Prädiktive neuromuskuloskelettale Simulationen der menschlichen Wirbelsäule im Alter

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Maria Hammer
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Medizininformatik und medizinische Bioinformatik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564597055

Die menschliche Wirbelsäule ist eine komplexe und lebenswichtige Struktur, die nicht nur die mechanischen Lasten des Oberkörpers trägt, sondern gleichzeitig auch das Rückenmark schützt. Altersbedingte Veränderungen, wie die Degeneration der Bandscheiben und der Facettengelenke, sind bedeutende Ursachen für typische Wirbelsäulenerkrankungen, einschließlich Rückenschmerzen und adulte spinale Deformität. Diese Erkrankungen führen oft zu chronischen Schmerzen und Behinderungen. Trotz der zunehmenden Prävalenz aufgrund der alternden Gesellschaft und der erheblichen Auswirkungen dieser Erkrankungen auf die Lebensqualität der betroffenen Menschen sind die biomechanischen Folgen altersbedingter Wirbelsäulendegeneration nach wie vor kaum bekannt. Diese Wissenslücke erschwert die Entwicklung wirksamer Präventionsstrategien und die präzise klinische Beurteilung von Krankheitsbildern sowie die Operationsplanung. Um diese Herausforderungen anzugehen, sollen mithilfe von verbesserten neuromuskuloskelettalen Modellen die biomechanischen Veränderungen in der reifen Wirbelsäule untersucht werden. Das erste Ziel ist die Entwicklung eines populationsbasierten Modells einer reifen Wirbelsäule, welches altersbedingte Veränderungen der Weichgewebseigenschaften und deren Wechselwirkung mit spinopelvinen Parametern berücksichtigt. Mithilfe muskelgetriebener prädiktiver Simulationen sollen interne Kräfte während alltäglicher Aktivitäten quantifiziert, damit das Risiko von Gewebeschäden durch mechanische Belastungen bewertet und Ursache-Wirkungs-Beziehungen in typischen Degenerationsmustern untersucht werden. Das zweite Ziel besteht darin, zu bewerten, inwieweit muskelgetriebene Simulationen mit personalisierten Modellen das individuelle mechanische Verhalten älterer Wirbelsäulen vorhersagen können. Dies erfordert eine detaillierte Analyse der notwendigen Personalisierungsschritte im Modellierungsprozess, mit dem Ziel, die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern und gleichzeitig den Rechen- und Modellieraufwand zu minimieren. Das Projekt wird diese patientenspezifischen Modelle anhand von Daten aus klinischen Bildgebungs- und Bewegungsstudien an älteren Probanden validieren. Durch die Konzentration auf diese Kernziele wird das Projekt unser Verständnis der Wirbelsäulenbiomechanik in älteren Menschen vertiefen. Diese Arbeit wird damit eine Grundlage bieten, um in Zukunft die Genauigkeit personalisierter Behandlungspläne zu verbessern und die Notwendigkeit wiederholter Operationen zu verringern, mit dem Ziel einer effektiveren klinischen Entscheidungsfindung und personalisierten Wirbelsäulenversorgung.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle