Die Arbeitsgemeinschaft für muskuloskelettale Biomechanik und Orthopädie widmet sich der umfassenden Untersuchung (überwiegend) menschlicher Bewegungen und Körperhaltungen, um Arbeitsbedingungen zu verbessern und Verletzungen zu verhindern. Im Bereich der Bewegungsanalyse im Arbeitsschutz werden typische Haltungen und Bewegungsmuster am Arbeitsplatz analysiert, um Belastungen frühzeitig zu erkennen und präventive Maßnahmen zu entwickeln. Zudem werden neue Arbeitsmittel wie Datenbrillen und Exoskelette nach ergonomischen Kriterien bewertet. Weitere Schwerpunkte sind hierbei die Vermeidung von Unfällen (etwa Stolpern, Rutschen oder Stürzen), sowie die Adaptation des Muskel-Sehnen-Komplexes als Reaktion auf mechano-metabolische Stimuli in Sport und Bewegung.
Die Arbeitsgemeinschaft entwickelt zudem biomechanische Simulationen der Wirbelsäule, um medizinische Geräte wie Wirbelsäulen- und Bandscheibenimplantate zu verbessern und Operationsplanungen zu optimieren. Dabei werden 3D-Simulationsmodelle erstellt, die patientenspezifische Bedingungen wie Übergewicht, Alter oder Krankheitsbilder berücksichtigen. Darüber hinaus werden durch eine interdisziplinäre Verknüpfung von biologisch-medizinischen Messverfahren, dynamischer Simulation, natur-inspirierter Robotik, sowie mathematisch-theoretischer Methoden die zu Grunde liegenden Mechanismen der Bewegungserzeugung erforscht; sowohl beim Menschen als auch bei Tieren.
Als weiterer innovativer Teilaspekt werden die Biophysik und Dynamik von Wassermolekülen erforscht, welche an Biopolymeren wie Kollagen binden. Hierbei werden MRT-Messungen und Molekulardynamiksimulationen kombiniert, um den Anteil des Hydrationswassers als sensitiven Biomarker für neurologische und orthopädische Fragestellungen nutzbar zu machen.

Projekte

Prof. Dr. Ulrich Hartmann

ADAG (Auswirkung von Datenbrillen auf Arbeitssicherheit und Gesundheit):
Das Projekt hat die Effekte von Datenbrillen auf die Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten an gewerblichen Arbeitsplätzen untersucht. Ziel des Projekts war es, Handlungsempfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung beim Einsatz von Datenbrillen in den Bereichen Handel, Logistik, Service und Montage zu erstellen.

Projekt ENTRAPon:
Entwicklung zusätzlicher Trainingselemente zur Prävention von Stolper-, Rutsch- und Sturzunfällen – wird unterstützt durch den Einsatz von virtueller Realität am Beispiel von Unternehmen der Stahlerzeugung und der Post- und Paketzustellung und gefördert durch die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.v.

Prof. Dr. Michael Hinze

Mathematische & informatische Methoden für gekoppelte biomechanische Systeme am Beispiel der Wirbelsäule

Prof. Dr. Kiros Karamanidis, Dr. Anika Weber und Dr. Mohamadreza Kharazi

Running PhD and Research Projects in cooperation with London South Bank University, UK:

Individualized perturbation-based gait-therapy to enhance fall resisting skills using smart knee braces
Muscle and tendon research leading to application in sports and clinical settings
Neuromotor control of human locomotion during irregular and perturbed environmental conditions
Diagnosis and management of ligament injuries

Mobiles Muskel-Sehnen-Funktionslabor - BISp

Kooperation Bristol City / Altruistic

Gangstörungen mechanisch

Gangstörungen virtuell

Prof. Dr. Heiko Neeb

Promotionsvorhaben von Soufiane Elhazbi: Biophysics and quantitative MRI of hydration water content dynamics in myelin and collagen

PD Dr. Robert Rockenfeller und Prof. Dr. Michael Hinze

Projekt MLgSA:
Daten- und simulationsgestützte Exploration, Analyse und Behandlung von Gefäßverengungen zur Prävention von ischämischen Schlaganfällen

