Optimizing prediction and understanding of osteoporotic insufficiency fractures using surrogate models, numerical simulation and quantification of local anisotropies by X-ray Vector Radiography
Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
Final Report Abstract
In dem interdisziplinären Forschungsprojekt wurde die bildbasierte Osteoporose Diagnostik auf ganz verschiedenen Ebenen entscheidend vorangebracht. Im Bereich der bildgebenden Grundlagenforschung konnten wir zeigen, dass sich mittels direktionaler Dunkelfeldbildgebung lokale Anisotropien des trabekulären Knochens auch in ganzen Wirbelkörperpräparaten mit niedriger räumlicher Auflösung quantifizieren lassen und sehr gut mit hoch aufgelösten Mikro-CT Aufnahmen sowie mit biomechanischen Eigenschaften korrelieren. Die in den hier publizierten Studien gewonnenen Ergebnisse legten die theoretischen Grundlagen und Voraussetzungen für erste in-vivo Studien am Menschen, die in unserer Arbeitsgruppe bereits in konkreter Vorbereitung sind. Im Bereich der numerischen Simulation wurde die Methode der Finiten Zellen (FCM) basierend auf µCT-scans und biomechanischen Versuchen weiterentwickelt und validiert. Insbesondere durch multi-level hp Verfeinerungen führt dies zu einer in ihrer Flexibilität völlig neuartigen Modellierungsmöglichkeit von heterogenen Strukturen mit scharfen Materialgrenzen. Hierfür wurde eine Parallelisierung der Implementierung entwickelt, die die neuen Anforderungen im Bereich von multi-level Verfeinerungen berücksichtigt und jetzt auch die Methode für die Anwendung an größeren Patientenkollektiven zugänglich macht. Auch hier laufen aktuell erste Berechnungen. Im Bereich der klinischen Radiologie konnten wir darstellen, dass Finite Element Modelle auch bei niedrig-Dosis CTs zuverlässig berechnet werden können. Zusammen mit in unserer Arbeitsgruppe entwickelten iterativen Rekonstruktionsalgorithmen ließe sich damit die benötigte Strahlendosis unter Anwendung von sparse sampling auf 10% des ursprünglichen Wertes senken. Damit rückt die Strahlenbelastung dedizierter qCT Untersuchungen deutlich näher an die von DXA Untersuchungen, bei deutlich besserer Frakturrisiko-Beurteilung. Gleichzeitig wurden Techniken zur Kalibrierung nicht dedizierter CT-Untersuchungen (sog. opportunistisches qCT) weiterentwickelt. Mithilfe eines normierten Atlasses können so individuelle T-score Karten zur lokalen Abschätzung des Frakturrisikos erstellt werden. Auch werden gerade 5-Jahres Verlaufsdaten an >1500 Patienten ausgewertet.
Publications
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