In der präklinischen Strahlenforschung wird auf Tierversuche, vorrangig an Kleintieren, wie Mäusen oder Ratten, zurückgegriffen, damit neue Behandlungskonzepte untersucht und verifiziert werden können, bevor diese in die Klinik umgesetzt werden. Eine präzise Bestrahlung wird mit Hilfe von individuellen Computertomographie (CT)-Bildern geplant, um die Verteilung der Strahlendosis im Tumor sowie im gesunden Gewebe zu berechnen. Als weiteres bildgebendes Verfahren in der präklinischen Forschung bietet die Biolumineszenz (BL)-Bildgebung mehrere Vorteile, vor allem um die Tumorausdehnung zu erfassen, das Ansprechen des Tumors auf die Bestrahlung zu untersuchen, oder die Bildung von Metastasen nachzuweisen, da diese Informationen nur bedingt durch die CT zu gewinnen sind. Ein Bestrahlungsgerät mit integrierter BL-Bildgebung ermöglicht deshalb eine biologische Anpassung des Behandlungskonzepts unmittelbar vor einer Bestrahlung, ohne das Tier weiter zu bewegen oder mit zusätzlichen Untersuchungen zu belasten.

Künstliche Modelle, sogenannte Phantome, bieten eine gute Möglichkeit zur Verringerung oder Ersetzung von Tierversuchen, indem diese für die Kalibrierung und Qualifizierung der zunehmend komplexeren Verläufe sowie für die technische Optimierung der Behandlungstechniken eingesetzt werden. Während in den letzten Jahren immer mehr Phantome für die CT-geführte Berechnung und die Messung der Strahlendosis entwickelt worden sind, gibt es noch Bedarf für anatomisch korrekte Modelle, welche eine Verifikation des gesamten Prozesses, von der kombinierten CT-BL-Bildgebung bis zur Bestrahlung, ermöglichen. Daher ist das Ziel des Projekts PEEK die Entwicklung eines Kleintier-Phantoms zur „end-to-end“ Verifizierung einer Kleintierbestrahlung mit integrierter CT- und BL-Bildgebung.

Das zu entwickelnde Phantom soll zunächst die Möglichkeit bieten, eine Untersuchung und Kalibrierung an der präklinische Plattform SmART+ der Firma Precision X-Ray so durchzuführen, dass zur präzisen Lokalisierung und Ausdehnung des Tumors und/oder der Metastasen die BL-Bilder mit den CT-Bildern miteinander fusioniert werden können (s. Abbildung 1). Zu diesem Zweck sollen verschiedenen Materialien untersucht werden, welche sowohl bezüglich der Absorption von Röntgenstrahlen als auch der Ausbreitung der BL-Signale biologisches Gewebe nachahmen. Mittels additiver Fertigung und durch Integration von geeigneten Gewebesurrogaten sollen vorhandene Phantom-Prototypen optimiert werden. Des Weiteren sollen Zellen oder ex-vivo Gewebeproben untersucht und integriert werden. Monte Carlo Simulationen sollen zusätzlich die Genauigkeit der Bestimmung der Tumorlokalisation und -Ausdehnung sowie der dafür vorgesehenen Berechnungsalgorithmen untersuchen.

Osteoporosis, the most prevalent bone disorder in the world, is a significant risk factor for fragility fracture in elderly individuals. The bone fracture can result in chronic pain, decreased overall health status, reduced mobility and sometimes loss of independence, and finally has high clinical and economic burden. Human bone is a complex composite material with a hierarchical structure at different length scales, resulting in a unique mix of strength and toughness characterized by its constituents: mineral, collagen, and non-collagenous elements. Many of bone’s strength and toughness mechanisms are tied to the formation and repair of microcracks. High energy loading causes many microcracks in the bone structure, which disperse energy and prevent the formation of a major bone fracture. It is known that the crack propagation behavior of aged or diseased bone differs from that of healthy bone, resulting in a considerable drop in bone fracture toughness. To prevent the cracks from accumulating, bone’s ability to repair damaged tissue (e.g., micro-cracks), known as remodeling, comes into action, resorbing damaged bone and replacing it with new bone. A new osteon is formed as a result of the remodeling process, as well as a thin interface between the new osteons and the surrounding matrix. This interface layer, known as the cement line, is typically 2-5m thick and serves as a preferred site for micro-crack deflection. The remodeling process, which is a fundamental process in bone metabolism, is directed by mechanosensitive osteocytes embedded in the bone matrix. Their voids, known as osteocyte lacunae, indicate a gap in the bone structure. The dimensions and spatial layout of the lacuna differ considerably depending on age and disease. Their appearance in terms of size, form, and distribution can have a direct impact on bone strength and fracture risk, as well as lead to lower energy dissipation capacities, making the bone more fragile. As a result, the osteocyte lacuna arrangement, as well as the cement lines, play an important role in the mechanical properties of cortical bone, including fracture toughness and bone integrity. Changes in cortical bone microstructure may be linked to impaired fracture propagation behavior, resulting in altered bone toughness qualities. However, it is unclear how (age- or disease-related) changes in lacunar and osteonal architecture serve as either potential stress concentrators causing crack initiations or barriers slowing the propagation of micro-cracks. Today, new imaging methods like micro-computed tomography (1µm image resolution) and quantitative backscattered imaging allow for the quantification of bone structures and composition, allowing for the computational simulation of crack mechanisms. Notably, due to the challenges in experimental work, computational analysis such as the Finite Element Method (FEM) are powerful tools for studying bone fracture mechanisms and can be efficiently used to model competing toughening mechanisms and study microstructural effects on bone fracture properties.

The main goal of the proposed work is to develop a computational approach to model the crack initiation and propagation in cortical bone respecting cement line and osteon structure as well as osteocyte density and shape. Therefore, the disease- and age-related changes in the structural characteristics of the bone matrix including the osteocyte lacuna distribution and Haversian canal size and shape will be determined using micro computed tomography. Then, the analysis of the micro-crack initiation and propagation in the bone microstructure in presence of osteocyte lacunae and Haversian canals will be performed to assess the fracture toughness of the cortical bone. It is worth noting that during the analysis, the image segmentation due to precisely diagnosing the borders of cement lines around the osteon will be optimized to study the role of micro-crack initiation, propagation and accumulation mechanism in cortical bone.