Neue Instrumente verbessern Kenntnisse über Rückenschmerzen
Rückenschmerzen sind eine bedeutsame Erkrankung mit europaweit zunehmender Relevanz. In schweren Fällen muss die Wirbelsäule operativ stabilisiert werden. Zeitpunkt und Ablauf des chirurgischen Eingriffs unterliegen jedoch höchst subjektiven Maßgaben. Das EU-finanzierte Projekt iBack entwickelte Instrumente für die automatisierte Auswertung medizinischer Scans, um die biomechanischen Eigenschaften der Wirbelsäule festzustellen und genauere Daten über die Gründe für das Gelingen oder Misslingen eines Eingriffs zu liefern. Der klinische Radiologe und Projektkoordinator Jan Kirschke erläutert dazu: „Oft werden operativ nur biomechanische Parameter der Wirbelsäule korrigiert, in der Hoffnung, die Schmerzen zu lindern. Dies kann aber nur auf der klinischen Erfahrung des Operierenden beruhen, da sich die jeweilige biomechanische Konstitution im Vorfeld nicht ermitteln lässt.“
Opportunistische Messungen
Kirschke und seine Arbeitsgruppe an der Technischen Universität München schauten sich hierfür mehrere bildbasierte Biomarker an, die Aussagen über die biomechanischen Eigenschaften der Knochen zulassen, etwa die Knochenmineraldichte. Sie ist vor allem bei Wirbelsäulenoperationen entscheidend, da sie den Halt der Schrauben im Knochen beeinflusst. „In vielen Fällen konnten wir tatsächlich eine geringe Knochendichte feststellen, was ohne spezielle Messungen nicht erkennbar gewesen wäre. Um das chirurgische Vorgehen zu planen und Komplikationen zu vermeiden, muss eine Osteoporose zuverlässig mit quantitativen Messungen bestimmt werden können“, erklärt Kirschke. Im Rahmen von iBack entwickelte die Arbeitsgruppe um Kirschke nun ein ML-Softwareprogramm (maschinelles Lernen), das die Knochendichte aus CT-Scans ermittelt. Das System steht derzeit allen Forschenden offen, um etwa chirurgische Ergebnisse auszuwerten. Mit einem Proof of Concept Grant konnte Kirschke die Software zu einem klinisch validierten Produkt für die präoperative Planung weiterentwickeln.
Analysen der Wirbelsäulenbelastung
Die zweite wichtige Entwicklung von iBack war ein biomechanisches Modell der Wirbelsäule. „Es führt wichtige anthropometrische Patientendaten etwa zu Knochen, Muskeln, Sehnen und Körpergewicht zusammen und kann unterschiedlichste Aktionen wie Gehen oder Lastenheben simulieren, um die auf jeden einzelnen Wirbel wirkenden Kräfte zu berechnen“, so Kirschke. Nun untersucht die Arbeitsgruppe diese lokalen Belastungen als mögliche Ursache für Rückenschmerzen und ausbleibenden operativen Erfolg, um schließlich patientenspezifisch das optimale mechanische Implantat auswählen zu können. „In einigen früheren Studien wurden diese (meist weniger als 10) Scans manuell kommentiert, und damit war der Handlungsspielraum schon erschöpft“, fügt Kirschke hinzu. „Unsere Algorithmen können nun in wenigen Tagen Tausende Fälle auswerten, was die Möglichkeiten deutlich erweitert.“ Unterstützt wurde die Arbeit vom Europäischen Forschungsrat. „Als ich das Projekt vor sieben Jahren begann, war künstliche Intelligenz noch in der Entwicklung, was sich aber längst geändert hat.“ Kirschke beschäftigt sich derzeit mit der Auswertung großer Datenmengen, etwa aus der Deutschen Nationalkohorte, die hochauflösende MRT-Scans von 30 000 Krankheitsfällen umfasst. „Mit diesen Techniken könnten durchaus in großem Maßstab epidemiologische Daten ausgewertet werden, um Ursachen und Zusammenhänge chronischer Rückenschmerzen genauer zu erforschen“, schließt er.
Schlüsselbegriffe
iBack, Wirbelsäule, Rücken, Schmerzen, Eingriff, chirurgisch, Scan, MRT, biomechanisch, Osteoporose, Stabilisierung, Algorithmen, anthropometrisch, Belastung
