Optimierung von Prädiktion und Verständnis osteoporotischer Insuffizienzfrakturen durch Modellbildung, numerische Simulation und Quantifizierung lokaler Anisotropien mit direktionaler Dunkelfeldbildgebung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Baum; Professor Dr. Jan Stefan Kirschke; Professor Dr. Franz Pfeiffer; Professor Dr. Ernst Rank
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234903508

Die Osteoporose stellt die häufigste generalisierte Erkrankung des Skelettsystems dar. Sie ist charakterisiert durch eine Reduktion der Knochenmasse sowie durch Veränderungen der Mikroarchitektur des Knochens, die zu einem erhöhten Frakturrisiko führen. Wirbelkörperfrakturen sind dann mit einer massiv erhöhten Mortalität assoziiert. Zur Vorhersage des Frakturrisikos wird neben klinischen Risikofaktoren (z.B. mittels des FRAX der WHO) momentan nur die Knochendichte bestimmt; multiple Studien konnten jedoch zeigen, dass unter Berücksichtigung der Knochenarchitektur, insbesondere mit Hilfe numerischer Simulation, die Vorhersage der mechanischen Festigkeit des Knochens in-vitro sowie die des Frakturrisikos in-vivo signifikant verbessert werden kann. In dem kommenden Projekt sollen Verständnis und Prädiktion biomechanischer Eigenschaften des Knochens und konsekutiv der Frakturentstehung verbessert werden. Dazu wird die lokale Anisotropie von trabekulärem und kortikalem Knochen mittels Mikro-CT- und Dunkelfeldbildgebung analysiert. Die Dunkelfeldbildgebung stellt ein neues, zur etablierten Bildgebung komplementäres Verfahren dar, das für die Darstellung des Knochens optimiert wird und insbesondere als direktionale Dunkelfeldbildgebung die Anisotropie des Knochens darstellen kann. Durch biomechanische Versuche werden optimierte Materialmodelle des Knochens erstellt, adaptiert an die momentan klinisch und experimentell verfügbare Bildqualität. Durch Modellierung dynamischer Belastungsvorgänge werden Knochenumbauvorgänge dreidimensional simuliert, wobei auch Interaktionen zwischen Osteoblasten, Osteoklasten und Medikamenten integriert werden. Diese Ergebnisse werden in verschiedene numerische Simulationsmodelle integriert. Die so optimierten Simulationsmodelle sollen schließlich an Patientendaten angewandt werden, um im Kontext klinischer Parameter und Biomarker des Knochens eine verbesserte Prädiktion des individuellen Frakturrisikos zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel, Niederlande, Österreich, USA
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Rainer Burgkart; Professor Dr. Felix Eckstein; Professor Dr. Thomas Marc Link; Professor Dr. Peter Noël; Professor Dr.-Ing. Martin Ruess; Privatdozent Dr. Christoph Räth; Privatdozentin Dr. Helen Vester; Professor Zohar Yosibash, Ph.D.