Composite Materials to Biomagnetic Diagnostics), der sich mit der Erforschung von neuartigen magnetoelektrischen Sensorsystemen befasst, vorgestellt. Anschließend werden einige der Sensorprinzipien vorgestellt, die darauf ausgelegt sind, tieffrequente, äußerst schwache Magnetfelder in typischen Umgebungen, d.h. ohne magnetische Schirmung und ohne aufwändige Kühlsysteme, zu messen. Ein kurzer Ausblick auf biomedizinische Anwendungen für diese Sensorarten schließt den Vortrag.

Aus der digitalen Welt in die Klinik: Nutzung von tragbaren Sensoren im klinischen Alltag

Dr. Clint Hansen

In diesem Vortrag werden die Grundlagen der menschlichen Bewegungsanalyse und deren Anwendung außerhalb der klinischen Umgebung erläutert. Es wird gezeigt, wie tragbare Sensoren zur Erfassung alltäglicher Bewegungen, wie Gangmuster oder Körperhaltung, genutzt werden können. Der Fokus liegt auf der Auswahl geeigneter Instrumente und der Bewältigung von Herausforderungen, wie Datenrauschen. Anhand konkreter Beispiele wird verdeutlicht, wie solche Daten in der klinischen Praxis, etwa zur Überwachung von Gangstörungen oder bei der Rehabilitation, eingesetzt werden. Der Vortrag umfasst auch aktuelle Forschungsprojekte zur Entwicklung digitaler Messmethoden als objektive klinische Endpunkte.

Digitale Technologie und künstliche Intelligenz in der Neurologie: Stehen wir schon mitten in einer Revolution?

Prof. Dr. Walter Maetzler

Digitale Technologie hält in beeindruckendem Maße Einzug nicht nur in unserer Gesellschaft, sondern auch in der „Unterdisziplin“ Medizin und Neurologie im Besonderen. Dabei spielt auch Künstliche Intelligenz (KI), ein Zweig der Informatik, eine hochrelevante Rolle. Besonders im Bereich des Deep Learning, das sich an der neuronalen Architektur des menschlichen Gehirns orientiert, zeigt KI beeindruckende Fortschritte.

Der Vortrag stellt praktische Anwendungen von digitaler Technologie und KI in der Medizin vor, wie Hautkrebsdiagnose, Lungengewebeklassifizierung und die Diagnose von Herzgeräuschen. In der Neurologie wird insbesondere das Potential von digitaler Technik zur Erfassung von Alltagsaktivität betrachtet. Weiter wird das Potential von KI-basierter Bildverarbeitung beleuchtet, das neuartige und präzise Analysen der Struktur und Funktion des Gehirns ermöglicht. Weitere Beispiele sind die Behandlungsempfehlung bei Augenerkrankungen und die nächtliche Atmungsmessung zur Parkinson-Diagnose.

Insgesamt beleuchtet der Vortrag das Potenzial von neuer digitaler Technologie und KI, genauere Diagnosen und individuelle Therapieansätze insbesondere im neurologischen Bereich zu ermöglichen, und wird dabei auf bestehende Risken und Herausforderungen eingehen.

Detektion von Osteoporose durch Ultraschall unter Anwendung von künstlicher Intelligenz

M.Sc. Finn Spitz

Osteoporose, auch als „Knochenschwund“ bezeichnet, zählt zu den häufigsten und kostspieligsten Volkskrankheiten weltweit und erhöht das Risiko von Knochenbrüchen. Leider wird die Erkrankung erst spät oder gar nicht erkannt und bleibt daher unbehandelt.

Bislang wird Osteoporose in der Regel durch Röntgenuntersuchungen festgestellt. Hierbei wird jedoch lediglich die Knochendichte gemessen. Zusätzliche Informationen über die Struktur und Materialeigenschaften von Knochen, wie ihre Porosität oder Elastizität, könnten jedoch weitere wichtige Hinweise auf eine Osteoporose-Erkrankung liefern. Die Grundlage dafür bildet das Ultraschallmessverfahren AMBIT (Acoustical Multipath Bone Investigator), das im Team von Dr. Reinhard Barkmann und Professor Claus-Christian Glüer im Rahmen der Doktorarbeit von Melanie Gräsel entwickelt wurde

Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen Schallgeschwindigkeit und Knochendichte sowie -elastizität können mehrere Einflussfaktoren auf die Knochenfestigkeit bestimmt und zur Diagnose herangezogen werden. Dieses Messverfahren kommt ohne Röntgenstrahlung aus, wodurch das Ultraschallgerät auch bei Risikopatientinnen und -patienten, Schwangeren oder Frauen in den Wechseljahren angewendet werden kann.

