Degenerative Veränderungen der Wirbelsäule sowie Rückenschmerzen können als Volkskrankheit betrachtet werden. Ein falsches Belasten der lumbalen Rückenstrukturen wird häufig als einer der Faktoren angesehen, die degenerative Prozesse beschleunigen können, was zu Rückenschmerzen führt. Eine degenerative Veränderung kann bspw. das Auftreten einer Spinalkanalstenose in Folge von Wirbelgleiten sein. Die chirurgische Behandlung der Spinalstenose konzentriert sich hauptsächlich auf die Dekompression des Spinalkanals mit oder ohne zusätzliche Fusion mittels dorsaler Spondylodese. Dabei gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, ob eine Fusion zusammen mit der Dekompression einen potenziellen Nutzen für Patienten hat oder eine Überbehandlung darstellt. Konventionelle Therapien als auch chirurgische Methoden zielen darauf ab, eine “gesunde” (oder zumindest schmerzfreie) Lastverteilung wiederherzustellen. Dementgegen ist überraschend wenig über die interindividuelle Variabilität der Lastverteilung in “gesunden” Lendenwirbelsäulen bekannt. Da medizinische Bildgebungen keine Informationen über innere Kräfte liefern, könnte die Computersimulation individueller Patienten ein Instrument sein, um eine Reihe neuer Entscheidungskriterien für diese Fälle zu gewinnen. Der Vorteil liegt dabei in der Berechnung der inneren Belastungsverteilung, was zum Beispiel in in-vivo Untersuchungen nicht möglich ist, da Messungen der inneren Kräfte am lebenden Menschen ethisch sowie teilweise auch technisch nicht umsetzbar sind. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde der vorwärtsdynamische Ansatz zu Berechnung der Belastungsverteilung in Mehrkörper-Modellen von individuellen Lendenwirbelsäulen verwendet. Die Arbeit gliedert sich dabei in drei Teile: (I) Zum einen wird die Belastungsverteilung in Abhängigkeit der individuellen Krümmung der Lendenwirbelsäule quantifiziert. (II) Des Weiteren werden Konfidenzbereiche des zeitlichen Verlaufs von Drehzentren bestimmt, mit welchen das Bewegungsverhalten von gesunden Lendenwirbelsäulen beschrieben werden kann. (III) Drittens werden die Auswirkungen von Dekompressionsoperationen auf die Belastungsverteilung von Lendenwirbelsäulen bestimmt.

Die Computermodellierung menschlicher Teilkörperstrukturen gewinnt zunehmend an Bedeutung für den Einsatz in der Medizin. Es handelt sich dabei um ein interdisziplinäres Forschungsfeld, bei dem durch die Zusammenarbeit von Physik, Mathematik, Computervisualistik und Medizin neue Methoden entwickelt werden können, mit denen genauere Aussagen über mechanische Belastungen von inneren kraftübertragenden Strukturen, wie Zwischenwirbelscheiben, Ligamente, Gelenke und Muskeln, bei Bewegungsabläufen getroffen werden können. Zu Beginn dieser Arbeit wird die Bedeutsamkeit des Forschungsbedarfs in der Computermodellierung, spezialisiert auf den Bereich der Wirbelsäule, dargelegt. Nachfolgend werden die grundlegenden anatomischen Strukturen erörtert, wozu die Zwischenwirbelscheiben, die Ligamente, die Facettengelenke und Muskulatur zählen. Anschließend werden Algorithmen entwickelt, mit denen aus CT-Daten unter geringem Zeitaufwand sowie semiautomisch individuelle LWS-Modelle erstellt werden können. Dabei werden Methoden erarbeitet, mit denen die vorgestellten kraftübertragenden Strukturen der Wirbelsäule, wie die Zwischenwirbelscheiben, Ligamente, Facettengelenke und Muskeln, modelliert werden können. Im weiteren Verlauf werden unterschiedliche bildgebende Verfahren (MRT-Daten, Röntgenfilm, Röntgenfunktionsaufnahmen) zur Validierung der LWS-Modelle vorgestellt und verwendet. Abschließend werden die erarbeiteten Algorithmen genutzt, um eine größere Anzahl an individuellen LWS-Modellen zu erstellen, die anschließend auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede bzgl. der inneren Belastungen sowie auf physiologisch korrekte Bewegungsabläufe hin untersucht werden. Dazu wird insbesondere das relative momentane Drehzentrum zwischen zwei benachbarten Wirbeln berechnet.

