3D Muskelmodellierung von Skelettmuskeln

Parameteridentifikation, Simulation und Verifikation

Forschungsprojekte (DFG SI841/3-1, 3-2) in Kooperation mit Prof. Markus Böl (TU-Braunschweig)

Skelettmuskeln liegen in unserem Körper meist eng gepackt in Muskelpaketen (z.B. Wade) vor und können sich bei Kontraktion nicht frei verformen, sondern müssen u.A. mit umgebendem Muskelgewebe interagieren. Die intermuskuläre Übertragung von Kraft in longitudinaler und transversaler Richtung beeinflusst die Kraftfähigkeit und Verformung des Einzelmuskels (Siebert et al. 2012a, Siebert et al. 2012b). Dies behindert die Muskelkoordination und differenzierte Krafterzeugung. Dennoch müssen Muskeln im Alltag komplexe Bewegungsaufgaben differenziert bewältigen. In dieser Projektphase soll in tieferes Verständnisses für die Packung von Muskeln unter der Prämisse der Erzeugung von Kraft und Geschwindigkeit durch die Untersuchung der Architektur, der dreidimensionalen Verformung und der Kraftentwicklung von Muskelpaketen gewonnen werden.

Aufbauend auf den Vorarbeiten zur 3D Finite-Elemente (FE) Modellierung des M. soleus (SOL), soll  jetzt die Beschreibung auf ein Muskelpaket (SOL, M. gastrocnemius (GM) und M. plantaris (PLA) von Oryctolagus caniculus (Kaninchen)) erweitert werden. Es sind 3 aufeinander aufbauende Arbeitspakete geplant, in denen eine enge Verflechtung zwischen Experiment und Modellierung vorgesehen ist. In Arbeitspaket 1 werden noch ausstehende experimentelle Arbeiten sowie Arbeitsschritte zur Validierung des FE-Modells am SOL abgeschlossen. Im Arbeitspaket 2 soll der Modellansatz am GM, der in seiner Muskelarchitektur, Faserverteilung und den Kontraktionseigenschaften wesentlich komplexer als der SOL ist, überprüft werden. In Arbeitspaket 3 wird unter Verwendung der bisherigen Ergebnisse das erste 3D Modell eines Muskelpaketes (SOL, GM, PLA) erstellt und validiert.

Zur Umsetzung dieser Schwerpunkte werden gezielte Experimente zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften und Strukturparameter des GM und PLA durchgeführt. Dies umfasst die Bestimmung der aktiven Muskeleigenschaften, der passiven, dynamischen Gewebeeigenschaften (Böl et al. 2012) sowie der 3D Muskelarchitektur (Schenk et al. 2013). Um die Interaktion benachbarter Muskeln zu charakterisieren, wird die longitudinale Kraftübertragung experimentell erfasst. Aufgrund der unterschiedlichen Dynamik der kombinierten Kompartimente werden Modellerweiterungen bzgl. der Ermüdungs- und Geschichtsabhängigkeit (Till et al. 2008, Till et al. 2010, Rode et al. 2008) der Muskelkraft notwendig. Für die Modellvalidierung ist die gleichzeitige Messung der Kraft und der 3D Verformung (optisches Messsystem) der Einzelmuskeln (Böl et al. 2013) sowie des Muskelpaketes bei verschiedenen Kontraktionsformen eine wesentliche Voraussetzung.

Perspektivisch sollen im Grundlagenbereich Fragen zur Funktion und Ausgestaltung von Muskeln, Muskelpaketen und Körpersegmenten adressiert werden. In der medizinischen Anwendung können Modelle von Muskelpaketen zur Vorhersage funktioneller Auswirkungen von Operationen bei neuromuskulären Erkrankungen verwendet werden. Über die Kenntnis lokaler Drucke und Spannungskonzentrationen sind Vorhersagen zu Durchblutungsstörungen und Mikrotraumata nach exzentrischen Belastungen möglich.

Literatur:

  • Siebert T, Leichsenring K, Rode C, Wick C, Stutzig N, Schubert H, Blickhan R & Bol M. (2015). Three-Dimensional Muscle Architecture and Comprehensive Dynamic Properties of Rabbit Gastrocnemius, Plantaris and Soleus: Input for Simulation Studies. PLoS ONE 10, e0130985. [link]
  • Böl M, Leichsenring K, Ernst M, Wick C, Blickhan R & Siebert T. (2015). Novel microstructural findings in M. plantaris and their impact during active and passive loading at the macro level. J Mech Behav Biomed Mater 51, 25-39. [link]
  • Hiepe P, Herrmann KH, Gullmar D, Ros C, Siebert T, Blickhan R, Hahn K & Reichenbach JR. (2014). Fast low-angle shot diffusion tensor imaging with stimulated echo encoding in the muscle of rabbit shank. NMR Biomed 27, 146-157. [link]
  • Schenk P, Siebert T, Hiepe P, Gullmar D, Reichenbach JR, Wick C, Blickhan R & Bol M. (2013). Determination of three-dimensional muscle architectures: validation of the DTI-based fiber tractography method by manual digitization. J Anat. Doi: 10.1111/joa.12062. [link]
  • Böl M, Leichsenring K, Weichert C, Sturmat M, Schenk P, Blickhan R & Siebert T. (2013). Three-dimensional surface geometries of the rabbit soleus muscle during contraction: input for biomechanical modelling and its validation. Biomech Model Mechanobiol. Doi: 10.1007/s10237-013-0476-1. [link]
  • Siebert T, Günther M & Blickhan R. (2012a). A 3D-geometric model for the deformation of a transversally loaded muscle. J Theor Biol 298, 116-121. [link]
  • Böl M, Schmitz A, Nowak G & Siebert T. (2012). A three-dimensional chemo-mechanical continuum model for smooth muscle contraction. J Mech Behav Biomed Mater 13C, 215-229. [link]
  • Siebert T, Till O & Blickhan R. (2012). Work partitioning of transversally loaded muscle: experimentation and simulation. Comput Methods Biomech Biomed Engin , 1-13. [link]
  • Böl M, Kruse R, Ehret AE, Leichsenring K & Siebert T. (2012). Compressive properties of passive skeletal muscle-The impact of precise sample geometry on parameter identification in inverse finite element analysis. J Biomech 45, 2673-2679. [link]
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