Zukunft Forschung 01/2023

TITELTHEMA
TITELTHEMA
DAS MUSKULOSKELETTALE System des Menschen umfasst
Knochen, Gelenke, Muskeln, Sehnen und Bänder. Mithilfe von
muskuloskelettalen Mehrkörpersimulationen können eine Reihe
von Themen untersucht oder eingeschätzt werden, z. B. die Mechanik
von Bewegungen, die Auswirkungen von Verletzungen oder
Krankheiten oder die Ergebnisse von chirurgischen oder therapeutischen
Eingriffen. Die Vorteile im Vergleich zu experimentellen und
klinischen Studien sind unter anderem, dass Probleme isoliert von
anderen Einflussfaktoren betrachtet werden können. Außerdem
sind Studien möglich, die auf experimentellem oder klinischem
Weg nur mit sehr hohem Aufwand umsetzbar sind. Wie der Name
nahelegt, werden beteiligte Knochen darin als einzelne „Körper“
dargestellt. Die Abbildung zeigt die starke Belastung der Speiche als
Ergebnis einer muskuloskelettalen Mehrkörpersimulation.
ROBERT EBERLE: „Starre Segmente können sich nicht verformen und damit auch keine Kräfte absorbieren. Knochen können jedoch bei
Landungen nach Sprüngen oder Stürzen Energie aufnehmen.“
EIN MATHEMATIKER
MACHT KNOCHENARBEIT
Robert Eberle vom Arbeitsbereich Technische Mathematik definiert
die Eigenschaften menschlicher Knochen in Computersimulationen neu.
Typische Bewegungs- und Verletzungsmuster
besser zu verstehen
ist für den Profisport von großer
Bedeutung und beschäftigt die Sportund
Bewegungswissenschaft. Die möglichst
realitätsnahe Simulation von Bewegungsabläufen
und Stürzen ist dabei
mittlerweile ein unverzichtbarer Bestandteil
der Forschung. „Um zu untersuchen,
was genau bei einem Sturz passiert, kann
man schlecht sagen ‚Fall mal hin!‘“, veranschaulicht
Robert Eberle vom Arbeitsbereich
für Technische Mathematik.
Eberle ist zwar kein Sportwissenschaftler,
wirkt aber seit seiner Dissertation an
der Entwicklung von biomechanischen
Simulationen mit und arbeitet dabei mit
Kolleginnen und Kollegen aus der Sportwissenschaft
zusammen. In seinem Projekt
MultiBones hat er sich einer Problemstellung
gewidmet, die sich aus dieser
Zusammenarbeit ergeben hat: Menschliche
Knochen wurden in Simulationen bisher
als starre Körper angenommen, was
sie eigentlich gar nicht sind. Der sprichwörtliche
harte Knochen ist nämlich elastisch,
hält sogar leichter Biegung stand.
Deshalb hat Robert Eberle einen neuen
Weg eingeschlagen und ein muskuloskelettales
Mehrkörpersimulationsmodell
entwickelt, das die Flexibilität von Elle
und Speiche berücksichtigt. In seinem
Modell steckt Wissen aus der Baumechanik,
jede Menge Rechenarbeit und eine
Reihe von Laborversuchen zu den Eigenschaften
menschlicher Knochen.
Hilfsmittel aus der Mechanik
„Starre Segmente können sich nicht verformen
und damit auch keine Kräfte absorbieren.
Knochen können jedoch bei
Landungen nach Sprüngen oder Stürzen
Energie aufnehmen“, erklärt Eberle
ein Manko früherer Simulationsansätze
genauer. Statt als starren Körper hat er
Elle und Speiche deshalb mithilfe sogenannter
Euler-Bernoulli-Balken in
eine Sturz-Simulation implementiert.
