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Bildgebung, Simulation und Stimulation

Die Hauptziele der Forschungsgruppe sind die Kombination der quantitativen Bildgebung mit der numerischen Modellierung, um so die biomechanischen Fähigkeiten des muskuloskeletalen Gewebes unter normalen und pathologischen Heilungsbedingungen zu beurteilen. Die elastische Wechselwirkung von Wellen mit dem Material soll dabei die Heilung fördern.

Ein wesentlicher Aspekt unserer Forschungstätigkeit ist die Entwicklung und Anwendung neuer Untersuchungstechnologien mit dem Ziel, diese zur Beantwortung spezifischer Fragestellungen an muskuloskeletalen Systemen (Knochen, Knorpel, Muskel, Zellen) einzusetzen. Die zunehmende Komplexität dieser Fachrichtung erfordert heutzutage eine effektive Interaktion verschiedenster Wissenschaftsdisziplinen. Die Q-BAM Arbeitsgruppe setzt sich daher aus Ingenieuren, Physikern, Medizinern, Biologen, Informatikern und Bioinformatikern zusammen, was der Interdisziplinarität muskuloskeletaler Forschung Rechnung trägt. Darüber arbeitet unser Labor eng mit deutschen und internationalen Partnerinstituten, z.B. im Deutsch-Französischen Forschungsnetzwerk "Ultrasound assessment of bone strength from the tissue level to the organ level" zusammen.

Unsere Arbeitsgruppe hat in den letzten Jahren eine ausgewiesene Expertise auf dem Gebiet der quantitativen akustischen Mikroskopie mineralisierter Gewebe erlangt. Da jedoch keine der momentan verfügbaren experimentellen Methoden in der Lage ist, das komplexe Zusammenspiel von Komposition, Struktur und den daraus resultierenden anisotropen elastischen Eigenschaften zu erfassen, wurden die akustischen Methoden vielfach in Kombination mit anderen innovativen Methoden eingesetzt (Synchrotron-µCT, Ramanspektroskopie, Nanoindentation, in-vivo Ultraschall, Finite Elemente Analyse). Der Fokus der Arbeiten verlagert sich dabei zunehmend von der technologischen Entwicklung zu grundlagenorientierten und medizinisch relevanten Anwendungen.

Einige der zur Zeit bearbeiteten Fragestellungen sind:

  • Ableitung von Struktur und Gewebeelastizität der Makro-, Meso- und Mikrostruktur mit Hilfe akustischer Mikroskopie
  • Beziehungen zwischen Gewebemineralisierung und Elastizität auf mikroskopischer (lamellärer) und mesoskopischer (Gewebe-)Ebene
  • Entwicklung und Validierung neuer Ultraschall in-vivo-Verfahren zur nicht-invasiven Ableitung frakturrelevanter Knochenveränderungen am peripheren Skelett (distaler Radius, proximales Femur, Fingerphalangen)
  • Einfluss von Struktur und Gewebeelastizität auf die Frakturresistenz nach Kallusdistraktion
  • Untersuchung genetischer Einflüsse auf den "elastischen Knochenphänotyp" am Mausmodell
  • Entwicklung von experimentell validierten numerischen Homogenisierungsmodellen zur Beschreibung des elastischen Verhaltens von kortikalem Knochen