Diplom- und Studienarbeiten

In unserer Gruppe sind verschiedene Studienarbeiten, insbesondere auch Bachelor- und Masterarbeiten, zu vergeben. Diplomarbeiten bieten wir gerne ebenfalls an, diese sind inhaltlich gleich (etwas umfangreicher) zu den ausgeschriebenen Masterarbeiten.

Optische Projektionstomografie

Im Forschungsprojekt Optische Projektionstomografie sind derzeit mehrere Arbeiten zu vergeben:

Studie über die zeitliche Entwicklung von Chondrozyten-Sphäroiden

In dieser Arbeit soll untersucht werden, inwieweit sich die OPT als bildgebendes Verfahren für kugelförmige Verbände von Knorpelzellen (sogenannte „Sphäroide“ bestehend aus Chondrozyten) eignet. Da sich die Chondrozyten im Laufe der Zeit differenzieren und sich Kollagen ausbildet, ist es von besonderem Interesse die zeitliche Entwicklung der Sphäroide zu betrachten. Die Arbeit ist für Studierende der Biologie oder ähnlicher Studienrichtungen geeignet und umfasst folgende Schritte:

Vorbereitung (Zellpflege, Anfärben) der Sphäroide für die OPT und Durchführung der Aufnahmen
Auswertung der gewonnenen Rohdaten und Erzeugung von Schnittbildern mittels vorhandener Rekonstruktionssoftware
Vergleich der Schnittbilder hinsichtlich verschiedener Färbemethoden
Anschließende histologische Untersuchung der Sphäroide
Untersuchung der Vergleichbarkeit von histologischen Schnitten und OPT-Schnittbildern (Charakterisierung der Differenzierung, Quantifizierung der Abnahme der Zelldichte, Aufbau von Kollagen)

**Entwicklung einer Inkubationsprobenkammer für in-vivo Messungen in der OPT**

Es ist wünschenswert mit Hilfe der OPT in-vivo-Studien an Zellverbänden und Kleinstorganismen durchzuführen. Zu diesem Zweck soll eine Inkubationsprobenkammer entwickelt und aufgebaut werden, welche die Möglichkeit bietet Zellen und Organismen über mehrere Stunden hinweg lebend zu tomografieren. Die Arbeit ist für Studierende der Ingenieurswissenschaften (Maschinenbau, Elektrotechnik, Medizinische Produktentwicklung) gedacht und umfasst folgende Schritte:

Erstellung eines Anforderungs-Katalogs auf Basis der Eigenschaften der OPT und den Bedingungen für ein stabiles Zellwachstum
Mechanische Konstruktion der Kammer mit Hilfe einer CAD-Software (Solidworks)
Entwicklung eines geeigneten Regelkreises für die Temperatur, Gaskonzentration etc.
Auswahl und Bestellung der geeigneten Materialien für die technische Umsetzung
Aufbau der Kammer
Inbetriebnahme, Durchführung erster Testreihen und Charakterisierung

Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Marko Heidrich

Dipl.-Phys. Raoul-Amadeus Lorbeer

Dr.-Ing. Heiko Meyer

Kurzzeitphotographische Analyse der Kavitationsblasen-Wechselwirkung

In der refraktiven Chirurgie (Hornhaut-Chirurgie) sind bereits mehrere Lasersysteme in der klinischen Anwendung. Die technische Entwicklung der Geräte bewegt sich dabei in die Richtung, immer höhere Repetitionsraten im Bereich von einigen 100 kHz und inzwischen sogar im MHz-Regime zu verwenden, um die Behandlungszeit der Eingriffe deutlich zu verkürzen; dieses hat wiederum einen räumlichen und zeitlichen Überlapp der Pulse zur Folge. Auf Grund dessen ist eine Änderung des stattfindenden Mechanismus innerhalb des Schneidprozesses denkbar, welcher zwar nachgewiesen, bisher aber nur wenig untersucht wurde.

Die Untersuchung der Kavitationsblasenwechselwirkung mittels Kurzzeitphotographie soll einem verbesserten Verständnis des Schneidprozesses dienen. Bisher konnte gezeigt werden, dass es bei räumlich separierten Kavitationsblasen zu verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen kommt, welche vom Abstand und applizierten Energieverhältnis der optischen Durchbrüche abhängen. Ziel ist es, mit einer weiterführenden Analyse zeitlich sowie räumlich und zeitlich separierter Kavitationsblasen eine Optimierung des Schnittes zu erreichen.

Für die Entwicklung neuer experimenteller Aufbauten, die Aufnahme kurzzeitphotographischer Aufnahmen und die Untersuchung der Wechselwirkung im Parameterraum werden motivierte Diplomanden aus den Bereichen Physik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Medizintechnik und ähnlicher Studiengänge gesucht. Je nach Interesse können auch Aufgaben im Bereich der Programmierung, FEM-Simulation und Konstruktion vergeben werden. Bei Kontaktaufnahme können die möglichen Arbeitspakete mit zu vergebenen Diplomarbeitsthemen vorgestellt werden.

Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Nadine Tinne

n.tinne@lzh.de

Tel.: +49 511 2788-212

Vitreo-retinale Chirurgie mit fs-Laserpulsen

Im Forschungsprojekt vitreo-retinale Chirurgie sind derzeit folgende Arbeiten an motivierte Studenten aus dem Bereich Physik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Medizintechnik und verwandter Studiengänge zu vergeben:

Reduktion der Schwellenergie für einen optischen Durchbruch durch Einsatz eines adaptiven Optiksystems

Femtosekunden-Laserpulse werden in biologischem Gewebe zur Erzeugung eines optischen Durchbruchs und der damit verbundenen Photodisruption, also einer Materialtrennung, eingesetzt. Die Schwelle für den optischen Durchbruch liegt bei einer freien Elektronendichte von 10¹⁸-10²² cm^-3, die im Fokusvolumen durch Multiphotonenprozesse erzeugt wird. Dafür muss eine entsprechende Photonendichte erreicht werden. Die Photonendichte kann über die Pulsdauer, die Größe des Fokusvolumens und die Pulsenergie variiert werden. Um das Ausmaß der peripheren Gewebeschädigung zu reduzieren, ist sowohl eine minimierte Pulsenergie als auch ein minimales Fokusvolumen erstrebenswert.

Das menschliche Auge weist im Allgemeinen unterschiedlich stark ausgeprägte Abbildungsfehler auf, im einfachsten Fall eine Weit- oder Kurzsichtigkeit (Hyperopie / Myopie) aber auch Hornhautverkrümmungen oder Fehler höherer Ordnung. Bei einem chirurgischen Einsatz von Femtosekunden-Laserpulsen im hinteren Augenabschnitt wird der Fokus durch diese Aberrationen verzerrt und damit potentiell das Ausmaß der Gewebeschädigung vergrößert. Die individuellen Aberrationen eines Auges können mit einem Wellenfrontsensor vermessen und mit einem Wellenfrontmodulator kompensiert werden, so dass ein minimaler Fokus präzise Pulsapplikationen erlaubt.

In dieser Arbeit soll gezeigt werden, dass mit einem Hartmann-Shack-Sensor in einem adaptiven Optiksystem Aberrationsmessungen an Augen durchgeführt werden können. Die so gemessenen Abbildungsfehler sollen dann mithilfe eines deformierbareren Spiegels und entsprechender Software kompensiert werden. In einem nächsten Schritt soll ermittelt werden, welche Fokusverzerrung die durchschnittlich gemessenen Aberrationen bewirken. Dazu wird die Schwellenergie bestimmt, die für einen optischen Durchbruch bei entsprechenden Aberrationen erforderlich ist. Dieser Wert wird mit der Schwellenergie verglichen, der ohne Aberrationen gemessen wird.

Kontakt:

Dipl.-Ing. Anja Hansen
Tel: 0511 / 2788-198
E-Mail: Anja Hansen

Presbyopiebehandlung mit fs-Laserpulsen

Altersweitsichtigkeit (Presbyopie) ist eine Einschränkung mit der früher oder später jeder Mensch in unterschiedlicher Ausprägung konfrontiert wird. Durch diese eingeschränkte Fähigkeit des Auges auf die Nähe einzustellen (Akkommodationsverlust), entsteht kein scharfes Bild mehr auf der Netzhaut. Schuld daran ist der Elastizitätsverlust der Augenlinse. Die einzige Behandlungsmethode ist bisher das Tragen einer Lesebrille.

Eine mögliche Behandlungsmethode der Presbyopie könnte die Wiederherstellung der Elastizität der Linse durch das Einbringen von Mikroschnitten in Form von Gleitebenen sein. Die Mikroschnitte werden durch ein Femtosekundenlasersystem appliziert. Der Schnitteffekt basiert auf der nichtlinearen Wechselwirkung der fokussierten ultrakurzen Pulse mit dem Gewebe. Die extrem hohe Leistungsdichte im Fokus löst einen optischen Durchbruch aus, der das Gewebe zerreißt. Durch das Aneinanderreihen mehrerer Laserpulse kann eine Schnittgeometrie jeglicher Geometrie erzeugt werden.

Bisher konnte experimentell im Labor an enukleierten Schweineaugen und humanen Spender Augen gezeigt werden, dass mittels verschiedener Schnittgeometrien die Flexibilität sowie die Akkommodationsamplitude der Linse gesteigert werden kann. Für eine erfolgreiche zukünftige Anwendung in der Augeheilkunde besteht ein erstes Funktionsmustert. Des Weiteren wird im Moment zur Online-Kontrolle ein Bildgebungsverfahren (OCT) in das bestehenden Funktionsmuster integriert.

Für die weitere Entwicklung der Behandlungsmethode und eines ersten Prototypens, der in der Klinik eingesetzt werden soll, werden motivierte Diplomanden aus dem Bereich Physik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Medizintechnik und ähnlicher Studiengänge gesucht. Je nach Interesse können Aufgaben im Bereich der Laser-Gewebe-Wechselwirkung, Konstruktion und Programmierung vergeben werden. Bei Kontaktaufnahme können die aktuellen Arbeitspackete mit möglichen Diplomarbeitsthemen vorgestellt werden.

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Heike Hoffmann (h.hoffmann@lzh.de)

Tel: +49 511 2788-229

oder

Dipl.-Ing. Mario Simons (m.simons@lzh.de)

Tel: +49 511 2788-530

Somatischer Zellkerntransfer mit fs-Laserpulsen

Im diesem Forschungsprojekt sind mehrere Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom...) an motivierte Studenten aus allen Fachbereichen mit Schwerpunkt Physik, Biologie, Medizintechnik,... zu vergeben.

Nanochirurgie im Zellkern

Beim somatischen Zellkerntransfer wird zunächst die DNA der Eizelle durch Aspiration mit einer Mikropipette entfernt. Da diese Technik sehr invasiv ist, wird im Rahmen dieses Forschungsprojekts die Einsatzmöglichkeit eines fs-Lasers zur Zerstörung des kompletten DNA Materials der Eizelle untersucht. Dabei sind die grundlegenden Fragen zu klären, welche Mechanismen zu einem Abtrag von DNA Material führen und inwiefern eine einzelne Zelle auf eine Laserbestrahlung reagiert.

Schwerpunkte der Arbeit:

Ermittlung von Laserparametern für einen effizienten und schonenden Abtrag von DNA Material
Durchführung von Langzeitversuchen zur Untersuchung der Auswirkungen einer Kernmanipulation auf die gesamte Zelle
Übertragung dieser Erkenntnisse auf den Abtrag des DNA Materials in Eizellen

Laser-induzierte Fusion von Zellen

Beim somatischen Zellkerntransfer wird eine entkernte Eizelle mit einem Fibroblasten durch das Anlegen eines starken elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden miteinander fusioniert. Da in den letzten Jahren gezeigt werden konnte, dass die Fusion von einzelnen Zellen auch durch die gezielte Applikation vom Femtosekundenpulsen möglich ist, soll diese Technik mit der herkömmlichen Methode in Bezug auf Effizienz, Durchsatzrate etc. verglichen werden.

Schwerpunkte der Arbeit:

Ermittlung von Laserparametern für eine reproduzierbare Fusion von einzelnen Zellen
Übertragung dieser Erkenntnisse auf die Fusion einer entkernten Eizelle mit einem Fibroblasten
Vergleich dieser Technik mit dem herkömmlichen Verfahren im Rahmen des somat. Zellkerntransfers

Entwicklung eines optimalen Strahlengangs für den Versuchsaufbau zur Mikroskopie und Manipulation von einzellen Zellen

Um den fs-Laserstrahl auf biologisches Material zu fokussieren und darin ein dreidimensionales Volumen abzurastern, sind verschiedene Optiken und optomechanische Bauelemente notwendig. Durch deren Einbau werden jedoch optische Aberrationen induziert, die zu einer Verschlechterung der optischen Abbildung bei der Mikroskopie und einer Vergrößerung der Kollateralschäden bei der Manipulation führen. Daher soll anhand von Simulationen ein optimaler Strahlengang ermittelt werden, der zum Einen alle Anforderungen an die in diesem Forschungsprojekt geplanten Experimente erfüllt und zum Anderen eine optimale Bildqualität mit möglichst geringen/verschwindenen Aberrationen liefert.

Schwerpunkte der Arbeit:

Ermittlung eines optimalen Strahlengangs durch die Durchführung von Simulationen mit ZEMAX
Übertragung dieser Erkenntnisse auf den realen Versuchsaufbau
Vergleich der Simulationen mit den experimentellen Ergebnissen

Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Kai Kütemeyer

Lasertransfektion: Mikrofluidik basierter optischer Gentransfer von Suspensionszellen

Im Rahmen von Lebendzell-Anfärbungen aber auch in der Gen-Therapie müssen fremde DNA Abschnitte in einzelne Zellen eingebracth werden. Mittels fokussierten ultrakurzen Laserpulsen kann man gezielt einzelne DNA-Stränge in lebende Zellen einbringen. Die Laserstrahlung wird dabei über stark fokussierende Mikroskopobjektive in einzelne Zellen fokussiert und führt zu einem kurzzeitigen Öffnen der Zellmembran, in deren Folge DNA in die Zelle hinein diffundieren kann. In ersten Proof-of-Principle Experimenten konnten wir bereits erfolgreich diese Technik anwenden. Im Folgenden sollen nun diese Ergebnisse auf therapeutisch sinnvolle Zellen in Zusammenarbeit mit der TiHo Hannover übertragen werden. Das beinhaltet zusätzlich eine Lösung für hohen Durchsatz, damit ausreichend transfizierte Zellen zur Verfügung gestellt werden können. Ein Ansatz dafür ist ein mikrofluidischer Aufbau, bei dem die Zellen automatisch manipuliert werden.

Schwerpunkte der Arbeit:

Justierung und Optimierung der der Laser- und Durchflussparameter für eine minimal schädigende Transfektion und eine maximale Durchflussrate
Untersuchung des zugrunde liegenden Mechanismus der den DNA Transfer bewirkt
Transfektion von primären Blutstammzellen.

Kontakt:
Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Heiko Meyer
Tel.: 0511 / 2788-231
eMail: h.meyer@lzh.de

Prof. Dr. Alexander Heisterkamp
Tel.: 0511 / 2788-484
eMail: a.heisterkamp@lzh.de

Simulation des Akkommodationsvorgangs der Augeninse mittels der Finite-Elemente Methode

: FEM-Model der Linse

Die Altersweitsichtigkeit (Presbyopie) ist eine Einschränkung mit der früher oder später jeder Mensch in unterschiedlicher Ausprägung konfrontiert wird. Durch diese eingeschränkte Fähigkeit des Auges auf die Nähe einzustellen (Akkommodationsverlust), entsteht kein scharfes Bild mehr auf der Netzhaut. Schuld daran ist der Elastizitätsverlust der Augenlinse. Die einzige Behandlungsmethode ist bisher das Tragen einer Lesebrille.

