Verbund

3DFoot - Datenbasierte 3D-Muskelmodellierung zur Optimierung der Operationsplanung orthopädischer Eingriffe am Fuß

Ziel des Verbundes 3DFoot ist die Untersuchung der Fußfunktion beim Gehen und die Übertragung dieses Wissens an die orthopädische Chirurgie zur Behandlung von Fußfehlfunktionen. Im Verbund soll ein detailliertes muskuloskelettales Fußmodell entwickelt werden, welches alle wesentlichen strukturellen und funktionalen Merkmale von Unterschenkel, Sprunggelenk und Fuß auch in seiner pathologischen Form beinhaltet und quantitative Vorhersagen von möglichen operativen Eingriffen erlaubt. Die Hauptziele von 3DFoot sind die Anwendung maschineller Lernalgorithmen auf drei-dimensionale Bewegungsdaten zur Charakterisierung der Fußfunktion und die Erfassung von objektiven Messdaten vor, während und nach einer Fußoperation. Des Weiteren wird ein verbessertes klinisches Protokoll für die Fußbeurteilung, die Operationsplanung und Ergebnisvorhersage verschiedener Eingriffsszenarien entwickelt.

Die neu erarbeitete Methode der erweiterten Bestimmung der Fuß(-fehl)-funktion durch optische 3D-Markererfassung und 3D-Ultraschall wird einen wichtigen Beitrag zur personalisierten Therapieplanung und individuellen Behandlung von Patientinnen und Patienten leisten. Neben der wissenschaftsimmanenten Verwertung (u. a. Publikationen) soll die entwickelte Methode zur Fußanalyse auch als ein diagnostisches Werkzeug in der Hochschulambulanz des Universitätsklinikums Heidelberg speziell zur Fußchirurgie eingesetzt und über Kostenträger im Gesundheitswesen finanziert werden. Im Hinblick auf eine breite Umsetzung sind mehrere transferrelevante Institutionen im Vorhaben eingebunden.

Der Verbund 3DFoot ist Teil der Förderinitiative „interdisziplinäre Forschungsverbünde zu muskuloskelettalen Erkrankungen“.

Teilprojekte

Der Fuß als muskuloskelettales System aus klinisch-biomechanischer und chirurgischer Sicht

Förderkennzeichen: 01EC1907A
Gesamte Fördersumme: 378.822 EUR
Förderzeitraum: 2020 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Sebastian Wolf
Adresse: Universität Heidelberg, Medizinische Fakultät und Universitätsklinikum Heidelberg, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Departm. Orthopädie, Unfallchirurgie und Paraplegiologie
Schlierbacher Landstr. 200 a
69118 Heidelberg

Der Fuß als muskuloskelettales System aus klinisch-biomechanischer und chirurgischer Sicht

Der Fuß ist die anatomische Struktur des menschlichen Körpers, die sich dem Boden anpasst und die Körperlast in der Bewegung aufnimmt. Aufgrund seiner Komplexität ist das Wissen über seine dynamische Funktion im Gang sehr gering, insbesondere bei Vorliegen von Pathologien und nach chirurgischen Eingriffen. Der interdisziplinäre Forschungsverbund 3DFoot bringt Kliniker und Chirurgen mit Forschern wie Biomechanikern, Computer-Wissenschaftlern, Modellierern sowie experimentellen Medizintechnikern zusammen, um ein detailliertes muskuloskelettales Fußmodell nach einem transdisziplinären Ansatz zu erstellen und Klinikern Instrumente und quantitative Informationen für die Operationsplanung und Ergebnisvorhersage verschiedener Eingriffsszenarien zur Verfügung zu stellen. Um Fußfehlformen gerecht zu werden, wie sie bei der mit Zerebralparese (CP) und vielen anderen orthopädischen Erkrankungen vorzufinden sind, wurde die "Heidelberger Fußmessmethode" entwickelt, welche in diesem Vorhaben um Ultraschallmessungen zur Erfassung der zugrundeliegenden knöchernen Strukturen als ein neues klinisches Protokoll erweitert werden soll. Außerdem sollen in diesem Vorhaben bei Fußoperationen intraoperativ Muskelkräfte und Dehnungseigenschaften vermessen werden, um über entsprechende Muskelmodellierungen durch die Projektpartner zu einem besseren Verständnis der Fußfehlfunktion und ihrer operativen Korrektur zu gelangen.

