Erstellung eines dreidimensionalen biomechanischen Modells der equinen thorakolumbalen Wirbelsäule

Abstract

Die gegenständliche Arbeit befasst sich im Rahmen einer wissenschaftlichen Kooperation der Technischen Universität Wien und der klinischen Arbeitsgruppe für Bewegungsanalytik an der Veterinärmedizinischen Universität Wien mit der Entwicklung eines biomechanischen Modells zur Simulation der equinen Rückenbewegung in der thorakolumbalen Wirbelsäulenregion. Mithilfe eines optimierten Hautmarkersets werden mittels Motion Capture gemessene Bewegungsmuster in die digitale Simulationsumgebung integriert.<br />Das entwickelte Starrkörpermodell stellt eine dreidimensionale 25-gliedrige kinematische Kette dar, deren Segmente durch idealisierte Gelenke in jeweils drei Freiheitsgraden (Flexion-Extension, axiale Rotation und laterale Biegung) miteinander in Verbindung stehen. Mit drei retroreflektierenden Hautmarkern kann die Position bzw.<br />Orientierung eines Segments im Raum jederzeit bestimmt werden. Messungen in Schritt und Trab haben gezeigt, dass die Bewegungen in den Wirbelgelenken sehr gering ausfallen. Dennoch kann durch die Einführung von kombinierten Segmenten die Bewegung durch das Vermessen eines jeden dritten Wirbels ausreichend komplex und realitätsnahe simuliert werden.<br />Segmentübergreifende Winkelbeziehungen konnten zur Modellvalidierung herangezogen werden. So zeigten sich höchst signifikante Korrelationen (p < 0,01) in allen drei Bewegungsrichtungen. Selbst mit einem permanenten Informationsverlust durch Hautverschiebungen zwischen Markern und Knochen konnte eine Koppelung der axialen Rotation mit einer lateralen Biegung im Modell eindeutig bewiesen werden. Neben der Bestimmung eines Hautmarkersetups war auch die Erstellung eines Muskelmodells des Longissimus dorsi mit Berücksichtigung aller biomechanischen muskelspezifischen Parameter ein Ziel dieser Arbeit.<br />Das Modell der thorakolumbalen Wirbelsäule soll die Basis für ein zukünftiges Ganzkörpermodell bilden und sowohl die Biomechanik des Pferderückens besser erklären als auch neue Einsichten in die Pathogenese des chronischen Rückenschmerzes möglich machen.<br />

The aim of this thesis was the development of a three-dimensional biomechanical model of the thoracolumbar spine for the simulation of equine back movement. Furthermore, an optimized skin marker setup has been designed in order to combine motion capture with the virtual model in a simulation environment.<br />The model consists of a kinematic chain with 25 segments linked by idealized joints providing three degrees of freedom (flexion - extension, axial rotation, and lateral bending). The position and orientation of each segment can be calculated by the movement of three retro reflective skin markers. Measurements on the treadmill in walk and trot showed small ranges of movement in the joints of the model.<br />Combining the joints enables the model to represent even complex movement pattern realistically. For model validation, angle correlations between vector products of virtual marker planes were used, showing highly significant correlation coefficients (p < 0.01) in all degrees of freedom. Even with a small amount of marker displacement, the model showed the connection of axial rotation and lateral bending in the equine spine properly. An additional aim of this work was to generate a model of longissimus dorsi muscle including biomechanical activation and contraction dynamics of muscle tissue.<br />The model of the thoracolumbar spine should form the basis for a future entire body model and should allow new insights to the biomechanics of the horse back and the pathogenesis of chronic back pain.<br />