Hintergrund

Die Fähigkeit zu gehen ist eine wesentliche Voraussetzung für eine hohe Lebensqualität. Das wird insbesondere dann deutlich, wenn man von Verletzungen, Krankheiten oder Funktionsstörungen des Bewegungsapparats betroffen ist. Muskel-Skelett-Erkrankungen sind jedoch nicht nur eine persönliche Belastung, sondern bedeuten auch enorme Kosten für das Gesundheitssystem. Allein in Österreich belaufen sich die jährlichen Ausgaben auf rund 1,6 Milliarden Euro.

Eines der wichtigsten Instrumente für die Analyse von Bewegungsmustern und zur Erkennung von Erkrankungen des Bewegungsapparates ist die dreidimensionale Ganganalyse (3DGA). Sie ist jedoch für einige Anwendungsfälle aufgrund von Limitationen wie der Hautverschiebung zu ungenau. Abhilfe kann hier die Magnetresonanztomographie (MRT) schaffen. Sie ist zwar genauer bei der Analyse von anatomischen Strukturen, aber auch mit hohem Aufwand und demensprechenden Kosten verbunden. Eine einfacher zu bedienende, billigere und strahlungsfreie Alternative dazu ist die 3D Ultraschall-Bildgebung (3DFUS). Diese Technologie schöpft allerdings ihr Potenzial noch nicht aus und muss weiterentwickelt werden.

Projektinhalt

In dieser Forschungsarbeit wollen wir 3DFUS nutzen, um damit auf schnelle Weise und ohne Strahlenbelastung personenspezifische Knochenmodelle zu erstellen. Das Hauptziel ist es, die Segmentierung von Knochenoberflächen aus den mit 3DFUS aufgenommenen Bildern zu optimieren und zu automatisieren. Auf Basis der identifizierten Oberflächen und unter Anwendung von Statistical Shape Modelling (SSM) konstruieren wir individualisierte Knochenmodelle. Um zu prüfen, ob die Modelle valide Ergebnisse liefern, werden sie mit Segmentierungen verglichen, die mit MRT-Scans durchgeführt wurden. Auf der Grundlage der personalisierten Modelle führen wir muskuloskelettale Simulationen durch.

Im Rahmen dieses Projekts stellen sich vier wissenschaftliche Herausforderungen: (1) Das effektive Scannen von Schienbein, Oberschenkel und Becken mittels 3DFUS und SSM, (2) die Evaluierung von Inertialsensoren (Inertial Measurement Unit oder IMU) und markerloser Tracking-Methoden zur Verfolgung der Ultraschall (US) Sonde, (3) die erfolgreiche Integration von 3DFUS-Modellen in das Torsion Tool (ein Werkzeug zur automatisierten Integration von Femur- und Tibiageometrien in OpenSim-Muskuloskelettmodellen) für präzisere femorale und tibiale Messungen in muskuloskelettalen Modellen und (4) die Einbindung dieser Modelle in OpenSim-Simulationen sowie der Vergleich der daraus resultierenden Ergebnisse mit generischen Modellen.

Ziele

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur schnellen und strahlungsfreien Erstellung personenspezifischer Knochenmodelle in Bewegungsanalyselabors. Die Hauptfragestellung lautet, ob sich 3DFUS dafür nutzen lässt, um in Echtzeit individualisierte Knochenmodelle des Oberschenkels, des Schienbeins und des Beckens zu erstellen, die sich dafür eignen muskuloskelettale Simulationen durchzuführen.  Darüber hinaus wird geprüft, ob die erzeugten Modelle hinsichtlich Genauigkeit und Effizienz eine Verbesserung gegenüber generischen Modellen darstellen.

Methoden

Das Clarius-Ultraschallsystem ist ein tragbares Ultraschallgerät, welches hochauflösende Bilder von Knochenstrukturen erzeugen kann. In dem vorliegenden Projekt kombinieren wir das Clarius-System mit einem Vicon Motion Capturing System zur Erfassung von Bewegung. Die Verschmelzung beider Technologien (Ultraschallbilder und räumliche Koordinaten) soll eine genaue dreidimensionalen Positionierung von Knochenstrukturen und eine spärliche Darstellung der Knochenoberfläche ermöglichen. Mit Statistical Shape Modelling wird auf Grundlage dieser Informationen ein detailliertes Knochenmodell erstellt. Die Validität des Modelles wird durch den Vergleich mit einem MRT-basierten Modell geprüft (anhand einer Heatmap der Oberflächenabstandsfehler). Für die Bildsegmentierung werden Werkzeuge wie Py3DFreehandUS und "UNet++: A Nested U-Net Architecture", für die Sondenverfolgung verschiedene Tracking-Techniken wie interne IMU sowie markerloses Tracking und für die Personalisierung von Muskelskelettmodellen das Torsionstool und das STAPLE-Tool erprobt. Die erstellten Modelle werden in OpenSim-Simulationen überführt, wobei die vorhandenen generischen Knochenmodelle durch MRT- und 3DFUS-Knochenmodelle ersetzt werden. Die Simulationen, die auf 3DGA-Bewegungsdaten basieren, werden für jedes Individuum durchgeführt. Um die Effizienz und Genauigkeit der entwickelten 3DFUS-Methoden zu bewerten, werden Ergebnisse und Messungen aus verschiedenen Datenquellen, wie beispielsweise dem Kniewinkel, herangezogen.

Fördergeber

Der Inhalt repräsentiert nicht notwendigerweise die Sichtweise des Landes Niederösterreich oder der Gesellschaft für Forschungsförderung Niederösterreich als Förderstelle. Weder das Land Niederösterreich noch die Förderstelle können daher für den Inhalt verantwortlich gemacht werden.