Der Einsatz digitaler Menschmodelle in der Produkt- und Prozessergonomie hat in den letzten Jahren beständig zugenommen. Vor allem Anforderungen aus dem industriellen Umfeld setzten hohe Maßstäbe an Schnelligkeit, Genauigkeit und Verlässlichkeit der verwendeten Systeme, Methoden und Verfahren. Das biomechanische Menschmodell Dynamicus ist eine am Institut für Mechatronik e.V., Chemnitz entwickelte Software, die sich auf dieses Gebiet der Simulation spezialisiert hat. Die Grundlage von Dynamicus-Simulationen sind reale menschliche Bewegungen, die mit Hilfe eines Motion-Capture-Systems aufgezeichnet werden. Die Analyse der digital vorliegenden Bewegungen erfolgt in den Wissenschaftsgebieten der Ergonomie, des Sports und der Rehabilitation.

In dieser Arbeit wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, um ein möglichst realistisches, biomechanisches Modell eines menschlichen Schädelknochens anhand eines Patienten-CT Datensatzes zu erstellen. Mit diesem Modell konnten Experimente aus der Literatur realistisch nachgestellt und anschließend der Mechanismus einer Orbitawandfraktur genauer untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Schädelmodell als Alternative für experimentelle biomechanische Untersuchungen verwendet werden kann. Somit sind eine Vielzahl parametrischer biomechanischer Studien möglich, ohne dabei auf Humanpräparate angewiesen zu sein.

The human senses constitute a highly complex system based on various sensory organs, afferent pathways, and central processing locations, which allow us to interact with the environment, but also with ourselves. A further domain is important to achieve this interaction: the motor system, which allows linguistic communication and locomotion, for example. It becomes evident that sensory receptors work as a source of information to initiate, optimize, or cease motor activity. One generic term for such sensory sources is the somatosensory system, which is mainly based on receptors located in muscles, tendons, and the skin (cutaneous sensitivity). In this regard, it has been shown that cutaneous sensitivity contributes to human balance regulation. However, there are still debates concerning the exact role of plantar (foot sole) receptor inputs in particular, and how their isolated contribution to, e.g., balance regulation may be assessed accordingly. To investigate the interaction between plantar cutaneous sensitivity and human balance capabilities, several aspects need to be considered which are still controversial and inconclusive in the scientific community. For example, when assessing cutaneous vibration sensitivity, it is well-known that increasing vertical forces of the contactor toward the skin usually result in improved sensitivity. However, it has not been profoundly investigated whether assessing plantar vibratory sensitivity differs when comparing a standing or sitting posture, which obviously involves different contactor forces. In addition, many studies implementing cutaneous sensitivity show certain limitations with respect to adequate data analyses. A similar aspect also applies when assessing balance performance: devices allowing an investigation of dynamic balance performance (induced by unexpected platform perturbations while standing, for example) have only been partially investigated with regard to their biomechanical quality criteria, such as reliability. With these considerations in mind, the present doctoral thesis is based on five published studies. Study 1 investigates if plantar sensitivity is influenced by different body positions when collecting data. Study 2 asks how to appropriatly analze plantar sensitivity data. Study 3 examines the reliability of dynamic balance responses using the so-called Posturomed device, and Study 4 identifies the isolated role of plantar inputs on balance responses, when an acute sensory manipulation is induced that exclusively affects plantar aspects. Ultimately, clinical fields of application (based on the previous four studies) are highlighted in Study 5. The main findings of the first four studies can be summarized as follows. First, higher contact forces when standing compared to sitting did not influence plantar sensitivity. This is an important finding, as plantar sensitivity tests (often performed during sitting) may, hence, be brought into context with balance tests usually performed during standing. Second, plantar sensitivity data are shown to exhibit heteroscedasticity, meaning that the measurement error increases as the values increase. In Study 2, we provided an easy-to-follow example for how to account for heteroscedasticity by logarithmizing the raw data, and how to control whether this approach was successful in eliminating heteroscedasticity. Third, dynamic balance responses assessed via the