Optimizing prediction and understanding of osteoporotic insufficiency fractures using surrogate models, numerical simulation and quantification of local anisotropies by X-ray Vector Radiography

• Applicants: Privatdozent Dr. Thomas Baum; Professor Dr. Jan Stefan Kirschke; Professor Dr. Franz Pfeiffer; Professor Dr. Ernst Rank
• Subject Area: Medical Physics, Biomedical Technology ; Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 234903508

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

In dem interdisziplinären Forschungsprojekt wurde die bildbasierte Osteoporose Diagnostik auf ganz verschiedenen Ebenen entscheidend vorangebracht. Im Bereich der bildgebenden Grundlagenforschung konnten wir zeigen, dass sich mittels direktionaler Dunkelfeldbildgebung lokale Anisotropien des trabekulären Knochens auch in ganzen Wirbelkörperpräparaten mit niedriger räumlicher Auflösung quantifizieren lassen und sehr gut mit hoch aufgelösten Mikro-CT Aufnahmen sowie mit biomechanischen Eigenschaften korrelieren. Die in den hier publizierten Studien gewonnenen Ergebnisse legten die theoretischen Grundlagen und Voraussetzungen für erste in-vivo Studien am Menschen, die in unserer Arbeitsgruppe bereits in konkreter Vorbereitung sind. Im Bereich der numerischen Simulation wurde die Methode der Finiten Zellen (FCM) basierend auf µCT-scans und biomechanischen Versuchen weiterentwickelt und validiert. Insbesondere durch multi-level hp Verfeinerungen führt dies zu einer in ihrer Flexibilität völlig neuartigen Modellierungsmöglichkeit von heterogenen Strukturen mit scharfen Materialgrenzen. Hierfür wurde eine Parallelisierung der Implementierung entwickelt, die die neuen Anforderungen im Bereich von multi-level Verfeinerungen berücksichtigt und jetzt auch die Methode für die Anwendung an größeren Patientenkollektiven zugänglich macht. Auch hier laufen aktuell erste Berechnungen. Im Bereich der klinischen Radiologie konnten wir darstellen, dass Finite Element Modelle auch bei niedrig-Dosis CTs zuverlässig berechnet werden können. Zusammen mit in unserer Arbeitsgruppe entwickelten iterativen Rekonstruktionsalgorithmen ließe sich damit die benötigte Strahlendosis unter Anwendung von sparse sampling auf 10% des ursprünglichen Wertes senken. Damit rückt die Strahlenbelastung dedizierter qCT Untersuchungen deutlich näher an die von DXA Untersuchungen, bei deutlich besserer Frakturrisiko-Beurteilung. Gleichzeitig wurden Techniken zur Kalibrierung nicht dedizierter CT-Untersuchungen (sog. opportunistisches qCT) weiterentwickelt. Mithilfe eines normierten Atlasses können so individuelle T-score Karten zur lokalen Abschätzung des Frakturrisikos erstellt werden. Auch werden gerade 5-Jahres Verlaufsdaten an >1500 Patienten ausgewertet.

Publications

• (2018) Multi-level hp-finite cell method for embedded interface problems with application in biomechanics. International journal for numerical methods in biomedical engineering 34 (4) e2951
  Elhaddad, Mohamed; Zander, Nils; Bog, Tino; Kudela, László; Kollmannsberger, Stefan; Kirschke, Jan; Baum, Thomas; Ruess, Martin; Rank, Ernst
  
• Correlation of X-ray dark-field radiography to mechanical sample properties. Microsc Microanal. 2014 Oct;20(5):1528-33
  Malecki A, Eggl E, Schaff F, Potdevin G, Baum T, Garcia EG, Bauer JS, Pfeiffer F
  
• Prediction of vertebral failure load by using x-ray vector radiographic imaging. Radiology. 2015 May;275(2):553-61
  Eggl E, Malecki A, Schaff F, Potdevin G, Noël PB, Bauer JS, Gordijenko O, Grande García E, Burgkart R, Rummeny EJ, Baum T, Pfeiffer F
  
• X-ray dark-field vector radiography-a novel technique for osteoporosis imaging. J Comput Assist Tomogr. 2015 Mar-Apr;39(2):286-9
  Baum T, Eggl E, Malecki A, Schaff F, Potdevin G, Gordijenko O, Garcia EG, Burgkart R, Rummeny EJ, Noël PB, Bauer JS, Pfeiffer F
  
• Effects of dose reduction on bone strength prediction using finite element analysis. Sci Rep. 2016 Dec 9;6:38441
  Anitha D, Subburaj K, Mei K, Kopp FK, Foehr P, Noel PB, Kirschke JS, Baum T
  
• Bone mineral density estimations from routine multidetector computed tomography: A comparative study of contrast and calibration effects. J Comput Assist Tomogr. 2017 Mar/Apr;41(2):217-223
  Kaesmacher J, Liebl H, Baum T, Kirschke JS
  
• Is multidetector CT-based bone mineral density and quantitative bone microstructure assessment at the spine still feasible using ultra-low tube current and sparse sampling? Eur Radiol. 2017 Dec;27(12):5261-5271
  Mei K, Kopp FK, Bippus R, Köhler T, Schwaiger BJ, Gersing AS, Fehringer A, Sauter A, Münzel D, Pfeiffer F, Rummeny EJ, Kirschke JS, Noël PB, Baum T
  
• Parallelization of the multi-level hp-adaptive finite cell method. 2017. Computers and Mathematics with Applications 74, 126–142
  Jomo, J., Zander, N., Elhaddad, M., Özcan, A.I., Kollmannsberger, S., Mundani, R.-P., Rank, E.
  
• Regional analysis of age-related local bone loss in the spine of a healthy population using 3D voxel-based modeling. Bone. 2017 Oct;103:233-240
  Valentinitsch A, Trebeschi S, Alarcón E, Baum T, Kaesmacher J, Zimmer C, Lorenz C, Kirschke JS