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Forschung – Laboratorium für Physiologie und Biomechanik des KausystemsAktuelle Projekte
01. Funktionelle Tests von Weichteilen von diarthrodialen Gelenken mittels in vivo erfasster anatomischer und kinematischer Daten(Schweizerischer Nationalfonds – Projekt Nr. 325200-110067)Ziel dieses Projekts ist die Gewinnung von Kenntnissen über die Mechanobiologie vom Kiefergelenkknorpel. Zu diesem Zweck werden wir funktionelle Tests von Knorpelgewebe und insbesondere vom Kiefergelenkdiskusknorpel entwickeln. Langfristiges Ziel dieser Forschung ist ein besseres Verständnis der Pathomechanik der Kiefergelenkdegeneration und –osteoarthrose. Dank unseren einzigartigen Möglichkeiten der dynamischen Stereometrie des Kiefergelenks mit realen anatomischen und kinematischen Daten (s. Projekt Nr. 3), werden wir in der Lage sein, physiologische Bedingungen zu berücksichtigen und nachzuahmen. Unser Verfahren liefert einen präzisen Einblick in die Verformung des Gelenkspaltes, da wir durch die Befestigung von Referenzmarkern an den Zahnreihen die Anatomie und die Kinematik des Unterkiefers genau in Beziehung setzen können. Diese Art von Forschung lässt sich zu weiteren Gelenken ausdehnen, insbesondere zum Kniegelenk, so dass auch funktionelle Tests für künstliche oder mittels „tissue engineering“ hergestellte Ersatzmaterialien entstehen können. 02. Unterkieferkinematik und -dynamikZiel dieses Projekts ist ein tieferer und globaler Einblick in die mechanischen Aspekte der Unterkieferbewegung (Cell Tiss Org 180:54-68, 2005). Teile dieses Projekts sind in Zusammenarbeit mit den Universitäten Sydney und Western Sydney, Sydney NSW, Australien (Dres. G.M. Murray and J.A. Gal). Neuere mechanische Modelle wie die Schraubachse (Kinemate) und die Aktionsachse (Dyname) werden eingesetzt, um die Bewegung sowie die Kräfte und Momente des Unterkiefers auf globale und kompakte Art zu beschreiben. Diese Grössen sind extrem empfindlich auf Asymmetrien und Unregelmässigkeiten der Unterkieferbewegung (J Dent Res 76:704:713, 1997 und 79:1566-1572, 2000) und sind auch nützlich, um den Beitrag der einzelnen Kaumuskeln zu einer beliebigen Tätigkeit des Unterkiefers zu bestimmen (J Biomech 37:1405-1412, 2004). Ein Unterkieferbewegungsreplikator basierend auf dem Prinzip der Stewart-Platform wurde entwickelt, um Zahnbogenmodelle in Echtzeit mittels der entsprechenden Unterkieferkinematikdaten zu bewegen. Neben der Verwendung dieses Replikators als perfekten Artikulators, wird dieses Gerät komplexere mechanische Studien auf ganzen Schädel-Unterkiefermodelle ermöglichen. 03. Dynamische Stereometrie des KiefergelenksZiel dieses Projekts ist die Studie der Bewegung des gesamten Kondylus in der Fossa zu didaktischen Zwecken und zur Analyse der kinematischen Normalität und Unregelmässigkeit des Kiefergelenks. Die Methode, unter kontinuierlicher Weiterentwicklung, besteht aus der Kombination der softwaremässigen 3D-Rekonstruktion der Gelenkanatomie mit Unterkieferbewegungsdaten (Technology and Health Care 2:193-207, 1994, Ann Acad Med Singapore 24:11-16, 1995). Die Gelenkanatomie wird mittels Segmentation eines Pakets von tomografischen Bildern erhalten. Die Unterkieferbewegungsdaten entstehen aus der Aufzeichnung mittels eines optoelektronischen Systems mit 6 Freiheitsgraden. Es ist daher möglich die relativen Bewegungen der gesamten Gelenksegmente zu berechnen und grafisch darzustellen. Ferner lassen sich auch quantitative Messungen innerhalb des Gelenks durchzuführen, wie z.B. die Bestimmung der zeitabhängigen intraartikulären Abstände (Orthod Craniofac Res 6(Suppl 1):37-47, 2003). 