Funktionell-biomechanische Verfahren der multiparametrischen MRT zur Arthrosefrüherkennung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Sven Nebelung
• Fachliche Zuordnung: Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417508432

Aktuell klinisch verfügbare bildgebende Diagnostika weisen Defizite in der objektiven Evaluation des Gelenkknorpels auf. Eigene Vorarbeiten konnten nachweisen, dass die Darstellung des Gewebes mittels quantitativer MR-Parameter (qMRT) unter Kombination mit biomechanischer Stimulation zur Beurteilung des sich ändernden Gewebezustands herangezogen werden kann. Die sich ergebenden Änderungen des Gewebes (das Response-to-Loading) können mittels klinisch validierter MR-Sequenzen unter Erfassung verschiedener Relaxationsparameter (z.B. T1-, T1ρ-, T2- und T2*-Relaxationscharakteristika, Parameter der Diffusionswichtung, dGEMRIC) ortsaufgelöst quantifiziert werden. Auf diesen Vorarbeiten aufbauend ist Zielsetzung des beantragten Projekts, die biomechanische Stimulation schrittweise in die In-vivo-Situation zu überführen. Auf Basis eines der nativen Konfiguration entsprechenden Kniegelenks und einer prototypischen Apparatur wird zur grundlagenwissenschaftlichen Absicherung eine vollständig MR-kompatible Apparatur konzipiert, mittels derer die MRT-basierte Bildgebung einer einzelnen Knorpelprobe unter Druck-gesteuerter uni-axialer Belastung in situ möglich ist (Kompressionsapparatur-1, KA-1). Nachfolgend wird das Response-to-Loading von rein chondralen humanen Nativknorpelproben unter Heranziehung der o.g. MR-Parameter beurteilt (sowohl gesund als auch degenerativ verändert) und qualitativ sowie quantitativ durch dezidierte Bildverarbeitungsalgorithmen ausgewertet. Gegenstand der zweiten Projektphase ist die Beurteilung des Response-to-Loading innerhalb eines intakten humanen Kadaverkniegelenks. Zu diesem Zweck wird eine analoge, ebenfalls Druck-gesteuerte Kompressionsapparatur konzipiert und gefertigt (Kompressionsapparatur-2, KA-2), die über weiter gefasste Variationsmöglichkeiten der Rahmenparameter (insbesondere hinsichtlich Varus- / Valgus-Stellung) die weitergehende In-situ-Beurteilung des Response-to-Loading des femorotibialen Gelenkknorpels ermöglicht. Nach entsprechender histologischer, biochemischer und biomechanischer Korrelation wird die Konzeption einer MR-basierten Response-to-Loading-Klassifikation vorgenommen und hinsichtlich ihres diagnostischen Wertes in der Arthrosefrüherkennung evaluiert. In der sich anschließenden dritten Projektphase wird eine in vivo-fähige Apparatur zur definierten Druck-gesteuerten Belastung des Kniegelenks unter simultaner MRT-Bildgebung konzipiert und gefertigt (Kompressionsapparatur-3, KA-3), sodass nach entsprechender Validierung der Apparatur die In-vivo-Translation vorgenommen und erste funktionelle MRT-Messungen an Probanden durchgeführt werden können. Unter Integration der quantitativen MR- sowie der o.g. Referenzparameter werden Projekt-begleitend auf der Basis eines bereits implementierten anisotrop-hyperelastischen konstitutiven Knorpelmodells die Anpassungen des Gewebes unter Belastung modelliert und zur Funktionalitätsbeurteilung herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Mikhail Itskov; Professor Dr. Thomas Pufe; Professor Dr.-Ing. Klaus Radermacher