Simulationen muskuloskelettaler Systeme und Muskelmechanik

Förderkennzeichen: 01EC1907B
Gesamte Fördersumme: 423.353 EUR
Förderzeitraum: 2020 - 2021
Projektleitung: Prof. Oliver Röhrle
Adresse: Universität Stuttgart, Institut für Modellierung und Simulation Biochemischer Systeme
Pfaffenwaldring 5a
70569 Stuttgart

Simulationen muskuloskelettaler Systeme und Muskelmechanik

Mathematische Modelle und Computersimulationen haben das große Potenzial, ein System systematisch zu untersuchen, zum Beispiel, wie sich Veränderungen einzelner muskuloskelettaler Systemkomponenten auf das gesamte mechanische Verhalten auswirken. Im Vorhaben sollen folgende methodische Ansätze verfolgt werden: 1) Entwicklung datenintegrierter, mikrostruktur-basierter konstitutiver Materialgesetze für Skelettmuskeln, mit welchen intraoperativ gemessenes mechanisches Verhalten erfasst werden kann, 2) Integration der Modelle für passives und aktives Materialverhalten in das kommerzielle Softwarepaket LSDYNA zur 3D-Simulation von Muskeln und zur Vorhersage und Analyse des Ergebnisses verschiedener chirurgischer Eingriffe und 3) Simulation von Mehrmuskelsystemen und des Bewegungsapparates. Die Entwicklung solcher mikrostrukturbasierten Konstitutivgesetze erfordert das Einbeziehen von experimentell während der Operation erhobenen Strukturdaten. Gegenwärtige Methoden zur in vivo-Bewertung der Muskeltätigkeit basieren auf indirekten Ansätzen mit begrenzten Fähigkeiten. Um die Veränderung der Muskelstruktur zu verstehen, ist es notwendig, den Einfluss kollagener Strukturen auf die aktiven Muskeleigenschaften zu untersuchen. Ziel ist es, prä-, intra- und postoperative Bewertungsinstrumente zu entwickeln und die Eigenschaften der Muskeln bei verschiedenen Erkrankungen und Gelenkpathologien zu untersuchen. Anhand der Ergebnisse kann dann beurteilt werden, wie kollagene Strukturen das aktive mechanische Verhalten der Muskeln bei Vorhandensein einer neurologischen Störung und Zerebralparese (CP) beeinflussen. Zusätzlich zu den klassischen klinischen Bewertungen der Ganganalyse und den Bildgebungsdaten wird im Vorhaben die Muskelkraft mit der Gelenkfunktion intraoperativ untersucht. Das Vorhaben wird sowohl Informationen zu den mechanischen und histologischen Muskeleigenschaften liefern, als auch Kraft- und Drehmomentinformationen bereitstellen.

Erstellung der Geometrie des muskuloskeletallen Systems

Förderkennzeichen: 01EC1907D
Gesamte Fördersumme: 269.818 EUR
Förderzeitraum: 2020 - 2021
Projektleitung: Dr.-Ing. Okan Avci
Adresse: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart

Erstellung der Geometrie des muskuloskeletallen Systems

Durch das Vorhaben soll ein tieferes Verständnis für Fußdeformitäten in der Fortbewegung im Kontext muskuloskelettaler Erkrankungen erreicht werden, um Klinikern quantitative Informationen für die Operationsplanung verschiedener Eingriffsszenarien verfügbar zu machen. Zur Untersuchung der FE-Modellierung des Bewegungsapparates werden detaillierte 3D-Gewebestrukturen benötigt. Die Gewebesegmentierungsprozesse aus medizinischen Bildern basieren nach heutigem Stand der Technik auf herkömmlichen Bildverarbeitungstechniken, die durch zusätzliche Faserinformationen aus dem Diffusions-Tensor MRT ergänzt werden. Erste Anwendungen von Deep-Learning-Methoden (DLM) für die Gewebesegmentierung zeigen vielversprechendere, schnellere und bessere Modellergebnisse als herkömmliche automatisierte Segmentierungstechniken. All diese Verfahren ignorieren jedoch das Bindegewebe. Der Hauptgrund ist das niedrige MRT-Signal insbesondere aus der Sehne, die eine Schlüsselstruktur zur Krafterzeugung im Bewegungsapparat darstellt. Ziel dieses Teilvorhabens ist es, aus MRT-Bildern ein detailliertes Strukturmodell des Fußes durch semantische Segmentierung der relevanten Gewebestrukturen mit DLM zu generieren, um damit FE-Simulationen durchführen zu können.