„Es ist nicht ungewöhnlich, dass beim Messen derselben Probe fünf baugleiche Geräte des gleichen Herstellers fünf leicht verschiedene Werte liefern“, nennt Dr. Matthias Eifler, Geschäftsführer der Opti-Cal GmbH, als Beispiel. Um dies so gut wie möglich zu vermeiden, kommen beim Kalibrieren Prüfkörper zum Einsatz, die als entsprechende Referenz dienen.

Ein relativ neues Feld stellt die optische Messtechnik im Mikrobereich dar. In den vergangenen Jahren hat sich in der Forschung viel getan: „Oberflächen von Bauteilen sind zum Beispiel mit funktionellen Eigenschaften ausgestattet“, sagt Julian Hering, Entwicklungsleiter der Opti-Cal GmbH. Ihre Mikrostruktur ist derart gestaltet, dass sie etwa Reibung und Verschleiß senken.

Um diese Strukturen zu überprüfen, braucht es entsprechende Messtechniken, etwa spezielle Mikroskope, und dafür allgemein gültige Standards. Eine entsprechende Norm zur Kalibrierung (DIN EN ISO 25178-700) ist schon in Arbeit und soll bald gültig werden. Die Kaiserslauterer Forscher bieten aber schon jetzt eine Lösung an. „Wir haben ein Normal entwickelt, das die Kalibrierung nach der künftigen Norm ermöglicht“, sagt Eifler.

Hierbei handelt es sich um einen Probenkörper, auf dem sechs unterschiedliche Mikrostrukturen in vier verschiedenen Größen aufgebracht sind. Das reicht von sternförmigen Rillen bis zu Kreuzgittern mit Flächen von 100 mal 100 bis 800 mal 800 Mikrometern. „Insgesamt ergeben sich 24 Messbereiche. Mit diesen Formen ist eine vollständige Kalibrierung der Geräte möglich“, sagt Hering. „An einem Mikroskop lassen sich damit Vergrößerungen von 5- bis zu 100-fach abdecken.“

Die beiden Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern haben sich mit der Technik selbständig gemacht und ihr Unternehmen Opti-Cal gemeinsam mit den Professoren Dr. Georg von Freymann und Dr. Jörg Seewig gegründet. Neben ihrem Prüfkörper (Universalnormal) und Schulungen bieten sie Unternehmen an, für den jeweiligen Anwendungsfall spezifische Prüfkörper zu entwickeln. Außerdem beraten sie ihre Kunden bei der Wahl des richtigen Prüfkörpers und Kalibrierprozesses.

Zunutze machen sich die beiden Jungunternehmer die Expertise aus ihren jeweiligen Lehrgebieten: Das Team um Professor Seewig aus dem Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik ist darauf spezialisiert, mithilfe von Computersimulationen Modelle von Prüfkörpern im Mikrobereich zu entwickeln, wohingegen die Arbeitsgruppe von Professor von Freymann aus dem Fachbereich Physik diese im 3D-Mikrodrucker mittels sogenannter 2-Photonen Laserlithographie designtreu herstellt.

Weitere Informationen unter www.opti-cal.de

In einer Zelle gibt es eine Vielzahl verschiedener Moleküle, wie etwa Proteine. Schätzungsweise  6.000 bis 7.000 unterschiedliche Proteine sind in einer menschlichen Zelle aktiv. Dank neuester Techniken ist es möglich, sie genau zu quantifizieren. An der TUK beschäftigt sich Professorin Dr. Zuzana Storchová mit dieser Thematik. Sie forscht schon lange auf diesem Gebiet. Sie hat unter anderem mit dem renommierten Münchner Protein-Experten Professor Matthias Mann und anderen Kollegen 2012 erstmals untersucht, welche Folgen es für Zellen hat, wenn einzelne Chromosomen vermehrt vorkommen. In gesunden menschlichen Zellen gibt es einen doppelten Chromosomensatz mit 23 Paaren. Bei Krebszellen beispielsweise sind oft andere Sätze zu finden. Das Team ist der Frage nachgegangen, wie ein Zuviel an genetischem Material die Menge der Proteine verändert.

„Solche Arbeiten helfen uns zu verstehen, welches Protein bei welcher Erkrankung eine veränderte Funktion aufweist. Daher ist es auch wichtig, die Proteome von gesunden und kranken Zellen zu vergleichen“, sagt Storchová, die im Lehrgebiet Molekulare Genetik forscht.

Mit der neuen Generation der Massenspektrometer ist dies möglich. „Wir können damit fast alle Proteine einer Zelle gleichzeitig analysieren“, fährt sie fort. Bei dieser Technik werden die Protein-Moleküle anhand ihrer Masse identifiziert und quantifiziert. Im Prinzip werden sie gewogen. Ähnlich wie bei einem Fingerabdruck besitzt jedes Molekül einen charakteristischen Wert.

Das Team um Storchová und ihren Forscherkollegen Dr. Markus Räschle beschäftigt sich unter anderem damit, wie sich das Proteom in Krebszellen von dem in gesunden Zellen unterscheidet. „Wir wollen verstehen, warum dort bestimmte Proteine häufiger vorkommen oder andere weniger“, sagt die Professorin. Mit dem neuen Großgerät können sie solche Schlüsselproteine einfacher aufspüren. Diese Grundlagen zu verstehen, ist wichtig, um in Zukunft neue oder bessere Therapien zu entwickeln.

Das neue Forschungsgroßgerät steht auf dem Kaiserslauterer Campus im Center for Mass Spectrometry-Analytics. Es wird von Professor Dr. Michael Schroda vom Lehrgebiet Biotechnologie und Systembiologie zusammen mit Professorin Storchová geleitet. Bei der Durchführung der hochkomplexen Experimente werden sie von Dr. Frederik Sommer und Dr. Markus Räschle unterstützt. Um die bioinformatische Analyse der gewonnen Daten kümmert sich die Gruppe des Bioinformatikers Juniorprofessor Dr. Timo Mühlhaus. Auch Arbeitsgruppen aus anderen Fachbereichen wie der Chemie steht das Labor offen. Mit dem Massenspektrometer lassen sich nicht nur Proteine erforschen, sondern auch andere Moleküle wie beispielsweise Lipide.

Sie sorgen etwa dafür, dass ein Zug rechtzeitig bremst, dass die Landeklappen beim Flugzeug ausfahren oder dass eine Maschine unmittelbar stoppt, wenn die Hand eines Arbeiters zu nah an die Säge kommt – Embedded Systems. Diese kleinen Rechner gewährleisten die Sicherheit solcher Techniken. Um Fehler früh aufzuspüren, muss die Hardware regelmäßig getestet werden. Hinzu kommt: „In solchen Prozessoren werden die Hardware-Komponenten immer kleiner. Das macht sie anfälliger für Fehler“, sagt Christian Bartsch, Doktorand im Lehrgebiet „Entwurf Informationstechnischer Systeme“ bei Professor Dr. Wolfgang Kunz an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). Faktoren wie Alterung oder hohe Temperaturen führen dazu, dass Bauteile bei solchen Chips schneller verschleißen.

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl solcher Testverfahren. Diese laufen automatisch ab, ohne dass der Nutzer etwas davon mitbekommen. Die gesamte Hardware (HW) zu überprüfen, kostet Zeit und Energie, die die Leistungsfähigkeit des Systems negativ beeinflusst.

Das Kaiserslauterer Forscherteam hat nun ein Modell entwickelt, mit dem sie die Auswirkungen von Hardwarefehlern auf das Verhalten der Software analysieren. „Wir haben darin an verschiedenen Stellen der Hardware Fehler eingebaut“, fährt der Doktorand fort. Dieses Modell vergleichen die Ingenieure mit einer fehlerfreien Variante, bei der die Hardware reibungsfrei läuft. Bei ihren Tests haben die Ingenieure jeweils einzelne Fehler, aber auch Mehrfachfehler untersucht. „Wir haben geprüft, ob sie Auswirkungen auf die Software haben“, sagt Bartsch, der auch Erstautor der Studie ist. Dabei haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass ein Großteil der Fehler keine Auswirkung auf die Software hat. „Dieser Anteil liegt bei 33 Prozent“, so Bartsch.

Für das Testen von sicherheitsrelevanten Systemen bedeutet dies: „Es reicht sich auf bestimmte Stellen zu konzentrieren, bei denen Fehler auch für die Software von Bedeutung sind“, so der Forscher. Da solche Prüfverfahren zeitaufwendig sind und Energie verbrauchen, könnten sich auf diese Weise auch Kosten einsparen lassen. Außerdem werden Fehler schneller gefunden, wenn solche Tests nur bestimmte Bereiche in den Fokus nehmen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Testverfahren künftig effizienter gestaltet werden können“, fährt Bartsch fort. Die Methode der Kaiserslauterer Forscher ermöglicht es zum Beispiel auch, Schutzmechanismen für Hardware-Fehler zu zertifizieren. Bei sicherheitsrelevanten elektrischen Systemen in PKWs gibt es dafür beispielsweise derzeit einen bekannten Standard (ISO-Norm 26262). „Für bestimmte Hardwarefehler ließen sich etwa Schutzmechanismen entwickeln, mit denen Unternehmen analysieren können, ob diese auch ausreichen.“

Die Arbeit haben die Kaiserslauterer Ingenieure im vergangenen Jahr in der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Electronic Testing – Theory and Applications“ (JETTA) publiziert. Auf der führenden Tagung für Tests und Fehlertoleranzen, der International Test Conference (ITC), im US-amerikanischen Phoenix (Arizona) wurden sie dafür kürzlich mit dem Preis für die beste Publikation in JETTA ausgezeichnet. Verliehen wird diese Auszeichnung vom Test Technology Technical Council (tttc) des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), dem weltweiten Berufsverband der Ingenieure.

Die Studie: „A HW/SW Cross-Layer Approach for Determining Application-Redundant Hardware Faults in Embedded Systems”

DOI: 10.1007/s10836-017-5643-3

Beim Lesen einer Physikaufgabe wandern die Augen zwischen Text und Diagramm hin und her. Wo liegt dabei die Aufmerksamkeit? Etwa bei der Beschriftung der Achse bei einem Koordinatensystem oder bei der Kurve, die im Diagramm zu sehen ist? Springen die Blicke zwischendurch auch wieder zum Text und verharren dort ein paar Sekunden? Kann man daraus Rückschlüsse auf das Lernverhalten ziehen? „Ja, das können wir“, sagt Juniorprofessor Dr. Pascal Klein, der an der TUK zu digitalen Techniken für das Physikstudium und den Physik-Unterricht in der Schule forscht. „Früher war so etwas nicht möglich. Mit der Eye-Tracking-Technik sind wir in der Lage, das Blickverhalten beim Arbeiten mit Texten und Diagrammen genau zu analysieren.“

Für diese Untersuchung ist nicht viel Technik notwendig: Es reichen ein Bildschirm und ein Eye-Tracker, der Blickrichtungen in Echt-Zeit erfasst. Er ist direkt unter dem Display angebracht und sendet seine Daten an einen Laptop, der neben dem Bildschirm steht.

Im Eye-Tracking-Labor, dem eyePL (eyePhysics Lab), auf dem Campus der TU Kaiserslautern gibt es derzeit sechs solcher Arbeitsplätze. Das Team um Klein möchte damit zum Beispiel untersuchen, wie Studierende der Physik Texte lesen und deren Inhalte erfassen. „Wir sehen, an welchen Stellen sie verharren, ob sie zwischen Text und Diagramm hin- und herspringen oder erneut etwas lesen“, nennt der Forscher als Beispiele.

In Studien hat Klein bereits untersucht, welche Rückschlüsse sich aus den sogenannten Blickpfaden auf das Lernverhalten ziehen lassen. „Beim Arbeiten mit Diagrammen verraten uns solche Pfade, welche Strategien Studierende zum Problemlösen anwenden. Wir können auch feststellen, ob Strategien, die sie zuvor gelernt haben, richtig oder falsch zum Einsatz kommen“, fährt der Physiker fort. Auch weitere Rückschlüsse kann er mithilfe der Technik ziehen, etwa wie sicher sich Studierende beim Bearbeiten von Aufgaben sind.

In einer kürzlich veröffentlichen Studie, an der auch Forscherkollegen des Deutschen Zentrums für Künstliche Intelligenz beteiligt waren, hat das Team um Klein beispielsweise untersucht, wie physikalische Inhalte (in diesem Fall die sogenannte Divergenz von Vektorfeldern) am besten veranschaulicht werden, damit der Lernerfolg am größten ist. „Wir haben den Studierenden zwei verschiedene Darstellungsformen zur Divergenz gezeigt, einmal als Differentialrechnung und zum anderen als Integralrechnung“, fasst er den Versuchsaufbau kurz zusammen. „Um physikalische Zusammenhänge aufzuzeigen und zu beschreiben, wird in Lehrbüchern und -veranstaltungen häufig nur eine Form der Darstellung verwendet. Wir haben aber festgestellt, dass die Inhalte am besten vermittelt werden, wenn Studierende beide Formen kennen. Dies unterstreicht die wichtige Rolle verschiedener Betrachtungsweisen beim Erwerb physikalischen Wissens.“

