Degenerative Veränderungen der Wirbelsäule sowie Rückenschmerzen können als Volkskrankheit betrachtet werden. Ein falsches Belasten der lumbalen Rückenstrukturen wird häufig als einer der Faktoren angesehen, die degenerative Prozesse beschleunigen können, was zu Rückenschmerzen führt. Eine degenerative Veränderung kann bspw. das Auftreten einer Spinalkanalstenose in Folge von Wirbelgleiten sein. Die chirurgische Behandlung der Spinalstenose konzentriert sich hauptsächlich auf die Dekompression des Spinalkanals mit oder ohne zusätzliche Fusion mittels dorsaler Spondylodese. Dabei gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, ob eine Fusion zusammen mit der Dekompression einen potenziellen Nutzen für Patienten hat oder eine Überbehandlung darstellt. Konventionelle Therapien als auch chirurgische Methoden zielen darauf ab, eine “gesunde” (oder zumindest schmerzfreie) Lastverteilung wiederherzustellen. Dementgegen ist überraschend wenig über die interindividuelle Variabilität der Lastverteilung in “gesunden” Lendenwirbelsäulen bekannt. Da medizinische Bildgebungen keine Informationen über innere Kräfte liefern, könnte die Computersimulation individueller Patienten ein Instrument sein, um eine Reihe neuer Entscheidungskriterien für diese Fälle zu gewinnen. Der Vorteil liegt dabei in der Berechnung der inneren Belastungsverteilung, was zum Beispiel in in-vivo Untersuchungen nicht möglich ist, da Messungen der inneren Kräfte am lebenden Menschen ethisch sowie teilweise auch technisch nicht umsetzbar sind. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde der vorwärtsdynamische Ansatz zu Berechnung der Belastungsverteilung in Mehrkörper-Modellen von individuellen Lendenwirbelsäulen verwendet. Die Arbeit gliedert sich dabei in drei Teile: (I) Zum einen wird die Belastungsverteilung in Abhängigkeit der individuellen Krümmung der Lendenwirbelsäule quantifiziert. (II) Des Weiteren werden Konfidenzbereiche des zeitlichen Verlaufs von Drehzentren bestimmt, mit welchen das Bewegungsverhalten von gesunden Lendenwirbelsäulen beschrieben werden kann. (III) Drittens werden die Auswirkungen von Dekompressionsoperationen auf die Belastungsverteilung von Lendenwirbelsäulen bestimmt.
Verletzungen des vorderen Kreuzbands (vKB) ohne aktive Einwirkung eines Gegenspielers sind ein großes Problem im Fußball. Als möglicher Risikofaktor wird in diesem Zusammenhang oft das Stollendesign der Fußballschuhe genannt. Ziel der Arbeit war daher die Untersuchung der Frage, ob es einen Zusammenhang zwischen dem Stollendesign der Fußballschuhe und den Belastungen im vorderen Kreuzband gibt, oder nicht.
Da Messungen während Fußballspielen nicht möglich sind und Probanden aus ethischen Gründen nicht akuter Verletzungsgefahr ausgesetzt werden dürfen, ist die einzige Möglichkeit zur Untersuchung der Problemstellung die Verwendung mechanischer Tests. Um hiermit aussagekräftige Daten ermitteln zu können ist eine möglichst realistische Belastung der Fußballschuhe während der experimentellen Tests von elementarer Bedeutung.
Hierfür wurde in der vorliegenden Arbeit die Kinematik und die Bodenreaktionskraft realer Verletzungssituationen mittels der Poser-Methode bestimmt und über eine anschließende invers-dynamische Computersimulation die resultierenden Gelenkmomente berechnet. Diese Daten definierten die Randbedingungen für den experimentellen Vergleich von vier unterschiedlichen Stollendesigns mit dem neu entwickelten mechanischen Testgerät TrakTester.
Bei den durchgeführten Vergleichsmessungen zeigten sich aussagekräftige Unterschiede bei den gemessenen Kräften und Momenten zwischen den Stollendesigns. Zur Abschätzung des Einflusses des Stollendesigns auf die Belastungen des vKB wurden aus den Messwerten, unter Berücksichtigung biomechanischer und medizinischer Erkenntnisse, Gefährdungspotentiale für jedes Stollendesign bei jedem untersuchten Lastfall bestimmt. Diese Gefährdungspotentiale lassen den Schluss zu, dass das Stollendesign die Kräfte im vKB beeinflusst, allerdings erheblich von den exakten Randbedingungen abhängt.
Grundsätzlich bestätigt die vorliegende Arbeit die Annahme, dass von lamellenförmigen Stollen pauschal eine größere Gefahr für das vKB ausgeht, nicht.
Die Biomechanik umfasst natur-, ingenieur- und sportwissenschaftliche sowie medizinische Aspekte. Unter Berücksichtigung all dieser Aspekte leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis von Verletzungsmechanismen ausgewählter Sportarten. Dabei stellen numerische Verfahren ein adäquates Mittel dar, wenn Messtechnik an ihre Grenzen stößt oder experimentelle Untersuchungen aus ethischen Gründen nicht oder nur bedingt durchführbar sind. Den Schwerpunkt in dieser Arbeit bildet daher der Aufbau und die Überprüfung detaillierter physikalischer Modelle, sog. Mehrkörpersysteme (MKS), ausgesuchter Regionen des menschlichen Körpers. Die entsprechenden Bereiche des Bewegungsapparates wurden anatomisch detailliert besprochen und die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Strukturen untersucht.