Eine mögliche Behandlungsmethode der Presbyopie könnte die Wiederherstellung der Elastizität der Linse durch das Einbringen von Mikroschnitten in Form von Gleitebenen sein. Die Mikroschnitte werden durch ein Femtosekundenlasersystem appliziert. Der Schnitteffekt basiert auf der nichtlinearen Wechselwirkung der fokussierten ultrakurzen Pulse mit dem Gewebe. Die extrem hohe Leistungsdichte im Fokus löst einen optischen Durchbruch aus, der das Gewebe zerreißt. Durch das Aneinanderreihen vieler Laserpulse kann eine Schnittgeometrie jeglicher Art erreicht werden.

Bisher konnte experimentell gezeigt werden, dass mittels verschiedener Schnittgeometrien die Elastizität der Linse gesteigert werden kann. Zu klären ist noch, welche Schnittgeometrie die besten Ergebnisse bringt und geeignet für eine spätere Anwendung am Patienten ist. Da der experimentelle Aufwand, dies zu ermitteln, sehr hoch ist, soll dies mit FEM Simulationen unterstützt werden. Daher soll der Akkommodationsvorgang des Auges mit verschiedenen eingebrachten Schnittgeometrien simuliert werden und mit Experimenten verglichen werden.

Schwerpunkte der Arbeit sind:

Modellierung des Linsenmodels in FEM-Sofware

Einbringen der Mikroschnitte in das Modell
Optimierung der Schnittgeometrien
Überprüfung durch Experimente

Ansprechpartner für weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Michael Fromm
Tel.: 0511 / 2788-229
Email: M.Fromm@lzh.de

Quantitative Auswertungen von in-vivo Messungen mit der optischen Kohärenztomographie

Die optische Kohärenztomographie stellt den Schichtaufbau von biologischem Gewebe in Schnittbildern da. Um daraus quantitative Daten für wissenschaftliche Auswertungen zu gewinnen, sind kontrollierte Messbedingungen und zeitlich abgestimmte Bildaufnahmen nötig um Messartefakte durch Bewegungen zu vermeiden. Nach der Aufnahme werden die Bilder im Computer zunächst von Artefakten befreit, auf geometrische Längen korrigiert, dann mit Filtern geglättet und schließlich in Schichten segmentiert. Nach der Segmentierung können dann wichtige Parameter für die Auswertung vermessen werden.

Die einzelnen Schritte von der Bildaufnahme bis hin zur Vermessung sollen in der Arbeit optimiert werden. Es steht ein OCT System mit offener Software zur Verfügung, so dass schon bei der Datenaufnahme Verbesserungen vorgenommen werden können. Vorkenntnisse in mindestens einer der folgenden Programmierumgebungen sind Voraussetzung: LabVIEW, Matlab, JAVA, und/oder C++.

Kontakt:

Dipl.-Ing. (FH) Sabine Donner
Tel.: 0511 / 2788-231
eMail: s.donner@lzh.de

Dr. Alexander Krüger
Tel.: 0511 / 2788-227
eMail: a.krueger@lzh.de

Digitale numerische Dispersionskompensation für die OCT

: Aufbau eines Fourier-Domain-OCT

Die optische Kohärenztomographie (engl. optical coherence tomography, kurz OCT) ist ein bildgebendes Verfahren, welches bisher überwiegend in der modernen medizinischen Diagnostik eingesetzt wird. Das Funktionsprinzip ähnelt dem von Ultraschallgeräten oder Sonaren. Dazu wird kurzkohärentes Licht in Gewebe eingekoppelt, wobei das zurückgestreute Licht detektiert wird. Da die Gewebeschichten unterschiedlich hohe Streukoeffizienten aufweisen, erhält man durch Abrastern der Proben und das anschließende Zusammensetzen der Daten eine bildliche Darstellung der Gewebeschichten.

Die Gewebe bestehen in der Regel zu ca. 70-80% aus Wasser, woraus tiefenabhängig Dispersion (unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von verschiedenen Wellenlängen) resultiert. Hinzu kommt, dass das System faserbasiert aufgebaut wird, um es weniger aufwändig in der Justage und unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen zu machen. Das Problem hierbei ist, dass das auf optischen Fasern basierende System im Vergleich zum Freistrahlsystem eine größere Dispersion besitzt. Letztere lässt sich statisch ausgleichen, wohingegen die Gewebedispersion dynamisch kompensiert werden muss. Hier bleibt zu klären, in welchen Umfang die Dispersionskompensation digital numerisch erfolgen kann.

