Was passiert mit unserer Wirbelsäule, wenn wir uns stundenlang über unser Smartphone beugen? Mit dieser Frage beschäftigt sich Ivanna Kramer in Ihrer Promotion. Außerdem belgeitet sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der Arbeitsgruppe VisSim die Entwicklung eines Bandscheibenimplantats.
Sie schreiben eine Doktorarbeit über “Smombis”. Was versteckt sich hinter diesem Begriff?
“Smombi” steht für “Smartphone Zombie”. Dieser Begriff soll auf die gebeugte Körperhaltung hinweisen, die häufig bei der Nutzung von smarten Endgeräten eingenommen wird. Im Homeschooling sitzen Kinder zum Teil sehr lange vor Smartphones, Tablets und Co. Welche Auswirkungen eine extensive Nutzungen solcher Geräte auf die Halswirbelsäule hat, ist wissenschaftlich noch nicht untersucht worden. Ich möchte einen Teil dazu beitragen, ein Bewegungsanalysewerkzeug zu entwickeln, mit dem Körperpositionen und Bewegungen der Halswirbelsäule in der Anwendung automatisch und unauffällig gemessen werden können. Daraus lassen sich die Auswirkungen einer ständig geneigten Kopfstellung auf die Belastung der Bandscheiben oder anderer spinaler Strukturen erkennen.
Sie sind neben Ihrer Promotion in ein weiteres Projekt involviert …
Neben meiner Doktorarbeit arbeite ich bei der Arbeitsgruppe VisSim an einem Projekt für Lendenwirbelsäulenimplantate in Kooperation mit Wenzler Medizintechnik. Zurzeit entwickelt dieses Unternehmen ein neues Bandscheibenersatzimplantat, dessen Funktionsweise von uns mittels Simulationen analysiert und optimiert wird. Dies ist ein sehr spannendes Projekt, da Wissenschaft und Anwendung sehr stark miteinander verzahnt sind.
Mit wem arbeiten Sie sonst noch zusammen?
Sie forschen, organisieren Tagungen oder schreiben Fachartikel: In dieser Serie sprechen wir mit Promovierenden an unserer Universität.
Neben dem Medizintechnikunternehmen arbeiten ein wissenschaftlicher Mitarbeiter aus dem Bereich der Computersimulation und zwei HiWis mit.
Das Smombi-Projekt ist sehr praxisorientiert. Das Team besteht aus Professorin Maria Wimmer, Professor Dietrich Paulus, Dr. Sabine Bauer, zwei Hiwis und mir. Wir konnten aus vergangenen Forschungsprojekten im Bereich der Halswirbelsäulensimulation zurückgreifen Vorerfahrungen sammeln. Des Weiteren möchten wir in Kooperation mit Partnern des Instituts für Psychologie am Campus Koblenz beurteilen, wie sich eine stark belastete Wirbelsäule auf den Lernprozess auswirkt. Das soll besonders bei Kindern auch anhand von Augenbewegungen untersucht werden. Wir arbeiten auch mit Fachleuten aus der Medizin zusammen. Das hat den Vorteil, dass wir CT- und MRT Aufnahmen als Grundlage für unsere Simulationsmodelle verwenden können. Diese Aufnahmen helfen uns sehr bei der Analyse der Wirbelsäule.
Wie führen Sie die Versuche durch? Primär über 3-D-Analysen am PC oder auch am Menschen?
Für das Implantatprojekt wurde ein 3-D-Modell des Implantates vom Hersteller Wenzler Medizintechnik bereitgestellt. Wir haben eine 3-D-Simulation der Lendenwirbelsäule entwickelt, in der wir die Belastung der Wirbelsäule mit eingesetztem Bandscheibenimplantat prüfen und analysieren.
Bei meiner Doktorarbeit ist das etwas komplizierter, da wir nur mit Fotos arbeiten. Ich mache mit einer Kamera Aufnahmen von Menschen in Sitzposition. Anhand dieser Aufnahmen bestimme ich die Ausrichtung der Wirbelsäule. Diese wird in ein Computermodell übertragen. Anschließend zeigt es uns die Belastung der Wirbelsäule an. Unsere Herausforderung besteht darin, die Neigung jedes Wirbels aus nur einem Foto zu erkennen und zu analysieren. Aktuell verfeinern wir das Modell am Computer. Unser Programm kann sogar eine kurze Bewegungssimulation einer geschädigten Wirbelsäule zeigen. Wenn die Zusammenarbeit mit dem psychologischen Institut beginnt, möchten wir noch einen Eye-Tracker verwenden
So läuft die “Smombi”-Analyse ab: Relevante anatomische Punkte einem aus einem Foto extrahiert (a). Anhand der ermittelten Punkte wird ein Simulationsmodell der Halswirbelsäule gebildet (b). Die Belastungen unterschiedlicher Strukturen der Halswirbelsäule werden mittels einer Computersimulation berechnet, visualisiert und analysiert (c). Bild: VisSim
Wie ist der Stand Ihrer Untersuchungen?
