Universiteit

Binnenste van botten onthult belasting en loopgedrag

  • 31 januari 2013

De vorm en structuur van botten veranderen als gevolg van de krachten die erop werken. Onderzoeker Patrik Christen van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) gebruikte dit gegeven om aan de hand van de botstructuur de mate van belasting te bepalen. Kennis hierover kan van belang zijn voor het voorspellen van het verloop van botziekten en de behandeling daarvan, maar ook voor het ophelderen van loopgedrag van uitgestorven soorten. Christen promoveert maandag 4 februari aan de TU/e.

Het vermogen van het skelet om zich aan te kunnen passen aan de manier van belasting staat bekend als de wet van Wolff. Botweefsel bevat speciale cellen die gevoelig zijn voor de mechanische krachten die op het bot werken. Daar waar de druk op het bot hoog is wordt meer botmassa aangemaakt. Op de plaatsen met weinig druk wordt botweefsel juist afgebroken. Dit proces is goed zichtbaar in bijvoorbeeld tennisspelers, waar de zwaar belaste slagarm in botmassa toeneemt, of in astronauten waarbij na een ruimtereis de botmassa in de benen door geringe belasting juist is afgenomen.

Algoritme
Christen heeft juist het omgekeerde van de wet van Wolff als uitgangspunt genomen, namelijk dat je op basis van de botstructuur een uitspraak kunt doen over de krachtenwerking in het verleden. Hij ontwikkelde een algoritme dat in afbeeldingen van een micro-CT-scan zoekt naar door belasting gegenereerde patronen in de microstructuur van botten. Dit vertaalt het programma naar een krachtenverdeling op het bot. Christen paste zijn methode toe op onder andere pols- en heupbotten, waarbij zijn uitkomsten zeer goed in overeenstemming waren met in andere studies verkregen data over de belasting. Volgens Christen is zijn onderzoeksgroep Orthopaedic Biomechanics van de TU/e de enige ter wereld die aan de hand van de microstructuur van het bot het belastingverleden bloot kan leggen.

Een afbeelding van een micro-CT-scan van het uiteinde van een menselijk dijbeen. De dwarsdoorsnede toont de interne microstructuur van het bot. Foto: TU Eindhoven

Toepassingen
De methode heeft een aantal praktische toepassingen. Zo is kennis over het krachtenspel op de botten van belang om het verloop van botziekten als osteoporose beter te kunnen voorspellen, en om in te kunnen schatten hoe effectief een bepaalde behandeling zal zijn. Pijnlijke en gevaarlijke botbreuken kunnen zo worden voorkomen. Ook kan de methode van Christen helpen om de vorm van een implantaat zodanig te verbeteren dat de kans dat deze later loskomt verkleind wordt. Tenslotte verwacht Christen dat de methode bruikbaar is voor het ophelderen van het loopgedrag van uitgestorven soorten, zoals dinosauriërs of onze voorouders, aan de hand van de botstructuur in fossielen.

Patrik Christen promoveert maandag 4 februari aan de TU Eindhoven op zijn proefschrift getiteld Deciphering the Secret Message within Bone Microstructure. Zijn promotor is prof.dr. Keita Ito, TU/e-hoogleraar Orthopaedic Biomechanics. Copromotor is dr.ir. Bert van Rietbergen.