Musluloskelettale Modellierung

Dr. rer. medic. Adam Trepczynski

Wir verwenden Muskuloskeletale Modellierung, um z.B. Kräfte im und das Zusammenspiel des Bewegungsapparats zu erklären und analysieren.
Informieren Sie sich über die Details unserer Forschung.

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Muskeloberflächen extrahiert aus dem Visible Human Datensatz (Philippe Moewis et al.)
Muskel-Zentroidlinen auf spezifisches Subjekt übertragen (Philippe Moewis, Adam Trepczynski et al.)
Skelettale Kinematik bestimmt durch fitten der spezifischen Anatomie an funktionelle Gelenk-Zentren/Achsen aus Bewegung reflektierender Hautmarker (Adam Trepczynski et al.)

Muskuloskeletale Computermodelle wenden mechanische Grundsätze auf das System aus Knochen, Muskeln und Bändern an, um interne Belastungen zu identifizieren. Die Modelle nutzen Information aus direkten Messungen, wie Bewegungen und externe Kräfte, um Größen abzuschätzen, deren direkte Messung schwierig ist, wie Gelenkbelastungen und Muskelkräfte. Dies erweitert erheblich die Möglichkeiten der Analyse vom Einfluss interner und externer Faktoren auf dynamische interne Belastung anatomischer Strukturen. Die so gewonnenen Belastungsinformationen können für noch detailliertere Analysen der Lastverteilung innerhalb von anatomischen Strukturen, wie Knochen oder Knorpel, verwendet werden. Die Modelle erfordern eine Validierung mit Hilfe von in vivo gemessenen Gelenk-Kontaktkräften, in einer kleinen Gruppe von Patienten mit instrumentierten Implantaten. EMG-Messungen der Muskelaktivität können ebenfalls zur Validierung oder als Eingang für die Modelle dienen.

Unsere Arbeitsgruppe verfügt über besondere Kenntnisse darüber, wie die aktiven und passiven Strukturen des Bewegungsapparates, d.h. Muskeln, Knochen und Bänder, während der Bewegung zusammenspielen und welche Kräfte dabei in ihnen wirken. Unsere Gruppe konnte als Erste zeigen, dass diese Kräfte mit entsprechend genauen Computermodellen vorhergesagt werden können, indem wir unsere Berechnungsergebnisse mit in vivo gemessenen Kräften verglichen und so die Analysen validierten [1]. Zur Ergänzung des bestehenden Wissens über die Belastungsbedingungen hat sich unsere Forschung daher auch der Verbesserung des Verständnisses der muskuloskeletalen Bewegung zugewandt. Um mit Messverfahren - die spezielle Marker auf der Haut verwenden um die Bewegung des gesamten Körpers zu ermitteln - tatsächlich auch die Bewegung der Knochen genau zu erfassen, haben wir in Kooperation mit dem Zuse Institut Berlin neue mathematische Verfahren für den Umgang mit Weichteilartefakten entwickelt [2].

Unsere Computermodelle erlaubten es uns die dynamischen Belastungen im patello-femoralen Gelenk zu quantifizieren, und zu zeigen, dass die patello-femorale Kontaktraft auch alltäglichen Aktivitäten mehr als das Dreifache der Körpergewichts betragen kann [3]. Wir haben auch den Zusammenhang zwischen den internen Lasten und externeren Momenten am Knie untersucht. Hier konnten wir zeigen, dass der oft angenommene Zusammenhang zwar vorhanden, aber sehr patientenspezifisch ist [4, 5].

Als Teil des OVERLOAD-PrevOp Netzwerks untersuchen wir zurzeit den Einfluss von Trainingsmethoden auf das Vorschreiten der Arthritis in Patienten mit gerissenen vorderen Kreuzband. Um die genaue Lastverteilung auf Knorpel des Patienten zu bestimmen, kombinieren wir unser Erfahrung in muskuloskeletaler Modellierung, mit effizienten Finite-Elemente-Methoden entwickelt vom unseren Kooperationspartnern am Zuse Institut (ZIB).

Laufende Projekte:

  • Verbundprojekt: Verständnis und Prävention der Progression der primären Osteoarthrose (OVERLOAD-PrevOP) finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, Förderkennzeichen 01 EC1408A

Wissenschaftliche Partner:

  • Dr. Martin Weiser, Zuse Institute Berlin (ZIB) – Department of Numerical Mathematics
  • Dr. Hans-Christian Hege, Zuse Institute Berlin (ZIB) – Department of Visual Data Analysis

    Publikationen:

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