Bei meiner Doktorarbeit stehe ich noch am Anfang. Die Analyse mit Bildern ist nicht einfach, da wir für die Versuche mit einer RGB-Kamera arbeiten. Diese Kamera arbeitet mit einer rechteckigen Bildmatrix, die die Auflösung des Bildes berechnet. Dabei kommen nur die Farben Rot, Grün und Blau zum Einsatz. Wir nutzen zusätzlich die MRT- oder CT-Aufnahmen. Ich analysiere gerade meine ersten Versuche, denke aber, dass ich drei bis vier Jahre benötigen werde. Bis jetzt haben wir mehrere Modellvarianten der Halswirbelsäule auf Basis von MRT-Datensätzen erstellt. Wir können damit zeigen, dass bei der Neigung im Bereich der Bandscheibe eine höhere Belastung entsteht als in der neutralen Position. Der Literatur ist zu entnehmen, dass auch die Facettengelenke stark belastet werden. In unserem Modell haben wir das nicht festgestellt, aber wir untersuchen es weiter. Durch Corona sind wir außerdem auf die Idee gekommen, Untersuchungen mit Kindern durchzuführen. Die Bildschirmzeit hat ja durch den Distanzunterricht stark zugenommen. Noch haben wir das aber nicht ausprobiert.
Das Lendenwirbelsäulenprojekt hat im Juli 2020 begonnen. Wir sind gerade dabei, ein Modell der Lendenwirbelsäule mit dem Implantat zusammenzustellen. Da das Implantat noch in der Prototypentwicklung ist, liegt zur Zeit der Schwerpunkt auf der Simulation der Funktionsweise des Implantates an sich, eingebaut in einem reduzierten Lendenwirbelsäulenmodell.
Neben der Promotion noch in einem weiteren Projekt aktiv sein – das klingt nach viel Arbeit.
Ja, das stimmt. Aktuell habe ich eine volle Stelle an der Universität und betreue samstags zusätzlich als Mentorin ein Ada-Lovelace-Projekt: Ich bringe den Schlüler:innen das Programmieren mit einem kleinen Roboter, Calliope, bei. Freizeit habe ich leider keine. Ein gutes Zeitmanagement und die Absprache mit meinem Mann sind unabdingbar.
Anhand von Computermodellen bestimmt Ivanna Kramer die Ausrichtung der Wirbelsäule. Auf diese Weise kann sie Belastungen messen und so eventuell Schmerzen lindern.
Sie haben in Koblenz Computervisualistik studiert und promovieren nun auch hier. Wie kam es dazu?
Ich habe während meines Studiums als Werksstudentin bei vielen Unternehmen in reinen IT-Abteilungen gearbeitet. Dort habe ich programmiert und Server verwaltet. Dabei habe ich gemerkt, was mir wirklich wichtig ist: Neugierde, der Drang nach Verbesserung und die Frage, wie man jemandem das Leben erleichtern kann.
Die Arbeitsgruppe, in der ich jetzt aktiv bin, ist klein, aber wir haben alles, was man braucht. Ich schätze das familiäre Umfeld und würde auch in Zukunft gerne weiterhin am Campus Koblenz in der Forschung arbeiten. Ich leben mit meinem Mann und meinem Kind in Koblenz. Wir wollen die Stadt nicht verlassen.
Wie werden ihr Promotionsprojekt und das VisSim-Projekt finanziert?
Beide werden über Drittmittel finanziert, sodass ich und weitere Personen an diesen Projekten mitarbeiten dürfen. Das Wirbelsäulenprojekt wird außerdem durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.
Was sollten Studierende mitbringen, die an eine Promotion denken?
Neugier, Interesse und Motivation sind wichtig. Kritisches Denken ebenfalls. Man sollte viel experimentieren und viel Geduld haben, wenn der Ansatz nicht sofort klappt.
Interview: Sarah-Maria Scheid