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Die Hauptziele der Forschungsgruppe sind die Kombination der quantitativen Bildgebung mit der numerischen Modellierung, um so die biomechanischen Fähigkeiten des muskuloskeletalen Gewebes unter normalen und pathologischen Heilungsbedingungen zu beurteilen. Die elastische Wechselwirkung von Ultraschallwellen mit dem Material soll dabei die Heilung fördern.

Ein wesentlicher Aspekt unserer Forschungstätigkeit ist die Entwicklung und Anwendung neuer Untersuchungstechnologien mit dem Ziel, diese zur Beantwortung spezifischer Fragestellungen an muskuloskeletalen Systemen (Knochen, Knorpel, Muskel, Zellen) einzusetzen. Die zunehmende Komplexität dieser Fachrichtung erfordert heutzutage eine effektive Interaktion verschiedenster Wissenschaftsdisziplinen. Die Q-BAM Arbeitsgruppe setzt sich daher aus Ingenieuren, Physikern, Medizinern, Biologen, Informatikern und Bioinformatikern zusammen, was der Interdisziplinarität muskuloskeletaler Forschung Rechnung trägt. Darüber hinaus arbeitet unser Labor eng mit deutschen und internationalen Partnerinstituten, z.B. im Deutsch-Französischen Forschungsnetzwerk "Ultrasound assessment of bone strength from the tissue level to the organ level" zusammen.

Unsere Arbeitsgruppe hat in den letzten Jahren eine ausgewiesene Expertise auf dem Gebiet der quantitativen akustischen Mikroskopie mineralisierter Gewebe erlangt. Da jedoch keine der momentan verfügbaren experimentellen Methoden in der Lage ist, das komplexe Zusammenspiel von Komposition, Struktur und den daraus resultierenden anisotropen elastischen Eigenschaften zu erfassen, wurden die akustischen Methoden vielfach in Kombination mit anderen innovativen Methoden eingesetzt (Synchrotron-µCT, Ramanspektroskopie, Nanoindentation, in-vivo Ultraschall, Finite Elemente Analyse). Der Fokus der Arbeiten verlagert sich dabei zunehmend von der technologischen Entwicklung zu grundlagenorientierten und medizinisch relevanten Anwendungen.

    Aktuelle Fragestellungen

    • Ableitung von Struktur und Gewebeelastizität der Makro-, Meso- und Mikrostruktur mit Hilfe akustischer Mikroskopie
    • Beziehungen zwischen Gewebemineralisierung und Elastizität auf mikroskopischer (lamellärer) und mesoskopischer (Gewebe-)Ebene
    • Entwicklung und Validierung neuer Ultraschall in-vivo-Verfahren zur nicht-invasiven Ableitung frakturrelevanter Knochenveränderungen am peripheren Skelett (distaler Radius, proximales Femur, Fingerphalangen)
    • Einfluss von Struktur und Gewebeelastizität auf die Frakturresistenz nach Kallusdistraktion
    • Untersuchung genetischer Einflüsse auf den "elastischen Knochenphänotyp" am Mausmodell
    • Entwicklung von experimentell validierten numerischen Homogenisierungsmodellen zur Beschreibung des elastischen Verhaltens von kortikalem Knochen

    Publikationen (Auswahl)

    Nguyen Minh H, Du J, Raum K. Estimation of Thickness and Speed of Sound in Cortical Bone Using Multifocus Pulse-Echo Ultrasound. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2020 Mar;67(3):568-579. doi: 10.1109/TUFFC.2019.2948896. Epub 2019 Oct 24. PMID: 31647428.

    Karbalaeisadegh Y, Yousefian O, Iori G, Raum K, Muller M. Acoustic diffusion constant of cortical bone: Numerical simulation study of the effect of pore size and pore density on multiple scattering. J Acoust Soc Am. 2019 Aug;146(2):1015. doi: 10.1121/1.5121010. PMID: 31472561; PMCID: PMC6687498.

    Iori G, Schneider J, Reisinger A, Heyer F, Peralta L, Wyers C, Gräsel M, Barkmann R, Glüer CC, van den Bergh JP, Pahr D, Raum K. Large cortical bone pores in the tibia are associated with proximal femur strength. PLoS One. 2019 Apr 17;14(4):e0215405. doi: 10.1371/journal.pone.0215405. Erratum in: PLoS One. 2019 Jul 5;14(7):e0219443. PMID: 30995279; PMCID: PMC6469812.

    Schneider J, Iori G, Ramiandrisoa D, Hammami M, Gräsel M, Chappard C, Barkmann R, Laugier P, Grimal Q, Minonzio JG, Raum K. Ex vivo cortical porosity and thickness predictions at the tibia using full-spectrum ultrasonic guided-wave analysis. Arch Osteoporos. 2019 Feb 20;14(1):21. doi: 10.1007/s11657-019-0578-1. PMID: 30783777; PMCID: PMC6394459.

    Schneider J, Ramiandrisoa D, Armbrecht G, Ritter Z, Felsenberg D, Raum K, Minonzio JG. In Vivo Measurements of Cortical Thickness and Porosity at the Proximal Third of the Tibia Using Guided Waves: Comparison with Site-Matched Peripheral Quantitative Computed Tomography and Distal High-Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography. Ultrasound Med Biol. 2019 May;45(5):1234-1242. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2019.01.008. Epub 2019 Feb 15. PMID: 30777311.

    Team

    Prof. Dr. Dr. Kay Raum

    Kontaktinformationen
    Anschrift:Charité – Universitätsmedizin Berlin
    BIH Center for Regenerative Therapies
    Augustenburger Platz 1
    13353 Berlin

    Telefon:+49 (0)30 450 539 503
    E-Mail:kay.raum@charite.de
    Teammitglieder
    Name Funktion E-Mail Telefonnummer
    Urszula Zabarylo Wissenschaftliche Mitarbeiterin urszula.zabarylo@charite.de +49 (0)30 450 639 506
    Regina Puts Postdoc regina.puts@charite.de +49 (0)30 450 539 506
    Huong Minh Nguyen Doktorandin huong.nguyen-minh@charite.de +49 (0)30 450 539 504
    Omar Gachouch Gastwissenschaftler omar.gachouch@charite.de  
    Jonas Massmann Gastwissenschaftler jonas.massmann@charite.de +49 (0)30 450 539 593
    Nirina Carolinea Camille Beilfuß Master-Studentin nirina.beilfuß@charite.de +49 (0)30 450 639 506
    Maria Shaka Bachelor-Studentin maria.shaka@charite.de +49 (0)30 450 639 506

    Methoden