Klein hat aber nicht nur das Lernen im Studium im Blick, sondern auch den Unterricht in Schulen. „Wir gehen mit unserer Technik in Schulen, um zu schauen, wie Schülerinnen und Schüler mit physikalischen Problemen umgehen.“ Dank der Technik stehen schon nach kurzer Zeit Ergebnisse zur Verfügung. Schnell wird klar, ob Schüler Lerninhalte verstanden haben. „Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, Unterschiede zwischen erfolgreichen Problemlösern und weniger erfolgreichen zu diagnostizieren und infolgedessen Lernverhalten individuell zu fördern“, sagt Klein. Für diese Studien arbeitet der Physiker auch mit Gruppen aus anderen Ländern zusammen, um internationale Unterschiede beim Lernen physikalischer Konzepte zu analysieren.

Auch in der Lehramtsaus- und Weiterbildung kommt die Technik an der TU Kaiserslautern zum Einsatz, etwa im Rahmen des Projekts „U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette“, das im Rahmen der gemeinsamen „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“ von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird. Die Einrichtung des Eye-Tracking-Labors hat der TU Nachwuchsring finanziell unterstützt.

Klein forscht bei dem Physik-Didaktiker Professor Dr. Jochen Kuhn, der mit seiner Gruppe seit knapp zehn Jahren zum Lernen mit innovativen Lehr-Lernformaten für Studium, Unterricht und Lehrerbildung forscht. Dabei verwendet er digitale Medien von heute und morgen.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Physics Education Research“ veröffentlicht: “Instruction-based clinical eye-tracking study on the visual interpretation of divergence: How do students look at vector field plots?” P. Klein, J. Viiri, S. Mozaffari, A. Dengel, and J. Kuhn.
DOI: https://doi.org/…

Mehr zum neuen Labor „eyePL (eyePhysics Lab)“ im Netz:
https://www.physik.uni-kl.de/…

Die Mars-Sonde InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) soll auf dem roten Planeten verschiedene Experimente durchführen. Die entsprechenden Messgeräte hat sie an Bord. Zunächst soll ein Seismometer mögliche Wellen aufzeichnen, die von Marsbeben ausgehen. Das Projekt SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) wird vom französischen geophysikalisches Institut (Institut de physique du globe de Paris) geleitet. Beteiligt sind hier auch Partner aus England und Österreich.

Im Anschluss startet der nächste Versuch, bei dem es um die Beschaffenheit des Mars-Inneren geht. Die Geräte für dieses HP3-Experiment (Heat Flow and Physical Properties Package) hat das DLR federführend mit weiteren Projektpartnern entwickelt. Eine 40 Zentimeter lange Sonde soll sich in den Marsboden vorarbeiten. Dabei wird sie von einem Hammerschlagmechanismus angetrieben. „Geplant ist, dass der Hammer bis zu fünf Meter in den Marsboden vordringt“, sagt Professor Vrettos, der das Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau an der TUK leitet und an diesem Experiment beteiligt ist. An der Sonde angebracht ist ein flaches Kabel, an dem sich Temperatursensoren befinden. Durch den Hammerschlag gelangt das Kabel nach und nach in den Marsboden. „Hier werden die Sensoren in den nächsten zwei Jahren die Temperatur messen“, sagt Professor Christos Vrettos weiter. „Dabei geht es auch darum, das Temperaturgefälle zwischen oberflächennahen und -fernen Schichten zu ermitteln.“ Die Sensoren sind dabei in der Lage, winzige Temperaturunterschiede zu erfassen.

Das Seismometer, das nur wenige Meter neben den HP3-Experiment stehen wird, soll außerdem die Schwingungen messen, die durch den Hammerschlagmechanismus entstehen. Am Ende der Mission soll eine am Roboterarm befestigte Schaufel sanft in den Marsboden eingedrückt werden, um daraus die Nachgiebigkeit der Marsoberfläche zu ermitteln.

Mit den gesammelten Daten erhoffen sich die Forscher ein besseres Verständnis über die Beschaffenheit des Marsbodens zu erhalten, etwa um herauszufinden, aus welchem Gestein er besteht. „Dies ist wichtig, um die Befahrbarkeit der Planetenoberflächen zu bewerten“, nennt der Kaiserslauterer Professor als Beispiel. Dies spiele unter anderem bei künftigen Mars-Missionen eine Rolle, wenn es darum geht, zu wissen, wie sich Roboterfahrzeuge, sogenannte Rover, auf dem Boden bewegen können.

Professor Vrettos wirft schon lange einen Blick in andere Welten: Er untersucht die spezifische Zusammensetzung von extraterrestrischen Böden und deren Eigenschaften. Auf dem TUK-Campus kann der Ingenieur eine ganze Sammlung verschiedener Bodenproben sein Eigen nennen – von der NASA für Untersuchungen ausgewählt. „Der Fachbegriff für solche Böden ist Simulat. Es handelt sich dabei um Ersatzböden, die im Aufbau denen auf Mars und Mond entsprechen“, sagt der Professor. „Sie wurden von Wissenschaftlern entwickelt. Wir führen damit Versuche durch.“ Mit den Apparaturen und Messstationen testen er und sein Team im Labor zum Beispiel, wie Wellen in den obersten Schichten des Bodens weitergeleitet werden und wie weit sie durch die Böden laufen. Damit helfen sie unter anderem, künftige Raumfahrtmissionen zu verbessern.

Weltweit steht die Abwasserentsorgung vor einem Paradigmenwechsel. „Sie entwickelt sich weg von einer Entsorgungswirtschaft hin zu einer ressourcenorientieren Herangehensweise“, sagt Professorin Steinmetz von der TUK. „Zukünftig sollen Inhaltsstoffe aus Abwasser genutzt und rückgewonnen werden.“ Außerdem arbeiten Entsorger daran, mithilfe von neuen Techniken den Energieeinsatz bei der Reinigung des Wassers zu senken. „Die Herausforderung liegt darin, dabei auch noch eine bessere Reinigungsleistung zu erreichen“, fährt sie fort. Hinzu kommt, dass organische Abfallstoffe und Klärschlamm für die Produktion von Biogas Verwendung finden sollen.

In Deutschland gibt es hierzu schon eine Reihe von Verfahren. „Sie lassen sich aber nicht ohne Weiteres auf andere Länder übertragen, da die Randbedingungen wie etwa die Zusammensetzung des Abwassers und die Reinigungsanforderungen unterschiedlich sind“, erläutert die Professorin.

Im neuen Forschungsvorhaben „Energetische Prozessoptimierung und Implementierung von Ressourceneffizienten Abwassertechnologien auf kommunalen Kläranlagen“ (PIRAT-Systems) arbeitet ein interdisziplinäres Team aus Deutschland mit der Tongji University Shanghai und weiteren chinesischen Partnern daran, ausgewählte Technologien angepasst für den chinesischen Markt zu entwickeln. Beteiligt sind Planer, Anlagenbauer, Betreiber, Firmen aus der Düngemittelverarbeitung, Behörden und Forschungseinrichtungen. Darüber hinaus wird das internationale Team für zwei chinesische Kläranlagen Konzepte entwickeln, um deren Energieeffizienz zu steigern, die Ablaufqualität des Wassers zu verbessern – vor allem hinsichtlich der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor – und Phosphor aus Abwasser zurückzugewinnen.

Das Team wird außerdem passende Maßnahmen erarbeiten, um die Neuentwicklungen im Anschluss auf andere Abwasseranlagen innerhalb und außerhalb Chinas zu übertragen. Ferner zielt das Vorhaben darauf ab, die Aufgaben einer Kläranlage zu erweitern. „Wir werden untersuchen, welche Vermarktungsmöglichkeiten sich für Recyclingprodukte bieten und wie Biogas aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist werden kann“, so Steinmetz. Dabei spiele auch die Unterstützung und Akzeptanz der Bevölkerung eine Rolle.

Insgesamt streben die Beteiligten an, geschlossene Stoffkreisläufe zu entwickeln und dabei dank der sehr guten Reinigungsleistung der Kläranlagen die strengen Grenzwerte in China einzuhalten.

Damit leistet PIRAT-Systems einen wichtiger Beitrag, um die Umweltsituation in den Bereichen Gewässerschutz, Klimaschutz und nachhaltiger Ressourcenbewirtschaftung zu verbessern.

Die Koordination des Projekts liegt bei Professorin Steinmetz. Neben der TUK sind als deutsche Partner beteiligt: Dresdener Grundwasserforschungszentrum e.V., Hochschule Emden-Leer, Hochschule Magdeburg-Stendal, Universität Hohenheim, BHU Umwelttechnik GmbH, LUG Engineering GmbH, SF-Soepenberg GmbH, Thorsis Technologies GmbH, UMTEC Silo- und Schüttgutengineering GmbH.

