Ein Forschungsteam der TH Nürnberg simuliert Knochenumbauprozesse für...
Ein Forschungsteam der TH Nürnberg simuliert Knochenumbauprozesse für Präventions- und Therapiemaßnahmen.

Quelle: Areti Papastavrou / TH Nürnberg

Osteoporose

Mit Simulationen gegen den Knochenschwund

Egal, ob im Wachstum oder bei einer altersbedingten Rückbildung, unsere Knochen befinden sich in einem ständigen Auf- und Abbau. Wie diese Prozesse funktionieren und welche Parameter darauf einen Einfluss haben, untersucht Prof. Dr.-Ing. Areti Papastavrou von der Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik der TH Nürnberg in ihrem Forschungsprojekt „OSTEO-MODEL“. Ihr Ziel ist es, Vorsorgeuntersuchungen und Therapien gegen Krankheiten wie Osteoporose zu verbessern.

Knochen sind ein lebendes Material und befinden sich in einem ständigen Auf- und Abbau. Osteoporose, besser bekannt als „Knochenschwund“, ist gerade bei älteren Menschen eine häufige Erkrankung. Das Bayerische Staatsministerium für Gesundheit und Pflege geht davon aus, dass rund 700.000 Menschen allein in Bayern davon betroffen sind. In einer immer älter werdenden Gesellschaft kommt medizintechnischen Entwicklungen eine immer größere Bedeutung zu, Präventionsmaßnahmen und Therapiemöglichkeiten müssen stetig verbessert werden.

Papastavrou leistet mit ihrem Forschungsprojekt „OSTEO-MODEL“ einen wichtigen Beitrag dazu. Ihr Ziel ist es, wesentliche Prozesse des Knochenumbaus zu simulieren und daraus mögliche Therapieansätze abzuleiten. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) modellieren sie und ihr Forschungsteam das Wachstum und die Degeneration von Knochen. Die Finite-Elemente-Methode ermöglicht eine rechnerische Simulation und wird normalerweise bei Bauwerken oder anderen Konstruktionen eingesetzt, um deren Verhalten, beispielsweise bei starkem Wind, vorauszubestimmen. Das Forschungsteam um Prof. Dr.-Ing. Areti Papastavrou setzt die Methode ein, um die Veränderungen der Knochenstruktur zu bestimmen. „Bei unseren Simulationen können wir unterschiedliche Randbedingungen mitberücksichtigen, wie die mechanische Beanspruchung des Knochens durch Bewegung und Belastung. Auch Aspekte der Ernährung, die den Stoffwechsel des Knochens über Vitamine oder Hormone beeinflussen, können wir in unsere Berechnungen einfließen lassen“, so Papastavrou.

Ausgangspunkt für die Simulationen sind anonymisierte Bilddaten von Knochen betroffener Patienten, die mittels CT aufgenommen wurden. Diese lassen Rückschlüsse auf die Knochenmasse und Schädigungen wie Mikrorisse zu. Mit diesen Daten berechnet das Forschungsteam die Festigkeit des Knochens im FE-Modell. Zudem kann das Team eine Einschätzung abgeben, an welcher Stelle der Knochen am wahrscheinlichsten unter einer bestimmten Belastung, wie Springen oder Fallen, brechen wird.

Für das Simulationsmodell greift die Forschungsgruppe auf bestehende Vorarbeiten zurück und erweitert diese um Aspekte des Knochenstoffwechsels und Hormonhaushalts. Außerdem können sie Modelle für weiche biologische Gewebe auf die Knochen anpassen und übertragen. Das so entstandene, neue Simulationsmodell haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit etablierten Verfahren und mit realen klinischen Befunden verglichen – es liefert dabei sehr gute Ergebnisse.

Knochen besitzen die Fähigkeit, sich durch Aufbauprozesse an mechanische Belastungen anzupassen, ähnlich wie der Muskelaufbau beim Training. Ein möglichst realitätsnahes Modell des Knochenwachstums kann demnach Therapien ergänzen, um diese individuell und zielgerichtet zu gestalten. Bestimmte Trainingsübungen zur Stimulierung können dabei helfen, Verletzungen vorzubeugen, beispielsweise Knochenbrüche bei Osteopathie-Patienten.

Quelle: Technische Hochschule Nürnberg

17.09.2019

Mehr aktuelle Beiträge lesen

Verwandte Artikel

Photo

Intuitiv, integriert und effizient

Weltpremiere der bildgesteuerten Therapieplattform Philips Azurion

Als weltweit erster Standort nimmt die Abteilung für Kardiologie des Robert-Bosch-Krankenhauses in Stuttgart ab sofort einen hochmodernen Katheter-Arbeitsplatz für die Behandlung von herzkranken…

Photo

Diagnostik & Therapie

KI in der Medizin – heute Hype und Hoffnung, morgen Realität

Kaum ein Tag vergeht, an dem Mediziner, Forscher oder Unternehmen nicht über ein KI-System berichten, das potenziell bösartige Läsionen, gefährliche Herzmuster identifizieren oder Therapien…

Photo

Direktangriff auf Tumorzellen

Kommt die Krebsbehandlung ohne Nebenwirkungen?

Forscher unter der Leitung der Oregon State University haben einen neuen Ansatz für Krebstherapien gefunden, die nicht die derzeit bekannten Nebenwirkungen haben. Die Experten haben eine…

Verwandte Produkte

Agfa HealthCare – Dose

Dose Management Systems

Agfa HealthCare – Dose

Agfa HealthCare
Agfa HealthCare – DR 14e detector

DR Retrofit

Agfa HealthCare – DR 14e detector

Agfa HealthCare
Agfa HealthCare – DR 17e detector

DR Retrofit

Agfa HealthCare – DR 17e detector

Agfa HealthCare
Agfa HealthCare – Enterprise Imaging

Mobile RIS/PACS Viewer

Agfa HealthCare – Enterprise Imaging

Agfa HealthCare