Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rückenschmerzen – eine Frage der Mechanik

22.04.2015

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.


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

Empa

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-Röntgen-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:

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

Rainer Klose | EMPA

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Abstoßung von Spenderorganen: Neue Biomarker sollen Komplikationen verhindern
15.12.2017 | Deutsche Herzstiftung e.V./Deutsche Stiftung für Herzforschung

nachricht Antibiotikaresistenzen durch Nanopartikel überwinden?
15.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik