Wie reagiert die Wirbelsäule auf Belastungen? Welche Kräfte wirken auf die Bandscheiben bei alltäglichen Bewegungen und welche Rolle spielen dabei Bänder und Muskeln? All diese Fragen untersuchen Wissenschaftler des Exzellenzclusters SimTech der Universität Stuttgart im Rahmen des Projekts „Multi-body simulation of the human spine: calculation of internal loads and multi-scale coupling with finite element analysis“ unter der Leitung von Dr. Syn Schmitt und Prof. Wolfgang Ehlers. Zusammen mit der Doktorandin Tille Karoline Rupp vom Institut für Sport- und Bewegungswissenschaft haben sie ein virtuelles Simulationsmodell des gesamten Menschen mit einer detaillierten Wirbelsäule erstellt. Um experimentell zu überprüfen, inwieweit das Modell die Realität abbildet und Vorhersagekraft besitzt, haben die SimTech-Forscher im Labor die Alltagsbewegungen von zehn Testpersonen unter die Lupe genommen.
Vor und zurück, links und rechts, und beides jeweils im Stehen und Sitzen – zahlreiche Elektroden am Körper registrieren die Muskelaktivität, während die Probanden die Bewegungen ausführen. An jedem einzelnen Wirbelkörper brachten die Forscher außerdem von außen reflektierende Marker an, die mit zwei Kameras aufgenommen wurden, um später die Raumkoordinaten der einzelnen Wirbel berechnen zu können. Die Probanden standen oder saßen auf Kraftmessplatten, welche die Bodenreaktionskräfte messen und den direkten Kontakt zwischen Mensch und Umwelt darstellen. Nach der Auswertung können die Muskelaktivität, die Wirbelkoordinaten und die Bodenreaktionskräfte als Vergleichsdaten zum Computermodell genutzt werden. Das neu entwickelte, skalierbare Mehrkörpermodell des Menschen mit detaillierter Wirbelsäule ist ein komplexes, sogenanntes vorwärts-dynamisches Modell, bei dem die Bewegung durch die Aktivierung der verwendeten Muskeln erzeugt wird. Als Basis für die Skelettgeometrie, das heißt die Längen und die Anordnung, dienten Literaturdaten. Die Knochen, zum Beispiel in der Wirbelsäule die Wirbelkörper, werden als Starrkörper modelliert. Für die Bänder der Wirbelsäule wurde ein Bandmodell auf Basis von Literaturdaten entwickelt. Bei der Modellierung der Bandscheibe konnte ein ebenfalls im SimTech-Projektnetzwerk entwickeltes Modell vom Institut für Mechanik (Bauwesen) verwendet werden. Das so erstellte vorwärts-dynamische Modell verwendet einen physiologisch motivierten Regelalgorithmus, um die einzelnen Muskeln möglichst menschenähnlich anzusteuern.
Weitere Informationen bei Dr. Syn Schmitt, Institut für Sport- und Bewegungswissenschaft, Tel. 0711/685-60484, e-mail: syn.schmitt (at) inspo.uni-stuttgart.de; www.simtech.uni-stuttgart.de
