3 Struktur von biomechanischen Modellen (S. 9-10)

Wie der Name bereits verrät, handelt es sich bei der Biomechanik um einen Zweig der Mechanik, der sowohl die Kräfte untersucht, welche auf biologische Strukturen wirken, als auch deren Auswirkungen. Folglich ist für die erfolgreiche Entwicklung biomechanischer Modelle ein grundlegendes Verständnis von folgenden drei Gebieten erforderlich: – biologische Strukturen – mechanische Analyse – Verstehen von Bewegungen [Mil96].

Für die Konstruktion eines biomechanischen Modells ist es anfangs notwendig, die relevanten anatomischen Strukturen des okulomotorischen Systems zu erfassen und geeignete Abstraktionen zu schaffen, die unter Verwendung mathematischer Methoden modelliert werden können. Deshalb müssen alle sechs äußeren Augenmuskeln und der Bulbus in einer abstrakten Darstellung als Teile eines gesamten biomechanischen Modells definiert werden. Ein Augenmuskel selbst setzt sich in einer abstrakten Darstellung aus mehreren Teilen zusammen. Diese wären beispielsweise die Insertion oder der Ursprung eines Augenmuskels. Auch diese können weiter unterteilt werden.

Um ein vollständiges biomechanisches Modell zu gestalten, reicht jedoch die Abbildung der Augenmuskeln und des Bulbus alleine nicht aus. Ebenso ist eine Beschreibung der geometrischen Beziehungen zwischen allen abstrakten Darstellungen erforderlich. Dieser Teil des biomechanischen Modells wird als geometrisches Modell definiert. Um die Veränderbarkeit des Systems zu gewährleisten ist es wünschenswert, das geometrische Modell als einen eigenständigen, austauschbaren Teil zu gestalten, der mit anderen biomechanischen Komponenten interagiert.

Ein wohlgeformtes biomechanisches Modell besteht aus austauschbaren Komponenten, die für Flexibilität und Kompatibilität bei späteren Änderungen und Erweiterungen des Systems sorgen. Abgesehen vom geometrischen Teil des Systemmodells ist ferner ein Modell zur Beschreibung der Muskelkräfte und deren Einfluss auf die Augengeometrie notwendig. Daher braucht ein biomechanisches Modell ebenso ein Muskelkräftemodell, welches die Umwandlung von Innervationen in Muskelkräfte simuliert und vorhersagt und im Anschluss daran diese Muskelkräfte in die Augengeometrie einfließen lässt, sodass diese letztendlich in Form von Augenrotationen dargestellt werden. Ein biomechanisches Augenmodell muß auch die Kinematik von Augenbewegungen berücksichtigen.

Angewandt auf das kinematische Modell des menschlichen Auges wird eine Vorwärts- und Rückwärtskinematik eingesetzt. Die Vorwärtskinematik findet bei gegebenen Innervationen die resultierende Blickrichtung, die Rückwärtskinematik wiederum leitet aus einer gegebenen Blíckrichtung die Innervationen für die Augenmuskeln ab. Folglich besteht ein biomechanisches Modell aus mehreren abstrakten Darstellungen und Sub-Modellen. Die abstrakten Darstellungen beziehen sich auf die verschiedenen anatomischen Teile des menschlichen Auges, während die Sub-Modelle mathematische Beschreibungen der geometrischen Eigenschaften, Muskelkräfte und Kinematik einschließen [BKPH03].