Winkel-sensitive MRT zur nichtinvasiven Analyse belasteter ...

40 Kapitel 3. Aufgabenstellung
Großes Potential wohnt den MRT-Untersuchungen von druckbelastetem Knorpel
inne, da seine mechanische Eigenschaften bei früher Arthrose im Vergleich zur
destruktiven histologischen Analyse einen empfindlicheren Indikator für erste
degenerative Veränderungen darstellen können [Lane 1979, Knecht 2006]. Überdies
lässt sich durch Druckversuche der Knorpel unter normalen physiologischen
Bedingungen beobachten. Daten, die bei derartigen Experimenten gewonnen werden,
erlauben es, die wichtigsten elastomechanischen Eigenschaften des Knorpels zu
bestimmen. Eine einfache Betrachtung der Dickenänderung unter Druckbelastung liefert
Informationen über den Elastizitätsmodul (s. Gl. 2.1) des Knorpelmaterials. Bei
Anwendung von neuronalen Netzen und/oder Finite-Elemente-Modellen wurde jedoch
festgestellt, dass die Druckverteilung in der Knorpelschicht einen komplizierten
Charakter aufweist [Seidel 2005(2), Gründer 2005].
Ziel dieser Arbeit ist es ein erweitertes Verfahren zur Detektion von
mikroskopischen anisotropen Ultrastrukturen des hyalinen Knorpels mittels
hochauflösender NMR-Bildgebung – winkel-sensitive MRT – zu definieren und
auszuarbeiten. Auf der Grundlage dieses Verfahrens soll eine Messmethodik entwickelt
werden, welche es erstmalig möglich macht, belastungsabhängige Veränderungen der
kollagenen Knorpelstruktur quantitativ zu erfassen. Es soll gezeigt werden, dass es unter
bestimmten Voraussetzungen möglich ist, die Veränderungen der mittleren Orientierung
der Netzwerkstruktur auf eine im Prinzip nichtinvasive Weise zu berechnen. Während
im intakten Gelenkknorpel definierte geordnete kollagene Strukturen vorhanden sind,
können krankhaft bedingte oder degenerative Veränderungen damit durch ihre
strukturellen Irregularitäten sichtbar gemacht werden.
Um die Druckeinwirkung auf die Orientierungsänderung der radialen
Kollagenfasern im adulten Knorpel zu beurteilen, werden von Stanzzylindern aus dem
Kniegelenk von Schafen T2-gewichtete hochauflösende MRT-Aufnahmen unter
unterschiedlicher Orientierung im äußeren Magnetfeld sowie unterschiedlicher
Druckbelastung ausgewertet. Dazu wird ein Modell vorgeschlagen, das das
transformationsabhängige Intensitätsverhalten des Kollagennetzwerkes unter Belastung
beschreibt, und dessen Anwendung bei unterschiedlich möglicher räumlicher Verteilung
der Kollagenfaser diskutiert. Von großer Bedeutung ist es auch, das Potential dieser
Untersuchungen unter klinischen Bedingungen zu erkunden. Zu diesem Zweck werden
nur die experimentellen Daten ausgewählt, welche unter klinischen Bedingungen
gewinnbar sein können und deren Anwendbarkeit im Rahmen des entwickelten
Verfahrens wird analysiert.
Im Laufe der Arbeit wird der aktuell noch offenstehenden Frage des räumlichen
Aufbaus der kollagenen Matrix nachgegangen. Grund für die Untersuchung dieses
Aspekts sind die zurzeit zwei auseinander gehenden Meinungen zum Aufbau der
Faserstruktur des adulten Knorpels, welche auf differente Weise die Diskussion über die
druckbedingte Strukturtransformation beeinflussen können.
Im Anschluss werden Aussagefähigkeit und Grenzen der vorgeschlagenen
Belastungsmodelle diskutiert, mögliche Fehlerquellen und Messungenauigkeiten
behandelt, sowie weiterführende Themen als Grundlage für die Fortführung dieser
wissenschaftlichen Arbeit vorgeschlagen.