3D-Foot
Der Fuß ist die anatomische Struktur des menschlichen Körpers, die sich dem Boden anpasst und die Körperlast in der Bewegung aufnimmt. Aufgrund seiner Komplexität ist das Wissen über seine dynamische Funktion im Gang sehr gering, insbesondere bei Vorliegen von Pathologien und darüber hinaus nach chirurgischen Eingriffen. Häufige orthopädische Befunde von Fußdeformitäten stellen insbesondere bei Kindern ein relevantes Gesundheitsproblem dar, für das bisher nur wenige objektive Anhaltspunkte für eine chirurgische Behandlung vorliegen. 3DFoot ist daher ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben, das Kliniker und Chirurgen mit Forschern wie Biomechanikern, Computerwissenschaftlern, Modellierern sowie experimentellen Medizintechnikern zusammenbringt, um ein detailliertes muskuloskelettales Fußmodell nach einem transdisziplinären Ansatz zu erstellen. Das Projekt kombiniert klinische, intraoperative, strukturelle und funktionelle Aspekte des Fußes als muskuloskelettales Gesamtsystem, um ein tieferes Verständnis des Fußes in der Fortbewegung zu erlangen und Klinikern Instrumente und quantitative Informationen für die Operationsplanung und Ergebnisvorhersage verschiedener Eingriffsszenarien zur Verfügung zu stellen.
Gesamtziel des Vorhabens
Ziel des Gesamtprojekts ist ein vertieftes Verständnis der Fußfunktion beim Gehen und die Übertragung dieses Wissens an die orthopädische Chirurgie zur Behandlung von Fußfehlfunktionen, die sich aufgrund verschiedener Krankheitsursachen bereits im Kindesalter entwickeln können. Auf dem Weg dorthin soll ein Fußmodell entwickelt werden, welches alle wesentlichen strukturellen und funktionalen Merkmale von Unterschenkel, Sprunggelenk und Fuß auch in seiner pathologischen Form beinhaltet und quantitative Vorhersagen von möglichen operativen Eingriffen erlaubt.
Die Hauptschritte von 3DFooT sind (i) die Anwendung maschineller Lernalgorithmen auf dreidimensionale (3D) Bewegungsdaten zur Charakterisierung der Fußfunktion, welche über ein bereits vorhandenes klinisches Messprotokoll zur Charakterisierung von Fußphänotypen aufgenommen worden sind, (ii) die Erfassung von objektiven Messdaten vor, während und nach einer Fußoperation zur Bewertung der Muskelstruktur und -mechanik in Bezug auf die Fuß- und Sprunggelenkfunktion, (iii) die Erstellung einer neuartigen muskuloskelettalen Geometrie des Bewegungsapparates, um Strukturanalysen zu ermöglichen, (iv) die Erstellung eines kontinuumsmechanischen 3D-Fußmodells inklusive eines daten-integrierten, mikrostrukturell-motivierten Konstitutionsgesetzen, sowie (v) die Entwicklung eines verbesserten klinischen Protokolls für die Fußbeurteilung, welches 3D-Ultraschall- und optische Scanmethoden umfasst und wesentliche Ergebnisse der Teilprojekte in Bezug auf der experimentellen und rechenbasierten Strukturanalyse des Fußes berücksichtigt.
3DFoot wird sich auf Muskel-Sehnen-Einheiten des Rückfußes konzentrieren, insbesondere auf die Muskeln trizeps surae, tibialis posterior und tibialis anterior mit ihren jeweiligen Sehnen, da sie eine wichtige Rolle bei Fußdeformitäten und der damit verbundenen veränderten Fußbiomechanik beim Gehen spielen. Infolgedessen werden wir den Klumpfuß und den Spitzfuß, sowohl mit neurogener als auch mit nicht-neurogener Ursache, als die häufigsten Fußfehlformen in der Kinderorthopädie adressieren, bei denen diese Muskelsehneneinheiten operiert werden.
Einzigartig ist bei diesem Ansatz, dass die Kraftumsetzungsmöglichkeiten der Fußmuskulatur bei unterschiedlichen Sprunggelenkwinkeln direkt in vivo gemessen werden, was nur in einer intraoperativen Umgebung möglich ist. In Kombination mit Marker-gestützter optischer 3D-Bewegungserfassung und dynamischer 3D-Ultraschallbildgebung beim Gehen sowie mit MRT-Scans, die vor und nach der Operation erstellt werden, wird ein 3D-Kontinuums-mechanisches Modell möglich, das auf einzigartigen mikrostrukturell motivierten Konstitutionsgesetzen basiert und welches mit spezifischen Patientendaten validiert werden wird.
Schließlich können wir mit „3DFoot“ Eingriffe wie Muskelverlängerungen und Transfer-Operationen simulieren. Daher wird es möglicherweise Hinweise zur Dosierung dieser Interventionen zur Verbesserung des Bewegungsapparates geben. Die in 3DFoot vorgeschlagenen Methoden sollen so konzipiert werden, dass sie in naher Zukunft auf die Behandlung anderer Erkrankungen des Bewegungsapparates übertragen werden können. Das Projekt, das ein Türöffner für eine präzisere chirurgische Planung in der Kinderorthopädie ist, eröffnet auch neue Möglichkeiten für andere Forschungsbereiche wie Ergonomie, grundlegende Bewegungswissenschaften, Traumatologie und Sportwissenschaften.
Projektträger
Bundesministerium für Bildung und Forschung, Gesundheitsforschung
Koordinator
Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg
apl. Prof. Dr. Sebastian Wolf
Beteiligte Institute
Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie; Universitätsklinikum Heidelberg
apl. Prof. Dr. Sebastian Wolf, Leiter Bewegungsanalytik
PD Dr. med. Sébastien Hagmann, Leiter der Sektion Kinderorthopädie und Fußchirurgie
Dr. med. Marco Götze, Oberarzt Sektion Kinderorthopädie
Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme, Universität Stuttgart
Prof. Oliver Röhrle, PhD, Institutsleiter
Institut für Bewegungs- und Sportgerontologie, Deutsche Sporthochschule Köln
Dr. Filiz Ates, PhD
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dr. Urs Schneider, Abteilungsleiter
Dr. Okan Avci, PhD Gruppenleiter „Virtual Orthopaedic Lab“
Dr. Alper Yaman, PhD