Mit Simulationen gegen den Knochenschwund
Forschungsteam der TH Nürnberg simuliert Knochenumbauprozesse für
Präventions- und Therapiemaßnahmen
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. Unterstützt wird sie dabei
unter anderem von Expertinnen und Experten des Klinikums Nürnberg. Die
STAEDTLER Stiftung fördert dieses innovative Projekt mit 40.000 Euro.
Nürnberg, 10. September 2019. 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.
Prof. Dr.-Ing. Areti Papastavrou von der Fakultät Maschinenbau und
Versorgungstechnik der TH Nürnberg 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
Prof. Dr.-Ing. Areti Papastavrou.
Ausgangspunkt für die Simulationen sind anonymisierte Bilddaten von
Knochen betroffener Patientinnen und Patienten, die mittels
Computertomografie (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.
In dem Projekt arbeitet das Forschungsteam eng mit dem Klinikum Nürnberg
und der Friedrich-Alexander-Universitä
mit internationalen Expertinnen und Experten auf dem Gebiet der
Orthopädie, der Kontinuumsmechanik und der Biomechanik.
Die STAEDTLER Stiftung fördert erfreulicherweise das Projekt mit 40.000
Euro.
