Wissenslücken und mechanische Herausforderungen

Die Schultern gehören zu den komplexesten Gebilden des menschlichen Körpers. Sie benötigen 27 Muskeln, um gehalten oder bewegt zu werden. Falls die Funktion der Schultern beeinträchtigt ist, kann dies für ein unabhängiges, eigenständiges Leben im Alltag dramatische Folgen haben: Die Ausübung von Tätigkeiten wie Anziehen, Kochen oder Körperreinigung kann massiv beeinträchtigt werden, betroffene Personen benötigen Unterstützung. Entsprechend anspruchsvoll ist die Behandlung von Verletzungen in der Schulterpartie. Je besser die Schultern – und insbesondere das Schultergelenk – erforscht sind, desto grösser sind die Chancen, dass eine Verletzung komplett geheilt werden kann. Im Bereich der biomedizinischen Forschung lässt sich diesbezüglich noch einiges leisten. Auch fehlt es am nötigen Grundlagenwissen, um die Möglichkeiten von chirurgischen Eingriffen einschätzen zu können. 

Schultersimulator mit gewissen Schwachstellen

Um Schulterprothesen oder -implantate testen zu können, müssen sie realen Belastungen ausgesetzt werden. Ein an der ZHAW entwickelter Simulator der ersten Generation kann neuere Belastungstests allerdings nur noch bedingt ausführen. So wurde der Simulator am Institut für Mechanische Systeme der ZHAW im Rahmen einer Masterarbeit weiterentwickelt. Dabei wurden neue Schwachstellen ermittelt und zugleich bekannte behoben: Es hat sich gezeigt, dass ein Antagonist zu den bereits bestehenden Muskeln fehlte. Deshalb wurde der Simulator um zwei Muskeln erweitert – den Latissimus und den Pectoralis. Durch die zusätzlichen Muskeln können die Gelenkskräfte, welche bei einer Abduktion entstehen, verstärkt werden, so dass sie mit den Werten aus Messungen am menschlichen Körper besser übereinstimmen.

Modulare Erweiterung als Lösung

Um den Simulator steuern zu können, musste anhand eines Real Time Controllers eine Verbindung zwischen der Hardware und der LabVIEW-Software erstellt werden. So kann der Simulator durch ein eigens dafür programmiertes Real Time Device angesteuert werden. Dank dieser Erweiterung kann nun ein höheres Level von Muskel- und Gelenkkräften im physiologischen Bereich von In-vivo-Messungen simuliert werden. Um den Simulator auszubauen, wurden ein Thorax und mehrere Motoren mit einer Spule und Kraftmessdosen in den bereits bestehenden Schultersimulator integriert. Diese neue Einheit wurde jedoch nicht fix verbaut. Für Tests anderer Art kann der Simulator innerhalb weniger Minuten in den Ursprungszustand gebracht werden. So lassen sich nun eine Vielzahl von Untersuchungsanordnungen durchführen und bestehende Modelle validieren.