Mar 29, 2019

Spannende Forschung an der Wirbelsäule in Potsdam, USA

Von Johannes Brombach

Johannes Brombach verbrachte ein Forschungssemester an der Clarkson Universität, Potsdam, NY

Dieser Bericht dient dazu, mein Forschungssemester (2018) an der Clarkson Universität, Potsdam, NY in den USA zu beschreiben. Die Grundlage der Zusammenarbeit mit Prof. Laurel Kuxhaus sind laufende Forschungsstudien aus Clarkson (vgl. Corbiere, N.C., et al. 2016). Dabei wurde das Auftreten von Frakturen an Wirbelkörpern untersucht. Genauer gesagt geht es um sehr kleine Verletzungen der Ringapophysen, also um den ringförmigen Teil benachbarter Wirbelknochen, zwischen denen sich die Bandscheiben befinden. Durch ihre geringe Größe werden sie – gegenüber traumatischen Veränderungen – weithin nicht früh genug erkannt und können mit üblichen Verfahren kaum ausreichend genau bei Patienten diagnostiziert werden. Es besteht die Vermutung, dass eine Akkumulation der Mikrofrakturen letztlich zu größeren Schäden führt. In der angesprochenen Studie wurden Ex-vivo-Modelle verwendet. Dazu wurden Tier-Präparate der Wirbelsäule von Weißwedelhirschen (Odocoileus virginianus) eingesetzt, die biomechanisch mit der menschlichen Wirbelsäule vergleichbar sind.

Das Forschungssemester beschäftigte sich mit der Bewertung und Übertragbarkeit der Untersuchungen und daraus ableitbaren Folgeuntersuchungen und war durch eine regelmäßige Zusammenarbeit mit den Kollegen in Clarkson gekennzeichnet. Im Folgenden werden die Zwischenergebnisse zusammengefasst. Im ersten Schritt ging es darum, die Ergebnisse arbeitswissenschaftlichen Erkenntnissen gegenüberzustellen. In der Ergonomie werden suboptimale Körperhaltung und kontinuierliche Belastungen der Wirbelsäule methodisch analysiert (z.B. NIOSH Lifting Equation, Rapid Entire Body Assessment, Leitmerkmalmethode, etc.). Bei deren Beurteilung liegt im Allgemeinen die nachvollziehbare Auffassung zugrunde, dass höhere Belastungen und eine höhere Frequenz ein höheres Risiko begründen. Einfache Dosis-Wirkungsbeziehungen gehen davon aus, dass z.B. die Belastung und deren Häufigkeit austauschbar wären. Um das erfahrungsgemäß höhere Risiko bei größeren Lasten besser beschreiben zu können, wurde u.a. vorgeschlagen das Quadrat der Belastung für die Risikobeurteilung zu Grunde zu legen (vgl. Jäger et al., 1999).

Im zweiten Schritt wurde die Modell-Vorstellung der Belastungs-Beanspruchungs-Situation der Arbeitswissenschaft den neuen Ergebnissen gegenübergestellt. Im Bereich der höheren Frequenzen bei gleichzeitig niedriger Belastung wurden – wie oben kurz dargelegt – ebenfalls Risiken befürchtet. Im Vergleich zu den ergonomischen Methoden sind die Belastungen vergleichsweise sehr gering und die Frequenz (mit 2 Hz und bis zu 40.000 Zyklen) ist sehr hoch. Eine unmittelbare Übertragung auf betriebliche Arbeitssituationen fällt nicht leicht. Insbesondere weil die im Versuchsverlauf auftretende, komplette Entlastung (bis hin zu einer Zugbelastung) für normale Arbeitssituationen eher ungewöhnlich wäre. Der wahrscheinlich beabsichtigte Versuch mit den hohen Wiederholungsraten in zeitlich komprimierter Form eine längere Belastung mit geringerer Wiederholungsrate zu simulieren, ist ebenfalls kritisch zu sehen.