Schwerpunkte:

Realisierung der Dispersionskompensation
Integration in die Bildgebung
Erprobung am OCT-System

Kontakt:

Prof. Dr. Holger Lubatschowski
Tel.: 0511 / 2788-279
eMail: h.lubatschowski@lzh.de

Dipl.-Ing. (FH) Ole Massow
Tel.: 0511 / 2788-225
eMail: o.massow@lzh.de

Integration einer photonischen Kristallfaser in ein OCT-System

: Aufbau eines Time-Domain-OCT

Zur Zeit wird ein faserbasiertes OCT-System aufgebaut, welches die Basis für weitere Entwicklungen und Verbesserungen stellen soll. Insbesondere die Eigenschaften hinsichtlich der Auflösung, bedingt durch die Spektralbreite der Lichtquelle, sollen verbessert werden. Dazu soll anstelle der bisherigen Lichtquelle eine sog. „Photonische Kristallfaser“, kurz PCF, in das System integriert werden. In einer PCF kommt es aufgrund verschiedener nichtlinearer Effekte zu einer Verbreiterung des Spektrums („supercontinuum generation“). Als Fernziel steht die Kombination dieses verbesserten OCT-Systems mit therapeutischen medizinischen Geräten.

Schwerpunkte:

Integration der PCF
Bestimmung der Eigenschaften
Erprobung am OCT-System

Kontakt:

Prof. Dr. Holger Lubatschowski
Tel.: 0511 / 2788-279
eMail: h.lubatschowski@lzh.de

Dipl.-Ing. (FH) Ole Massow
Tel.: 0511 / 2788-225
eMail: o.massow@lzh.de

Refraktive Chirurgie

Im Bereich der Refraktiven Chirurgie werden kurzfristig wechselnde Themen für Diplomarbeiten, Studien- und Projektarbeiten sowie Praktika angeboten. Dabei sind insbesondere die Studienrichtungen Medizintechnik, Maschinenbau, Elektrotechnik u.ä. geeignet.

Kontakt:

Dr. Tammo Ripken
Tel.: 0511 / 27 88 - 228
E-Mail: T. Ripken

Nanopartikel-Fokussensor

Eine saubere Schnittführung in der Refraktiven Chirurgie benötigt neben Ultrakurzen Pulsen eine exakte laterale Verteilung der Energie im Fokus. Gebräuchliche Messmethoden die zur Prüfung der Energieverteilung genutzt werden sind mit empfindlichen Einschränkungen bezüglich der Auflösung behaftet bzw. setzen Energieverteilungen voraus, die in der Praxis meist nicht gegeben sind.

Fokussensoren, die Nahfeld-Effekte ausnutzen, umgehen diese Nachteile, indem z.B. Nanoaperturen oder isolierte Nanopartikel im Fokusvolumen positioniert werden. Die Transmission durch diese „Nanolöcher“ oder die Reflektion des Lichts an Metallpartikeln bzw. das Fluoreszenzsignal von gefärbten Kunststoffpartikeln in Abhängigkeit von der Position des Partikels im Fokus können für die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Abbildes des Fokus genutzt werden.

Nach erfolgreichem Abschluss der Grundlagenversuche, wird zurzeit daran gearbeitet, das System für Messungen in wässriger Umgebung zu erweitern. So kann das in der Refraktiven Chirurgie vorliegende biologische Gewebe ersetzt werden und der Fokus kann in der während der Operation vorliegenden Umgebung gemessen werden.

Im direkten Anschluss an die Entwicklung des Sensors soll er zur Überprüfung vorhandener Systeme genutzt werden.

Schwerpunkte

Erprobung eines Sensors auf basis von Nanoaperturen
Fertigstellung eines Testkörpers mit isolierten Nanopartikeln
Überprüfung des Fokussensors anhand der exakten Analyse der Form des Fokus
Vergleich mit der gängigen theoretischen Fokusbeschreibung

Kontakt:

Dr. Tammo Ripken
Tel.: 0511 / 27 88 - 228
E-Mail: T. Ripken