04. Entwicklung eines neuen Gerätes zur Erfassung der UnterkieferkinematikZiel dieses Projekts ist die Ablösung des in den 80er Jahren in unserem Laboratorium entwickelten optoelektronischen Systems zur Erfassung der Unterkieferbewegung (J Orofac Pain 8:155-164, 1994). Das neue System basiert auf rechenintensiver digitaler Videosignalverarbeitung und hat eine viel höhere Abtastfrequenz (200 bis 600 Hz) und geometrische Auflösung (besser al 10 mm) sowie ein viel niedrigeres geometrisches Rauschen (um 3 mm). Das neue System kann modular ausgebaut werden und so ein viel grösseres Sichtfeld abdecken. Es erlaubt die Aufzeichnung transienter Ereignisse der Dauer von wenigen Millisekunden, wie z.B. plötzlicher Beschleunigungen in Zusammenhang mit Kiefergelenkknacken. Dank der hohen Auflösung und niedrigem Rauschen lassen sich Veränderungen des Gelenkspaltes mit hoher Genauigkeit nachweisen. Auch lassen sich beide Kiefergelenke mit einseitigen Aufzeichnungen animieren. Ferner können Unterkieferbewegungen unter ungünstigen Bedingungen – so wie bei Tierexperimenten – aufgenommen werden. 05. Nichtinvasive Analyse der KiefergelenkbelastungZiel dieses Projekts ist die nichtinvasive Analyse der Kiefergelenkbelastung unter funktionellen und parafunktionellen Bedingungen. Dies wird durch die Messung der Veränderung der Abstände zwischen Kondylus und Fossa erreicht. Die Gelenkbelastung wird von der Variation des Bereichs mit minimalen intraartikulären Abständen extrapoliert (Med Engin Phys 25:181-190, 2003). Unter verschiedenen Belastungsbedingungen wird sie untersucht, wie z.B. unbelasteten Unterkieferbewegungen, kauen von verschiedenen Nahrungen und Zähne pressen auf einer Kraftmessdose an verschiedenen Stellen zwischen beiden Zahnreihen (Habilitationsschrift PD Dr. L.M. Gallo, 2001). Erste Ergebnisse zeigen, dass die Belastungsmuster von der Lage des Nahrungsbolus oder der Kraftmessdose abhängen. Die Korrelation zwischen statischen Daten (Zähne pressen) und dynamischen Daten (Kauen) werden zur Modellvalidierung beigezogen. 06. Dynamische dreidimensionale bifasische FE-Analyse des KiefergelenkdiskusDieses Projekt basiert auf der Hypothese, dass die Intensität und Frequenz der Spannungen, die an der Kollagen-Glykosaminoglykan-Matrix von Gelenkknorpel wirken, eine Rolle in der Entstehung von Osteoarthrose spielen könnten. In Zusammenarbeit mit dem Medical Center der Universität Nebraska, Lincoln NE, USA (Dres. J.C. Nickel and L.R. Iwasaki), sowie mit dem Rensselaer Polytechnic Institute, Troy NY, USA (Dr. R. L. Spilker) untersuchen wir Spannungs-, Verformungs- und Druckbedingungen dynamisch innerhalb des Kiefergelenkdiskus, der als bifasisches Gewebe modelliert wird (J Biomech 37:1787-1791, 2004). Da die Materialeigenschaften des Kiefergelenkdiskus anisotropisch sind, haben wir zuerst die mediolateralen Geschwindigkeitskomponenten der Spannungsfelder analysiert, die Scherkräfte verursachen. In erster Näherung haben wir die Spannungsfelder im Kiefergelenkdiskus im Bereich mit minimalem Abstand zwischen Kondylus und Fossa platziert. Erste Resultate zeigen, dass in asymptomatischen Gelenken bei unbelasteten Mundöffnungs-/-schliessbewegungen in 0.5 und 1 Hz-Takt die mediolateralen Geschwindigkeitskomponenten zwischen 35±17 und 40±19 mm/sec variieren. Dies erfolgt mit einer zwischen 6 und 709 mJ geschätzten Energievernichtung (J Dent Res 79:1740-1746, 2000). Ferner zeigt sich, dass knackende Kiefergelenke Veränderungen der Knochen- und Diskusgestalt aufweisen (J Orofac Pain 16:29-38, 2002, J Dent Res 83:480-484, 2004). 07. Animation der KaumuskelnZiele dieses Projekts sind die Darstellung und die Analyse der Aktivität der gesamten Kaumuskulatur mittels inverser Dynamik, basierend auf Hill-Modellen der Muskeln. Zu diesem Zweck lassen sich Ursprungs- und Ansatzpunkte der Kaumuskeln, sowie deren Aktionslinien aus Paketen von Kernspintomogrammen (MRI) gewinnen. Die Muskelmodelle werden anschliessend mit der entsprechenden Kinematikinformation des Unterkiefers animiert und die gewonnenen Daten mit elektromyografischen (EMG) Aufzeichnungen verglichen. Neben einem weiteren nichtinvasiven Einblick in die Physiologie des normalen Kausystems, können diese Studien zu einem besseren Verständnis der Ätiologie schneller, transienter Ereignisse, wie des Kiefergelenkknackens, führen. 