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Knochenheilung im regelungstechnischen Modell

26.11.1998 - (idw) Universität Ulm

Pm/Mp - 26.11.1998
Knochenheilung fuzzy-logisch
Wankel-Tierschutz-Forschungspreis für Ulmer Regelungstechniker

Knochenbrüche gehören zu den häufigsten Unfallverletzungen; entsprechend groß ist das wissenschaftliche Interesse an der Erforschung der Knochenheilung bei Frakturen. Neben dem unfallchirurgischen Expertenwissen, den Erfahrungen der Biomechaniker und den Erkenntnissen aus Tierexperimenten hat sich dabei die mathematische Modellbildung und Simulation des Knochenheilungsprozesses in den letzten Jahren als aufschlußreicher Zugang zum Verständnis der Gesetzmäßigkeiten des Heilungsprozesses sowie zur Prädiktion des Heilungsverlaufes erwiesen. Mit dem Einsatz solcher Simulationssysteme verbindet sich auch die Hoffnung, einschlägige Tierversuche reduzieren oder insgesamt verzichtbar machen zu können.

Grundlage der Modellbildung ist die schon im letzten Jahrhundert formulierte Erkenntnis, daß wohldosierte mechanische Belastung die Bildung und Festigung von neuem Knochengewebe fördert. Der Zusammenhang zwischen mechanischem Stimulus und Gewebeumbau kann mathematisch beschrieben werden, am einfachsten - und so wurde bisher auch vorgegangen - in Form statischer Gleichungen. Statische Modelle berücksichtigen allerdings nicht, daß lebendes (Knochen- und Knorpel-)Gewebe einem ständigen Veränderungsprozeß unterliegt und sein aktueller Ist-Zustand immer das Resultat vorausgegangener Veränderungen darstellt.

Biologisches Gedächtnis systemtheoretisch

Prof. Dr. Eberhard P. Hofer, Leiter der Abteilung Meß-, Regel- und Mikrotechnik der Universität Ulm, und seine Mitarbeiter Dr.-Ing. Christoph Ament und Dipl.-Ing. Jürgen Heeks hatten bereits vor zwei Jahren ein Verfahren vorgestellt, das die Knochenheilung im Sinne eines Regelkreises beschreibt: ausgehend vom pathologischen Ist-Zustand der Verletzung, versucht das System, nämlich das in Mitleidenschaft gezogene Gewebe, sich durch entsprechende Anpassungsreaktionen wieder auf den Soll-Zustand normaler physiologischer Bedingungen einzupegeln. Um das "biologische Gedächtnis" des Gewebes systemtheoretisch abzubilden, setzten Hofer und Mitarbeiter dabei an die Stelle des klassischen statischen Ansatzes der Elastomechanik ein dynamisches Modell, das auf der Theorie der unscharfen sogenannten Fuzzy-Mengen beruht. Fuzzy-Definitionen beschreiben Sachverhalte nicht als "Ja-oder-nein"-Alternative, sondern in Form gradueller Abstufungen als "Mehr-oder-weniger" und sind daher besser geeignet, Prozesse und temporäre Stadien abzubilden.

Das Herzstück des - inzwischen wesentlich weiterentwickelten - Ulmer Knochenheilungsmodells bildet ein aus dem medizinischen Expertenwissen über die Knochenheilung abgeleiteter Set von "Wenn-dann"-Regeln (z.B.: "Wenn die Gewebeart Knorpel und ein erhöhter mechanischer Stimulus vorhanden sind, dann findet Gewebeaufbau statt."). Im zweiten Schritt werden biologische Einflußgrößen, die sich aus dem - unterschiedlichen - Zellaufbau der Gewebetypen Bindegewebe, Knorpel und Knochen ergeben, in das Modell einbezogen. Der osteogene Faktor, ein Maß für die Fähigkeit des Gewebes, neue Knochenzellen zu bilden, und der vaskuläre Faktor, ein Maß für die Durchblutung von Bindegewebe und Knochen, werden als Stimuli im Modell des Regulationsmechanismus berücksichtigt. Auf dieser Grundlage läßt sich nun die Reaktion des Verletzungsareals auf verschieden dosierte mechanische Belastungsreize durchspielen.

"OSTEON" weltweit

Die medizinische Beobachtung, einzig relevantes Bewertungskriterium der durch mathematische Modellbildung und Simulation gewonnenen Ergebnisse, hat die praktische Eignung des Ulmer Verfahrens bestätigt. Alle wesentlichen Prozesse der Knochenheilung werden erfaßt; der Heilungsverlauf kann - auch bei komplizierten Brüchen - prognostiziert und mit Computerhilfe graphisch visualisiert werden, so daß sich bereits in frühen Behandlungsstadien die optimale Therapiemethode festlegen läßt. Forschern gestattet das Modell schnelle und kostengünstige Parameterstudien. Damit wird es in vielen Fällen das Experiment am lebenden Tier ersetzen können. Zu letzterem Zweck soll die Simulationssoftware künftig, mit einer benutzerfreundlichen Bedienoberfläche versehen, unter dem Namen OSTEON weltweit allen auf dem Gebiet der Knochenheilung arbeitenden Wissenschaftlern, insbesondere Biomechanikern, Orthopäden und Unfallchirurgen, im Interent zur Verfügung gestellt werden.

Die Ulmer Regelungsexperten wollen ihr System auf dem Pan American Congress in Applied Mechanics (PACAM IV) von 4. bis 8. Januar 1999 in Rio de Janeiro (Brasilien) einem wissenschaftlichen Weltpublikum präsentieren. Derzeit erfahren sie schon einmal nationale fachliche Anerkennung: am 30. Dezember 1998 werden sie in München mit dem von der Ludwig-Maximilians-Universität jährlich ausgeschriebenen Felix-Wankel-Tierschutz-Forschungspreis ausgezeichnet.

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