Silikon-Muskel für genauere Belastungstests der Schulter
Mit dem Schultersimulator des Instituts für Mechanische Systeme werden im Projekt MyoPlus die Belastungen auf einzelne Muskelpartien des Deltamuskels simuliert und gemessen. Das hilft zu verstehen, wie sich das Schultergelenk in unterschiedlichen Situationen wie bei Verletzungen verhält, um eine Korrekturoperation zu planen oder ein Implantat zu verifizieren.
Im EELISA-Projekt MyoPlus des Instituts für Mechanische Systeme IMES zusammen mit der Universität Sant'Anna in Pisa werden neuartige Muskelmodelle für die experimentelle Testung von natürlichen Gelenken und Implantaten entwickelt und validiert. Das EELISA-Projekt konzentriert sich insbesondere auf die Erstellung eines voluminösen Modells des Deltamuskels. Dadurch werden die Hebelarme, die Abstände zwischen dem Gelenk und den Ansätzen des Muskels, einer physiologischen Schulter besser nachgebildet als beim Vorgängermodell, bei dem die Modellmuskelteile direkt über dem Knochen verliefen. Es ist eine grosse Herausforderung, menschliche Muskeln aufgrund ihres biomechanischen Verhaltens realitätsgetreu zu simulieren, denn sie arbeiten immer im Zusammenspiel mit Gelenken, Sehnen und Bändern. Doch genau solche Simulationen helfen beim Verständnis des Verhaltens eines Körperteils besonders nach medizinischen Eingriffen oder Verletzungen.
«Bei der Schulter sind Muskeln besonders wichtig»
In der Arbeit des IMES am Projekt MyoPlus steht die Schulter im Fokus. Auch, weil Schulterprothesen im Vergleich mit anderen Körperteilen weniger vorhersehbare Langzeitresultate liefern. «Das Schultergelenk ist aus biomechanischer Sicht deutlicher komplexer als die Hüfte oder das Knie. Muskeln sind bei der Schulter zentral für die Gelenkfunktion. Besonders der Deltamuskel, als stärkster Muskel im Schulterbereich, spielt eine entscheidende Rolle in der Bewegungskontrolle», sagt Molly Abraham, Wissenschaftliche Assistentin am IMES mit dem Forschungsschwerpunkt Biomechanical Engineering, «nach Operationen nimmt die Leistungsfähigkeit der Muskulatur ab, was bei der Schulter viel ausmacht.» Das Institut hat für die Arbeit einen mechanischen Schultersimulator, an welchem das Team um Projektleiter Daniel Baumgartner, Jeremy Genter und Molly Abraham verschiedenste Tests durchführen kann.
Belastungen auf Muskeln untersuchen
Der Schultersimulator bildet ein Schulterblatt (Scapula), das Gelenk (Glenohumeralgelenk) und einen Oberarm (Humerus) durch individuelle 3D-Drucke nach. Das Gewicht des gesamten Arms wird dabei durch Anbringen von Gewichten am 3D-gedruckten Humerus simuliert. Zu einer realitätsnäheren Nachbildung wird das Ganze durch eine Nachbildung des Deltamuskels aus Silikon ergänzt, der über Kabel mit Motoren verbunden ist, die das Gelenk bewegen. Andere Muskeln im Schulterbereich werden durch ebenfalls motorisch angetriebene Schnürsenkel modelliert.
Die Kombination ermöglicht das Anheben und Drehen des Mechanismus und ermöglicht so eine möglichst natürliche Nachbildung der menschlichen Bewegungen der Schulter. Am ganzen Simulator sind verschiedenste Messgeräte, darunter Wägezellen und Gyroskope, befestigt, die ermitteln, welche Kräfte wie und wo wirken. Über das Weglassen von einzelnen Verbindungen werden so Verletzungen und Ausfälle simuliert. Dadurch können die Belastungen auf die einzelnen Muskelpartien analysiert werden.
«Seit Projektstart haben wir das Muskelmodell weiterentwickelt und sind dadurch immer näher an die physiologischen Verhältnisse geraten.»
- Molly Abraham, Wissenschaftliche Assistentin am IMES
Die Ergebnisse der Messungen zeigen, wie eng Muskelkraft, Gelenkzentrierung und biomechanische Lastverteilung miteinander verknüpft sind. Veränderungen beeinflussen die Kräfteverhältnisse im Schultergelenk deutlich. «Besonders interessant ist, das intakte Muskeln versuchen, Defizite durch Verletzungen von anderen Muskeln zu kompensieren», sagt Molly Abraham, «die Muskeln können aber nicht die komplette Kraft übernehmen, was zu weiteren medizinischen Problemen führen kann». Die Simulationen am IMES helfen, solche Probleme zu verstehen, um sie bei echten Patienten zu vermeiden.
«Perfekter Projektpartner»
Der EELISA-Projektpartner Sant’Anna in Pisa entwickelte ein ähnliches Modell des Deltamuskels aus Silikon, welcher am IMES zur Anwendung kommt. Im Projekt selbst arbeitet das Team aus Italien mit McKibben-Aktuatoren, pneumatischen künstlichen Muskeln, um das Gelenk mithilfe von Luftdruck statt Kabeln zu bewegen. «Sant’Anna ist der perfekte Projektpartner für unsere Schultersimulationen», sagt Molly Abraham, «wir durften die Hochschule auch besuchen, was sehr eindrücklich war. Ungefähr 200 Personen arbeiten allein an einem Institut für Medizintechnologie».
Optimierung der medizinischen Versorgung
Die Ergebnisse des MyoPlus-Projekts zeigten, dass durch das Modellieren des Volumens des Deltamuskels die erforderlichen Kräfte, um eine Bewegung auszulösen, reduziert werden konnten. Das Testen ohne ein solches Modell kann zu erhöhten Kräften führen, da die physiologischen Hebelarme nicht berücksichtigt werden. Durch die Verwendung des volumetrischen Modells können Operationen, Implantate und Reha-Strategien im Schulterbereich nun genauer bewertet werden. Das Projekt zeigt auch das Potenzial, welches weiterhin in der mechanischen Simulation von Körperteilen besteht. Die einzelnen verwendeten Komponenten können laufend weiterentwickelt werden, um eine noch realitätsnähere Nachbildung zu ermöglichen. Langfristig kann die Kombination aus realitätsnahen Muskelmodellen und Simulatoren dazu beitragen, die Versorgung von Patientinnen und Patienten mit Schultererkrankungen und -verletzungen deutlich zu verbessern.