Dr. Sabine Bauer

Projekt DynVol:
Entwicklung eines Simulationstools zur Analyse der spinalen Belastungssituation auf Basis eines dynamischen Oberkörper Volumenmodells

Projekt LWS-Bandscheibenimplantat:
Entwicklung eines Simulationsmodells für realitätsnahe Bandscheiben und zur Entwicklung neuer lumbaler Bandscheiben-lmplantate

Projekt SMOMBI - Head Down Generation:
Automatisierte Modellgenerierung der Halswirbelsäule mittels RGB-D Bilddaten für die Simulation und Analyse der Belastung von zervikalen muskoloskelettalen Strukturen

Projekt PersonalizedExpand:
Entwicklung eines Rheologischen-Wirbelsäulen-Simulationsmodells mit realitätsnahen, parametrisierbaren Wirbelkörpern, zur Ableitung der Geometrie- und Ausrichtungsparameter für individualisierte Wirbelkörper-Ersatzimplantate

Prof. Dr. Karin Gruber a.D.

Erstellung individueller Computermodelle der Wirbelsäule von Patienten - ein neuartiges Instrument für den Einsatz in der Medizin

Publikationen

Blomenkamp, L., Kramer, I., Bauer, S., & Paulus, D. (2023). Efficient Generation of 3D Lumbar Spine Models: An Anatomy-Driven Approach with Limited Input Parameters. In M. Carli, F. Battisti, S. Lončarić, & S. Colonnese, Proceedings of the International Symposium on Image and Signal Processing and Analysis ISPA 2023: September 18-19, 2023 Rome Italy (pp. 228–234). New York, NY: IEEE Computer Society.

Caverzasi E, Papinutto N, Cordano C, Kirkish G, Gundel TJ, Zhu A, et al. (2023) MWF of the corpus callosum is a robust measure of remyelination: Results from the ReBUILD trial. Proc Natl Acad Sci USA, 16;120(20), e2217635120.

Damm, N., Rockenfeller, R., and Gruber, K. (2020). Lumbar spinal ligament characteristics extracted from stepwise reduction experiments allow for preciser modeling than literature data. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology.

Deckelnick, K., Herbert, P. J., & Hinze, M. (2022). A novel W1,∞ approach to shape optimisation with Lipschitz domains. ESAIM: Control, Optimisation and Calculus of Variations, 28, 2.

Epro, G., Suhr, F. & Karamanidis, K. (2023b). Human muscle–tendon unit mechanobiological responses to consecutive high strain cyclic loading. Journal Of Experimental Biology, 226(20).

Eulzer, P., Bauer, S., Kilian, F., & Lawonn, K. (2021). Visualization of Human Spine Biomechanics for Spinal Surgery. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 27(2), 700–710.

Garcke, H., Hecht, C., Hinze, M., & Kahle, C. (2015). Numerical approximation of phase field based shape and topology optimization for fluids. SIAM Journal on Scientific Computing, 37(4), A1846-A1871.

Garcke, H., Hecht, C., Hinze, M., Kahle, C., & Lam, K. F. (2016). Shape optimization for surface functionals in Navier-Stokes flow using a phase field approach. Interfaces and free boundaries, 18(2), 219-261.

Garcke, H., Hinze, M., Kahle, C., & Lam, K. F. (2018). A phase field approach to shape optimization in Navier–Stokes flow with integral state constraints. Advances in Computational Mathematics, 44, 1345-1383.

Günther, M., Rockenfeller, R., Weihmann, T., Haeufle, D. F. B., Götz, T., & Schmitt, S. (2021). Rules of nature's Formula Run: Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed. Journal of Theoretical Biology, 523(1), 110714.

Kosterhon, M., Müller, A., Rockenfeller, R., Aiyangar, A.K., Gruber, K., Ringel, F., Kantelhardt, S.R. (2024). Invasiveness of decompression surgery affects modeled lumbar spine kinetics in patients with degenerative spondylolisthesis. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Kramer, I., Bauer, S., & Keppler, V. (2023). A Simple, Efficient Method for an Automatic Adjustment of the Lumbar Curvature Alignment in an MBS Model of the Spine. Biomechanics, 3(2), 166–180.

