Im Rahmen der Promotion von Achim Hegner, die im Labor für Biomechanik (www.frankfurt-university.de/biomech) bei Prof. Armin Huß in Kooperation mit der Universidad de Cádiz durchgeführt wird, sind zwei Paper entstanden, die jüngst in der Springer Nature Zeitschrift Biomechanics and Modeling in Mechanobiology (Q1 in den Feldern Mechanical Engineering und Modling and Simulation, Impact factor 3,5 in 2022)erschienen sind.
Die Promotion von Achim Hegner gehört zum Projekt Individuelle Rupturanalyse von Bauchaortenaneurysmen (BAA). Der Krankheitsverlauf von BAA ist durch eine zunehmende, lokal variierende, Degeneration der Gefäßwand gekennzeichnet, die zu einem lebensbedrohlichen Riss (Ruptur) der Gefäßwand führen kann. Beide Veröffentlichungen untersuchen das Potential zeitaufgelöster 3D-Ultraschallaufnahmen (4D Ultraschall), die Patient*innen-individuellen und lokal variierenden Materialeigenschaften von Aneurysmenwänden mit hoher Ortsauflösung von wenigen Quadratmillimetern Wandfläche zu bestimmen. Diese bisher klinisch nicht verfügbare Information ist von großer Bedeutung für die Beurteilung des Krankheitsverlaufs und für die Entscheidung über eine operative Ausschaltung eines Aneurymas, da so die fortschreitende Veränderung der lokalen Materialeigenschaften der Gefäßwand bestimmt werden kann.
„Using averaged models from 4D ultrasound strain imaging allows to significantly differentiate local wall strains in calcified regions of abdominal aortic aneurysms“ (https://link.springer.com/article/10.1007/s10237-023-01738-x) etabliert an humanen BAA-Daten eine Methode zur Verringerung der Messunsicherheit der 4D-Ultraschallmessung und untersucht die Fähigkeit der von Mitarbeitern des PBE in Kooperation mit der Klinik für Gefäß- und Endovascularchirurgie entwickelten Methoden, die Steifigkeit von kalzifizierten und nicht-kalzifizierten Wandregionen verlässlich zu unterscheiden (Abb. 1). Bei der Arbeit „Biomechanical characterization of tissue types in murine dissecting aneurysms based on histology and 4D ultrasound-derived strain“ (https://link.springer.com/article/10.1007/s10237-023-01759-6) handelt es sich um ein Kooperationsprojekt mit Prof. Graig Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, USA. Mit Hilfe eines Vergleichs von 4D Ultraschallaufnahmen und histologischen Schnitten von Mäuseaorten und -aneurysmen (Abb. 2) wird nachgewiesen, dass die im PBE entwickelten Methoden in der Lage sind, aneurysmatisches von nicht-aneurysmatischem Aortengewebe ebenso zu differenzieren wie unterschiedliche Gewebekomponenten (intaktes und fragmentiertes Elastin, verschiedene Thrombustypen).
Abb. 1: Übersicht über den in der Studie genutzten Workflow. Die Aneurysmengeometrien wurden aus den CT- und den 4D-US-Bildern segmentiert. Aus den CT-Bildern konnten zusätzlich die steifen Kalzifizierungen segmentiert werden, die US-Bildgebung bietet zusätzlich eine örtlich hoch aufgelöste dynamische Verformungsmessung über den Herzzyklus. Nach anschließender Registrierung beider Geometrien konnten die örtlichen Dehnungen in Gebiete mit und ohne Kalzifizierungen unterteilt und statistisch analysiert werden. Werden die US-Verformungsmessungen mittels einem in der Studie etablierten Verfahren gemittelt, können sie in diesen Gebieten signifikant unterschieden werden, was bei einer Einzelmessung nicht immer möglich war.
Abb. 2: Übersicht über den in der Studie genutzten Workflow. Für Mäuseaneurysmen wurden in vivo 4D-Ultraschallmessungen und ex vivo histologische Schnitte (Färbungen) erstellt. Die unterschiedlichen Gewebetypen in der Gefäßwand und dem Thrombus wurden anschließend segmentiert. Im nächsten Schritt wurden die Außen- und Lumenkonturen aus beiden Verfahren segmentiert und elastisch registriert. Die daraus resultierenden Verschiebungen wurden als Randbedingungen für Finite-Element-Analysen genutzt, woraus die in vivo Geometrien resultierten. Mittels dieser konnten die in vivo 4D-US Dehnungen der unterschiedlichen Gewebetypen unterschieden werden.