Der Einfluss des Alters und Unterschiede zwischen Männern und Frauen wurden in diesem zweiten Schritt ebenfalls näher untersucht und beschrieben. Im Ergebnis müssen sie in weiteren Untersuchungen stärker berücksichtig werden. Im dritten Schritt wurde schließlich untersucht, ob sich aufbauend auf den Ergebnissen eine Dosis-Wirkungsbeziehung herstellen lässt. Auch wenn dazu erste Ansätze untersucht wurden, lässt sich hier leider keine sichere Aussage treffen. Es stellte sich vielmehr im Projektverlauf heraus, dass ein Schwerpunkt auf die Fragestellung gelegt werden muss, welchen Einfluss Pausen auf die Regeneration haben. Dazu wurden in der Literatur vergleichbare Studien gesammelt und erste Überlegungen angestellt. Es erscheint vielversprechend zu sein, in einer weiteren Studie speziell auf die Effekte der Regeneration abzuheben. Die hier nur kurz beschriebenen Schritte der Untersuchung wurde in einer Veröffentlichung (Brombach, DeRidder und Kuxhaus, 2019) zusammengestellt. Die Überlegungen zu den weiterführenden Untersuchungen werden in Bezug auf einen Forschungsantrag z.Z. noch geprüft.

Neben dem geschilderten Projekt hatte ich Gelegenheit mit Prof. Charles Robinson an einem neuen Versuchsdesign zu arbeiten, bei dem es um die Ermittlung der Empfindungsschwelle geht, wenn Personen in unterschiedlichen Köperstellungen auf einer Plattform bewegt werden. Eine Veröffentlichung dazu ist geplant. Außerdem hatte ich die Möglichkeit eigene Forschungsuntersuchungen im sog. ME Seminar der Clarkson University vorzustellen. Im Zuge des Forschungssemesters entstand darüber hinaus eine Kooperation mit Prof. Al Rosner, in der es um die Risikobetrachtung von 3D Printern ging. Nicht zuletzt konnte ich noch durch eine Zusammenarbeit mit SUNY Canton – über Prof. Matthew Burnett – und mit einer Gruppe von Studierenden die Ergebnisse eines Projektes vorstellen, dass bei einem Treffen von Vertretern der lokalen Hochschulen und Wirtschaft vorgestellt wurde.

Neben den Forschungsprojekten hatte ich durch Fulbright die Gelegenheit zu verschiedene Aktivitäten eingeladen zu sein und ehemalige Absolventen eines Fulbright-Programmes kennen zu lernen. Für mich ist das eigentliche Highlight, wie gut sich das Semester in den USA mit Fulbright organisieren ließ. Über Fulbright stehen dem internationalen Besucher der USA die Türen im wahrsten Sinne des Wortes offen. Kollegen der verschiedenen Disziplinen sind offen und interessiert an dem „Fulbright-Besucher“. Für mich war es ganz persönlich das Wichtigste in einem relativ kurzen Zeitraum (von 6 Monaten) die Möglichkeit gehabt zu haben, mit den Kollegen ernsthaft zusammenzuarbeiten, sogar neue Freundschaften zu entwickeln und wirklich in den USA „gelebt“ zu haben. Die geknüpften Verbindungen bestehen fort. Zwei Studenten aus Clarkson haben meine Hochschule bei einem Besuch in München im Februar bereits kennengelernt und – wie dargelegt – sind weitere Aktivitäten geplant.

Brombach J, DeRidder ME, Kuxhaus L. (2019) Industrial ergonomics risk assessment meets research in the biomechanics classroom.  Submitted to the Summer Biomechanics, Bioengineering, and Biomechanics Conference.

Corbiere, N.C., Zeigler, S.L., Issen, K.A., Michalek, A.J. and L. Kuxhaus (2016) Ring apophysis fractures induced by low-load low-angle repetitive flexion in an ex-vivo cervine model. Journal of biomechanics 49:1477-1481. doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.03.022

Jäger, M., Luttmann, A., Bolm-Audorff, U., Schäfer, K., Hartung, E., Kuhn, S., Paul, R. and H.-P. Francks, (1999) in German, Mainz-Dortmunder Dosismodell (MDD) zur Beurteilung der Belastung der Lendenwirbelsäule durch Heben oder Tragen schwerer Lasten oder durch Tätigkeiten in extremer Rumpfbeugehaltung bei Verdacht auf Berufskrankheit Nr. 2108. Teil 1: Retrospektive Belastungsermittlung für risikobehaftete Tätigkeitsfelder. Arbeitsmed. Sozialmed. Umweltmed. 34, 101-111

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