Posturomed device exhibit an overall good reliability. Occasional significant differences were shown to be clinically non-relevant, identified by root mean square error calculations. Fourth, a permanent plantar sensory manipulation (hypothermia) was successfully achieved and maintained throughout data collection. Study 4 showed that the reduced plantar sensory input due to the hypothermic manipulation was compensated during more unchallenging balance conditions (standing still). There was no full compensation during more challenging balance conditions (unexpected platform perturbations during standing), however, with the body reacting with cautious motor behavior. This became evident by decreased outcome measures following hypothermic plantar sensory manipulation. These four studies shed further light onto investigations combining sensory and motor tests, especially with regard to physiological and methodological aspects that should be considered when analyzing and interpreting associated data. Finally, this doctoral thesis also provides an example of identifying clinical fields of application concerning sensory-focused research. In Study 5, we highlight the role of sensory research in the (early) diagnosis of diseases associated with cognitive decline. For this purpose, various instruments such as sensory tests or coordinative motor tests are implemented. Preliminary results suggest that not only classical cognitive parameters and questionnaires should be used to identify and better understand cognitive decline. / Die menschlichen Sinne stellen ein sehr komplexes System dar, welches auf verschiedenen sensorischen Organen, afferenten Leitungsbahnen und zentralen Verarbeitungsstellen basiert und es uns ermöglicht, mit der Umwelt, aber auch mit uns selbst, zu interagieren. Dahingehend ist eine weitere wichtige Domäne wichtig, um diese Interaktion zu bewerkstelligen: das motorische System, welches etwa eine sprachliche Kommunikation oder auch die Fortbewegung ermöglicht. Es wird somit offensichtlich, dass sensorische Rezeptoren eine Informationsquelle darstellen, um motorische Aktivität zu initiieren, zu optimieren oder zu beenden. Ein grundlegender Terminus für solch sensorische Quellen ist das somatosensorische System, welches überwiegend auf Rezeptoren in Muskulatur, Sehnen und der Haut (kutane Sensibilität) beruht. Diesbezüglich wurde bereits aufgezeigt, dass die kutane Sensibilität einen Beitrag bei der menschlichen Gleichgewichtsregulation leistet. Allerdings existieren dabei nachwievor Diskussionen in Bezug auf die genaue Bedeutung plantarer (die Fußsohle betreffend) Rezeptor-Inputs und inwieweit deren isolierte Bedeutung bei der Gleichgewichtsregulation entsprechend ermittelt werden kann. Um die Interaktion zwischen der kutanen Sensorik der Fußsohle und der menschlichen Gleichgewichtsfähigkeit zu erforschen, sollten verschiedene Aspekte berücksichtigt werden, welche nachwievor kontrovers und nicht eindeutig in der Wissenschaft diskutiert werden. Bei Erhebungen der kutanen Vibrationssensibilität, als Beispiel, ist bereits bekannt, dass erhöhte Vertikalkräfte, mit denen der Vibrationsstößel gegen die Haut appliziert ist, generell zu einer verbesserten Sensibilität/Sensorik führen. Allerdings wurde noch nicht klar erforscht, ob sich die plantare Vibrationssensibilität zwischen einer stehenden und sitzenden Haltung der Probanden/innen unterscheidet, wobei hier natürlich unterschiedliche Vertikalkräfte der Stößel wahrscheinlich sind. Darüber hinaus zeigen viele Studien, welche die Hautsensibilität untersuchen, gewisse Limitierungen in Bezug auf eine adäquate Datenanalyse. Ein sehr ähnlicher Aspekt trifft auch auf die Evaluierung der Gleichgewichtsfähigkeit zu: Messgeräte, welche dabei eine Erfassung der dynamischen Gleichgewichtsfähigkeit zulassen (z.B. eingeleitet durch unerwartete Plattform-Perturbationen während des Stehens), wurden bisher nur teilweise auf die biomechanischen Gütekriterien hin untersucht, wie etwa die Reliabilität. Aufgrund dieser Überlegungen basiert die vorliegende Dissertation auf fünf publizierten Studien, welche folgende Aspekte untersuchten: Wird die plantare Sensibilität durch verschiedene Körperpositionen während der Datenaufnahme beeinflusst (Studie 1)? Wie können plantare Sensibilitätsdaten angemessen analysiert werden (Studie 2)? Darüber hinaus wurde ebenso untersucht, inwiefern das sogenannte 'Posturomed'-Messgerät bei der Beurteilung dynamischer Gleichgewichtsantworten reliable Messwerte liefert (Studie 3). Ferner wurde in Studie 4 untersucht, inwiefern isoliert plantare Inputsignale bei Gleichgewichtsantworten relevant sind (anhand einer akuten sensorischen Manipulation, welche ausschließlich die Fußsohle betrifft). In Studie 5 werden konkrete klinische Anwendungsbeispiele aufgrund der vier hier vorgestellten Studien aufgezeigt. Die Hauptergebnisse der ersten vier Studien können wie folgt zusammengefasst werden: Erstens, höhere vertikale Kontaktkräfte während des Stehens verglichen mit sitzenden Positionen führten zu keinen Unterschieden bzgl. der plantaren Sensibilität. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, da plantare Sensorikmessungen (oft während des Sitzens durchgeführt) dadurch in Kontext mit Gleichgewichtstests gebracht werden können, welche normalerweise im Stehen erfolgen. Zweitens, Daten der plantaren Sensorik zeigten Heteroskedastizität, was bedeutet, dass sich der Messfehler mit Größenzunahme der Messwerte ebenso erhöht. Wir konnten in Studie 2 ein leicht zu erschließendes Beispiel aufzeigen, wie das Problem der Heteroskedastizität durch eine Logarithmierung der Rohdaten behandelt werden konnte und wie kontrolliert werden konnte, ob diese Behandlung erfolgreich war. Drittens, die dynamischen Gleichgewichtsantworten, welche mittels des 'Posturomed' ermittelt wurden, zeigen insgesamt eine gute Reliabilität. Gelegentlich auftretende signifikante Unterschiede wurden anhand von Berechnungen der Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme (root mean square error, RMSE) als klinisch nicht relevant eingestuft. Viertens, eine anhaltende plantar-sensorische Manipulation (Hypothermie) wurde erfolgreich eingeleitet und während der Datenerhebung aufrecht erhalten. Studie 4 zeigte ferner, dass die hypothermisch eingeleiteten reduzierten plantaren Sensorik-Inputs während der eher nicht herausfordernden quasi-statischen Gleichgewichtsbedingungen (einfaches aufrechtes Stehen) kompensiert werden konnten. Während der herausfordernden Gleichgewichtskonditionen (unerwartete Perturbationen der Plattform während des Stehens) hingegen wurde keine vollständige Kompensation erreicht. Allerdings reagierten die Probanden mit einem vorsichtigen motorischen Verhalten. Dies wurde durch die reduzierten Ergebnisparameter infolge der plantaren hypothermischen Manipulation ersichtlich. Die vier hier genannten Studien zeigen weitere Erkenntnisse in Bezug auf Forschungsaktivitäten, welche sensorische und motorische Tests vereinen. Dies trifft speziell in Hinblick auf physiologische und methodologische Aspekte zu, welche bei der Analyse und Interpretation derartiger Daten in Betracht gezogen werden sollten. Zuletzt bietet diese Arbeit auch ein Beispiel dafür, welche klinischen Anwendungsfelder im Bereich der sensorisch-fokussierten Forschung identifiziert werden können. In Studie 5 wird dafür die Bedeutung sensorischer Forschung bei der (Früh-) Diagnose von Erkrankungen aufgezeigt, welche mit kognitiven Einschränkungen in Verbindung gebracht werden. Für diesen Zweck werden verschiedene Instrumente eingebracht, wie etwa sensorische oder koordinativ-motorische Tests. Vorläufige Ergebnisse deuten dabei bereits an, dass nicht nur die klassischen kognitiven Parameter und Fragebögen bei der Identifizierung oder zum Zwecke des besseren Verstehens kognitiven Verfalls einbezogen werden sollten.

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Im Fokus dieser kumulativen Dissertationsschrift stehen drei biomechanische Untersuchungen, welche das Ziel haben, den Einfluss von sedentärem Verhalten in Form einer ununterbrochenen Sitzperiode auf die Rückenmuskulatur zu analysieren. Der erste Beitrag liefert erstmalig objektive Daten darüber, dass sich die Steifigkeit der Rückenmuskulatur nach einer Sitzperiode erhöht. Daraus ergab sich die Frage, welchen Einfluss das Sitzverhalten (Sitzposition und Haltungsvariabilität) auf die Steifigkeitsentwicklung nehmen kann. Dieser Frage ging der zweite Beitrag nach. Es zeigt sich, dass eine vorwiegend eingenommene kyphotische/zusammengefallene Haltung für den gemessenen Steifigkeitsanstieg in der Rückenmuskulatur verantwortlich sein könnte. Der Einfluss von Haltungsvariabilitäten kann nicht abschließend bewertet werden. Daher widmete sich der dritte Beitrag der Erörterung, ob induzierte Muskelkontraktionen, wie sie bei Positionswechseln vorkommen können, einen Einfluss auf die Steifigkeitsentwicklung nehmen. Die Ergebnisse legen dar, dass standardisierte rhythmische Kontraktionen einem Anstieg der Muskelsteifigkeit während einer Sitzperiode entgegenwirken. In der Abschlussdiskussion werden die Schlussfolgerungen der drei Studien als Gesamtschau zusammengetragen. Es wird sich damit auseinandergesetzt, ob die Ergebnisse förderlich sind, einen Mechanismus zur Entstehung und Linderung der Muskelsteifigkeit abzuleiten. Zudem setzt sich die Diskussion mit der Einflussnahme der Ableitungen auf ergonomische Sitzrichtlinien, Rückenschmerzen und Praxisimplikationen im sedentären Umfeld auseinander. Dem vorangestellt, werden Möglichkeiten und Grenzen dieser Arbeit beleuchtet und ein Ausblick generiert.

Im Fokus der vorliegenden kumulativ angefertigten Arbeit stehen vier wissenschaftliche Untersuchungen, deren Thematik die Vibrationssensorik des Menschen darstellt. Die aus Vibrationen gewonnenen Informationen führen zu wichtigen Regulationsmechanismen zum Beispiel zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes und des Ganges. Die Ermittlung von sogenannten Vibrationswahrnehmungsschwellen stellt eine Möglichkeit zur Quantifizierung des Funktionszustandes des somatosensorischen Systems dar. In diesem Zusammenhang ist die Kontrolle und Standardisierung einflussnehmender Messbedingungen auf die Bewertung der Vibrationssensorik wichtig. Im ersten Beitrag der vorliegenden Arbeit rückt die Rolle der Auflagekraft, mit welcher der Stößel der Messgeräte die zu untersuchende Hautpartie belastet, in den Fokus (Studie I). In den sich anschließenden Beiträgen werden die Wirkmechanismen der mechanischen Hauteigenschaften auf die Wahrnehmung von Vibrationen aus evolutionsbiologischer (Studie II) und pathologischer (Studie III) Sichtweise betrachtet. Im letzten Beitrag wird die potentielle Wirkung von unterschwelligen Rauschstimulationen als mögliche bewegungstherapeutische Maßnahme zur Verbesserung der sensorischen Leistungsfähigkeit untersucht (Studie IV). Am Ende der Arbeit erfolgt die übergreifende Diskussion der einzelnen Beiträge. Mit Hilfe der gewonnen Erkenntnisse werden Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Quantifizierung der Vibrationssensorik in klinischen und wissenschaftlichen Bereichen abgeleitet. Das erweiterte Verständnis über die Wirkmechanismen verschiedener Einflussgrößen auf die Vibrationssensorik unterstützt die gezielte Erforschung von bewegungstherapeutischen Maßnahmen zur Steigerung der sensorischen Leistungsfähigkeit des Menschen. / The focus of the present cumulative dissertation is on four scientific investigations that deal with the human vibration sensory system. The information obtained from vibrations leads to important regulatory mechanisms, for example to maintain balance and gait. Determining so-called vibration perception thresholds represents a possibility to quantify the functional condition of the somatosensory system. In this context, it is important to control and standardize the measurement conditions that influence the evaluation of the vibration sensory system. The first article of the present dissertation focuses on the role of the contact force with which the probe of a measuring device loads the skin area to be examined (Study I). In the subsequent contributions, the action mechanisms of mechanical skin properties regarding vibration perception are considered from an evolutionary (Study II) and pathological (Study III) point of view. In the last paper, the potential effect of subliminal noise stimulation is examined as a possible exercise therapy intervention to improve sensory performance (Study IV). A comprehensive discussion of the individual contributions is included at the end of the present dissertation. Using the gained knowledge, recommendations are derived to improve the quantification of vibration sensation in clinical and scientific areas. The broadened understanding of the mechanisms of action of different influencing variables regarding vibration sensation supports the targeted research of exercise therapy interventions to increase sensory performance in humans.

Die Biomechanik der kaninen Lendenwirbelsäule wird durch die Durchführung von Partiellen Lateralen Korpektomien beeinflusst, so dass die Range of Motion bei Extension und Flexion sowie bei links- und rechtslateraler Biegung signifikant zunimmt. Werden in vitro an kaninen Lendenwirbelsäulensegmenten zwei Partielle Laterale Korpektomien an unmittelbar benachbarten Zwischenwirbelspalten durchgeführt, so hat die zweite Partielle Laterale Korpektomie bei einem Großteil der untersuchten Wirbelsäulensegmente einen kleineren Einfluss auf die Range of Motion als die erste Partielle Laterale Korpektomie.:1. Einleitung 1 2. Literaturübersicht 2 2.1 Bandscheibenvorfälle in der Tiermedizin 2 2.2 Die Bandscheibe 3 2.2.1 Anulus fibrosus 3 2.2.2 Nucleus pulposus 4 2.2.3 Endplatten 4 2.3 Diskopathie 4 2.3.1 Ein Überblick 4 2.3.2 Hansen Typ I Diskopathie – Extrusion des Nucleus pulposus 5 2.3.3 Hansen Typ II Diskopathie – Protrusion des Anulus fibrosus 6 2.3.4 Akute, nicht kompressive Nucleus pulposus Extrusion 6 2.3.5 Akute, kompressive Hydrated Nucleus pulposus Extrusion 6 2.3.6 Schmorl Knoten 7 2.4 Operationsmethoden an der Brust- und Lendenwirbelsäule des Hundes 7 2.4.1 Hemilaminektomie 7 2.4.2 Mini-Hemilaminektomie und Pedikelektomie 8 2.4.3 Foraminotomie 8 2.4.4 Dorsale Laminektomie 8 2.4.5 Partielle Laterale Korpektomie 9 2.4.5.1 Operationstechnik und Slot-Morphometrie bei der Durchführung einer Partiellen Lateralen Korpektomie 9 2.4.5.2 Ziele und Risiken der Partiellen Lateralen Korpektomie 11 2.4.5.3 Prognostische Faktoren und Outcome nach der Durchführung einer Partiellen Lateralen Korpektomie 13 2.5 Biomechanik der Wirbelsäule nach chirurgischen Eingriffen 15 2.5.1 Ventral Slot 16 2.5.2 Hemilaminektomie 19 2.5.3 Mini-Hemilaminektomie und Pedikelektomie 21 2.5.4 Dorsale Laminektomie 22 2.5.5 Partielle Laterale Korpektomie 23 3. Tiere, Material und Methoden 27 3.1 Arbeitshypothese 27 3.2 Patientengut 27 3.3 Präparation der Lendenwirbelsäulen 28 3.4 Einbettung der präparierten Lendenwirbelsäulen 29 3.5 Biomechanische Messung 32 3.5.1 Der Wirbelsäulenprüfstand 32 3.5.2 Nicht destruktive Tests 33 3.5.2.1 Testreihe 1: Biomechanische Messungen an den nativen Wirbelsäulensegmenten (ohne gefräste Partielle Laterale Korpektomie) 34 3.5.2.1.1 Extension und Flexion 34 3.5.2.1.2 Links- und rechtslaterale Biegung 34 3.5.2.1.3 Torsion nach links und rechts 35 3.5.2.2 Testreihe 2: Biomechanische Messungen an den operierten Wirbelsäulensegmenten mit einer Partiellen Lateralen Korpektomie zwischen L2 und L3 von rechts 35 3.5.2.3 Testreihe 3: Biomechanische Messungen an den operierten Wirbelsäulensegmenten mit zwei Partiellen Lateralen Korpektomien zwischen L2 und L3 sowie L3 und L4 von rechts 36 3.5.3 Destruktive Tests - Versagenstests 37 3.6 Postoperative Computertomographie 37 3.7 Statistische Auswertung 37 4. Ergebnisse 38 4.1 Nicht destruktive Tests 38 4.1.1 Gesamt-Range of Motion 38 4.1.2 Gegenüberstellung der Teil-Ranges of Motion: Extension vs. Flexion, linkslaterale Biegung vs. rechtslaterale Biegung und Torsion nach links vs. Torsion nach rechts 47 4.2 Einfluss der biomechanischen Testung auf die Range of Motion der Wirbelsäulensegmente 51 4.3 Destruktive Tests - Versagenstest 52 5. Diskussion 53 5.1 Hauptaussagen 53 5.1.1 Nicht destruktive Tests 53 5.1.1.1 Gesamt-Range of Motion 53 5.1.1.2 Teil-Ranges of Motion 55 5.1.2 Destruktive Tests - Versagenstests 56 5.2 Biomechanik der kaninen Lendenwirbelsäule nach Partiellen Lateralen Korpektomien – Ein Studienvergleich 57 5.3 Limitationen der Studie 61 5.4 Spinale Instabilität 65 5.5 Klinische Relevanz der Studienergebnisse und Schlussfolgerungen 69 6. Zusammenfassung 71 7. Summary 73 8. Literaturverzeichnis 75 9. Abbildungsverzeichnis 90 10. Tabellenverzeichnis 93 11. Finanzielle Förderung und Veröffentlichung der Studienergebnisse 94 12. Danksagung 95 / Einleitung Ziel neurochirurgischer Eingriffe zur Versorgung von Bandscheibenvorfällen ist es, das Rückenmark bei nur geringgradiger Manipulation möglichst vollständig zu dekomprimieren. Bei thorakolumbalen chronischen Bandscheibenvorfällen mit ventraler Myelokompression findet die Partielle Laterale Korpektomie ihren Einsatz. Bei dieser Operationsmethode wird das Rückenmark durch Einfräsen eines Spaltes (Slots) im Bereich der betroffenen Bandscheibe und ihrer benachbarten Wirbelkörper untertunnelt. Im Rahmen verschiedener biomechanischer Studien konnte nachgewiesen werden, dass die Partielle Laterale Korpektomie zu einer Verminderung der Wirbelsäulenstabilität führt. Deswegen wurde in der Literatur bisher davon abgeraten, multiple Partielle Laterale Korpektomien durchzuführen. Gelegentlich ist es aufgrund der Lähmung eines Patienten infolge einer Myelokompression durch mehrere Bandscheibenvorfälle jedoch notwendig, multiple Partielle Laterale Korpektomien anzuwenden. Ziele der Untersuchungen In dieser Studie sollten die biomechanischen Konsequenzen von einer und einer zusätzlichen zweiten Partiellen Lateralen Korpektomie auf ein kanines Lendenwirbelsäulensegment evaluiert werden, um Schlüsse hinsichtlich der Durchführbarkeit multipler Partieller Lateraler Korpektomien bei Hunden ziehen zu können. Tiere, Material und Methoden Im Rahmen dieser Kadaverstudie wurden 11 kanine Lendenwirbelsäulensegmente (bestehend jeweils aus dem ersten bis fünften Lendenwirbel) untersucht. Nach Entfernung der paraspinalen Muskulatur und Einbettung der Wirbelsäulensegmente an ihren kranialen und kaudalen Enden in eine Halterung aus Gießharz und Metallringen wurde mithilfe eines eigens entwickelten Wirbelsäulenprüfstandes die Range of Motion bei Extension und Flexion, links- und rechtslateraler Biegung sowie Torsion nach links und rechts unter Anlegung eines Drehmoments von 2 Nm in drei verschiedenen Testreihen getestet. Während einer ersten Testreihe wurden alle Wirbelsäulensegmente in nativem Zustand untersucht. Für eine zweite Testreihe wurde eine Partielle Laterale Korpektomie zwischen dem zweiten und dritten Lendenwirbel von rechts eingefügt. Vor der dritten Testreihe wurde eine zweite Partielle Laterale Korpektomie zwischen dem dritten und vierten Lendenwirbel von rechts eingefügt. Eine Testreihe bestand aus jeweils 10 Bewegungszyklen, von denen die ersten fünf Bewegungszyklen zur Präkonditionierung des Gewebes und die darauffolgenden fünf für die statistische Auswertung genutzt wurden. Die entstandenen Messwerte wurden aggregiert und aufbereitet. Die weitere statistische Auswertung erfolgte unter Durchführung des Friedman- und Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Tests. Ergebnisse Sowohl bei Extension und Flexion als auch bei links- und rechtslateraler Biegung konnte im Vergleich zu den nativen Wirbelsäulensegmenten nach der Durchführung einer Partiellen Lateralen Korpektomie eine signifikante Zunahme der Range of Motion um einen Mittelwert von 22,6 % (Standardabweichung (SD) 16,1 %), bzw. 9,2 % (SD 7,4 %) festgestellt werden. Auch der Zuwachs der Range of Motion nach einer weiteren Partiellen Lateralen Korpektomie war für diese beiden Bewegungsrichtungen signifikant und betrug einen Mittelwert von weiteren 7,8 % (SD 14 %) bei Extension und Flexion sowie weiteren 6,1 % (SD 6,2 %) bei links- und rechtslateraler Biegung. Die Range of Motion nahm über die drei Testreihen hinweg nicht linear zu; so resultierte die größere Zunahme der Range of Motion bei einem Großteil der Wirbelsäulensegmente aus der Durchführung der ersten Partiellen Lateralen Korpektomie. Diese Tendenz konnte jedoch nicht als signifikant identifiziert werden. Die Range of Motion bei Torsion nach links und rechts nahm über die drei Testreihen hinweg nicht signifikant zu. Schlussfolgerungen In der vorliegenden Studie konnte nachgewiesen werden, dass jede Durchführung einer Partiellen Lateralen Korpektomie an einem kaninen Lendenwirbelsäulensegment mit zwei Zwischenwirbelspalten zu einer signifikanten Zunahme der Range of Motion bei Extension und Flexion sowie links- und rechtslateraler Biegung führt. Die Zunahme der Range of Motion ist Zeichen einer Verminderung der Stabilität der Wirbelsäulensegmente. Die Reduktion der spinalen Stabilität nimmt jedoch nicht mit jedem Einbringen einer weiteren Partiellen Korpektomie und denselben Faktor zu, sondern die zweite Partielle Laterale Korpektomie scheint einen kleineren destabilisierenden Effekt auf die Lendenwirbelsäulensegmente zu haben als die erste. Aufgrund dessen und da ein positives klinisches Outcome nach der Durchführung multipler Partieller Lateraler Korpektomien in vivo bereits in mehreren Studien gezeigt werden konnte, kann die Durchführung multipler Partieller Lateraler Korpektomien dennoch empfohlen werden.:1. Einleitung 1 2. Literaturübersicht 2 2.1 Bandscheibenvorfälle in der Tiermedizin 2 2.2 Die Bandscheibe 3 2.2.1 Anulus fibrosus 3 2.2.2 Nucleus pulposus 4 2.2.3 Endplatten 4 2.3 Diskopathie 4 2.3.1 Ein Überblick 4 2.3.2 Hansen Typ I Diskopathie – Extrusion des Nucleus pulposus 5 2.3.3 Hansen Typ II Diskopathie – Protrusion des Anulus fibrosus 6 2.3.4 Akute, nicht kompressive Nucleus pulposus Extrusion 6 2.3.5 Akute, kompressive Hydrated Nucleus pulposus Extrusion 6 2.3.6 Schmorl Knoten 7 2.4 Operationsmethoden an der Brust- und Lendenwirbelsäule des Hundes 7 2.4.1 Hemilaminektomie 7 2.4.2 Mini-Hemilaminektomie und Pedikelektomie 8 2.4.3 Foraminotomie 8 2.4.4 Dorsale Laminektomie 8 2.4.5 Partielle Laterale Korpektomie 9 2.4.5.1 Operationstechnik und Slot-Morphometrie bei der Durchführung einer Partiellen Lateralen Korpektomie 9 2.4.5.2 Ziele und Risiken der Partiellen Lateralen Korpektomie 11 2.4.5.3 Prognostische Faktoren und Outcome nach der Durchführung einer Partiellen Lateralen Korpektomie 13 2.5 Biomechanik der Wirbelsäule nach chirurgischen Eingriffen 15 2.5.1 Ventral Slot 16 2.5.2 Hemilaminektomie 19 2.5.3 Mini-Hemilaminektomie und Pedikelektomie 21 2.5.4 Dorsale Laminektomie 22 2.5.5 Partielle Laterale Korpektomie 23 3. Tiere, Material und Methoden 27 3.1 Arbeitshypothese 27 3.2 Patientengut 27 3.3 Präparation der Lendenwirbelsäulen 28 3.4 Einbettung der präparierten Lendenwirbelsäulen 29 3.5 Biomechanische Messung 32 3.5.1 Der Wirbelsäulenprüfstand 32 3.5.2 Nicht destruktive Tests 33 3.5.2.1 Testreihe 1: Biomechanische Messungen an den nativen Wirbelsäulensegmenten (ohne gefräste Partielle Laterale Korpektomie) 34 3.5.2.1.1 Extension und Flexion 34 3.5.2.1.2 Links- und rechtslaterale Biegung 34 3.5.2.1.3 Torsion nach links und rechts 35 3.5.2.2 Testreihe 2: Biomechanische Messungen an den operierten Wirbelsäulensegmenten mit einer Partiellen Lateralen Korpektomie zwischen L2 und L3 von rechts 35 3.5.2.3 Testreihe 3: Biomechanische Messungen an den operierten Wirbelsäulensegmenten mit zwei Partiellen Lateralen Korpektomien zwischen L2 und L3 sowie L3 und L4 von rechts 36 3.5.3 Destruktive Tests - Versagenstests 37 3.6 Postoperative Computertomographie 37 3.7 Statistische Auswertung 37 4. Ergebnisse 38 4.1 Nicht destruktive Tests 38 4.1.1 Gesamt-Range of Motion 38 4.1.2 Gegenüberstellung der Teil-Ranges of Motion: Extension vs. Flexion, linkslaterale Biegung vs. rechtslaterale Biegung und Torsion nach links vs. Torsion nach rechts 47 4.2 Einfluss der biomechanischen Testung auf die Range of Motion der Wirbelsäulensegmente 51 4.3 Destruktive Tests - Versagenstest 52 5. Diskussion 53 5.1 Hauptaussagen 53 5.1.1 Nicht destruktive Tests 53 5.1.1.1 Gesamt-Range of Motion 53 5.1.1.2 Teil-Ranges of Motion 55 5.1.2 Destruktive Tests - Versagenstests 56 5.2 Biomechanik der kaninen Lendenwirbelsäule nach Partiellen Lateralen Korpektomien – Ein Studienvergleich 57 5.3 Limitationen der Studie 61 5.4 Spinale Instabilität 65 5.5 Klinische Relevanz der Studienergebnisse und Schlussfolgerungen 69 6. Zusammenfassung 71 7. Summary 73 8. Literaturverzeichnis 75 9. Abbildungsverzeichnis 90 10. Tabellenverzeichnis 93 11. Finanzielle Förderung und Veröffentlichung der Studienergebnisse 94 12. Danksagung 95

Die Notwendigkeit, sich über unebene, sich ständig verändernde Gelände zu bewegen, gehört zu unserem täglichen Leben. Das zentrale Nervensystem muss daher eine erhöhte Menge an Information integrieren, um mit der Unvorhersehbarkeit äußerer Störungen zurechtkommen zu können. Die Folge dieser erhöhten Beanspruchung könnte eine flexible Kombination der modularen Organisation von Bewegungssteuerung sein. Auf Kosten der Genauigkeit der Bewegung wäre es so möglich, dass das System reagiert, indem es die Robustheit (Fähigkeit mit Fehlern umzugehen) seiner Steuerung erhöht. Jedoch sind die Strategien, die das zentrale Nervensystem zur Organisation der Bewegung verwendet, immer noch schlecht verstanden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Bewegungen zustande kommen durch eine kleine Anzahl linear kombinierter Aktivierungsmuster (Muskelsynergien). Unter den verschiedenen Möglichkeiten der Bewegungsstörung sind das Weglassen von Schuhen und die Verwendung von unebenen Oberflächen zwei gebräuchliche Optionen. In einem ersten Schritt habe ich eine gründliche Analyse der Methoden durchgeführt, die nützlich sind für a) die Auswertung von raumzeitlichen Gangparametern mithilfe von Daten der plantaren Druckverteilung und b) die Extraktion von Muskelsynergien mittels nicht-negativer Matrixfaktorisierung. Anschließend habe ich die modulare Organisation von c) beschut und barfuß Laufen und d) Laufband Gehen und Laufen über ebener und unebener Oberfläche analysiert. Im Vergleich zum gestörten Zustand zeigte das Barfußlaufen eine zeitlichen Verschiebung der zeitabhängigen Muskelaktivierungspatterns (Motor Primitives) und eine Reorganisation der zeitunabhängigen Koeffizienten (Motor Modules). Zusammenfassend, konserviert Fortbewegung über unebener Oberfläche, im Vergleich zu ebener, Motor Modules, während Motor Primitives im Allgemeinen breiter werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Idee einer erhöhten Robustheit in der motorischen Kontrolle während der instabilen Fortbewegung. / The need to move over uneven, continuously changing terrains is part of our daily life. Thus, the central nervous system must integrate an augmented amount of information in order to be able to cope with the unpredictability of external disturbances. A consequence of this increased demand might be a flexible recombination of the modular