Das Integrationspotenzial des Sports am speziellen Beispiel des Rollstuhlbasketball von Simone Janda "Integration ist eine ständige Aufgabe. Insofern kann es kein Ziel im Sinne eines Ergebnisses geben. Vielmehr geht es darum, Prozesse, die zu einer erfolgreichen Integration führen, immer besser zu verstehen, sie weiterzuentwickeln und sie vor allem an die sich ständig verändernden Rahmenbedingungen anzupassen" (DOSB 2009: 5). Trotz traditioneller Zuschreibung sozial-integrativer Funktionen an sportliche Aktivität gibt es sowohl erhebliche empirische als auch theoretische Defizite (vgl. Hoffmann 2002), die in der vorliegenden Arbeit behandelt werden. In einer differenzierten Analyse werden verschiedene Integrationsaspekte und die Rahmenbedingungen integrativer sportlicher Aktivität berücksichtigt. Da dem Sport eine besondere integrierende Funktion zugeschrieben wird und diese sozialen Prozesse vor allem in Gruppen stattfinden, soll in dieser Arbeit das Potenzial einer Mannschaftssportart untersucht werden, die für Menschen mit und ohne Behinderung gleichermaßen zugänglich ist " der Rollstuhlbasketball. Neben der körperlichen Belastung kommen hier in besonderem Maße soziale Faktoren hinzu, die das Gemeinschaftsgefühl im Mannschaftsverbund stärken und Individuen in ein soziales Gefüge integrieren können. Aus der geschilderten Problematik ergibt sich folgende übergeordnete Fragestellung für die Untersuchung: Was macht das Integrationspotenzial einer Sportart (am Beispiel des Rollstuhlbasketballs) aus? Es stellt sich die Frage, welche Faktoren eine Sportart erfüllen muss, um integrativ ausgeführt werden zu können bzw. welche Schwierigkeiten und Hürden dabei überwunden werden müssen, um behinderten und nichtbehinderten Menschen gleichermaßen gerecht zu werden und deren speziellen Bedürfnisse zu befriedigen. In dieser Studie erfolgt die Datenerhebung durch die Kombination von qualitativer (Interviews) und quantitativer (Fragebogen) Forschungsmethoden. Diese Verknüpfung verschiedener Forschungsmethoden ermöglicht es, dass Messungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln und individuelle Betrachtungsweisen möglichst vollständig erfasst werden können. Der Nutzen für die Wissenschaft liegt darin, eine aktuelle Situationsanalyse in Form eines Modells zu erstellen, um die Rahmenbedingungen, die ständigen Veränderungen unterliegen, weiterzuentwickeln und zu verbessern, um Menschen mit Behinderung ein maximal inklusives Sportangebot bieten zu können.

