OMEGA - Optimierungsbasierte, muskuloskelettale Vorwärtssimulation des pathologischen Gangs

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Hurschler
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316739714

Die Kenntnis von Bewegung und Belastung des menschlichen Körpers ist ein Kernpunkt in der Medizin, speziell in der Orthopädie und Unfallchirurgie. Moderne numerische Methoden der Mehrkörpersimulation haben ein Niveau erreicht, auf dem sie von großem Nutzen sind, um Belastungen in knöchernen und Weichgewebestrukturen zu berechnen. Meist basieren die Berechnungen auf zuvor gemessenen Bewegungen und externen Belastungen. Die Abhängigkeit von diesen Messungen ist bisher ihre größte Limitierung, da sich so keine Vorhersagen über Auswirkungen von krankhaften oder therapeutischen Änderungen in oder am menschlichen Körper auf Bewegung und Belastung treffen lassen.Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer neuen Generation von prädiktiven Vorwärtsdynamik Simulationen basierend auf der Berechnung von optimalen Bewegungen. Diese Technologie soll nun im medizinischen Kontext eingesetzt werden, um Behandlungsstrategien für den individuellen Patienten im Vorhinein bewerten und damit optimieren zu können. Solch eine Simulation könnte in der Zukunft die Medizin weg von einem rein empirischen Ansatz, der auf der Evolution von Behandlungsstrategien beruht, hin zu einer geführten Entwicklung von Behandlungen bringen.Zu diesem Zweck wird eine innovative muskuloskeletale Vorwärtssimulation entwickelt und im klinischen Kontext implementiert. Dazu wird sie zunächst in relativ simplen Szenarien, wie einer Knie-/Sprunggelenksversteifung mittels einer Orthese bei gesunden Probanden oder der Therapie einer Drop-foot- Pathologie, getestet und bewertet. Diese Szenarien wurden gewählt, da die Charakterisierung der Intervention gut bekannt ist. Es ist geplant, als Referenz zunächst Messungen im Ganglabor durchzuführen, die einen Status der Bewegung vor und nach der Intervention/Therapie aufzuzeichnen. Im Vergleich zu etablierten Methoden wie der Inversen Dynamik werden die prädiktiven Fähigkeiten der Vorwärtssimulation dann bewertet und optimiert. Im Zuge dessen wird auch ein klinisches Rahmenwerk geschaffen, um die Vorwärtssimulation im klinischen Kontext einsetzen zu können. Dies umfasst die Identifizierung von Parametern, die eine gegebene Pathologie und Intervention hinreichend beschreiben, und die Implementierung dieser Parameter in das Simulationsmodell.Die Ergebnisse dieses Projektes werden zur Verbesserung von individuellen Patientenversorgungen beitragen können. Besonders in Szenarien, in denen aufgrund von geringer Fallzahl oder hoher Individualität einer evidenzbasierte Medizin Grenzen gesetzt sind, kann prädiktive Vorwärtssimulation der Schlüssel zu einer erfolgreichen Therapie von Bewegungsabläufen sein. Das Projekt ist ein wichtiger Schritt dorthin und stellt den ersten Schritt im klinischen Umfeld dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Saida Bouakaz-Brondel, Ph.D.; Professor Nicolas Pronost, Ph.D.