Das Vorhaben „Energetische Prozessoptimierung und Implementierung von Ressourceneffizienten Abwassertechnologien auf kommunalen Kläranlagen“ (PIRAT-Systems) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung – FONA, CLIENT II – Internationale Partnerschaften für nachhaltige Innovationen“ für drei Jahre gefördert. Es ist im September 2018 gestartet.

Ein mobiles Ganganalyse-System, das dem Nutzer direkt Rückmeldung gibt, daran arbeiten Dr. Gabriele Bleser und ihr Team von der Nachwuchsgruppe wearHEALTH an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). Es eignet sich für Menschen, die zum Beispiel an Arthrose leiden und im Zuge dessen ein neues Hüftgelenk erhalten. Diese haben meist über viele Jahre eine Schonhaltung entwickelt und verinnerlicht. „Nach der Operation sind zwar die Schmerzen weg, die Schonhaltung aber bleibt. Das ‚normale‛ Gehen muss in der Reha und darüber hinaus erst wieder mühsam erlernt werden“, sagt Professor Dr. Thomas Jöllenbeck, der an der Rehaklinik Lindenplatz im nordrhein-westfälischen Bad Sassendorf das Institut für Biomechanik leitet. Er und seine Kollegin Juliane Pietschmann arbeiten mit den Kaiserslauterer Forschern zusammen.

Die Technologie soll den Reha-Prozess unterstützen. Dabei kommen sieben Sensoren zum Einsatz. Sie werden einfach an den Füßen, Unter-, Oberschenkeln und am Becken angebracht. „Die von den Sensoren am Körper gemessenen Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten werden von unserer Software verarbeitet. Diese berechnet daraus Bewegungsparameter wie beispielsweise Gelenkwinkel an Hüfte, Knie und Sprunggelenk und Schrittlängen“, erklärt Dr. Bertram Taetz, der wie Markus Miezal ebenfalls an der TUK am Projekt beteilig ist.

Das Computerprogramm ermittelt damit ein individuelles Bewegungsmuster, das zeigt, ob etwa Abweichungen oder individuelle Besonderheiten im Gang vorliegen. „Der Nutzer erhält über Töne und Vibrationen unmittelbare Rückmeldungen und Hinweise, mit denen er sich sein Gangbild bewusst machen kann“, sagt Bleser. „Unser langfristiges Ziel ist es, ein mobiles System zu entwickeln, mit dem Patienten auch nach der Reha zu Hause eigenständig weitertrainieren können.“ Aber nicht nur der Patient erhält Rückmeldung, auch Physiotherapeuten und Mediziner können die Daten direkt auf einem Bildschirm sehen, in Form eines animierten 3D-Knochenmodells und von Diagrammen, bei denen Besonderheiten im Gang einfach sichtbar werden.

Die Technik eignet sich nicht nur für die orthopädische Rehabilitation. Auch Patienten nach einem Schlaganfall könnten damit üben. Darüber hinaus ist die Anwendung für verschiedene Sportarten interessant, um etwa Bewegungsabläufe zu studieren oder zu optimieren. „Unser System befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase. Studien an Patienten stehen noch aus. Bis es auf den Markt kommen kann, wird es noch dauern“, so Taetz weiter. „Auch den Tragekomfort müssen wir noch deutlich erhöhen“, sagt Bleser. Hierzu arbeitet das Team mit dem Informatiker Professor Dr. Didier Stricker vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Kaiserslautern zusammen, um ein leichtgewichtiges Sensornetzwerk an die Technik anzubinden.

Beteiligt sind an der Ganganalyse-Technik an der TUK auch Sportwissenschaftler um Professor Dr. Michael Fröhlich, die untersuchen, ob das System den Praxisanforderungen gerecht wird, und Ingenieure um Professor Dr. Norbert Wehn, die daran arbeiten, die Übertragungstechnik zu verbessern. Die Arbeiten werden im Rahmen der Bund-Länder-Initiative „Innovative Hochschulen“ gefördert, bei der die TUK gemeinsam mit der Hochschule Kaiserslautern im Projekt „Offene Digitalisierungsallianz Pfalz“ beteiligt ist.

Die Kaiserslauterer Nachwuchsgruppe wearHEALTH ist ein interdisziplinäres Team aus Informatik, Mathematik, Psychologie, Kognitionswissenschaft, Bewegungswissenschaft und Regelungstechnik. Sie entwickelt digitale Techniken, die die Gesundheit präventiv oder zum Beispiel in Form von Reha-Maßnahmen verbessern sollen. Sie wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme „Interdisziplinärer Kompetenzaufbau im Forschungsschwerpunkt Mensch-Technik-Interaktion für den demografischen Wandel“ gefördert.

Die Thrombose ist nach Herzinfarkt und Schlaganfall die dritthäufigste Herz-Kreislauf-Erkrankung. Zur Risiko-Gruppe zählen vor allem ältere Menschen, aber auch Patienten, die wegen einer Krankheit bettlägerig sind oder eine größere Operation hinter sich haben.

Um der Thrombose vorzubeugen, helfen unter anderem gezielte Bewegungsübungen wie die Fußwippe, auch Muskelvenenpumpe genannt. „Dabei wird die Fußspitze zunächst weit nach vorne gestreckt und danach soweit wie möglich an den Körper herangezogen“, erläutert Daniel Steffen, Informatiker in der Nachwuchsgruppe wearHEALTH an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). Diese Bewegung soll mit beiden Füßen möglichst oft und regelmäßig wiederholt werden. „Das ist sehr monoton und ermüdend, die Patienten sind meist wenig motiviert“, fährt Steffen fort. „Aus Studien wissen wir, dass rund 65 Prozent der Patienten solche Übungen nicht oder nur teilweise durchführen.“

Hier setzt das Computerspiel „jumpBALL“ an, das Steffen mit seinen Kolleginnen, der Psychologin Dr. Corinna Faust-Christmann und der Informatikerin Dr. Gabriele Bleser, sowie dem Mediziner Dr. Markus Muhm vom Westpfalz-Klinikum in Kaiserslautern entwickelt hat. Bei dem Spiel springt ein Wasserball über Baumstämme, auf denen sich verschiedene Gegenstände wie Münzen, Diamanten, Sterne oder Monster befinden. Springt der Ball auf einen der ersten drei Gegenstände, erhält der Spieler Bonuspunkte. Landet der Ball auf einem Monster, werden ihm Punkte abgezogen. Das Besondere: Der Spieler muss es mit den Füßen steuern. „Dabei führt er gleichzeitig die Muskelvenenpumpe durch“, sagt Steffen. In diesem Zusammenhang sprechen Experten von sogenannten Exergames. „Dabei werden Videospiele mit körperlichen Übungen verbunden“, fährt der Wissenschaftler fort.

Für das Spiel ist neben Smartphone oder Tablet nicht viel Technik notwendig: Es gibt zwei kleine drahtlose Sensoren, die mit Klettbändern auf den Füßen befestigt werden und die Bewegungen erfassen. „Mit dem linken Fuß etwa springt ein Wasserball einen Baumstamm weiter, mit dem rechten Fuß springt der Ball bis zum übernächsten Stamm“, so Steffen weiter.

In Studien hat das Team um Steffen schon untersucht, wie gut das Spiel die Motivation fördert. Dabei hat es außerdem überprüft, wie oft und wie lange die Teilnehmer die Übungen durchführen und wie gebrauchstauglich das System ist. Auch ältere Personen haben dabei mitgemacht. „Wir haben festgestellt, dass die älteren Probanden sehr gut mit jumpBALL zurechtgekommen sind und sogar mehr Spaß hatten als jüngere Studien-Teilnehmer“, sagt der Informatiker.

Das Spiel jumpBALL richtet sich vor allem an ältere Menschen beziehungsweise Patienten zur Thromboseprophylaxe. Darüber hinaus kann es während der Rehabilitation zum Einsatz kommen, beispielsweise bei Patienten nach einem Schlaganfall oder nach einer Operation an Hüfte oder Knien. Dazu müssten die Sensoren nur auf Unter- oder Oberschenkel angebracht werden. Die Technik ist aber auch interessant, um Menschen, die auf der Intensivstation liegen, zu leichten Bewegungen zu animieren. Zudem eignet sie sich für Menschen, die daran leiden, dass sich ihre Arterien verschließen, wie es zum Beispiel beim sogenannten Schaufenstersyndrom der Fall ist. Auch hier könnte das Computerspiel zur Bewegungsmotivation eingesetzt werden. Auf der Medica stellt das wearHEALTH Team das Spiel vor.