Ziel der Arbeit war die Erstellung eines MKS-Modells der menschlichen lumbalen Wirbelsäule zur Ermittlung der mechanischen Belastungen innerer Körperstrukturen. Die Oberflächen der Wirbelkörper wurden aus CT-Daten menschlichen Sektionsguts als CAD-Oberflächen generiert und bilden das Grundgerüst des Modells. Die genaue Positionierung des Facettengelenke ist dabei vorgegeben ebenso wie die Ansatzpunkte und Verlaufsrichtungen der ligamentösen Strukturen. Zwischen den starren Wirbelkörpern wurden elastische Bandscheiben eingeführt, deren Mittelpunkte als jeweiliges Drehzentrum der entsprechenden funktionalen Einheiten definiert sind. Damit sind gleichzeitig die Hebelarme zu den Ansatzpunkten der einzelnen Bänder festgelegt. Das mechanische Verhalten dieser verschiedenen Strukturen wurde über physiologische Gleichungen oder Kennlinien in das Modell implementiert. So wurde für die Facettengelenke ein Ansatz für Kontaktkräfte in horizontaler Richtung eingeführt. Für die Kraftentwicklung bei Dehnung der Bänder fanden individuelle Kennlinien aus der Literatur Verwendung. Bei der Deformation der Bandscheiben folgt die Kraftentwicklung einer mechanischen Relation in Abhängigkeit der Deformation sowie der Deformationsgeschwindigkeit. Die entsprechenden Materialkonstanten in den Gleichungen wurden über experimentelle Messdaten aus der Literatur ermittelt. Dem Aufbau von Drehmomenten bei Auslenkung der Bandscheiben um die drei möglichen Rotationsachsen liegen wiederum Kennlinien aus der Literatur zugrunde. In Anpassung an diese experimentell ermittelten Kurven wurden mechanische Gleichungen entwickelt, die letztendlich in das Modell implementiert wurden und die bei jeweiliger Verdrehung der Bandscheibe die Entwicklung eines entsprechenden Moments angeben. Die Validierung des Modells erfolgt auf der einen Seite über die Gleichgewichtsbedingung, bei der die Summe aller Kräfte und Drehmomente bezüglich des Schwerpunkts einer funktionalen Einheit Null sein muss. Dieser Zustand konnte mit dem Modell eindeutig nachgewiesen werden. Auf der anderen Seite konnten punktuell Messergebnisse aus der Literatur über die Modellrechnungen in guter Näherung reproduziert werden. Hier besteht jedoch die Schwierigkeit, dass Messungen an Sektionsgut immer nur in isoliertem Zustand und in einem definierten Versuchsaufbau mit Belastung nur einer Richtung durchgeführt wurden. Innerhalb des Modells befinden sich die Strukturen in einem beweglichen Verbund und unterliegen damit vielfältigen mechanischen Einflüssen, was der Realität im menschlichen Körper auch wesentlich mehr entspricht. Dennoch spiegelt das Materialverhalten der elastischen Elemente innerhalb des Modells größenordnungsmäßig die Ergebnisse der verschiedensten experimentellen Messungen aus der Literatur wider. Zur Simulation unterschiedlicher Belastungssituationen wurde das Modell der Lendenwirbelsäule in verschiedenen Fallbeispielen der Einwirkung einer jeweils konstanten äußeren Kraft unterschiedlicher Größe ausgesetzt. Nach einer kurzen Phase der Bewegung aller Teilstrukturen stellte sich in jedem gerechneten Fallbeispiel ein neuer Gleichgewichtszustand ein. Für alle implementierten Strukturen, wie Bandscheiben, Bänder und Facettengelenke, konnte der zeitliche Verlauf der Belastungszunahme sowie die Belastung im Endzustand berechnet werden. Eine Überprüfung ergab, dass sich alle Ergebnisse im physiologisch gesunden Wertebereich befanden. Damit ist der Nachweis erbracht, dass mit dem vorliegenden Modell ein Instrument entwickelt wurde, das im Rahmen der Genauigkeit des Modells die Belastung der inneren Strukturen bei äußerer Krafteinwirkung zuverlässig berechnet werden können. Die Anwendungen eines derartigen Modells sind vielfältiger Art. Durch Variationen von Parametern können die verschiedensten Situationen simuliert werden. Beispiele sind hier die Auswirkung von degenerierten Bandscheiben mit völlig anderem Materialverhalten auf die umgebenden gesunden Teilstrukturen. Weitere Krankheitsbilder wie schwache Bänder, Wirbelgleiten, Knochenveränderungen oder auch der Einfluss von operativen Maßnahmen wie Versteifung einzelner Abschnitte oder die Einsetzung von Implantaten können damit simuliert werden und ermöglichen quantitative Aussagen über die Veränderung der Beanspruchung der angrenzenden Strukturen. Als Beispiel einer Anwendung in der Medizin wurde der Fall einer degenerierten Bandscheibe aufgezeigt. Die Bandscheibe wurde chirurgisch entfernt und durch ein Implantat zur Versteifung ersetzt. Mit Hilfe der Simulationsrechnung wurde die Auswirkung der Versteifung auf die Deformation der angrenzenden Bandscheiben und die veränderte Kraftentwicklung dargelegt.