Virtuelle Biomechanik und deren Physik

Diese Habilitationsschrift hat den Titel Virtual Biomechanics and its Physics (Virtuelle Biomechanik und deren Physik). Sie beschreibt das Thema Computersimulation in der Biomechanik. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt auf der vom Autor entwickelten Realisierung eines Simulationssystems. Die Teilmenge der physikalischen Gesetze, die Voraussetzung für die Realisierung eines Simulationssystems ist wurde bestimmt. Die Liste der physikalischen Gesetze ist das Ergebnis eines rigorosen Prozesses, in welchem die Brauchbarkeit und Notwendigkeit der Gesetze als Basis für ein Simulationssystem untersucht wurde. Newtons Mechanik bildet immer noch die Basis der heutigen Technologie zusammen mit dem, was wir über Signale und Information wissen. Das Wissen über deterministisches Chaos beginnt eine Rolle in biologischen und damit in Simulationssystemen (von biologischen Einheiten) zu spielen. Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie spielen auch weiterhin keine große Rolle in Simulationssystemen. Trotzdem mögen sie wichtige Einblicke, zum Verständnis von Masse, der Funktion von Muskeln auf dem mikroskopischen Niveau und der Funktion des Gehirns (siehe Kapitel 9 Diskussion) erlauben. Wirklich handfeste Erklärungen sind jedoch nicht vorhanden. Wie kann der menschliche Körper in mathematischen Termen repräsentiert werden? Die häufig gebrauchten Starrkörpermodelle (Modelle aus starren Segmenten, welche über Gelenke verbunden sind) und deren Physik werden im Detail besprochen. Erweiterungen des Konzepts sind in der Diskussion zu finden. Das Kapitel Projektentwicklung (project creation) enthält die spezifischen Lösungen und Darstellungen des vom Autors beschrieben Simulationssystems. Segmentvektoren sind definiert und hiermit ist die Kalibrierung erklärt. Die vom Autor entwickelte Kalibrierung ist hier der spezifische Prozess, der es erlaubt aus den Markerkoordinaten die Gelenkkoordinaten zu berechnen. Weiter wird filtern diskutiert, welches inverse Dynamik erst möglich macht. Innerhalb dieser Thematik wird das vom Autor entwickelte F³-Filter detailliert beschrieben. Dieses beseitigt die meisten unerwünschten Frequenzen, ohne dass Daten zeitlich verschoben werden oder dass das Endpunktproblem auftaucht. Die Datenkonvertierung (von kartesischen Gelenkkoordinaten zu Kardanwinkeln) und das aktuelle Modelldesign schließen das Kapitel ab. Die Approximation der Muskelenergie ist von größtem Interesse. Im Starrkörpermodel werden die Gelenke bzw. die umgebenden Muskelgruppen als Energiequellen identifiziert. Dieser Ansatz kommt ohne die Kenntnis über die detaillierte Muskelanatomie aus, weil für eine gegebene Bewegung die Energie geliefert werden muss unabhängig davon wie die Muskeln angeordnet sind. Die Energiemenge kann aus dem Drehmoment des Gelenks und der zugehörigen Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden. Der Energietransfer zu und von benachbarten Gelenken wird beachtet. Externe Kräfte, die auf den Körper wirken haben einen großen Einfluss auf die Bewegung und auf Parameter der Dynamik wie Energie, Drehmoment usw. Wenn alle Kraftvektoren und deren Angriffspunkte gemessen werden ist das System genau determiniert. Bei vielen Studien ist es jedoch schwierig die Kräfte zu bestimmen und manchmal ist es sogar unmöglich diese zu messen. In diesen Fällen helfen Kraftaustauschmodelle die unbekannten Kräfte und deren Angriffspunkte anzunähern. Diese vom Autor entwickelten Modelle umfassen das gesamte Bewegungsspektrum mit stehen, gehen, rennen und springen. Das vom Autor realisierte Simulationssystem wird im Detail beschrieben. Es besteht aus der exklusiv vom Autor entwickelten Komponente Human-Builder und der Komponente SD 6.2 von Solid Dynamics. Human-Builder ist ein System das die Simulationsprojekte zur Verwendung in SD 6.2 aufarbeitet. Ein mathematisches Körpermodel mit allen anthropometrischen Daten eines Individuums wird erzeugt. Zusammen mit den gefilterten, konvergierten und kalibrierten Daten der Bewegung bildet dies die Basis für die Simulation, welche nach Kompilierung ohne weitere Programmierung lauffähig ist. Vier ausgesuchte Studien, welche der Autor durchgeführt hat zeigen die Brauchbarkeit und Arbeitsweise des Systems. Viele der in dieser Arbeit vorgestellten Rechnungen können mit Hilfe der vom Autor entwickelten Software Human-Builder und StatFree nachvollzogen werden. Interessierte Leser können die Software im Internet unter http://www.uni-konstanz.de/FuF/SportWiss/vieten/Software/ herunterladen. Zum Beispiel erlaubt StatFree die Berechnung der Beispiele des Abschnittes deterministic chaos auf den Seiten 28-40