Der Thorax im Alter Anthropometrische Veränderungen Anja Wagner 1, Therese Fuchs 1, Andre Eggers 2, Steffen Peldschus 1,3

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1 Der Thorax im Alter Anthropometrische Veränderungen Anja Wagner 1, Therese Fuchs 1, Andre Eggers 2, Steffen Peldschus 1,3 1 Arbeitsgruppe Biomechanik, Institut für Rechtsmedizin, LMU München 2 Bundesanstalt für Straßenwesen 3 Hochschule Furtwangen

2 Gliederung 1. Hintergrund Erfassung modellierungsrelevanter biomechanischer Daten: Materialkennwerte aus Literatur, Daten zu Kortikalisdicke, Kent Studie zu Rippenwinkel in der Sagittalebene 2. Geometriedefinition Anthropometrische Basismessungen des Thorax, morphometrische Studie zu Rippenwinkeln innerhalb des ganzen Thorax, Studie zu Parametern an einzelnen Rippen 3. Modellanpassung verschiedene gemorphte THUMS 3 Thorax Varianten: Verwirklichung unterschiedlicher Zielgeometrien: global/lokal Durchschnittswerte/Extremwerte reales Individuum 4. Ausblick Erstellung eines Full-scale Modells durch Kriging

3 Hintergrund Thoraxverletzungen in älteren Insassen Epidemiologische Daten: Thorax verletzungsrelevanteste Region bei älteren Insassen * Mortalität durch Rippenbrüche steigt im Alter signifikant an** Leichenversuche: geringere Toleranz gegenüber Brustkorbeindrückung im Alter *** 13% 35% * Kent et al (2005a) 1, ** Bulger et al (2000) 2, *** Kent, Patrie (2004) 4

4 Welche Faktoren sind verantwortlich? Hintergrund Materielle und strukturelle Veränderungen sind wichtig Abnahme des Elastizitätsmoduls*, der Fließspannung und der Bruchdehnung Verringerung der Kortikalisdicke/-fläche** aber nicht alles! - Auch die Geometrie spielt eine Rolle Kent et al (2005b 3 ): Winkel der 9ten Rippe in der Sagittalebene nimmt im Alter zu (ca. 0,08 /Jahr) In Simulationen gezeigt: Die Zunahme dieses Winkels wirkt sich ungünstig auf die Verletzungstoleranz aus *Carter und Spengler (1978) 5 ** Stein, Granik (1976) 6

5 Gliederung 1. Hintergrund Erfassung modellierungsrelevanter biomechanischer Daten: Materialkennwerte aus Literatur, Daten zu Kortikalisdicke, Kent Studie zu Rippenwinkel in der Sagittalebene 2. Geometriedefinition Anthropometrische Basismessungen des Thorax, morphometrische Studie zu Rippenwinkeln innerhalb des ganzen Thorax, Studie zu Parametern an einzelnen Rippen 3. Modellanpassung verschiedene gemorphte THUMS 3 Thorax Varianten: Verwirklichung unterschiedlicher Zielgeometrien: global/lokal Durchschnittswerte/Extremwerte reales Individuum 4. Ausblick Erstellung eines Full scale Modells durch Kriging

6 Kollektive Material Post mortem Kollektiv: 146 Individuen (98 Männer, 48 Frauen), Atmungszustand unklar, vermutlich eher expiriert (Quelle: Institut für Rechtsmedizin, LMU) Klinisches Kollektiv zur Abschätzung der Validität der post mortem Daten: 57 Individuen (37 Männer, 20 Frauen), inspirierter Zustand (Quelle: Universitätsklinikum Hamburg Eppendorf) Anzahl Postmortem Kollektiv - Altersverteilung Jahre Jahre Jahre > 65 Jahre Altersgruppen Männer Frauen 4 Altersgruppen 25 Klinisches Kollektiv - Altersverteilung Abschätzung des Einflusses der Einund Ausatmung an Hand eines einzelnen Individuums Ausschluss Thorax-Geometrie verändernder Faktoren durch Sektionsprotokoll bzw. Begutachtung durch Radiologen (Frakturen, Faßthorax, Lungenemphysem, Tumoren) Anzahl Jahre Jahre Jahre > 65 Jahre Altersgruppen Männer Frauen

7 Anthropometrische Basismaße - Messung Gemessene Längen: Thoraxtiefe: Abstand des anteriorsten Punktes am Unterrand des Manubriums sterni und des Corpus sterni vom posteriorsten Punkt des gegenüberliegenden Wirbels* Thoraxbreite: breiteste Ausdehnung des Thorax auf Höhe der Rippen 3 und 7 bis 10* Außen- (Sternum außen bis Proc. spinosus) und Innenmaße (Sternum außen bis hinterer Wirbelkörper und Sternum Innen bis vorderer Wirbelkörper) Messung an beiden Kollektiven (post mortem, klinisch) * Definition nach Knussmann 1988

