Verbesserung der Genauigkeit der Schleudertrauma-Simulation: von einzelnen Muskelsehnen zum gesamten Nacken

• Antragsteller: Dr. Matthew Millard; Dr. André Tomalka
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540349998

Jedes Jahr erleiden Hunderttausende von Menschen in Europa ein Schleudertrauma bei Autounfällen, das zu chronischen Schmerzen führen kann und teuer in der Behandlung ist. Durch autonomes Fahren entstehen aufgrund der neuartigen Sitzpositionen zusätzliche Risiken für Schleudertrauma. Die Sicherheit eines Prototyps kann zwar mit anthropomorphen Testgeräten abgeschätzt werden, doch die endgültige Beurteilung erfolgt erst durch Simulation in den frühen Entwicklungsphasen. Die Einschätzung des Schleudertrauma-Risikos mittels Simulation ist eine Herausforderung, da herkömmliche Muskelmodelle die Kräfte bei Aktivierung, Dehnung und Verletzung nicht präzise vorhersagen. Um die Genauigkeit der Schleudertrauma-Simulation zu verbessern, sollen Experimente zur Modellierung der Auswirkungen von Verletzungen auf passive und aktive Muskeleigenschaften durchgeführt werden. Unterschiedliche Strukturen im Muskel können bei aktiver Dehnung große Kräfte entwickeln und Verletzungen verursachen. Bei relativ großen und langsamen Dehnungen ist ein Protein namens Titin in der Lage, große Kräfte zu entwickeln, während bei sehr schnellen Dehnungen Querbrücken große Kräfte entwickeln können. Wir wollen messen, wie die Muskeleigenschaften durch lange Dehnungen, die zu Verletzungen führen, beeinträchtigt werden. Außerdem möchten wir die Auswirkungen von Muskellänge und Kontraktionsgeschwindigkeit auf Steifigkeit und Dämpfung, dominiert von Querbrücken, besser charakterisieren. Zur Nutzbarmachung unserer Arbeit für andere planen wir, Daten und Modelle öffentlich zugänglich zu machen. Zudem wird eine Benchmarking-Simulationssammlung erstellt, die simulierte Muskeln mit experimentellen Daten vergleicht. Um die Genauigkeit von Schleudertrauma-Simulationen zu verbessern, müssen die Flexibilität, die Stärke und die Reflexreaktion des gesamten Nackenmodells eng mit experimentellen Daten übereinstimmen. Bisherige Nackenmodelle wurden vorwärts und rückwärts bewertet, doch es gilt noch, Flexibilität in anderen Richtungen und Reflexe tiefer liegender Muskeln zu untersuchen. Geplante detaillierte Benchmark-Simulationen sollen mit Literatur-Experimenten durchgeführt werden, um das Nackenmodell möglichst realitätsnah zu gestalten. Auch wenn unser Fokus auf Schleudertrauma liegt, haben die geplanten Experimente und Modelle breitere Anwendungsmöglichkeiten. Sie können direkt auf die Simulation verschiedener Verletzungsarten angewendet werden. Die öffentlich zugänglich gemachten Muskelmodelle eignen sich für Simulationen jeglicher Aktivität, die aktive Muskeldehnung erfordert, sei es Gehen, Laufen oder Landen nach einem Sprung. Schlussendlich tragen unsere Messungen zur Charakterisierung von Muskelsteifigkeit und Dämpfung in Abhängigkeit von Länge und Geschwindigkeit zur Grundlagenforschung bei und könnten Aufschluss darüber geben, warum der Muskel bei kurzen Längen schwächer wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Kooperationspartner: Professor Dr. Walter Herzog