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12.12.2018
8 Uhr 9

 

 

 

 


mechanische Kräfte an der Wirbelsäule genau untersucht

bearbeitet von unserem(r) Redakteur(in) Roland Bruzek

22.04.15




Mit Hilfe des Programms Open Sim der Universität Stanford berechnet die Empa die Kraftverteilung im Rücken, wenn ein Mensch eine Last hebt

 

aus: Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilung
Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Rainer
Klose, 22.04.2015

Rückenschmerzen – eine Frage der Mechanik

Zusammen mit der University of Pittsburgh und der Universitätsklinik
Balgrist entschlüsselt die Empa die Mechanik der unteren Rückenwirbel. Die
Forscher können nun zeigen, wie es zum Verschleiss an Wirbelköpern und
Bandscheiben kommt. Die gezielte Auswahl der richtigen Therapie wird
dadurch einfacher.

Die einen sagen, Rückenschmerzen seien der Preis für den aufrechten Gang.
Die anderen sagen, das Problem der Rückenschmerzen habe erst begonnen, als
der Mensch sich hingesetzt hat, um nachzudenken: Mangelnde Bewegung
schwächt die Muskeln, dazu kommt Stress im Privatleben oder am
Arbeitsplatz. Die Rückenmuskeln verkrampfen und tun weh.
Meist lässt sich das Problem durch Lockerung und Stärkung der
Rückenmuskeln beheben. Doch bei jedem siebten Betroffenen gelingt dies
nicht; selbst die Verabreichung von Opiaten hilft dann nicht mehr. Nur
eine Operation kann das Leiden beenden. In schweren Fällen werden defekte
Rückenwirbel oder Bandscheiben mit einer Metallkonstruktion überbrückt
(intervertebrale Fusion). Das fixierte Segment verknöchert und kann
zunächst keine Schmerzen mehr auslösen. Doch derartige Reparatur-
Operationen bringen den Patienten nur für wenige Jahre Linderung, dann
tritt das Problem an den benachbarten Wirbeln erneut auf. Die Frage ist:
Warum ist das so, und wie könnte man das verhindern?
Bernhard Weisse forscht mit seinem Team an der Empa an genau diesen
mechanischen Fragen. Um zu verstehen, warum und wie schnell eine
Bandscheibe verschleisst, müssen die Forscher die Kräfte kennen, die in
diesem Bereich wirken. Und dazu wiederum braucht es eine exakte Kenntnis
der Form, der Elastizität und der Beweglichkeit der einzelnen Elemente –
es ist eine Fragestellung für Maschinenbauingenieure.

Der Skelett-Simulator
In einem ersten Schritt feilten die Empa-Forscher an der theoretischen
Grundlage: Weisses Team fütterte Wirbelsäulengeometriedaten von 81
Patienten  in das Computerprogramm Open Sim – ein von der Stanford
University entwickeltes, weltweit genutztes Simulationsprogramm für den
menschlichen Bewegungsapparat. Dann galt es, die Biomechanik in der
Computersimulation möglichst genau abzubilden: Verhält sich eine
Bandscheibe wie ein Kugelgelenk? Oder eher wie ein Gummilager? Welchen
Einfluss haben die Muskeln dabei – bleibt das Gummilager immer gleich
steif, oder verändert sich die Steifigkeit, abhängig vom Biegungswinkel?
Hierfür arbeitete die Empa mit dem Laboratorium für orthopädische
Biomechanik der Uniklinik Balgrist (Universität Zürich) und dem Institut
für Biomechanik der ETH Zürich zusammen.
Den Wissenschaftlern gelang es mit Hilfe des Computermodells, die Mechanik
nachzubilden. Ergebnis: bei Menschen mit einer bestimmten Fehlstellung der
Wirbelsäule die Bandscheiben schon im gesunden Zustand um bis zu 34
Prozent stärker belastet. Geht eine Bandscheibe kaputt und wird
überbrückt, steigt die Belastung in den Nachbargelenken noch weiter an und
kann bis zu 45 Prozent höher sein als beim Menschen ohne diese
Fehlstellung.

Individuelle Therapie-Empfehlungen werden möglich
Doch allein die Computeranalyse eines Gesundheitsproblems reicht nicht.
Ziel ist es, für jeden Patienten eine individuelle Diagnose zu stellen und
die passende Therapie zu empfehlen. Eine Kooperation mit US-
Wissenschaftlern, finanziert vom Schweizerischen Nationalfonds, half hier
weiter: Forscher der University of Pittsburgh haben ein neuartiges 3-D-R
öntgen-Videosystem entwickelt. Es nennt sich «Digital Stereo-X-Ray
Imaging» (DSX) und kann die Bewegung der Wirbelsäule mit 250 Bildern pro
Sekunde wiedergeben, während die Position der Wirbel auf 0,2 Millimeter
genau zu sehen ist. Der Trick dabei: Die unscharfen Röntgenbilder der
Bewegung werden mit scharfen CT-Bildern des still liegenden Patienten im
Computer kombiniert.
Einer der dort tätigen Forscher, Ameet Aiyangar, war bereits im Jahr 2009
als Gastwissenschaftler an der Empa und kehrt nun an die Empa zurück. In
Pittsburgh hat er zwölf gesunde Menschen Gewichte heben lassen und
hochauflösende Filme ihrer Wirbelsäulenbewegung produziert. Derzeit ist
Aiyangar dabei, die aufgenommenen Röntgenfilme mit den Computermodellen
des jeweiligen Probanden abzugleichen.
Nachdem das Modell für gesunde Menschen stimmig ist, wollen die Forscher
mit dieser Methode die Problematik der Spondylodese
(Wirbelkörperverblockung) untersuchen. Dazu werden Patienten vor und nach
der Operation mit dem DSX-System gefilmt und die Bewegung ihrer Wirbel
analysiert. So lässt sich bestimmen, welche Kräfte im Bereich der unteren
Wirbelsäule vor der Operation gewirkt haben und was die Überbrückung der
Wirbel an dieser Kräfteverteilung geändert hat. Die Untersuchung wird
helfen, den Verschleiss von Rückenwirbeln besser zu verstehen und die
Ursache von Schmerzen im unteren Rückenbereich genauer zu lokalisieren.In
Zukunft könnte es eine derartige Computeranalyse für alle Rücken-OP-
Patienten geben.

 

Weitere Informationen finden Sie unter

http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/157682/---/l=1
https://flic.kr/s/aHsk9JU5H8

Quelle: Pressemitteilung: http://idw-online.de/de/news629753

 


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