Epileptische Anfälle und Epilepsien – zu viel oder zu wenig Ordnung der Biosignal-Aktivitäten im Gehirn?

Prof. Dr. Ulrich Stephani

Epileptische Anfälle können bei allen Lebewesen mit einem Gehirn auftreten. Sie unterbrechen attackenhaft die motorischen, sensiblen, psychischen, Bewusstseins- und vegetativen Abläufe, wobei z.B. Zuckungen, Missempfindungen, Verstimmungen, Ohnmacht und Urinabgang auftreten. Die Funktionen des Gehirns (mit dem Rückenmark zusammen das sogen. Zentralnervensystem – ZNS) werden über biologisch arbeitende Nervenfortsätze hergestellt, die 86 Mrd. Nervenzellen verbinden. Ionenkanäle und erregende wie hemmende Neurotransmitter (Botenstoffe) vermitteln die elektrischen bzw. magnetischen Impulse, die Biosignale. Dabei lassen spezifische Netzwerke mehrere Hirnregionen für bestimmte Funktionen gemeinsam arbeiten: Die sogenannten fünf Sinne (Sehen, Hören, Schmecken, Riechen, Tasten) vermitteln die Wahrnehmungsreize der Umwelt (Input), die in spezifischen Regionen des Gehirns verarbeitet werden; die Aufrecht- und Konstant-Erhaltung des inneren Körpermilieus und die (motorischen) Aktionen stehen auf der anderen Funktionsseite mit ihrem Output. Im Laufe der Ontogenese entwickelt sich das Gehirn ab der Embryonalzeit bis ins Erwachsenen-Alter; selbst im sogen. ausgereiften Gehirn (z.B. bei einem Menschen mit 20 Jahren) können noch Veränderungen und neue Verbindungen bei Lernprozessen auftreten.

Im ZNS finden viele Abläufe gleichzeitig statt, deren Zahl ist kaum zu benennen. Wenn ein epileptischer Anfall auftritt, kommt es zu einer geringeren Hemmung bzw. größeren Erregung von Nervenzell-Verbünden im Gehirn, manchmal nur in bestimmten Arealen des Gehirns, manchmal im gesamten Gehirn. Zu viele Nervenzellen entladen sich dann gleichzeitig (wie im Gleichschritt) und vermindern die Vielfalt der Hirnvorgänge: Zuckungen, Bewusstseinsstörungen, Stuhlabgang sind Beispiele für Phänomene von epileptischen Anfällen.

Unterschiedliche Biosignale vermitteln die Aktivitäten des Gehirns. Vor ca. 100 Jahren wurde in Jena das sogen. Elektroenzephalogramm (EEG) entdeckt, bei dem meist von der Kopfhaut über dort platzierte Elektroden elektrische Spannungen abgeleitet und gemessen werden. Es gibt für verschiedene Zustände des Gehirns (z.B. Wachheit, Schlaf, epileptische Anfälle) Biosignal-Muster, die mit dem EEG als immer noch wichtigster Labormethode neurologischer Forschung gemessen und bewertet werden. Die Messung von Magnetfeldern des Gehirns (Magnetenzephalogramm, MEG) ist mit Helium-gekühlten Sensoren in magnetisch abgeschirmten Kammern bereits heute möglich; das MEG wird voraussichtlich aber bald wie das EEG durch ingenieurtechnischen Fortschritt unaufwändig verfügbar sein, was für die Medizin einen großen Fortschritt bedeuten würde.

Ich bin was ich esse! Funktionalität und Biosignalaktivitäten der Darm-Gehirn-Achse

Prof. Dr. Mark Ellrichmann

Der Magen-Darm-Trakt spielt eine zentrale Rolle in der menschlichen Physiologie, nicht nur bei der Verdauung, sondern auch als wichtiges Kommunikationszentrum zwischen dem Darm und dem Gehirn. Diese bidirektionale Kommunikation ist von großer Bedeutung für unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden.

