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Projektbeispiel: Schultersimulator

Schulterbewegungen simulieren und verstehen

Die menschliche Schulter ist noch nicht restlos erforscht. Um neue Erkenntnisse über ihre Funktionsmechanismen zu erlangen, hat das Institut für mechanische Systeme an der ZHAW School of Engineering einen physiologischen Schultersimulator entwickelt. Gleichzeitig dient er als Dummy für Stabilitätstests von Implantaten und Prothesen.

Wirft man zum Ende der Schneesportsaison einen Blick in die Unfallstatistik, rangieren dort Blessuren an Schulter und Oberarm als zweithäufigste Verletzungsart. Das verwundert nicht, ist die Schulter doch mit ihren 27 Muskeln und fünf Gelenken bei kaum einer Bewegung oder Körperhaltung wegzudenken. Auch im 21. Jahrhundert ist die Funktionalität der Schulter noch nicht restlos erforscht. Das Institut für mechanische Systeme (IMES) hat deshalb einen experimentellen Schultersimulator entwickelt und aufgebaut.

«Unser Simulator funktioniert wie eine echte Schulter und kann entsprechend physikalisch belastet und getestet werden. Das gibt Aufschluss darüber, wie leicht die Schulter bei speziellen Belastungen instabil werden kann.»

Dr. Daniel Baumgartner, Projektleiter

Gelenkbelastungen sichtbar machen

Der physiologische Simulator ermöglicht es, realitätsnahe Bewegungen und Belastungen der menschlichen Schulter nachzustellen. Die Muskelzüge an der Schulter sind mit Hilfe von Elektromotoren künstlich nachgebildet und können einen Oberarm mit Gewicht anheben sowie drehen. Auf diese Weise lassen sich die Kräfteverhältnisse analysieren.

Welche Muskelkräfte wirken bei den unterschiedlichen Armbewegungen? Wie hoch sind die Gelenkkräfte zwischen Oberarm und Schulterblatt? «Das ist Grundlagenforschung an der Schulter», erklärt Projektleiter Daniel Baumgartner. «Unser Simulator funktioniert wie eine echte Schulter und kann entsprechend physikalisch belastet und getestet werden. Das gibt Aufschluss darüber, wie leicht die Schulter bei speziellen Belastungen instabil werden kann.»

Erkenntnisse für Chirurgie und Industrie

Die Erkenntnisse dieser Grundlagenforschung sind beispielsweise wichtig für die Schulterchirurgie. Operationen mit Schulterprothesen sind bisher noch nicht in dem Masse erfolgsversprechend wie Knie- oder Hüftoperationen. Die Ärzte am Spital Balgrist in Zürich profitieren im Rahmen einer Zusammenarbeit vom Simulator. Die Erkenntnisse aus dem Projekt senken das Risiko, dass Patienten nach einer Schulteroperation bleibende Einschränkungen hinnehmen müssen. Des Weiteren bietet der Schultersimulator auch die Möglichkeit, Gelenkimplantate sowie Prothesen unter realen Bedingungen auf ihre Festigkeit, Belastbarkeit und Funktionsweise zu testen. Ein Auftraggeber aus der Industrie liess seine Gelenkimplantate dafür bereits im Simulator einsetzen. «Eine chirurgischer Eingriff kann experimentell am Kunstknochen immer noch besser nachgestellt und getestet werden als mit reiner Computersimulation», so Baumgartner. «Es darf nicht sein, dass sich ein am Knochen verschraubtes Implantat nach 10‘000 Armbewegungen lockert».

«Wenn wir die realen Daten übertragen, wissen wir exakt, was an Muskelkraft nötig ist, um den Arm zu heben und welche Druckkraft dabei im Gelenk selbst besteht.»

Dr. Daniel Baumgartner, Projektleiter

Individuelle Bewegungen übertragen

Noch arbeitet der Schultersimulator mit Sollwerten, die ihm der Computer vorgibt. Mittelfristig wird es sogar möglich sein, die Bewegungen von Patienten direkt auf den Simulator zu übertragen. «Jeder Mensch hat seine speziellen Bewegungsabläufe», so Baumgartner. «Wenn wir die realen Daten übertragen, wissen wir exakt, was an Muskelkraft nötig ist, um den Arm zu heben und welche Druckkraft dabei im Gelenk selbst besteht.» Auf diese Weise könnten Operationen und Implantate noch genauer auf die individuellen Bedürfnisse der jeweiligen Patienten zugeschnitten werden.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:

Finanzierung: Nationalfonds SNS

Projektstatus: laufend