Zeitschrift für forensische Biomechanik

Abstrakt

Ein 3D-stabilitätsbasiertes dynamisches Computermodell der menschlichen Rumpfbewegung: Auf dem Weg zur Entwicklung eines Paradigmas für die forensische biomechanische Analyse von Wirbelsäulenverletzungen

Vahid Khorsand Vakilzadeh, Mohsen Asghari, Hassan Salarieh, Naira H. Campbell-Kyureghyan, Mohamad Parnianpour und Kinda Khalaf

Hintergrund: Wirbelsäulenverletzungen und die damit verbundenen Rechtsstreitigkeiten stellen weltweit weiterhin erhebliche menschliche und wirtschaftliche Herausforderungen dar. Biomechanische prädiktive Simulationsmodelle der Wirbelsäule bieten zeit- und kosteneffiziente Werkzeuge für die forensische biomechanische quantitative Analyse von Verletzungen.
Methoden: Zur Simulation der Bewegung des menschlichen Rumpfes wurde ein 3D-Computermodell mit 18 Muskeln entwickelt. Drei physiologische Leistungsindizes wurden verwendet, um die optimalen Trajektorien im Zusammenhang mit der Rumpfbewegung zu modellieren. Das um das Lumbosakralgelenk erzeugte Moment wurde mithilfe inverser Dynamik berechnet. Der Beitrag der Muskeln zum Moment wurde durch eine auf statischer Stabilität basierende Optimierung bewertet, bei der die Rumpfbewegung von einer aufrechten Position bis zu einer Beugung von 60 Grad simuliert wurde. Der Beitrag des intrinsischen Mechanismus zur Wirbelsäulenstabilität wurde berücksichtigt, indem der Optimierungsroutine Stabilitätsbeschränkungen hinzugefügt wurden, während gleichzeitig eine Erhöhung der Aktivität der antagonistischen Muskeln ermöglicht wurde.
Ergebnisse: Die Kokontraktion agonistischer und antagonistischer Muskeln im resultierenden Computermodell erhöht die Gelenksteifigkeit um das L5/S1-Gelenk. Muskelspindeln liefern reflexives Feedback, um die Rumpfposition während der Ausführung der optimalen Bewegungsbahn zu kontrollieren. Eine Erhöhung der Zeitverzögerung im Reflexmechanismus verringert die Stabilität der Wirbelsäule.
Schlussfolgerung: Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist zweifach: 1. Die neuartige Verwendung von drei physiologisch plausiblen Leistungsindizes zur Simulation der Wirbelsäulenbewegung mit und ohne Stabilitätseinschränkungen und 2. Die Einbeziehung mehrerer gut etablierter Feedforward- und Feedback-Kontrollen in das Modell. Die Indizes der Rumpfleistung führten zu unterschiedlichen Bewegungsmustern und Muskelrekrutierungsmustern. Das Modell sagte voraus, dass die Auferlegung einer Rumpfstabilität eine höhere Wirbelsäulensteifigkeit durch Erhöhung der Muskelrekrutierung in Übereinstimmung mit experimentellen Daten verursacht. Diese Studie bietet einen rechnerischen Rahmen für die Modellierung und Vorhersage von Wirbelsäulenbewegungen, der für die quantitative forensische biomechanische Analyse von Wirbelsäulenverletzungen verwendet werden kann.