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Knochenheilung algorithmisch

22.03.2000 - (idw) Universität Ulm

Bein zu Bein
Knochenheilung algorithmisch simuliert

Wie gut oder schlecht ein Knochenbruch heilt, wie schnell oder langsam sich Knorpelgewebe an den Frakturenden ausbildet und wie rasch und wie vollständig dieses zu Knochen erhärtet, hängt - unter anderem - stark von den mechanischen Bedingungen im Umfeld der Bruchstelle ab. Da diese lokalen Spannungen und Dehnungen am lebenden Menschen oder Tier nicht experimentell gemessen werden können, ist die biomechanische Forschung, wenn sie die optimalen Bedingungen der Frakturheilung ermitteln will, auf mathematische Modellrechnungen angewiesen. Die Methode der Finiten Elemente - eine Näherungsrechnung, die schwer erfaßbare fließende Übergänge von Funktionen in Form abgegrenzter ("finiter") Teilabschnitte bearbeitet - hat sich dafür in jüngerer Zeit als Instrument der Wahl erwiesen.

Basierend auf dieser Methode entwickelte Dr. Christa Heigele am Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik der Universität Ulm ein Modell, das es erstmals erlaubt, den Prozeß der Knochenheilung unter Einfluß verschiedener mechanischer Parameter nahezu realitätsgetreu zu simulieren. Ihre Arbeit begann mit der Berechnung der lokalen mechanischen Bedingungen im Kallusgewebe zu drei unterschiedlichen Heilungszeitpunkten. Durch eine Analyse der lokalen Dehnungen und des lokalen hydrostatischen Drucks entlang der knöchernen Oberfläche und den Vergleich dieser Ergebnisse mit histologischen Messungen aus einer In-vivo-Studie ließ sich die qualitative und quantitative Beziehung zwischen lokalem mechanischem Reiz und physiologischer Reaktion des Gewebes mathematisch formulieren. Bei geringem hydrostatischem Druck (unter 1,5 bar) und kleinen Dehnungen (unter 5%) findet, wie Heigeles Messungen ergaben, direkte Verknöcherung statt, bei mittlerem bis großem Druck verläuft der Verknöcherungsprozeß über den Umweg Knorpel: die Bildung des Knorpels führt dabei zu einer Verringerung des Drucks, und die Verknöcherung kann erfolgen.

Setzt man diese Messungen in eine mathematische Beziehung zu den statischen Verhältnissen im Knochengewebe und berücksichtigt man die an histologischen Präparaten gemachte Beobachtung, daß neues Knochengewebe sich nur an schon bestehenden knöchernen Oberflächen bildet, so kann man den Vorgang der Knochenheilung ziemlich exakt am Rechner simulieren. Im Vergleich mit histologischen Beobachtungen erwies sich der Heigele-Algorithmus jedenfalls als hervorragendes Modell - ein Modell, das demzufolge geeignet scheint, künftig einschlägige Versuche am lebenden Tier zu ersetzen. Erstmals vorgestellt beim letztjährigen Kongreß der European Society for Biomechanics in Toulouse, hat Heigeles Modell der Wissenschaftlerin dort den Student Award der Gesellschaft eingetragen.
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