3D Finite-Elemente-Modellierung von Skelettmuskeln

Parameteridentifikation, Simulation und Verifikation

Forschungsprojekt (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. 2016, Wick et al. 2018, Reinhardt et al. 2016). Dies behindert die Muskelkoordination und differenzierte Krafterzeugung. Dennoch müssen Muskeln im Alltag komplexe Bewegungsaufgaben differenziert bewältigen. In diesem Projekt soll ein 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  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 (Siebert et al. 2015, Böl et al. 2015). Dies umfasst die Bestimmung der aktiven Muskeleigenschaften, der passiven, dynamischen Gewebeeigenschaften (Böl et al. 2012, Böl et al. 2013, Siebert et al. 2015) sowie der 3D Muskelarchitektur (Schenk et al. 2013, Wick et al. 2018). Um die Interaktion benachbarter Muskeln zu charakterisieren, wird die longitudinale und transversale (Reinhardt et al. 2016) 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, Böl et al. 2015) 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:

  • Seydewitz, R., Siebert, T., Böl, M. (2019). On a three‑dimensional constitutive model for history effects in skeletal muscles. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. doi.org/10.1007/s10237-019-01167-9 [link]
  • Böl, M., Kruse, R., Ehret, A.E., 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]
  • 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 12, 1205-1220.[Link]
  • Schenk, P., Siebert, T., Hiepe, P., Gullmar, D., Reichenbach, J.R., Wick, C., Blickhan, R., Böl, M., 2013. Determination of three-dimensional muscle architectures: validation of the DTI-based fiber tractography method by manual digitization. J Anat 223, 61-68.[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]
  • Böl, M., Ehret, A.E., Leichsenring, K., Weichert, C., Kruse, R., 2014. On the anisotropy of skeletal muscle tissue under compression. Acta Biomat 10, 3225-3234.[Link]
  • Siebert, T., Leichsenring, K., Rode, C., Wick, C., Stutzig, N., Schubert, H., Blickhan, R., Böl, 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]
  • Reinhardt, L., Siebert, T., Leichsenring, K., Blickhan, R., Böl, M., 2016. Intermuscular pressure between synergistic muscles correlates with muscle force. J Exp Biol 219, 2311-2319.[Link]
  • Böl, M., Leichsenring, K., Siebert, T., 2016. Effects of growth on muscle, tendon and aponeurosis tissues in rabbit shank musculature. Anat Rec 300, 1123-1136.[Link]
3D Muskelverformung des M. soleus während einer isometrischen Muskelkontraktion und Muskelarchitektur Dehnungsverteilung der proximalen Aponeurose (rechts) des M. plantaris (Böl et al. 2013/2015)
3D Muskelverformung des M. soleus während einer isometrischen Muskelkontraktion und Muskelarchitektur Dehnungsverteilung der proximalen Aponeurose (rechts) des M. plantaris (Böl et al. 2013)
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