Lambrianides, Y., Epro, G., Arampatzis, A., & Karamanidis, K. (2024). Evidence of different sensitivity of muscle and tendon to mechano-metabolic stimuli. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 34(5), e14638.

Laun, M., Czech, C., Hartmann, U., Terschüren, C., Harth, V., Karamanidis, K., & Friemert, D. (2022). The acceptance of smart glasses used as side-by-side instructions for complex assembly tasks is highly dependent on the device model. International Journal of Industrial Ergonomics, 90, 103316.

Müller, A., Rockenfeller, R., Damm, N., Kosterhon, M., Kantelhardt, S.R., Aiyangar, A.K., Gruber, K. (2021). Load Distribution in the Lumbar Spine During Modeled Compression Depends on Lordosis. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Müller, P. M., Kühl, N., Siebenborn, M., Deckelnick, K., Hinze, M., & Rung, T. (2021). A novel p-harmonic descent approach applied to fluid dynamic shape optimization. Structural and multidisciplinary optimization, 64(6), 3489-3503.

Rockenfeller, R. (2023). Three-dimensional spinal shape changes during daily activities. Computers in Biology and Medicine, 164(1), 107236.

Rockenfeller, R., Cieri, R. L., Schultz, J. T., Maag, R., & Clemente, C. J. (2024). Coordinating limbs and spine: (Pareto-) optimal locomotion in theory, in vivo, and in robots. NPJ Robotics, 2(4), 1-13.

Rockenfeller, R., Günther, M., & Hooper, S. L. (2022). Muscle active force-length curve explained by an electrophysical model of interfilament spacing. Biophysical Journal, 121(10), 1823-1855.

Rockenfeller, R., Müller, A., Damm, N., Kosterhon, M., Kantelhardt, S.R., Frank, R., Gruber, K. (2020). Muscle-driven and torque-driven centrodes during modeled flexion of iindividual lumbar spines are disparate. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology.

Schneider, M., Weber, A., Kaufmann, M., Kluge, A., Hartmann, U., Karamanidis, K., & Ellegast, R. (2023, July). Generation of Consistent Slip, Trip and Fall Kinematic Data via Instability Detection and Recovery Performance Analysis for Use in Machine Learning Algorithms for (Near) Fall Detection. In International Conference on Human-Computer Interaction (pp. 298-305). Cham: Springer Nature Switzerland.

Schyboll F, Jaekel U, Petruccione F, Neeb H (2019). Dipolar induced spin-lattice relaxation in the myelin sheath: A molecular dynamics study. Sci Rep., 15(9), 14813.

Schyboll F, Jaekel U, Petruccione F, Neeb H (2019). Fibre-orientation dependent R1(=1/T1) relaxation in the brain: The role of susceptibility induced spin-lattice relaxation in the myelin water compartment. Journal of Magnetic Resonance 300, 135–141.

Schyboll F, Jaekel U, Petruccione F, Neeb H (2020). Origin of orientation‐dependent R 1 (=1/T1) relaxation in white matter. Magnetic Resonance in Med., 84(5), 2713–2723.

Tenholt, J., Adam, S., Laun, M., Schiefer, C., Terschüren, C., Harth, V., ... & Friemert, D. (2023). Influences of smart glasses on postural control under single-and dual-task conditions for ergonomic risk assessment. Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik, 68(5), 545-552.

Weber, A., Hartmann, U., Werth, J., Epro, G., Seeley, J., Nickel, P., & Karamanidis, K. (2022). Limited transfer and retention of locomotor adaptations from virtual reality obstacle avoidance to the physical world. Scientific Reports, 12(1), 19655.

Werth, J., Epro, G., König, M., Santuz, A., Seeley, J., Arampatzis, A. & Karamanidis, K. (2022). Differences in motor response to stability perturbations limit fall-resisting skill transfer. Scientific Reports, 12(1).