Die Kaiserslauterer Nachwuchsgruppe wearHEALTH ist ein interdisziplinäres Team aus Informatik, Mathematik, Psychologie, Kognitionswissenschaft, Bewegungswissenschaft und Regelungstechnik. Sie entwickelt digitale Techniken, die die Gesundheit präventiv oder zum Beispiel in Form von Reha-Maßnahmen verbessern sollen. Sie wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme „Interdisziplinärer Kompetenzaufbau im Forschungsschwerpunkt Mensch-Technik-Interaktion für den demografischen Wandel“ gefördert.

Wenig Bewegung, fettes Essen, viele Zigaretten – solche Faktoren begünstigen eine Arterienverkalkung, auch als Arteriosklerose bekannt. In den Industrieländern ist die Erkrankung für die Hälfte aller Todesfälle verantwortlich. „Entdeckt wird sie meist erst, wenn sie schon fortgeschritten ist“, sagt Christina Gillmann von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). „Auf CT-Bildern können Mediziner diese Ablagerungen zum Beispiel erst erkennen, wenn schon dickere Schichten an den Gefäßwänden vorhanden sind.“ Als Therapie kommt dann nur noch eine Operation in Frage.

Wird die Arteriosklerose aber früh entdeckt, können Betroffene sie mit gesunder Ernährung und Bewegung in den Griff bekommen. Daran arbeiten die Informatiker um Gillmann. Sie entwickeln ein Computerprogramm, das Ärzten helfen soll, früh eine Diagnose zu stellen. Zum Einsatz kommen bei dem Verfahren bereits vorhandene CT-Bilder. Diese Röntgentechnik liefert Ärzten schichtweise Patienten-Bilder, die meist in Graustufen gezeigt werden. „Die Auflösung dieser Bilder ist nicht sehr hoch“, sagt die Informatikerin. „Um die Arteriosklerose im Frühstadium zu erkennen, müssen die Daten anders aufbereitet werden.“

Für seine Software filtert das Team um Gillmann zusätzliche Informationen aus den CT-Aufnahmen heraus. So sind sie beispielsweise in der Lage, die Verzweigungen der Arterien genau darzustellen und den Fortschritt der Krankheit besser zu klassifizieren und zu lokalisieren. Des Weiteren analysieren die Informatiker verschiedene Katheter-Arten, die bei den Operationen zum Einsatz kommen können. Auf diese Weise lässt sich die bestmöglichste Variante für den einzelnen Patienten finden und das Risiko senken, dass es zu möglichen Komplikationen während und nach der Operation kommen kann. Die Forscher der TUK entwickeln ihr System in Zusammenarbeit mit Ärzten aus dem US-amerikanischen Dayton um Professor Dr. Thomas Wischgoll und aus Kolumbien um Professor Dr. José Tiberio Hernández Peñaloza.

Bis das System eines Tages in Krankenhäusern zum Einsatz kommen wird, braucht es allerdings noch ein paar Jahre Entwicklungsarbeit. Das Verfahren ist darüber hinaus auch für Industrieunternehmen von Interesse. Sie könnten mit der Technik etwa ihre Produkte gezielter durchleuchten, um mögliche Schadstellen aufzuspüren.

Auf der Medica stellen die Wissenschaftler ihr Verfahren am rheinland-pfälzischen Forschungsstand vor.

Gillmann forscht im Lehrgebiet „Computer Graphics and Human Computer Interaction“ bei Professor Dr. Hans Hagen. Die Arbeitsgruppe forscht schon lange daran, Daten aus Bildgebungsverfahren für die Medizin derart aufzubereiten, dass sie im klinischen Alltag einfach und zuverlässig nutzbar sind. So ist es ihnen etwa gelungen, mit ihren Verfahren Tumore in Bildern deutlicher von gesundem Gewebe abzutrennen. Die Informatiker arbeiten in ihren Projekten eng mit verschiedenen Partnern zusammen, unter anderem mit dem Universitätsklinikum Leipzig und der Premier Health Klinik im US-amerikanischen Bundesstaat Ohio.

Der Auftritt der Forscher der TU Kaiserslautern auf der Messe wird von Klaus Dosch vom Referat für Technologie und Innovation organisiert. Er ist Ansprechpartner für Unternehmen und vermittelt unter anderem Kontakte zur Wissenschaft. 
Kontakt: Klaus Dosch, E-Mail: dosch@rti.uni-kl.de, Tel. (auch während der Messe): 0631 205-3001