T2-Mapping zur subklinischen Detektion von juvenilen Knorpelschäden: Ein interdisziplinärer Ansatz unter dynamischen Bedingungen

Hintergrund: Der Gelenkknorpel im Knie weist einen hohen Wassergehalt von bis zu 70% auf, wobei die Wassermoleküle als Dipole an die negativ geladenen Glykosaminoglykanseitenketten der Knorpelmatrix gebunden sind. Diese gebundene Wassermenge verleiht dem Knorpel seine prallelastische Druckfestigkeit. Bisherige klinische Beurteilungen des Kniegelenks erfolgten vorwiegend morphologisch mittels MRT-Sequenzen, wie T1-, T2- und Protonen-gewichteten Bildern. Das T2-Mapping ermöglicht jedoch die quantitative Bestimmung der T2-Relaxationszeit, die ein Marker für die strukturelle Integrität des Knorpels ist, da sie vom Anteil des freien Wassers abhängt. Subklinische Veränderungen, die später zu Arthrose führen können, lassen sich dadurch möglicherweise frühzeitig erkennen. Eine Interpolation der Schäden ist aber alleine mit dieser Methode nicht möglich. Diese wäre aber für präventive Maßnahmen von entscheidender Bedeutung.

Methoden: In einer prospektiven Machbarkeitsstudie werden fünf jugendliche Probanden mit hohem Knieimpact (Leistungssport Volleyball) untersucht. Es erfolgt eine instrumentelle Ganganalyse zur Erfassung der Belastungsprofile, gefolgt von einer Untersuchung im 3-Tesla-MRT mit statischen 3D PD-FS MR-Sequenzen und T2-Mapping der Knorpel sowohl in gestreckter als auch in 40° gebeugter Knieposition. Darüber hinaus werden dynamische, ultraschnelle Realtime-MRT-Sequenzen (rt) zur Echtzeitbewegungsanalyse akquiriert. Die MR-Daten werden segmentiert und in 3D-Modelle umgewandelt. Die Ganganalysedaten liefern die Kniekontaktkräfte und Bewegungswinkel, die in eine Finite Elemente (FE) Analyse integriert werden, um die Spannungsverteilung im Knorpel während des Gangzyklus zu simulieren. Hierbei wird das Kniegelenk in ein Netzwerk kleiner, einfacher Elemente unterteilt, wodurch komplexe Geometrien und Materialeigenschaften detailliert abgebildet werden können. Durch die Anwendung der aus der Ganganalyse gewonnenen Kräfte und Bewegungen auf dieses Modell kann die Spannungs- und Dehnungsverteilung im Knorpel während des Gangzyklus simuliert und visualisiert werden. Dies erlaubt eine präzise Einschätzung der mechanischen Belastung jedes einzelnen Knorpelabschnitts.

Ergebnisse: Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus statischer MRT, Ganganalyse und FE-Modellierung die Belastungszonen im Kniegelenk präzise vorhersagen können. Bereiche mit erhöhten Spannungen im FE-Modell korrespondieren mit erhöhten T2-Relaxationszeiten im T2-Mapping, was auf potenzielle Frühformen von Knorpelschäden hinweist. Die rt-MRT ermöglicht zudem die Validierung der dynamischen Belastungsmuster in Bewegung, was die Modellierung realistischer macht.

Diskussion: Die Integration von statischer und dynamischer MRT, Ganganalyse und FE-Modellierung stellt einen vielversprechenden multimodalen Ansatz dar, um belastungsabhängige Knorpelveränderungen frühzeitig zu erkennen. Die Methode erlaubt eine individualisierte Risikoabschätzung und könnte in Zukunft präventive Maßnahmen gegen Überlastung und Arthrose ermöglichen. Die Validierung der Modelle anhand des Mappings ist ein wichtiger Schritt, um die klinische Anwendbarkeit zu verbessern.

Fazit: Das innovative Zusammenspiel aus dynamischer Bildgebung, Ganganalyse, biomechanischer Modellierung und T2-Mapping bietet das Potenzial, subklinische Knorpelschäden im Knie frühzeitig zu identifizieren. Dies könnte die Grundlage für personalisierte Präventionsstrategien gegen vorzeitige Arthrose bilden, die klinische Diagnostik im Kniegelenk deutlich verbessern und sogar simulieren, wie sich die Knorpelveränderungen weiterentwickeln.

Publication History

Article published online:
25 August 2025