Teilprojekt eines Verbundes

Simulationen muskuloskelettaler Systeme und Muskelmechanik

Förderkennzeichen: 01EC1907B
Fördersumme: 423.353 EUR
Förderzeitraum: 2020 - 2021
Projektleitung: Prof. Oliver Röhrle
Adresse: Universität Stuttgart, Institut für Modellierung und Simulation Biochemischer Systeme
Pfaffenwaldring 5a
70569 Stuttgart

Mathematische Modelle und Computersimulationen haben das große Potenzial, ein System systematisch zu untersuchen, zum Beispiel, wie sich Veränderungen einzelner muskuloskelettaler Systemkomponenten auf das gesamte mechanische Verhalten auswirken. Im Vorhaben sollen folgende methodische Ansätze verfolgt werden: 1) Entwicklung datenintegrierter, mikrostruktur-basierter konstitutiver Materialgesetze für Skelettmuskeln, mit welchen intraoperativ gemessenes mechanisches Verhalten erfasst werden kann, 2) Integration der Modelle für passives und aktives Materialverhalten in das kommerzielle Softwarepaket LSDYNA zur 3D-Simulation von Muskeln und zur Vorhersage und Analyse des Ergebnisses verschiedener chirurgischer Eingriffe und 3) Simulation von Mehrmuskelsystemen und des Bewegungsapparates. Die Entwicklung solcher mikrostrukturbasierten Konstitutivgesetze erfordert das Einbeziehen von experimentell während der Operation erhobenen Strukturdaten. Gegenwärtige Methoden zur in vivo-Bewertung der Muskeltätigkeit basieren auf indirekten Ansätzen mit begrenzten Fähigkeiten. Um die Veränderung der Muskelstruktur zu verstehen, ist es notwendig, den Einfluss kollagener Strukturen auf die aktiven Muskeleigenschaften zu untersuchen. Ziel ist es, prä-, intra- und postoperative Bewertungsinstrumente zu entwickeln und die Eigenschaften der Muskeln bei verschiedenen Erkrankungen und Gelenkpathologien zu untersuchen. Anhand der Ergebnisse kann dann beurteilt werden, wie kollagene Strukturen das aktive mechanische Verhalten der Muskeln bei Vorhandensein einer neurologischen Störung und Zerebralparese (CP) beeinflussen. Zusätzlich zu den klassischen klinischen Bewertungen der Ganganalyse und den Bildgebungsdaten wird im Vorhaben die Muskelkraft mit der Gelenkfunktion intraoperativ untersucht. Das Vorhaben wird sowohl Informationen zu den mechanischen und histologischen Muskeleigenschaften liefern, als auch Kraft- und Drehmomentinformationen bereitstellen.