Erfassung der In-vivo-Dynamik von Kniegelenksgewebeverformungen – Eine technologische Grundlage zum Erkennen und Verstehen von strukturellen und kompositorischen Veränderungen bei früh einsetzender Osteoarthrose nach Verletzungen

• Antragsteller: Dr. Nicholas Brisson, Ph.D.; Dr. Martin Krämer
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471160681

Osteoarthrose ist eine komplexe degenerative Erkrankung, welche alle Gewebe eines Gelenkes betrifft. Die pathophysiologische Ursache für Osteoarthrose liegt im Allgemeinen in der geänderten dynamischen Beanspruchung (z.B. Überbelastung) beim Zusammenspiel der artikulierenden Gelenkstrukturen. Immer noch unzureichend verstanden sind dabei die Dynamik der mechanischen Wechselwirkungen, welche die Entwicklung der Krankheit maßgeblich beeinflussen. Um dies weiter aufzuklären, ist es notwendig zu verstehen, wie die durch eine Verletzung hervorgerufene Veränderung in der dynamischen Beanspruchung die Artikulationen im gesamten Kniegelenk beeinflusst und zu degenerativen Gewebeveränderungen führt. Ziel dieses Projektes ist es, die technologischen Voraussetzungen für die dafür notwendigen Messmethoden zu schaffen und letztere am Beispiel von Personen mit einer Verletzung des vorderen Kreuzbandes als Modell einer frühen Osteoarthrose des Kniegelenkes zu evaluieren.Im Rahmen des Projektes werden wir unsere komplementären Expertisen in der Beurteilung von dynamischer biomechanischer Belastung und der statischen und dynamischen Magnetresonanztomographie (MRT) zusammenführen. So möchten wir frühzeitige Veränderungen in den verschiedenen Geweben des Kniegelenkes in Morphometrie, Zusammensetzung und dynamischer Verformung charakterisieren, um eine mögliche Indikatorik für den Krankheitsbeginn nach pathologischer mechanischer Belastung zu identifizieren. Zunächst werden wir umfassende MR-basierten Techniken für die multi-parametrische Akquisition und Gewebesegmentierung sowie die darauf basierende Analyse von morphometrischen/morphologischen und MR-spezifischen Parametern entwickeln. Die Analyse wird sämtliche Gewebe des Kniegelenks umfassen. Diese MR-basierten Techniken werden für den Einsatz bei der dynamischen, zeitaufgelösten MRT-Bildgebung erweitert, um Gewebedeformationen während Bewegung/Belastung in vivo zu charakterisieren. Dazu wird ein gemeinsam entwickeltes und einsatzbereites MRT-kompatibles Gerät eingesetzt, welches geführte, passive/aktive sowie unbelastete und belastete Kniebewegungen im MRT ermöglicht. Zweitens, werden die MRT-Daten mit einer biomechanischen Evaluierung kombiniert, um ein umfassendes Verständnis der geänderten Biomechanik nach einem vorderen Kreuzbandriss zu entwickeln. Diese umfasst Bewegungsanalyse, Elektromyographie und multimodale Dynamometrie, auf deren Basis Funktion und mechanische Belastung des Kniegelenks quantifiziert werden. In einem dritten Schritt werden wir Techniken des maschinellen Lernens einbeziehen, um primäre Merkmale zu extrahieren und diese Merkmale einer pathologischen Kniebelastung und degenerativen Gewebeveränderungen anschließend mit Hilfe klassischer statistischer Tests und prädiktiver Modellierung in Beziehung zu setzen. Insgesamt wird dieses Projekt dazu beitragen, ein verbessertes Verständnis über mechanisch induzierte Gewebeveränderungen und deren Rolle bei der Gelenkdegeneration zu generieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen