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. Prof. 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, zum Beispiel im Rahmen einer Osteoporose-Therapie. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) modellieren sie und ihr Forschungsteam das Wachstum und die Degeneration von Knochen.
Finite-Elemente-Methode ermöglicht Simulation
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. 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 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 Modell der FEM. Zudem kann das Team eine Einschätzung abgeben, an welcher Stelle der Knochen am wahrscheinlichsten unter einer bestimmten Belastung, wie Springen oder Fallen, brechen wird.
Individuelle Therapie bei Osteoporose
Ein derart realitätsnahes Modell des Knochenwachstums kann Therapien ergänzen, um diese individuell und zielgerichtet zu gestalten. Bestimmte Trainingsübungen zur Stimulierung können dabei helfen, Verletzungen vorzubeugen, beispielsweise Knochenbrüche bei Osteopathie-Patienten.
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