Materialforschung 02.07.2010, 19:47 Uhr

Präventive Biomechanik optimiert den Autositz

Druckgeschwüre und Quetschungen durch Halskrause, Orthese und Co. kosten in der Nachbehandlung viel Geld. Materialforscher aus Frankfurt/Main optimieren jetzt Matratzen, Sitze und Schuhe mithilfe aufwendiger Computersimulationen, indem sie die mechanische Wechselwirkungen zwischen medizinischen Hilfsmitteln und dem menschlichen Körper vorausberechnen.

Knieorthesen, Schulterschienen, Korsetts, Halskrausen, Cervicalstützen – die Liste der medizinischen Hilfsmittel, die heute verschrieben werden, ist lang. Viele Stützsysteme verursachen allerdings selbst Schäden beim Patienten, was volkswirtschaftliche Einbußen in Milliardenhöhe zur Folge hat. Denn Tests ergaben: Matratzen, orthopädische Prothesen, Schienen oder Schuhe erzeugen mechanische Spannungen im Weichgewebe, die zu Beschwerden wie Kopf- und Rückenschmerzen oder sogar zu nachhaltigen Verletzungen wie Dekubitus (Druckgeschwüre) führen.

„Die meisten Produkte sind biomechanisch nicht optimal. Sie sind einfach nicht so konstruiert, wie sie sein sollten“, kritisierte Prof. Gerhard Silber, Materialwissenschaftler an der Fachhochschule Frankfurt, gegenüber den VDI nachrichten.

Mit seiner Arbeitsgruppe erforscht er die Wirkung der medizinischen Hilfsmittel auf den menschlichen Körper. Sein Ziel: Ursachen schädlicher Nebeneffekte frühzeitig zu erkennen. Die Arbeit wird im Rahmen des hessischen Programms „Loewe“ (Landes-Offensive zur Entwicklung wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz) mit 4 Mio. € gefördert.

Bei der Konzeption von Liege- und Sitzsystemen kommen häufig Druck-Sensor-Matten zum Einsatz. Diese bilden die komplexen dreidimensionalen Wechselwirkungen aber nur eingeschränkt ab. Spannungen in tiefer gelegenen Gewebeschichten bis hin zum Knochen sind damit nicht zu erfassen.

Silber simuliert nun realitätsnah am Bildschirm, wie menschliches Weichgewebe und medizintechnische Produkte im Detail aufeinander einwirken. Er nennt das den Impact-Vorgang. Dafür musste er zunächst Computermodelle der menschlichen Weichgeweberegionen sowie der jeweiligen Medizinprodukte erstellen. Anschließend wurde die Interaktion zwischen beiden Bereichen dreidimensional dargestellt.

Das Frankfurter Team setzt dabei auf die Simulationssoftware Abaqus des französischen Softwareunternehmens Dassault Systèmes. Das Programm erlaubt extrem komplexe strukturmechanische Untersuchungen. „Die Interaktionen zwischen Mensch und Material sind hochkomplex, nicht jedes Programm kann das so detailliert abbilden“, erklärte Silber.

Besonders schwierig ist es, gute Modelle des jeweiligen Weichgewebes zu erstellen. Silbers gewinnt die nötigen Daten über bildgebende Verfahren (etwa Magnetresonanztomografie, MRT) direkt vom lebenden Körper. Ist das nicht möglich, wird mittels Ex-vivo-Experimenten getestet, also an totem Gewebe wie Sehnen, Bändern und Muskeln.

Mittlerweile pflegt das Team ein hervorragendes Netzwerk mit verschiedenen Medizinern. Manchmal wird menschliches Gewebe in Rahmen einer OP entnommen, ad hoc per Eilboten ins Forschungslabor gebracht und steht so eine Stunde später direkt für Testversuche an der FH zur Verfügung. „Unser Ziel ist es jedoch immer, am lebenden Menschen zu testen“, sagte Silber.

Um etwa das biomechanische Verhalten des Fettgewebe-Muskel-Verbundes am Gesäß zu erfassen, schieben die Forscher Probanden auf dem Bauch liegend in einen Magnetresonanztomographen. Dort übt ein Druckkopf stufenweise wachsenden Druck aufs Gesäß aus. Erfasst werden dabei die Geometriedaten des unverformten Gewebes sowie die Daten bei jeder Belastungsstufe. Zudem werden die Körperoberflächen der Probanden per 3-D-Laser-Scans eingelesen.

Sämtliche Anatomiedaten übertragen die Wissenschaftler in der Simulationslösung Abaqus in eine 3-D-Geometrie. Daraus generiert das Programm ein Modell basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Software stellt die Kontaktbewegungen zwischen menschlichem Körper und medizinisch-technischem Hilfsmittel genau nach und ermittelt jene Gewebebereiche mit erhöhter Spannungsaktivität. „Die Einwirkung von hohen mechanischen Spannungen hat grundsätzlich eine Reaktion in tiefer liegenden Geweberegionen zur Folge“, erklärte der Materialwissenschaftler.

Daraus resultieren Muskelverspannungen, die bis zu chronischen Schmerzen führen können. Silber findet heraus, an welcher Stelle der Körper überbeansprucht wird. In kleinen Optimierungsschritten verändern die Forscher daher Geometrie und Material des Medizinprodukts so lange, bis sich die Maximalspannungen im Gewebe reduzieren.

„Durch die Simulation können wir die Eigenschaften einer Stützschiene oder eines orthopädischen Schuhs so lange variieren, bis wir die richtige Lösung gefunden haben“, so der Materialexperte. Seit 2001 forscht Silber intensiv an dem Thema. Unternehmen wie der holsteinische Hersteller von Anti-Dekubitus-Hilfen Wulff MedTech und der Matratzenproduzent Dunlopillo haben Silbers Erkenntnisse bereits für den Relaunch ihrer Produkte eingesetzt. Künftig wird auch der Sportschuhhersteller Puma auf den Rat des Wissenschaftlers hören.

Auch der Automobilbranche wird die akribische Arbeit der FH Frankfurt zugutekommen. Der Autositz ist für das Wohlbefinden des Fahrers enorm wichtig. Der Druckverteilung beim Sitzen wird ein großer Einfluss auf das Komfortempfinden beigemessen. Hierzu fehlt bisher ein objektives Messinstrument. Silber will es liefern.

Zurzeit laufen Verhandlungen mit dem Automobilriesen Daimler. Silber weiß: „Wenn sie von München nach Stuttgart fahren, sitzen sie drei Stunden hinterm Lenkrad. Das reicht, um sich eine Nackenstarre und Kopfschmerzen zu holen.“ ERIK WEGENER

Von Erik Wegener

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