organisation of movement creation and control. At the expense of motion’s accuracy, it is possible that the system responds by increasing its control’s robustness (i.e. ability to cope with errors). However, the strategies employed by the central nervous system to organise movement are still poorly understood. One possibility is that movements are constructed through a small amount of linearly combined patterns of activations, called muscle synergies. Amongst the several possibilities of perturbing locomotion, the removal of footwear and the use of uneven surfaces are two valid options. In a first step, I conducted a thorough analysis of the methodologies useful for a) the evaluation of spatiotemporal gait parameters using plantar pressure distribution data and b) the extraction of muscle synergies using non-negative matrix factorisation. Afterwards, I analysed the modular organisation of c) shod and barefoot running and d) walking and running over an even- and an uneven-surface treadmill. The modular organisation of locomotion, assessed through the extraction of muscle synergies, changed when perturbations were introduced. Compared to the shod condition, barefoot running underwent, mostly due to the different foot strike pattern, a reorganisation of the time-independent coefficients (motor modules) and a time-shift of the time-dependent muscle activation patterns (motor primitives). Uneven-surface locomotion, compared to even-surface, conserved motor modules, while motor primitives were generally wider, confirming the idea of an increased robustness in motor control during unsteady locomotion.

The apoptosis and dysfunction of vascular smooth muscle cells in the human descending thoracic aorta is often associated with cardiovascular diseases like aortic dissection and aneurysms. Knowledge of the mechanical effects of contractile smooth muscle cells plays a crucial role in the understanding these potentially lethal conditions. Located in the medial layer, vascular smooth muscle cells are arranged in the so-called herringbone pattern. In regards to the mechanics of the aorta, the consequences of this type of anisotropy have not been fully discussed in literature so far. In this end, a novel hyperelastic constitutive law is proposed which accounts for the dispersive, transmural alignment of vascular smooth muscle cells and their characteristic length-tension behaviour. The model is calibrated with experimental data and is applied to the simulation of an aortic ring under in vivo conditions. By approximating the geometry of the aorta as a layered, thick-walled cylinder, the corresponding quasistatic, mechanical boundary value problem is solved semi-analytically. It is shown that the herringbone pattern induces shear deformation and equalises the normal stress gradients in the aortic wall. Since arterial vessels are able to actively adapt and alter the alignment and activity of smooth muscle cells, the existence of the herringbone pattern is in accordance with Fung's principle of optimal operation.

Plants are exposed to various external stresses influencing physiology, anatomy, and morphology. Shape, geometry, and size of shoots and leaves are particularly affected. Among the latter, peltate leaves are not very common and so far, only few studies focused on their properties. In this case study, four Begonia species with different leaf shapes and petiole attachment points were analyzed regarding their leaf morphology, anatomy, and biomechanical properties. One to two plants per species were examined. In all four species, the petiole showed differently sized vascular bundles arranged in a peripheral ring and subepidermal collenchyma. These anatomical characteristics, low leaf dry mass, and low amount of lignified tissue in the petiole point toward turgor pressure as crucial for leaf stability. The petiole-lamina transition zone shows a different organization in leaves with a more central (peltate) and lateral petiole insertion. While in non-peltate leaves simple fiber branching is present, peltate leaves show a more complex reticulate fiber arrangement. Tensile and bending tests revealed similar structural Young’s moduli in all species for intercostal areas and venation, but differences in the petiole. The analysis of the leaves highlights the properties of petiole and the petiole-lamina transition zone that are needed to resist external stresses.