Die Interaktion zwischen dem Darm und dem Gehirn erfolgt über mehrere Mechanismen. Ein zentraler Bestandteil ist das enterische Nervensystem, das oft als „zweites Gehirn“ bezeichnet wird. Es besteht aus einem Netz von Neuronen, das den gesamten Verdauungstrakt durchzieht und autonom agieren kann. Diese neuronalen Strukturen kommunizieren mit dem zentralen Nervensystem und senden Signale, die das Verhalten und die Emotionen beeinflussen können. So zeigen Studien, dass bestimmte Nahrungsmittel und deren Verdauung die Produktion von Neurotransmittern wie Serotonin, das maßgeblich für unsere Stimmung verantwortlich ist, beeinflussen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt sind die Biosignalaktivitäten, die über verschiedene chemische Signale und Hormone stattfinden. Zum Beispiel setzt die Darmschleimhaut Hormone wie Ghrelin und Leptin frei, die den Appetit regulieren. Diese Signale können über das Blut oder über die Vagusnerven zum Gehirn gesendet werden, wo sie die Hunger- und Sättigungszentren beeinflussen. Auch die Immunzellen im Darm tragen zur Kommunikation bei, indem sie Zytokine produzieren, die in das zentrale Nervensystem wirken und Entzündungsprozesse im Körper steuern.

Das Verständnis dieser komplexen Wechselwirkungen eröffnet neue Perspektiven für die Behandlung von Krankheiten wie Depressionen, Angststörungen oder auch gastroenterologischen Erkrankungen. Die Forschung zeigt zunehmend, dass eine ausgewogene Ernährung und ein gesundes Mikrobiom nicht nur für die körperliche Gesundheit, sondern auch für die mentale Gesundheit von großer Bedeutung sind.

Biosignale und ihre Bedeutung in der Chirurgie

Prof. Dr. Robert Bergholz

Biosignale bieten in der Chirurgie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie können sowohl während des Eingriffs als auch davor oder danach genutzt werden, um das Ergebnis des chirurgischen Eingriffes zu verbessern.

Während chirurgischer Eingriffe ist die kontinuierliche Überwachung von Biosignalen wie Herzfrequenz, Blutdruck, Sauerstoffsättigung und Atemfrequenz entscheidend. Diese Daten helfen, den Zustand des Patienten in Echtzeit zu überwachen und frühzeitig auf mögliche Komplikationen zu reagieren.

Bei bestimmten chirurgischen Eingriffen, insbesondere im Bereich der Neurochirurgie, wird die elektrophysiologische Überwachung eingesetzt. Techniken wie die intraoperative Elektromyographie (EMG) und das elektrokortikale Mapping helfen, kritische Nervenbahnen zu identifizieren und zu schützen, um postoperative neurologische Schäden zu vermeiden.

Biosignale spielen aber auch eine wichtige Rolle bei bildgebenden Verfahren wie der Magnetresonanztomographie (MRT) und der Computertomographie (CT). In Kombination mit Navigationssystemen ermöglichen sie präzise Echtzeitbilder und die genaue Lokalisation von Tumoren oder anderen Strukturen, was die Genauigkeit und Sicherheit chirurgischer Eingriffe erhöht.

In der robotergestützten Chirurgie können Biosignale zur Steuerung von chirurgischen Robotern genutzt werden. Sensoren erfassen die Bewegungen und Kräfte, die auf die Instrumente wirken, und übertragen diese in präzise, minimalinvasive Bewegungen.

Denkt man noch weiter, so lassen sich auch komplett neuartige Biosignale identifizieren, die in visionärer Forschung sowohl die Diagnostik als auch die operativen Behandlungen in Zukunft revolutionieren könnten. Hier soll ein Ausblick gegeben werden.

Sprechtherapie für Parkinson-Patienten/innen - ein Schulterschluss aus Medizin und Technik

M. Sc. Karolin Krüger

Die Parkinson-Krankheit ist weltweit eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen, deren Auftreten mit zunehmendem Alter stark ansteigt und die sich auf verschiedene Aspekte des täglichen Lebens auswirken kann. Das bekannteste und auffälligste Merkmal ist das Zittern der Gliedmaßen - der so genannte Tremor. Aber auch die Stimme kann durch die Erkrankung stark beeinträchtigt werden, was zu einer Reihe von Herausforderungen im sozialen Leben führen kann: Die Stimme wird oft leise, monoton, undeutlich oder zittrig, was es schwierig macht, sich klar und verständlich auszudrücken.

Die Stimmveränderungen können das soziale Leben erheblich beeinträchtigen, da Kommunikation ein zentraler Bestandteil des menschlichen Lebens ist. Wenn die Stimme durch die Parkinson-Krankheit beeinträchtigt wird, kann dies zu Missverständnissen, Isolation und Frustration führen. Betroffene ziehen sich möglicherweise zurück, weil sie Schwierigkeiten haben, sich verständlich zu machen, oder weil ihnen die Stimmveränderungen unangenehm sind.

