Medizintechnik

Schmerzfreier Rücken: Maschine simuliert Bandscheiben-Vorfälle

Ein neuer Simulator soll die Ursachen von Bandscheiben-Vorfällen zum Vorschein bringen. Über sechs Achsen können zahlreiche Dreh- und Bückbewegungen simuliert werden. Durch zahlreiche Tests werden Verschleißerscheinungen an echten Bandscheiben herbeigeführt.

Der neue Bandscheibenbelastungssimulator aus der Wissenschaftlichen Werkstatt der Uni Ulm. (Foto: Elvira Eberhardt / Uni Ulm)

Der neue Bandscheibenbelastungssimulator aus der Wissenschaftlichen Werkstatt der Uni Ulm. (Foto: Elvira Eberhardt / Uni Ulm)

Ein Bandscheiben-Belastungssimulator aus poliertem Stahl und Aluminium ist eine Spezialanfertigung der Uni-eigenen Wissenschaftlichen Werkstatt Feinwerktechnik (WWF). Mit dieser Apparatur wollen Ulmer Biomechaniker am Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik (UFB) den Ursachen von Bandscheibenvorfällen auf den Grund gehen.

„Einzelne Bewegungssegmente aus der unteren Wirbelsäule können mechanisch so belastet werden, wie dies bei verschiedensten Dreh-, Beuge- und Hebebewegungen geschieht“, erläutert Hans-Joachim Wilke, der stellvertretende Institutsdirektor und Leiter des Forschungsbereichs Wirbelsäule im Institut. Die Wissenschaftler verwenden dafür biologische Bandscheibenpräparate, beispielsweise vom Schaf, die in Aufbau und Struktur der des Menschen gleichen. Aber auch humane Präparate selbst kommen zum Einsatz.

Insgesamt hat es fast vier Jahre gebraucht, bis aus den ersten Zeichnungen und Konstruktionsentwürfen, nach zahlreichen Optimierungen der ersten Prototypen das fertige Gerät in Betrieb genommen werden konnte. „Die rein elektrisch betriebene Maschine kann über sechs getrennt regelbare Achsen unterschiedlichste Dreh- und Schwenkbewegungen ausführen und dabei zusätzlich verschiedenste Kompressionsbelastungen und Scherbeanspruchungen auf die Bandscheibe aufbringen“, erläutert Nikolaus Berger-Roscher, Doktorand von Professor Wilke. Gefördert wurde die mehrjährige Entwicklung des Gerätes von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Berger-Roscher untersucht in seinem Promotionsprojekt mit Hilfe dieses Gerätes das Schädigungsverhalten der Bandscheibe. Mit Hilfe des Bandscheiben-Belastungssimulators soll geklärt werden, wie sich bestimmte Belastungen auf die Gewebestruktur der Bandscheibe auswirken. Dabei werden Gewebeschäden durch simulierte Belastungssituationen gezielt herbeigeführt. Diese künstlichen Bandscheibenverletzungen werden dann mit einem hochauflösenden Ultrahochfeld-Kernspinresonanztomograph und der fachlichen Expertise von Volker Rasche aus der Core-Facility Kleintier-Bildgebung der medizinischen Fakultät analysiert.

Die Wirbelsäule ist für den aufrechten Gang noch nicht optimal ausgebildet. (Foto: Flickr/Eugenio the wedding traveler)

Die Wirbelsäule ist für den aufrechten Gang noch nicht optimal ausgebildet. (Foto: Flickr/Eugenio the wedding traveler)

Auf der Grundlage dieser Aufnahmen werden schließlich 3D-Rekonstruktionen der verletzten Bandscheibe erstellt, um Art und Verlauf der Verletzung besser beurteilen zu können. Komplexe mathematische Modelle helfen zusätzlich, theoretisch aus der Struktur und Beschaffenheit der Bandscheibe abgeleitete mögliche Schwachstellen am Computer zu modellieren, um die genaue Entstehungsgeschichte besser erklären zu können.

Im Feld kursieren zwei Hypothesen zur Entstehung von Bandscheibenvorfällen. Bei der einen vermuten die Wissenschaftler Strukturdefekte und Schwachstellen im sogenannten Faserring. Dieses Gewebe aus mehreren kollagenen Lamellenschichten, die fest miteinander verbunden sind und eine alternierende Faserausrichtung besitzen, umgibt den weicheren Gallertkern im Innern, gibt ihm Form und Halt. Beim Bandscheibenvorfall, so die Faserring-Hypothese, durchdringt das gallertartige Gewebe aus dem Inneren an den Schwachstellen – wie eine Laufmasche – Faserring nach Fasserring, bis die letzte Schicht aufreißt und das Gewebe auf den Rückennerv drückt. Die Ulmer Wirbelsäulenforscher glauben aber, dass die Gewebedefekte auch im Übergangsbereich zwischen Bandscheibe und Wirbelkörper auftreten können und haben sogar schon erste Indizien für diese so genannte Deckplattentheorie gefunden.

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