Osteoporose frühzeitig mit Ultraschall erkennen

Kieler Forschungsteam erhält Bundesförderung zur Entwicklung eines neuartigen Ultraschallgeräts.

Osteoporose, auch als „Knochenschwund“ bezeichnet, zählt zu den häufigsten und teuersten Volkskrankheiten weltweit und erhöht das Risiko, einen Knochenbruch zu erleiden. Doch oft wird die Erkrankung erst spät oder gar nicht erkannt und bleibt unbehandelt. Ein Forschungsteam aus der Elektrotechnik und der Medizin der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) will gemeinsam mit dem Kieler Software-Unternehmen sonoware GmbH ein Ultraschallgerät entwickeln, mit dem sich die Knochendichte und -struktur genauer und schonender bestimmen lassen als mit den bisher genutzten Röntgenverfahren. Das neue Diagnosegerät könnte so vielseitiger eingesetzt werden und dazu beitragen, Osteoporose-Erkrankungen schneller und umfassender zu identifizieren, so das Ziel des Forschungsteams. Das jetzt gestartete Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert.

Schallwellen können wichtige Hinweise auf Osteoporose geben

Bislang wird Osteoporose in der Regel durch eine Röntgenuntersuchung festgestellt, die sogenannte Knochendensitometrie. Hierbei wird allerdings nur die Knochendichte gemessen. Zusätzliche Informationen über die Struktur und Materialeigenschaften von Knochen, wie ihre Porosität oder Elastizität, könnten aber weitere wichtige Hinweise auf eine Osteoporose-Erkrankung geben. Diese Angaben soll das Ultraschallgerät liefern, das das Kieler Forschungsteam jetzt zur Marktreife bringen will. Grundlage ist das Ultraschallmessverfahren AMBIT (Acoustical Multipath Bone Investigator), das im Team von Dr. Reinhard Barkmann und Professor Claus-Christian Glüer im Rahmen der Doktorarbeit von Melanie Gräsel entwickelt wurde.

„Zwischen der Schallgeschwindigkeit einerseits und der Knochendichte und der -elastizität andererseits besteht ein direkter physikalischer Zusammenhang. Damit konnten wir erstmals mehrere Einflussfaktoren auf die Knochenfestigkeit bestimmen, mit denen sich Osteoporose-Erkrankungen umfassender als bisher diagnostizieren lassen“, sagt Glüer, Professor für Medizinische Physik an der Medizinischen Fakultät der CAU und Leiter der Sektion Biomedizinische Bildgebung der Klinik für Radiologie und Neuroradiologie am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel, sowie des Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC).

Kompaktes Gerät für den Einsatz in medizinischen Praxen

Im nächsten Schritt soll aus diesem zum Patent angemeldeten Verfahren jetzt ein voll funktionsfähiger Prototyp für den medizinischen Einsatz werden. Um Schallwellen in optimierter Weise zu erzeugen und automatisiert zu vermessen, entwickelt Andreas Bahr, Professor für Sensor System Electronics am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der CAU, den verwendeten Sensorkopf in Kooperation mit Glüers Team weiter. Bahr forscht seit langem zu Sensoren für biomedizinische Anwendungen und ist, wie Glüer, Mitglied bei KiNSIS „Kiel Nano Surface and Interface Science“. In dem nanowissenschaftlichen Forschungsschwerpunkt der CAU haben sie ihre interdisziplinäre Kooperation gestartet.

Für die Praxistauglichkeit ihrer neuen Diagnosetechnik zieht das Forschungsteam auch praktizierende Ärztinnen und Ärzte in die Entwicklung mit ein. „Das Ultraschallgerät soll die Daten nutzerfreundlich in Echtzeit ausgeben und deutlich weniger Platz benötigen als die bisher genutzten, großen Röntgenanlagen. Damit eignet es sich auch für den Einsatz in allgemeinmedizinischen, internistischen oder gynäkologischen Praxen“, sagt Bahr.

Da das zugrunde liegende Messverfahren ohne Röntgenstrahlung auskommt, kann das Ultraschallgerät auch bei Risikopatientinnen und -patienten, Schwangeren oder Frauen in den Wechseljahren angewendet werden. Untersuchungen und Therapiekontrollen wären außerdem häufiger möglich. „Wir gehen davon aus, dass sich Osteoporose so frühzeitiger diagnostizieren lässt und die Behandlung von Betroffenen mit einer engmaschigeren Begleitung verbessert werden kann“, sagt Glüer, der seit langem zur Osteoporose-Diagnostik und verschiedenen bildgebenden Verfahren forscht, insbesondere auch im von Dr. Reinhard Barkmann geleiteten Bereich der medizinischen Ultraschalltechnik.

ZIM-Projekt: Interdisziplinäre Kooperation zwischen Universität und Unternehmen

Als dritter Partner in dem Kooperationsprojekt bringt die sonoware GmbH Erfahrung in der Verarbeitung von hörbaren Schallwellen in Echtzeit ein. Das junge Kieler Unternehmen entwickelt Software für digitale Sprach- und Audiosignalverarbeitung und ist ursprünglich als Ausgründung aus der CAU gestartet. Für das geplante Diagnosegerät wird das Team von sonoware eine Ultraschallwellenanalyse für die medizinische Anwendung entwickeln. Damit lassen sich aus der vermessenen Schallausbreitung die Materialeigenschaften des Knochens ableiten. Für die Auswertung der Messdaten kombinieren sie unter anderem klassische Methoden der Audiosignalverarbeitung mit Ansätzen der Künstlichen Intelligenz.

„Medizinische Diagnostik, Sensorentwicklung und Signalverarbeitung ergänzen sich in diesem Projekt in idealer Weise. Wir hoffen, durch diese Kombination von elektrotechnischen und medizinischen Kompetenzen ein zuverlässiges, vielseitig einsetzbares und strahlungsfreies Diagnosegerät für eine der häufigsten Volkskrankheiten entwickeln zu können“, sagt Bahr.

Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
Mit dem bundesweiten, technologie- und branchenoffenen Förderprogramm ZIM unterstützt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Mittelständische Unternehmen und kooperierende Forschungseinrichtungen mit Zuschüssen für anspruchsvolle Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die zu neuen Produkten, technischen Dienstleistungen oder besseren Produktionsverfahren führen. Wesentlich für eine Bewilligung sind der technologische Innovationsgehalt sowie gute Marktchancen der geförderten Projekte.

Eckdaten zum Projekt:
• Projekt „AMBIT-Scanner: Entwicklung eines Live-Diagnostik Moduls für ein strahlungsfreies Gerät zur Bestimmung der Knochendichte und -struktur auf Basis eines innovativen Ultraschall-Ansatzes für die medizinische Diagnostik“
• Projektlaufzeit: 01. November 2021 bis 31. Oktober 2023
• Projektpartner: sonoware GmbH, Sektion Biomedizinische Bildgebung, Professur für Sensor System Electronics, Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik
• Fördervolumen (gesamt): 463.866 €, davon:
• Sensor System Electronics: 204.733 €
• Sektion Biomedizinische Bildgebung: 97.311 €
• sonoware: 161.822 €

Fotos stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/278-Osteoporose-1.jpg
Bildunterschrift: Mit zunehmendem Alter nimmt die Knochendichte ab, der Knochen wird porös und das Risiko für einen Knochenbruch steigt. Links ein Querschnitt durch ein osteoporotisches Schienbein (30% Porosität), rechts im Vergleich dazu ein gesunder Knochen (5% Porosität). Nicht nur in Deutschland steigt das osteoporosebedingte Knochenbruchrisiko aufgrund der demographischen Entwicklung.© Sektion Biomedizinische Bildgebung

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/278-Osteoporose-2.jpg
Bildunterschrift: Das Kieler Ultraschallgerät (hier in einem ersten Modell) wird sehr viel kleiner sein als die bisher genutzten Röntgengeräte. Gemessen werden soll am Schienbein – der Knochen liegt hier fast direkt unter der Haut und eignet sich so sehr gut für Ultraschallmessungen.
© Reinhard Barkmann

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2021/278-Osteoporose-3.jpg
Bildunterschrift: Das Kick-Off-Treffen mit den Teams aus der Medizinischen und der Technischen Fakultät der CAU und der Softwarefirma sonoware
fand im November im Kieler Innovations- und Technologiezentrum (KITZ) statt
© privat

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Claus-C. Glüer
Sektion Biomedizinische Bildgebung
Klinik für Radiologie und Neuroradiologie
Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC)
Telefon: 0431/880-5831
E-Mail: glueer@rad.uni-kiel.de
http://www.moincc.de

Prof. Dr.-Ing. Andreas Bahr
Technische Fakultät
Sensor System Electronics
Telefon: 0431/880-6165
E-Mail: ab@tf.uni-kiel.de
http://www.se.tf.uni-kiel.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/278-osteoporose Link zur Meldung
http://www.zim.de Website Förderprogramm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM)
http://www.kinsis.uni-kiel.de Website des Forschungschwerpunkts Kiel Nano, Surface and Interface Science KiNSIS