08. Kernspintomografie des KiefergelenksDieses Projekt zielt auf die Verbesserung der kernspintomografischen (MRI) Techniken zur Darstellung der Hart- und Weichgewebe des Kiefergelenks, insbesondere des Diskus, unter statischen und dynamischen Bedingungen. Diese Studien werden in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich (Dr. D. Meier) durchgeführt. Die Verwendung der „echo planar imaging (EPI)“-Technik und die Optimierung der Aufnahmeparameter haben die Erfassungszeit auf 0.2¾0.3 Sekunden gesenkt. Es ist jetzt daher möglich, die Bewegung des Kiefergelenksdiskus nicht nur in Echtzeit, sondern auch nichtinvasiv (z.B. im Gegensatz zur Fluoroskopie) aufzuzeichnen. Die Optimierung der Erfassungsparameter hat also erlaubt, eine Mehrschichttechnik zu implementieren, so dass die medialen, mittleren und lateralen Teile des Kiefergelenks dynamisch visualisiert werden können. Dies liefert einen guten Einblick in die Bewegung des gesamten Kiefergelenkdiskus. Erste Resultate bilden das Thema von zwei Publikationen (J Orofac Pain 14:65-73, 2000 und 14:128-139, 2000). Diese Techniken lassen sich zum Studium der Diskuskinematik in normalen und pathologischen Kiefergelenken und auch zur Validierung von Softwaremodellen der Diskusverformung einsetzen. 09. Langzeitelektromyografie der KaumuskelnZiel dieses Projekts ist die Abklärung, ob Muskelschmerzen von Patienten mit Myoarthropathien des Kausystems von einer Überlastung des Kausystems verursacht oder verstärkt werden. Zu diesem Zweck erfassen und analysieren wir die funktionellen und parafunktionellen elektromyografischen (EMG) Signale der Kaumuskeln. Die Studien werden in Zusammenarbeit mit der Universität Montréal, QC Kanada (Dr. G.J. Lavigne) und mit der 2. Universität Neapel (Dres. A. Michelotti und M. Farella) (Eur J Oral Sc 113:380-385, 2005 und J Dent Res 84:644-648, 2005) durchgeführt. Die EMG-Signale werden in der natürlichen Umgebung mittels kleiner tragbarer Rekorder aufgezeichnet, die in unserem Laboratorium entwickelt wurden. Eine andere, umständlichere und kostspieligere Aufnahmemethode ist die Polysomnographie im Schlaflabor (J Sleep Res 6:259-263, 1997). Für jedes Kontraktionsereignis berechnet der Computer die Auftretenszeit, Intensität, Dauer und das Zeitintegral des EMG-Signals. Daten über die nächtlichen Aktivitätsmuster eines normalen Kollektivs in der natürlichen Umgebung wurden publiziert und dienen als Referenz (J Dent Res 78:1436-1444, 1999). Daten aus nächtlichen Bruxisten oder Patienten mit Myoarthropathien des Kausystems werden zu jenen des normalen Kollektivs verglichen. In dieser Hinsicht untersuchen wir auch, ob Patienten mit Myoarthropathien des Kausystems tagsüber häufiger als asymptomatische Probanden die Zähne pressen. 10. Echtzeiterkennung der Aktivität der KaumuskelnZiel dieses Projekts ist die Echtzeitverarbeitung von elektromyografischen (EMG) Signale zur automatischen Klassifikation der Aktivität der Kaumuskeln (J Oral Rehabil 22:455-462, 1995). Das System wird in tragbaren Rekordern implementiert. Die Methode basiert auf der multivariaten Diskriminanzanalyse und hat sich bereits in einer Laborversion bewährt (J Dent Res 77:1541-1548, 1998). Neben einer unmittelbaren Analyse von oraler Funktion und Parafunktion sowie einer effizienten Datenabspeicherung und –kompression, kann dieses System auch bei Biofeedbacktherapien nützlich sein. Neue moderne integrierte Schaltungen zur Datenerfassung und -verarbeitung mit niedrigem Leistungsverbrauch und hoher Geschwindigkeit werden zur vollständigen Miniaturisierung eingesetzt. |
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