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Rücken in 3D

Neue Computeranalyse soll Ursache für blockierte Wirbel entschlüsseln.

10.06.2015 • 1 Kommentar

Die einen sagen, Rückenschmerzen seien der Preis für den aufrechten Gang. Die anderen sagen, das Leiden habe erst begonnen, als der Mensch sich hingesetzt hat, um nachzudenken. Wie dem auch sei, feststeht: Mangelnde Bewegung schwächt die Muskeln, hinzu kommt Stress im Privatleben oder am Arbeitsplatz. Die Rückenmuskeln verkrampfen und tun weh. Meistens lässt sich das Problem durch Lockerung und Stärkung der Rumpfmuskulatur beheben. Doch bei jedem siebten Betroffenen gelingt das nicht - selbst die Verabreichung von Opiaten hilft nicht mehr. Dann kann nur eine Operation die Schmerzen beenden, bei Härtefällen werden defekte Rückenwirbel oder Bandscheiben gar mit einer Metallkonstruktion überbrückt (sogenannte intervertebrale Fusion). Das fixierte Segment verknöchert und kann zunächst keine Schmerzen mehr auslösen. Derartige Reparatur-Operationen bringen den Patienten jedoch nur für wenige Jahre Linderung, dann tritt das Problem an den benachbarten Wirbeln erneut auf.

Doch warum ist das so, und wie kann man das verhindern? Bernhard Weisse forscht mit einem Team von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) an diesen mechanischen Fragen. Um zu verstehen, warum und wie schnell eine Bandscheibe verschleißt, müssen die Forscher die Kräfte kennen, die in diesem Bereich wirken. Und dazu wiederum braucht es eine exakte Kenntnis der Form, der Elastizität und der Beweglichkeit der einzelnen Elemente - eine Fragestellung für Maschinenbauingenieure. In einem ersten Schritt feilten die Empa-Forscher an der theoretischen Grundlage: Weisses Team fütterte die Wirbelsäulengeometrie-Daten von 81 Patienten in das Computerprogramm "Open Sim" - ein von der Stanford University entwickeltes, weltweit genutztes Simulationsprogramm für den menschlichen Bewegungsapparat. Dann galt es, die Biomechanik in der Computersimulation möglichst genau abzubilden: Verhält sich eine Bandscheibe wie ein Kugelgelenk oder eher wie ein Gummilager? Welchen Einfluss haben die Muskeln dabei - bleibt das Gummilager immer gleich steif, oder verändert sich die Steifigkeit abhängig vom Biegungswinkel? Dafür arbeitete die Empa mit dem Laboratorium für orthopädische Biomechanik der Uniklinik Balgrist (Universität Zürich) und dem Institut für Biomechanik der ETH Zürich zusammen.

Den Wissenschaftlern gelang es mit Hilfe des Computermodells, die Mechanik nachzubilden - mit erstaunlichem Ergebnis: Bei Menschen mit einer bestimmten Fehlstellung der Wirbelsäule werden die Bandscheiben bereits im gesunden Zustand um bis zu 34 Prozent stärker belastet. Geht eine Bandscheibe kaputt und wird überbrückt, steigt die Belastung in den Nachbargelenken weiter an und kann bis zu 45 Prozent höher sein als beim Menschen ohne diese Fehlstellung. Allein die Computeranalyse eines Gesundheitsproblems reicht indes nicht aus. Ziel ist es, für jeden Patienten eine individuelle Diagnose zu erstellen und die passende Therapie zu empfehlen. Eine Kooperation mit US-Wissenschaftlern, finanziert vom Schweizerischen Nationalfonds, half dabei weiter: Forscher der University of Pittsburgh haben ein neuartiges 3-D-Röntgen-Videosystem entwickelt. Es nennt sich "Digital Stereo-X-Ray-Imaging" (DSX) und kann die Bewegung der Wirbelsäule mit 250 Bildern pro Sekunde wiedergeben, während die Position der Wirbel auf 0,2 Millimeter genau zu sehen ist. Der Trick ist einfach: Die unscharfen Röntgen-Bilder der Bewegung werden mit scharfen CT-Bildern des stillliegenden Patienten im Computer kombiniert.

Einer der dort tätigen Forscher, Ameet Aiyangar, war bereits im Jahr 2009 als Gast-Wissenschaftler an der Empa und kehrt nun dorthin zurück. In Pittsburgh hat er zwölf gesunde Menschen Gewichte heben lassen und hochauflösende Filme ihrer Wirbelsäulen-Bewegung produziert. Derzeit ist Aiyangar dabei, die aufgenommenen Röntgen-Filme mit den Computermodellen des jeweiligen Probanden abzugleichen. Nachdem das Modell für gesunde Menschen stimmig ist, wollen die Forscher mit dieser Methode die Problematik der Spondylodese, also der Verblockung von Wirbelkörpern, untersuchen. Dazu werden Patienten vor und nach der Operation mit dem DSX-System gefilmt und die Bewegung ihrer Wirbel analysiert. So lässt sich bestimmen, welche Kräfte im Bereich der unteren Wirbelsäule vor der Operation gewirkt haben und was die Überbrückung der Wirbel an dieser Kräfteverteilung geändert hat. Die Untersuchung wird helfen, den Verschleiß von Rückenwirbeln besser zu verstehen und die Ursache von Schmerzen im unteren Rückenbereich genauer zu lokalisieren. Künftig könnte es eine derartige Computeranalyse für alle Rücken-OP-Patienten geben.

NUR / physio.de

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Georg Janzen

10.06.2015 08:12

Wenn ich mich auf einen Stuhl setze, ist die Belastung oft 100% höher als wenn andere Mitmenschen darauf sitzen. Und doch verschleisst der Stuhl nicht schneller.

Die beschriebene Herangehensweise ist ganz und gar von einer strukturellen Sichtweise auf den Menschen geprägt. In der Anmoderation des Artikels liest man davon, ob der aufrechte Gang oder das Sitzen für den Rückenschmerz verantwortlich sei. Es ist keines von beiden. Es ist die fehlende Abwechslung. Den Rückenschmerz hat die Menschheit mit der Arbeitsteilung erfunden. Würden wir uns natürlich bewegen, würde keine Belastung lange genug einwirken um zu schaden - im Gegenteil sie würde stärken und heilen.

Den nächsten Aspekt, den ich vermisse, ist die psychische Komponente. Viele gehen davon aus, das Rückenschmerzen psychisch verursacht werden. Hier werden Zahlen von 30% bis hin zu 80% genannt. Eigentlich müsste jeder Orthopäde mit einem Psychiater in einer Gemeinschaftspraxis sitzen.

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