Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie 2026 (DKOU 2026)
Computergestützte Modellierung des humanen Femurknochens unter Verwendung neuartiger medizinischer Bilddaten – eine Machbarkeitsstudie
Text
Zielsetzung und Fragestellung: Die Finite-Elemente (FE) Modellierung ermöglicht detaillierte, nicht-invasive computergestützte Untersuchungen anatomischer Strukturen. Für patientenspezifische Modelle ist eine hochauflösende Bildgebung erforderlich, die üblicherweise mittels Computertomographie (CT) erfolgt [1]. Da CT-Untersuchungen mit ionisierender Strahlung und einem erhöhten Lebenszeit-Krebsrisiko verbunden sind (Smith-Bindman et al., JAMA Intern. Med., 2025), haben dreidimensionale (3D) Zero-Echo-Time (ZTE) Magnetresonanztomographie (MRT)-Techniken, die eine CT-ähnliche Knochendarstellung ermöglichen [2], am lebenden Organismus an Bedeutung für Klinik und Forschung gewonnen. Ziel dieser Studie ist daher die Evaluation der 3D-ZTE-MRT-Bildgebung für die Erstellung patientenspezifischer FE-Modelle am repräsentativen Anwendungsbeispiel des humanen Femurknochens.
Material und Methoden: Es wurden vier gesunde Probandinnen (24–36 Jahre) mittels 3D-ZTE-MRT an einem klinischen 3 T-System (GE Premier, GE HealthCare) unter Verwendung von 3D-T1-gewichteten ZTE-Sequenzen untersucht (Abbildung 1A [Abb. 1]). Nach Segmentierung der Femora wurden die 3D-Geometrien rekonstruiert, zusammengeführt und anatomische Landmarken definiert (Abbildung 1B [Abb. 1]). Die FE-Analyse erfolgte in Abaqus/CAE v.2022 (Dassault Systèmes Simulia Corp.) unter der Annahme linear-elastischer Materialeigenschaften (Bazyar et al., Biomechanics, 2023) (Abbildung 1C [Abb. 1]). Nach der Vernetzung mit quadratischen Tetraeder-Elementen (Abbildung 1D [Abb. 1]) wurden die distalen Femora fixiert und eine axiale Last von 2000 N entlang der mechanischen Achse appliziert (Abbildung 1E [Abb. 1]). Zur Auswertung wurden die berechneten Verschiebungen und Dehnungen (Abbildung 1F [Abb. 1]) mit experimentellen Ergebnissen von Kluess et al. (2019) [1] verglichen.
Ergebnisse: Auf Basis von 3D-ZTE-MRT-Bildern wurden FE-Modelle von vier humanen Femora erstellt. In Tabelle 1 [Tab. 1] sind die Ergebnisse der maximalen Verschiebung des Femurkopfes und der durchschnittlichen Dehnung an den superioren und inferioren Oberflächen des Oberschenkelhalses sowie die experimentellen Vergleichswerte [1] zusammengefasst.
Tabelle 1:Verschiebungs- und Dehnungsergebnisse der FE-Modelle im Vergleich zum Experiment [1]
Diskussion und Schlussfolgerung: Die ermittelten Verschiebungs- und Dehnungswerte liegen in einer ähnlichen Größenordnung wie im Experiment [1] und belegen das Potenzial der 3D-ZTE-MRT-Bildgebung für die Erstellung patientenspezifischer FE-Modelle. Da in [1] ein Femurpräparat herangezogen wurde, ist ein direkter Vergleich der Ergebnisse nur begrenzt möglich. Daher sollten in zukünftigen Studien FE-Modelle auf Basis von 3D-ZTE-MRT-Bildern mit CT-basierten Modellen des vitalen Knochens verglichen werden.
Literatur
[1] Kluess D, Soodmand E, Lorenz A, Pahr D, Schwarze M, Cichon R, Varady PA, Herrmann S, Buchmeier B, Schröder C, Lehner S, Kebbach M. A round-robin finite element analysis of human femur mechanics between seven participating laboratories with experimental validation. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2019 Sep;22(12):1020-1031. DOI: 10.1080/10255842.2019.1615481[2] Breighner RE, Endo Y, Konin GP, Gulotta LV, Koff MF, Potter HG. Technical Developments: Zero Echo Time Imaging of the Shoulder: Enhanced Osseous Detail by Using MR Imaging. Radiology. 2018 Mar;286(3):960-966. DOI: 10.1148/radiol.2017170906
