Präklinische Computersimulation der kindlichen Frakturheilung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Witzel
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445465815

In der (Kinder-)Orthopädie können Computersimulationen genutzt werden, um die Beeinflussung biologischer Strukturen durch mechanische Spannungen und Knochenmetabolismus zu modellieren. Kenntnisse über die Spannungen können mit Hilfe der finite Elemente Methode numerisch gewonnen werden. Diese Simulationen können genutzt werden, um die sekundäre Frakturheilung unter Kallusbildung, spannungsabhängigen Knochenumbau und Wachstum darzustellen. Bestehende Algorithmen berücksichtigen Zelldifferenzierung sowie Produktion und Abbau der extrazellulären Matrix, Blutversorgung, Zellmigration und -proliferation, dynamische Lasten, Wachstumsfaktoren, patientenspezifische Geometrien, verschobene Frakturen und virtuelle Implantation. So kann präklinisch der Heilungserfolg möglicher Therapien prognostiziert und Behandlung und Implantatentwicklung optimiert werden: Zunächst müssen die Simulationsergebnisse validiert werden, indem sie retrospektiv mit realen Heilungsergebnissen oder Tierstudien verglichen werden. Valide Simulationen sind dann nutzbar, um kosten- und zeiteffizient Implantate und Therapien vor dem Einsatz in Tierstudien oder am Menschen zu testen und zu optimieren. Während die Simulation von Protheseneinheilung und Frakturheilung bei Erwachsenen gut erforscht ist und verschiedene Algorithmen zur Verfügung stehen, gibt es nach jetzigem Stand keine Simulation der Frakturheilung bei Kindern. Obwohl die kindliche Frakturheilung grundsätzlich in den gleichen Stadien abläuft wie beim Erwachsenen und häufig schnell und komplikationslos verläuft, ist die spezielle Wachstumssituation zu berücksichtigen. So können einerseits Fehlstellungen einfacher ausgeglichen werden, andererseits können sich Längen- und Achsabweichungen durch verstärktes und verzögertes Wachstum entwickeln. Eine weitere mögliche Komplikation sind erneute Frakturen während der Heilung. Durch die nur selten nötigen Implantate in der Frakturbehandlung bei Kindern ist die Optimierung von neuen Implantatgenerationen über statistische Daten schwierig. Virtuelle Festigkeitsuntersuchungen des Kallus während der Heilungssimulation können Erkenntnisse liefern um die Rate von Refrakturen zu verringern. Außerdem können Anforderungen für die Weiterentwicklung von Implantaten gewonnen werden. Die finite Elemente Software berechnet in der Simulation die mechanischen Spannungen durch äußere Lasten sowie die Konzentration von Hormonen durch Diffusion, die ihrerseits zum einen durch globale und lokale Hormonproduktion und -verbrauch als auch die mechanischen Belastungen bestimmt wird. Der Algorithmus errechnet dann die daraus resultierenden Zellprozesse. So können sowohl die Morphologie, Kräfte durch äußere Lasten und Muskulatur als auch hormonelle Besonderheiten patientenspezifisch berücksichtigt werden. Dazu werden bestehende Ansätze zur Simulation von Wachstum, Remodelling und Frakturheilung kombiniert. Eine Schaft- und eine Epiphysenfraktur werden simuliert und mit realen Heilungsergebnissen verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen