Zukunft Forschung 01/2023
Das Forschungsmagazin der Universität Innsbruck
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TITELTHEMA<br />
TITELTHEMA<br />
DAS MUSKULOSKELETTALE System des Menschen umfasst<br />
Knochen, Gelenke, Muskeln, Sehnen und Bänder. Mithilfe von<br />
muskuloskelettalen Mehrkörpersimulationen können eine Reihe<br />
von Themen untersucht oder eingeschätzt werden, z. B. die Mechanik<br />
von Bewegungen, die Auswirkungen von Verletzungen oder<br />
Krankheiten oder die Ergebnisse von chirurgischen oder therapeutischen<br />
Eingriffen. Die Vorteile im Vergleich zu experimentellen und<br />
klinischen Studien sind unter anderem, dass Probleme isoliert von<br />
anderen Einflussfaktoren betrachtet werden können. Außerdem<br />
sind Studien möglich, die auf experimentellem oder klinischem<br />
Weg nur mit sehr hohem Aufwand umsetzbar sind. Wie der Name<br />
nahelegt, werden beteiligte Knochen darin als einzelne „Körper“<br />
dargestellt. Die Abbildung zeigt die starke Belastung der Speiche als<br />
Ergebnis einer muskuloskelettalen Mehrkörpersimulation.<br />
ROBERT EBERLE: „Starre Segmente können sich nicht verformen und damit auch keine Kräfte absorbieren. Knochen können jedoch bei<br />
Landungen nach Sprüngen oder Stürzen Energie aufnehmen.“<br />
EIN MATHEMATIKER<br />
MACHT KNOCHENARBEIT<br />
Robert Eberle vom Arbeitsbereich Technische Mathematik definiert<br />
die Eigenschaften menschlicher Knochen in Computersimulationen neu.<br />
Typische Bewegungs- und Verletzungsmuster<br />
besser zu verstehen<br />
ist für den Profisport von großer<br />
Bedeutung und beschäftigt die Sportund<br />
Bewegungswissenschaft. Die möglichst<br />
realitätsnahe Simulation von Bewegungsabläufen<br />
und Stürzen ist dabei<br />
mittlerweile ein unverzichtbarer Bestandteil<br />
der <strong>Forschung</strong>. „Um zu untersuchen,<br />
was genau bei einem Sturz passiert, kann<br />
man schlecht sagen ‚Fall mal hin!‘“, veranschaulicht<br />
Robert Eberle vom Arbeitsbereich<br />
für Technische Mathematik.<br />
Eberle ist zwar kein Sportwissenschaftler,<br />
wirkt aber seit seiner Dissertation an<br />
der Entwicklung von biomechanischen<br />
Simulationen mit und arbeitet dabei mit<br />
Kolleginnen und Kollegen aus der Sportwissenschaft<br />
zusammen. In seinem Projekt<br />
MultiBones hat er sich einer Problemstellung<br />
gewidmet, die sich aus dieser<br />
Zusammenarbeit ergeben hat: Menschliche<br />
Knochen wurden in Simulationen bisher<br />
als starre Körper angenommen, was<br />
sie eigentlich gar nicht sind. Der sprichwörtliche<br />
harte Knochen ist nämlich elastisch,<br />
hält sogar leichter Biegung stand.<br />
Deshalb hat Robert Eberle einen neuen<br />
Weg eingeschlagen und ein muskuloskelettales<br />
Mehrkörpersimulationsmodell<br />
entwickelt, das die Flexibilität von Elle<br />
und Speiche berücksichtigt. In seinem<br />
Modell steckt Wissen aus der Baumechanik,<br />
jede Menge Rechenarbeit und eine<br />
Reihe von Laborversuchen zu den Eigenschaften<br />
menschlicher Knochen.<br />
Hilfsmittel aus der Mechanik<br />
„Starre Segmente können sich nicht verformen<br />
und damit auch keine Kräfte absorbieren.<br />
Knochen können jedoch bei<br />
Landungen nach Sprüngen oder Stürzen<br />
Energie aufnehmen“, erklärt Eberle<br />
ein Manko früherer Simulationsansätze<br />
genauer. Statt als starren Körper hat er<br />
Elle und Speiche deshalb mithilfe sogenannter<br />
Euler-Bernoulli-Balken in<br />
eine Sturz-Simulation implementiert.<br />
„Beim dynamischen Euler-Bernoulli-<br />
Balken handelt sich um eine partielle<br />
Differenzial gleichung oder einfach ausgedrückt<br />
um ein mathematisches Hilfsmittel,<br />
mit dem man in der Mechanik<br />