In solchen Situationen kann die Logopädie einen entscheidenden Beitrag leisten. Logopäden sind darauf spezialisiert, Menschen mit Sprach- und Kommunikationsstörungen zu helfen und können Techniken anbieten, um die Stimme zu stärken, die Artikulation zu verbessern und die Verständlichkeit zu erhöhen. Darüber hinaus gibt es vielversprechende Entwicklungen in der Forschung, die darauf abzielen, die Diagnose und Behandlung von Sprachstörungen bei Parkinson zu verbessern. Objektive Sprachanalysen und computergestützte Übungen könnten dazu beitragen, die Effektivität logopädischer Interventionen zu verbessern. Durch den Einsatz von Technologie können spezifische Aspekte der Sprachfähigkeit präziser gemessen und die Stimme im häuslichen Umfeld - zusätzlich zu Therapiesitzungen - mithilfe von Sprachspielen und Übungen trainiert werden.

Die Integration von Forschungsergebnissen in die klinische Praxis könnte die Lebensqualität von Parkinson-Patienten erheblich verbessern. Durch einen ganzheitlichen Ansatz, der sowohl traditionelle logopädische Methoden als auch innovative technologische Ansätze einbezieht, kann den Betroffenen geholfen werden, ihre Stimme und ihre kommunikativen Fähigkeiten trotz der Herausforderungen der Erkrankung zu erhalten, zu verbessern und sozialen Interaktionen wieder mit mehr Selbstvertrauen zu begegnen.

Nichtinvasive Hirnstimulation

Prof. Dr. Joachim Groß

Das Video bietet eine Einführung in die Magnetenzephalographie (MEG), ein modernes Verfahren der Hirnforschung. Prof. Joachim Groß erklärt, wie das MEG-System funktioniert, einschließlich der supraleitenden Sensoren, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, und der Abschirmkammer, die externe Magnetfelder eliminiert. Er zeigt, wie MEG Magnetfelder misst, die durch neuronale Aktivität entstehen, und wie diese zur Lokalisation und Analyse von Hirnarealen genutzt werden. Mit hoher zeitlicher Auflösung kann das MEG dynamische Prozesse im Gehirn sichtbar machen, was insbesondere für die Erforschung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen von Bedeutung ist.

Bioelektromagnetismus: Anwendung in der prächirurgischen Epilepsie-Diagnose

Prof. Dr. Carsten Wolters

Professor Carsten Wolters erläutert in seinem Vortrag die Anwendung von EEG und MEG in der präoperativen Epilepsiediagnostik. Am Beispiel einer Patientin mit Broca-Epilepsie zeigt er, wie durch die Kombination dieser Methoden epileptische Aktivitäten lokalisiert und mithilfe einer optimierten transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) reduziert werden können. Er erklärt die Methodik der Quellrekonstruktion, die Entwicklung einer individuellen Stimulationselektrodenkappe und die signifikanten Ergebnisse der Epilepsie-Therapie, bei der epileptische Aktivität halbiert werden konnte. Das Verfahren kombiniert modernste Technologie mit individualisierter Therapie und bietet vielversprechende Möglichkeiten für die klinische Anwendung.

Magnetoenzephalographie (MEG)

Prof. Dr. Markus Junghöfer

Das Video beschreibt den Einsatz nicht-invasiver Hirnstimulation in der Neurowissenschaft, insbesondere zur Untersuchung emotionaler Reizverarbeitung bei depressiven Patienten. Prof. Markus Junghöfer erklärt die Methoden der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) und der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS), um gezielt Hirnregionen zu stimulieren. Studien zeigen, wie Veränderungen in der Verarbeitung negativer und positiver Reize durch spezifische Hirnregionen, wie den dorsolateralen und ventromedialen präfrontalen Cortex, beeinflusst werden können. Diese Methoden helfen, neue Einblicke in die neuronalen Mechanismen von affektiven Störungen zu gewinnen.

Labore des Instituts für Biomagnetismus und Biosignalanalyse (Uni Münster)

Dr. Andreas Wollbrink

Andreas WWollbrink präsentiert die Labore des Instituts für Biomagnetismus und Biosignalanalyse in Münster. Der Fokus liegt auf dem Neuromagnetometersystem (MEG) und ergänzenden Technologien wie EEG und transkranieller Magnetstimulation (TMS). Er erklärt detailliert die Funktionsweise des MEG-Systems, die Heliumkühlung, und wie EEG und MEG synchron genutzt werden. Zusätzlich stellt er den schallisolierten Raum für akustische und EEG-Messungen vor, der einzigartig für präzise Messungen ist. Die Labore ermöglichen wegweisende Forschungen zur Gehirnaktivität und deren Stimulation.