Röntgen-Computertomographen liefern heute hochauflösende Bilder vom Inneren des Körpers – doch über Materialeigenschaften oder chemische Zusammensetzung des abgebildeten Gewebes konnten diese Bilder bisher nichts aussagen. Koordiniert von der TU Wien gelang es nun einem großen internationales Konsortium aus akademischen Forschungsgruppen und Industriepartnern, die Datenauswertung in der Computertomographie deutlich zu verbessern. Das Gemeinschaftsprojekt brachte neue Berechnungsmethoden und Computercodes hervor, die nun für Knochenimplantation, für Zahnersatz, in der Chirurgie und bei der Züchtung von künstlichem Gewebe eingesetzt werden sollen.

Computer wertet Daten aus
„Die Computertomographie liefert einfach für jeden Punkt im Gewebe einen bestimmten Grauton“, erklärt Professor Christian Hellmich. „Über die Materialeigenschaften des Gewebes sagen diese Werte oberflächlich betrachtet zunächst noch nichts aus.“ Christian Hellmich vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der TU Wien war der Koordinator des Projektes BIO-CT EXPLOIT, in dem Universitäten und private Firmen aus ganz Europa zusammenarbeiteten. „Bei der Auswertung eines Bildes hat man aber nicht nur die Röntgen-Messdaten des Computertomographen zur Verfügung, man kann gleichzeitig auch auf das umfangreiche Wissen über biologisches Gewebe zurückgreifen, das wir bereits haben“, sagt Hellmich.

Mehr aus den Daten herausholen mit Computersimulationen
Verschiedene biologische Gewebe – etwa Knochen – wurden in Computersimulationen mikro-mechanisch beschrieben. Mit Hilfe dieses Zusatzwissens können die Bilder aus dem Tomographen so präzise interpretiert werden, das sich ein 3D-Bild bestimmter Materialeigenschaften erstellen lässt. So lässt sich etwa Bildpunkt für Bildpunkt die Steifigkeit bestimmen, Spannungen im Material werden sichtbar, selbst über die chemische Zusammensetzung können mit den neuen Computermethoden Aussagen getroffen werden.

„Vergleichbar ist das mit der Luftaufnahme eines Waldes“, meint Professor Hellmich. „Die Farben auf einem Foto sagen zunächst nicht viel aus, wenn ich aber genau weiß, welche Pflanzen dort stehen und wie die Blattfarbe mit Feuchtigkeit oder Bodenbeschaffenheit zu tun hat, dann kann man plötzlich eine ganze Menge über den Wald sagen.“

Die Forschungsideen kommen aus der Grundlagenforschung, die neu entwickelten Methoden lassen sich allerdings direkt bei medizinischen Anwendungen einsetzen: „Unsere neuen strukturmechanischen Software-Tools wurden so entwickelt, dass sie mit kommerzieller Software moderner Computertomographen voll kompatibel ist“, erklärt Hellmich.

Universitäten und Wirtschaft ziehen an einem Strang
BIO-CT EXPLOIT war eine enge Kooperation von wissenschaftlichen und privaten Forschungspartnern. Vier private Firmen (Simpleware Ltd, InMatrixs, CADFEM GmbH, Skyscan NV.) und vier akademische Partner (TU Wien, Universita Politecnica delle Marche, Politechnika Warszawska, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg) bündelten ihre Kräfte, um um Prototypen zu kommerziell verwertbaren Produkten zu entwickeln. Das Projekt startete im Dezember 2009 und wurde von der EU durch das Programm “Research for the benefit of small and medium-sized enterprises” gefördert. Projektkoordinator Christian Hellmich ist mit dem Verlauf des Projektes hochzufrieden: „In nur zwei Jahren haben wir unsere Ziele erreicht – die Kollaboration war ein großer Erfolg.“

Wissenschaftliche Ideen münden in kommerzielle Produkte
Die Firma CADFEM bietet Softwaretools für die Zahnmedizin an. Durch das Forschungsprojekt entstand ein Softwareprototyp, der hilft, patientenspezifische Simulationen von Zahnimplantaten durchzuführen. Mechanische Spannungen im Kieferknochen können dadurch schon am Computer abgeschätzt werden.
SIMPLEWARE bietet Software für die Umwandlung von 3D-Bildern in hochqualitatives CAD, Rapid Prototyping, CFD und Finite-Elemente-Modelle. Die Möglichkeit, Elastizitätseigenschaften von Material durch CT-Bilder abschätzen zu können, wird in Zukunft ein wichtiger neuer Bestandteil der SIMPLEWARE-Softwaretools sein.

SkyScan entwickelt einfach zu benutzende Desktop-Instrumente, die 3D-Bilder von der inneren Struktur von Objekten bis in den Sub-Mikrometer-Bereich liefern. Das BIO-CT EXPLOIT-Projekt eröffnete für SkyScan die Möglichkeit, das bestehende Angebot zu erweitern – etwa bei der Entfernung von Bild-Artefakten, der chemischen Zusammensetzung von Knochen oder der Darstellung  mechanischer Eigenschaften.

INMATRIX Ltd, ein akademisches Spin-off der Russischen Akademie der Wissenschaften, beschäftigt sich mit biomedizinischen Geräten und Knochengewebe-Technologie. Durch die neuen Erkenntnisse kann INMATRIX die Eigenschaften der verwendeten Materialien genauer erforschen – bei Biomaterialien, aber auch bei Keramik-Implantaten.

Das Projekt ist abgeschlossen – die Kooperationen bestehen weiter
Die Zusammenarbeit der Forschungspartner soll auch in Zukunft fortgesetzt werden – sowohl in Bezug auf die weitere Vermarktung der Produkte als auch bei der Suche nach spannenden neuen Forschungsmöglichkeiten.

Links zu den Projektpartnern:
<link http: bio-ct-exploit.imws.tuwien.ac.at>

bio-ct-exploit.imws.tuwien.ac.at, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

<link http: www.cadfem.de>www.cadfem.de
<link http: www.simpleware.com>www.simpleware.com
<link http: www.skyscan.be>www.skyscan.be

Originalpublikation: <link http: www.sciencedirect.com science article pii s0021929012000279>

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021929012000279, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

 

Rückfragehinweis:
Prof. Christian Hellmich
Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen
Technische Universität Wien
Karlsplatz 13, 1040 Wien
T: +43-1-58801-20220
<link>christian.hellmich@tuwien.ac.at 

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
<link>florian.aigner@tuwien.ac.at