8 Ergebnisse Anthropometrische Basismaße (post mortem Kollektiv) Thoraxtiefe Manubrium Zunahme der Thoraxtiefe mit dem Alter Maximale absolute Zunahme: 2,6cm (= 16 %) Trend verläuft kontinuierlich über alle Altersgruppen Unterschied alt-jung deutlich größer als eingeatmet-ausgeatmet Thoraxtiefe Corpus sterni Ebenfalls Zunahme mit dem Alter (Maximum 3cm, 15,8%) Thoraxbreite Ab Rippe 7 immer größere Zunahme Thorax erhält im Alter eine trichterförmige Form

9 Rippenwinkel - Definition Definition anatomischer Landmarks an der Rippe Erfassung des Thorax als Punktewolke l p t h Übereinander legen und Skalierung aller Punktewolken durch Procrustes Algorithmus c s Definition mehrerer Winkel (11 Stück) an Hand der Punkte Berechnung dieser Winkel in Matlab und Mittelwertvergleich Grafische Darstellung: Differenz Mittelwert Gruppe 1 und 4

10 Rippenwinkel - Mittelwertvergleich rechts links dorsal ventral dorsal ventral blau: 17 bis 34 Jahre rot: über 64 Jahre

11 Winkel am lateralsten Punkt des Rippenbogens Differenz der Mittelwerte: alt - jung p t Winkel nimmt im Alter auf beiden Körperseiten zu l PLC h Trend auch bei Frauen angedeutet aber nicht so deutlich c s Trend durch klin. CTs bestätigt Interpretation: Krümmung am lateralen Rippenbogen nimmt im Alter ab eventuell von Bedeutung für Seitenanprall

12 Vermessung einzelner Rippen, Wirbel und des Sternum Segmentierung des 3D Objekts mit Software Mimics Messung von Rippenkrümmung, longitudinaler Verdrehung (Twist) und Querschnittsparametern entlang der Rippe (6. und 7. Rippe rechts)* Vermessung anthropometrischer Maße des Wirbelkörpers und Sternum Analyse mit Methode der Geometrischen Morphometrie (statistische Auswertung dreidimensionaler Landmarks Principal Components Analyse) * nach Mohr et al 2008

13 Gliederung 1. Hintergrund Erfassung modellierungsrelevanter biomechanischer Daten: Materialkennwerte aus Literatur, Daten zu Kortikalisdicke, Kent Studie zu Rippenwinkel in der Sagittalebene 2. Geometriedefinition Anthropometrische Basismessungen des Thorax, morphometrische Studie zu Rippenwinkeln innerhalb des ganzen Thorax, Studie zu Parametern an einzelnen Rippen 3. Modellanpassung verschiedene gemorphte THUMS 3 Thorax Varianten: Verwirklichung unterschiedlicher Zielgeometrien: global/lokal Durchschnittswerte/Extremwerte reales Individuum 4. Ausblick Erstellung eines Full scale Modells durch Kriging

14 Wie kommt man von den Daten zum Modell? Erstellung mehrerer Thoraxmodelle auf Basis unterschiedlicher Ergebnistypen aus der Geometriedefinition Verwirklichung durchschnittlicher und extremer Werte Geometrieerstellung durch Morphing in Hypermesh (Altair) Ausgangsmodell: THUMS 3

15 Thorax Varianten Szenario 1: Mittelwert lokal jung/alt Input Daten: einzelne Thoraxwinkel Szenario 2: Mittelwert global jung/alt Input Daten: Thoraxtiefe/Thoraxbreite Szenario 3: Extrem global jung/alt Input Daten: Thoraxtiefe/Thoraxbreite

16 Gliederung 1. Hintergrund Erfassung modellierungsrelevanter biomechanischer Daten: Materialkennwerte aus Literatur, Daten zu Kortikalisdicke, Kent Studie zu Rippenwinkel in der Sagittalebene 2. Geometriedefinition Anthropometrische Basismessungen des Thorax, morphometrische Studie zu Rippenwinkeln innerhalb des ganzen Thorax, Studie zu Parametern an einzelnen Rippen 3. Umsetzun der Daten Modellanpassung verschiedene gemorphte THUMS 3 knöcherner Thorax Varianten: Verwirklichung unterschiedlicher Zielgeometrien: global/lokal Durchschnittswerte/Extremwerte reales Individuum 4. Ausblick Erstellung eines Full scale Modells durch Kriging

17 Fazit/ Ausblick Es existieren altersabhängige geometrische Parameter am knöchernen Thorax Datengrundlage zur Erschaffung eines FE-Modells des alten Insassen geschaffen derzeit in Arbeit: Erstellung eines Thoraxmodells eines realen Individuums, das in möglichst vielen der in AP2 bestimmten Punkte sehr alt ist Kriging nach Input-Kontrollpunkten Integration in THUMS3 Modell

18 Danke! Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!