Durchbiegungen beanspruchter Bauteile<br />
beschreiben kann“, erläutert Eberle seine<br />
Herangehensweise. „Er ist die einfachste<br />
mechanische Methode, wenn man etwas<br />
flexibel darstellen möchte.“<br />
Um die Gleichung aufstellen zu können,<br />
müssen allerdings bestimmte<br />
Material kennwerte wie zum Beispiel Geometrie,<br />
Masse, aber auch das Trägheitsmoment<br />
und das E-Modul oder die Biegesteifigkeit<br />
bekannt sein. „Die Daten, die wir<br />
für den Euler-Bernoulli-Balken brauchten,<br />
haben wir an der Medizinischen Universität<br />
anhand von Kadaver-Studien erhoben“,<br />
schildert Eberle. Während Knochendichte<br />
und Querschnitt sich relativ einfach<br />
ROBERT EBERLE (*1984 in Bregenz)<br />
studierte an der Universität Inns bruck<br />
Technische Mathematik. Von 2<strong>01</strong>1 bis<br />
2<strong>01</strong>6 absolvierte er das Doktoratsstudium<br />
der Technischen Wissenschaften. Als Dissertant<br />
arbeitete er am Institut für Sportwissenschaften<br />
und untersuchte Kreuzbandverletzungen<br />
nach einer Landung im<br />
Abfahrtslauf mithilfe von muskuloskelettalen<br />
Simulationsmodellen. Seit 2<strong>01</strong>6 ist<br />
Robert Eberle Senior Lecturer mit Doktorat<br />
am Institut für Grundlagen der Technischen<br />
Wissenschaften und beschäftigt sich<br />
in seiner <strong>Forschung</strong> mit biomechanischen<br />
und mechanischen Simulationsmodellen.<br />
messen lassen, ist die Biegesteifigkeit ein<br />
für den Euler-Bernoulli-Balken relevanter<br />
Parameter, der sich nicht messen, sondern<br />
nur über Versuche bestimmen lässt. „Wir<br />
haben am Inns brucker Biomechaniklabor<br />
der Universitätsklinik für Orthopädie und<br />
Traumatologie sogenannte Dreipunkt-Biegeversuche<br />
mit menschlichen Knochen<br />
durchgeführt“, erklärt der Wissenschaftler.<br />
Bei diesem klassischen Experiment aus<br />
dem Ingenieurwesen wird das Material in<br />
der Prüfeinrichtung steigenden Belastungen<br />
ausgesetzt. Die Kraftwerte, bei denen<br />
das Material bricht, werden dann zur Errechnung<br />
der Biegesteifigkeitsfunktion<br />
eingesetzt.<br />
Im Übrigen ein komplexes Verfahren,<br />
für das Robert Eberle im Zuge des Projekts<br />
eine einfachere Alternative entwickelt<br />
hat. „Die neue Methode ist als ungeplantes<br />
Nebenprodukt entstanden und<br />
kann wiederum auch im Ingenieurwesen<br />
genutzt werden“, freut sich Eberle.<br />
Vielseitig anwendbar<br />
Angewendet hat Robert Eberle seine neuen<br />
Beschreibungsmethoden im Rahmen<br />
einer Mehrkörpersimulation, um eine<br />
Fraktur der Elle während eines Sturzes<br />
zu simulieren. Nützlich sind das Modell<br />
und die daraus gewonnenen Erkenntnisse<br />
übrigens nicht nur für die Sportwissenschaft:<br />
Das strukturelle Verhalten von<br />
Knochen spielt zum Beispiel auch eine<br />
wichtige Rolle bei der Anpassung von<br />
Rekonstruktionsplatten oder Prothesen.<br />
„In einer Simulation kann ich verschiedene<br />
Materialien ausprobieren und vergleichen,<br />
wenn ich zum Beispiel ein künstliches<br />
Gelenk einsetzen muss“, veranschaulicht<br />
Eberle mögliche Einsatzgebiete<br />
seiner Erkenntnisse. „Das wird bereits gemacht,<br />
aber eben mit starren Elementen.<br />
So muss man nach der Simulation ein aufwendiges<br />
und fehleranfälliges Postprocessing<br />
machen“, ergänzt er. Auf ein solches<br />
könnte man künftig verzichten, wenn die<br />
Eigenschaften von Knochen bereits in der<br />
Simulation berücksichtigt sind. ef<br />
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Fotos: AdobeStock / SciePro, Andreas Friedle; Grafik: Robert Eberle<br />
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