„Beim dynamischen Euler-Bernoulli-
Balken handelt sich um eine partielle
Differenzial gleichung oder einfach ausgedrückt
um ein mathematisches Hilfsmittel,
mit dem man in der Mechanik
Durchbiegungen beanspruchter Bauteile
beschreiben kann“, erläutert Eberle seine
Herangehensweise. „Er ist die einfachste
mechanische Methode, wenn man etwas
flexibel darstellen möchte.“
Um die Gleichung aufstellen zu können,
müssen allerdings bestimmte
Material kennwerte wie zum Beispiel Geometrie,
Masse, aber auch das Trägheitsmoment
und das E-Modul oder die Biegesteifigkeit
bekannt sein. „Die Daten, die wir
für den Euler-Bernoulli-Balken brauchten,
haben wir an der Medizinischen Universität
anhand von Kadaver-Studien erhoben“,
schildert Eberle. Während Knochendichte
und Querschnitt sich relativ einfach
ROBERT EBERLE (*1984 in Bregenz)
studierte an der Universität Inns bruck
Technische Mathematik. Von 2011 bis
2016 absolvierte er das Doktoratsstudium
der Technischen Wissenschaften. Als Dissertant
arbeitete er am Institut für Sportwissenschaften
und untersuchte Kreuzbandverletzungen
nach einer Landung im
Abfahrtslauf mithilfe von muskuloskelettalen
Simulationsmodellen. Seit 2016 ist
Robert Eberle Senior Lecturer mit Doktorat
am Institut für Grundlagen der Technischen
Wissenschaften und beschäftigt sich
in seiner Forschung mit biomechanischen
und mechanischen Simulationsmodellen.
messen lassen, ist die Biegesteifigkeit ein
für den Euler-Bernoulli-Balken relevanter
Parameter, der sich nicht messen, sondern
nur über Versuche bestimmen lässt. „Wir
haben am Inns brucker Biomechaniklabor
der Universitätsklinik für Orthopädie und
Traumatologie sogenannte Dreipunkt-Biegeversuche
mit menschlichen Knochen
durchgeführt“, erklärt der Wissenschaftler.
Bei diesem klassischen Experiment aus
dem Ingenieurwesen wird das Material in
der Prüfeinrichtung steigenden Belastungen
ausgesetzt. Die Kraftwerte, bei denen
das Material bricht, werden dann zur Errechnung
der Biegesteifigkeitsfunktion
eingesetzt.
Im Übrigen ein komplexes Verfahren,
für das Robert Eberle im Zuge des Projekts
eine einfachere Alternative entwickelt
hat. „Die neue Methode ist als ungeplantes
Nebenprodukt entstanden und
kann wiederum auch im Ingenieurwesen
genutzt werden“, freut sich Eberle.
Vielseitig anwendbar
Angewendet hat Robert Eberle seine neuen
Beschreibungsmethoden im Rahmen
einer Mehrkörpersimulation, um eine
Fraktur der Elle während eines Sturzes
zu simulieren. Nützlich sind das Modell
und die daraus gewonnenen Erkenntnisse
übrigens nicht nur für die Sportwissenschaft:
Das strukturelle Verhalten von
Knochen spielt zum Beispiel auch eine
wichtige Rolle bei der Anpassung von
Rekonstruktionsplatten oder Prothesen.
„In einer Simulation kann ich verschiedene
Materialien ausprobieren und vergleichen,
wenn ich zum Beispiel ein künstliches
Gelenk einsetzen muss“, veranschaulicht
Eberle mögliche Einsatzgebiete
seiner Erkenntnisse. „Das wird bereits gemacht,
aber eben mit starren Elementen.
So muss man nach der Simulation ein aufwendiges
und fehleranfälliges Postprocessing
machen“, ergänzt er. Auf ein solches
könnte man künftig verzichten, wenn die
Eigenschaften von Knochen bereits in der
Simulation berücksichtigt sind. ef
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Fotos: AdobeStock / SciePro, Andreas Friedle; Grafik: Robert Eberle
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