An der Empa untersuchen Forschende die biomechanischen Ursachen für Schmerzen im Lendenwirbelbereich. Indem sie Computersimulationen mit 3D-Röntgenvideos kombinieren, finden sie heraus, welche Kräfte den Rücken belasten. Ziel ist es, Operationen besser zu planen und neue Implantate zu entwickeln.

Die Maschinenbauingenieure Ameet Aiyangar (l.) und Bernhard Weisse. (Fotos: Kellenberger Kaminski Photographie)

«Wir sind Maschinenbauingenieure und wollen wissen, wie die Gelenke in der Wirbelsäule funktionieren», erklärt Ameet Aiyangar, der an der Empa den menschlichen Bewegungsapparat mit Hilfe einer innovativen Methode untersucht. Dazu führt er Computersimulationen durch, welche die Kraftverteilung im Rücken zeigen, wenn ein Mensch eine Last hebt. Doch wie gut diese Berechnungen mit der Wirklichkeit übereinstimmen, hängt entscheidend davon ab, wie genau die Eingaben für das Computermodell sind. «Und da lag bisher das Problem», sagt Bernhard Weisse, Leiter der Forschungsgruppe «Biomedical Engineering and Structural Mechanics» in der Abteilung «Mechanical Systems Engineering» an der Empa.

«Die Kombination aus experimentellen Daten und Computersimulationen ist das Innovative an dieser Arbeit», sagt Bernhard Weisse.

Wie bewegen sich die einzelnen Wirbelkörper zueinander beim Bücken und Lastenheben? Das wusste man bisher nicht so genau. Denn die dynamische Bewegung der Knochen konnte man nicht direkt messen. Es gab nur statische Röntgenbilder. «Um einen besseren Input für die Simulationen zu erhalten, brauchten wir einen Partner», erzählt Ameet Aiyangar, der zuvor an der Universität Pittsburgh gearbeitet hat und nun vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) mit einem Ambizione-Beitrag unterstützt wird. In den USA war er am Bau eines einzigartigen 3D-Röntgen-Videosystems – dem «Digital Stereo-X-Ray» (DSX) – beteiligt, das die Bewegungen der Wirbelsäule sichtbar machen kann. Eine Zusammenarbeit der Empa-Forschenden mit der Universität Pittsburgh war deshalb naheliegend.

Mit dem Spezialgerät in Pittsburgh untersuchte die Forschungsgruppe zwölf gesunde Erwachsene. Die Versuchspersonen mussten Lasten von 4,5 bis 13,5 Kilogramm heben. Die Apparatur zeichnete den Vorgang, der jeweils rund zwei Sekunden dauerte, aus zwei Richtungen mit 30 Bildern pro Sekunde auf und noch dazu mit einer sehr geringen Röntgendosis. «So können wir direkt sehen, wie sich die Knochen bewegen und zwar mit einer Genauigkeit von 0,2 Millimeter», sagt Ameet Aiyangar. Als Nachfolgeprojekt wurden bei zehn Patientinnen und Patienten vor und sechs Monate nach einer Rückenoperation DSX-Messungen durchgeführt.

Drehzentren wandern

Die Röntgenvideos zeigen Erstaunliches: Das Migrieren der Drehzentren, um die sich die Wirbel im Lendenbereich beim Bücken und Aufrichten drehen, und die translatorischen Bewegungen können nun sehr genau gemessen werden, was insbesondere Menschen mit Rückenbeschwerden zugutekommt. Bei den Versuchspersonen beobachteten die Ingenieure Translationsbewegungen von bis zu zehn Millimeter während einer 75° Flexions-Bewegung, bei den Patientinnen und Patienten mit Degeneration eher mehr, dafür ist der Migrationspfad der Drehzentren sehr unregelmässig. Fütterte der Empa-Forscher diese Werte in sein Simulationsprogramm, zeigte die Verschiebung bei den internen Kräften eine noch grössere Wirkung. «Bisher vernachlässigte man die translatorischen Bewegungen innerhalb der Gelenke», erklärt Ameet Aiyangar, «doch unsere Simulationen zeigen, dass die Wanderung der Drehzentren die Kräfte in der Bandscheibe wesentlich beeinflussen.»

Die Maschinenbauingenieure Ameet Aiyangar (l.) und Bernhard Weisse. (Fotos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Für seine Berechnungen verwendet der Ingenieur ein Softwareprogramm der Universität Stanford, das er weiterentwickelt hat. Aufgrund der berechneten Kraftverteilung ermittelt er mit einer zweiten Simulationsmethode die lokale Beanspruchung der Bandscheiben im Lendenwirbelbereich und vergleicht das Ergebnis mit den gemessenen Werten. «Die Kombination aus experimentellen Daten und Computersimulationen ist das Innovative an dieser Arbeit», sagt Bernhard Weisse: «So können wir die Ergebnisse verifizieren.» Dies ist entscheidend für die Umsetzung der Resultate bei der Behandlung von Rückenpatienten.

Helfen Bewegungstherapien und Schmerzmittel nicht mehr, wird oft eine Fusionsoperation, also eine Wirbelversteifung, durchgeführt. Doch häufig kehren die Beschwerden nach ein paar Jahren wieder zurück, weil die Operation die Belastung der benachbarten Wirbelsäulensegmente erhöht hat. «Wir hoffen, dass unsere Forschung in den nächsten fünf bis zehn Jahren bei der Planung chirurgischer Eingriffe helfen wird», so Bernhard Weisse. Mediziner könnten Patientinnen und Patienten individueller und gezielter behandeln – wie es auch die personalisierte Medizin vorsieht – und erkennen, bei wem eine Versteifung weniger ratsam oder ein spezielles Implantat sinnvoll wäre. Die Erkenntnisse könnten aber auch dazu beitragen, neue Bandscheibenprothesen zu entwickeln, mit denen sich die natürlichen Bewegungsmuster eines gesunden Rückens besser reproduzieren lassen.