Dissertation

Warum reißen Achillessehnen?

In den vergangenen Jahren ist eine Zunahme von Achillessehnenverletzungen feststellbar, obwohl diese die stärksten Sehnen des menschlichen Körpers sind. Eine Ursache dafür ist die ungleichmäßige Belastung der Achillessehne durch schräge Fußhaltung, aber auch hohe gleichmäßige Belastung kann zu Problemen führen. Die Dissertation, die M. Eng. Majid Kardeh vom Fachbereich Informatik und Ingenieurswissenschaften der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) vorgelegt hat, beschäftigt sich mit einer „Methode zur Beurteilung des Achillessehnenruptur-Risikos auf Basis bildgebender Verfahren und der Finite Elemente-Methode“.

Kardeh entwickelte ein virtuelles Verfahren, das die Belastung der Achillessehne unter verschiedenen Bedingungen simuliert und Schwachstellen erkennt. „Unter Berücksichtigung von Majid Kardehs Erkenntnissen können künftig vorbeugende Maßnahmen bei der Entwicklung von Schuhen getroffen werden, die dem Risiko einer Achillessehnenruptur entgegenwirken“, ordnet der Betreuer Prof. Dr.-Ing. Gerhard Silber von der Frankfurt UAS die Bedeutung der Dissertation ein. „Das Potenzial des genutzten Verfahrens liegt in der Entwicklung und Optimierung von Schuhen am Computer, die sowohl im Komfort als auch im Schutz besonders gefährdeter Muskeln und Sehnen verbessert werden können.“ Die Arbeit wurde in enger Kooperation mit Prof. Dr. Dr. med. Thomas J. Vogl vom Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Goethe-Universität Frankfurt am Main verfasst. Die radiologischen Aufgaben beinhalteten insbesondere die Entwicklung und Analyse spezifischer Magnetresonanztomographie-Sequenzen zur Bildgebung.

In das Forschungsförderungsprogramm LOEWE (Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz) war der Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften der Frankfurt UAS im Rahmen des Schwerpunktes „Präventive Biomechanik – PräBionik“ eingebunden. Kardeh entwickelte innerhalb dieses Schwerpunktes eine Methode, welche die Interaktion von Fuß, Schuh und Untergrund simuliert. Gleichzeitig zeigt sie die Belastungen der jeweiligen Weichgewebe im Fuß auf. Mithilfe dieser Methode untersuchte Kardeh die besonderen Anforderungen an die Achillessehne bei verschiedenen Fußstellungen. Dabei wurden auch unterschiedliche Konstellationen der drei Parameter Fuß, Schuh und Untergrund überprüft. Das virtuelle Verfahren ermöglicht die genaue Darstellung der inneren Belastung der Achillessehne in verschiedenen Szenarien. Die Beine von Versuchsteilnehmer(-inne)n wurden mittels des Magnetresonanztomographie-Verfahrens digitalisiert und die mechanischen Eigenschaften des Weichgewebes durch Versuche, die das hyperelastische Verhalten von Materialien ermitteln, identifiziert. In Kombination mit Laufanalysen konnten mittels eines Mehrkörpersystems, das die Berechnung der Bewegung verschiedener Körper in einem System ermöglicht, die erforderlichen Muskelkräfte für das virtuelle Modell ermittelt werden.

Kardeh kommt zu dem Ergebnis, dass die größte Spannung und Dehnung der Achillessehne beim Laufen in neutraler Fußhaltung im Bereich der Achillessehnentaille besteht. Diese Stelle wird auch als „kritische Stelle“ bezeichnet, da 80 % aller Achillessehnenrisse in diesem Bereich auftreten. Bei einer ungleichmäßigen bzw. asymmetrischen Belastung der Achillessehne ist je nach Art der Asymmetrie der innere – bei einer Eversion – oder der äußere – bei einer Inversion – Teil der Sehne stärker gefährdet.. Bei einer Inversion ist das Risiko für eine Ruptur insgesamt höher als bei einer Eversion.   

Kardeh hat sein Diplom in Maschinenbau und auch seinen Master in Automotive Engineering an der Frankfurt UAS absolviert. Er ist seit 2008 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Materialwissenschaften und Lehrender am Fachbereich Informatik und Ingenieurswissenschaften. Seine kooperative Promotion in theoretischer Medizin schloss er im November 2015 an der Goethe-Universität Frankfurt erfolgreich ab. Sie wurde von zwei Gutachtern betreut: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Silber ist Professor am Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften der Frankfurt UAS und Direktor des Instituts für Materialwissenschaften; Prof. Dr. Dr. med. Thomas J. Vogl ist Direktor des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Bereits 2012 befasste sich Christophe Then von der Frankfurt UAS in seiner Dissertation im LOEWE-Schwerpunkt „Präventive Biomechanik – PräBionik“ mit einem besseren Verständnis der biomechanischen Vorgänge bei Liegegeschwüren und zeigte Möglichkeiten zu ihrer Vermeidung auf. Der Titel der von Then in englischer Sprache verfassten Dissertation lautete: „Application of the Finite Element Method to Optimize Interaction of Human Soft Tissue and Soft Polymeric Foam Supports”.

Die Frankfurt UAS, die Goethe-Universität Frankfurt am Main, die Philipps-Universität Marburg und die Duale Hochschule Baden-Württemberg Mosbach wurden für ihre gemeinsame Forschung im biomechanischen Bereich von 2010 bis 2013 mit rund 3,8 Millionen Euro aus dem LOEWE-Programm gefördert. Konsortialführer des LOEWE-Schwerpunkts war Prof. Dr.-Ing. Gerhard Silber, Geschäftsführender Direktor des Instituts für Materialwissenschaften (IfM) der Frankfurt UAS.

Das Institut für Materialwissenschaften (IfM) ist als Forschungsschwerpunkt an der Frankfurt UAS am Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften angesiedelt und widmet sich den Materialwissenschaften, der Biomedizin und der Biomechanik. Das Institut setzt sich aus den Laboren für Materialwissenschaft, Kunststoff und Kautschuk, Werkstoffe und für Computeralgebra zusammen. Geschäftsführender Direktor des Instituts ist Prof. Dr.-Ing. Gerhard Silber.

Quelle: Frankfurt University of Applied Sciences, Institut für Materialwissenschaften (IfM)

11.01.2016

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