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Erschienen in: Die Gynäkologie 10/2023

Open Access 19.09.2023 | Geburt | Leitthema

Biomechanik der Geburt

verfasst von: Dulce Oliveira, Rita Moura, Daniel Fidalgo

Erschienen in: Die Gynäkologie | Ausgabe 10/2023

Zusammenfassung

Die Geburt eines Kindes ist ein natürlicher und komplizierter Prozess, der die koordinierten Anstrengungen mehrerer physiologischer Systeme erfordert. Während das klinische Verständnis der Geburt traditionell auf groß angelegten statistischen Studien beruhte, haben die jüngsten Fortschritte in der Biomechanik neue Wege zur Untersuchung der mechanischen Aspekte der Geburt eröffnet. Das Verständnis der Geburtsmechanik ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der geburtshilflichen Versorgung und der daraus resultierenden Gesundheit der Mütter und Kinder. Diese Übersichtsarbeit soll einen umfassenden Überblick über den aktuellen Wissensstand auf dem Gebiet der Geburtsbiomechanik geben. Wir untersuchen verschiedene Aspekte der Geburt, vom Beginn der Geburt bis zum Austritt des Kindes und beleuchten die biomechanischen Prinzipien und Faktoren, die diesen dynamischen Prozess beeinflussen. Darüber hinaus untersuchen wir die Herausforderungen, die mit der Untersuchung der Geburtsbiomechanik verbunden sind, und erörtern neue Technologien und Modellierungsansätze, die weitere Fortschritte auf diesem Gebiet versprechen. Indem wir unser Verständnis der Geburtsbiomechanik vertiefen, können wir die klinische Praxis verbessern und zum allgemeinen Wohlbefinden von Frauen und ihrer Neugeborenen beitragen.
Hinweise

Redaktion

Klaus Vetter, Berlin
Roland Zimmermann, Gockhausen
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Die Geburt ist ein komplexer und bemerkenswerter Prozess, der komplizierte biomechanische Interaktionen zwischen dem mütterlichen Becken, dem fetalen Schädel, der Gebärmutter, der Eihäute, dem Gebärmutterhals und den umgebenden Weichteilen beinhaltet. Trotz laufender Forschungen und Fortschritte in diesem Bereich ist die Aussage von Ashton und DeLancey aus dem Jahr 2009 [1] gültig: Aus biomechanischer Sicht ist wenig über die vaginale Geburt bekannt.
Die vaginale Geburt ist ein entscheidender Prozess für die Gesundheit von Mutter und Kind, aber es gibt noch viel zu lernen über die physiologischen Mechanismen, die dem gesamten Prozess zugrunde liegen, wie z. B. ein vorzeitiger Blasensprung, vorzeitige Wehen, unregelmäßige Uteruskontraktionen und anderes. Traditionell wurden die meisten Studien zu Schwangerschaft und Geburt mit einem klinischen Ansatz durchgeführt, der sich auf umfangreiche statistische Analysen stützt. Dieser Ansatz verzögert jedoch in der Regel die Einführung neuer Technologien und die Weiterentwicklung von Standardpraktiken, da er mit zahlreichen ethischen und technischen Fragen verbunden ist.
Um die derzeitigen Schwierigkeiten wirksamer anzugehen, kann eine ingenieurwissenschaftliche Perspektive, die ein tiefes Verständnis der zugrundeliegenden Biomechanik beinhaltet, eine wertvolle Ergänzung sein [2]. Der Bereich der Geburtsbiomechanik umfasst ein breites Spektrum von Faktoren, das vom Geburtsbeginn bis zur Geburt der Plazenta reicht. Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt hauptsächlich auf der Austrittsphase der Geburt. Herkömmliche Methoden zur Erforschung solcher biomechanischen Prozesse in vivo sind schwierig und invasiv. Daher verwenden wir einen technischen Modellierungsansatz, um biomechanische Untersuchungen durchzuführen. Diese Methodik soll zur bestehenden Wissensbasis beitragen und im Idealfall eine solidere wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung neuer klinisch orientierter Technologien und für den Schutz der Gesundheit von Frauen schaffen.
Über die einer Geburt zugrundeliegenden Mechanismen gibt es nach wie vor viel zu lernen
Das Becken, die Beckenhöhle, der Beckenboden und der Damm spielen eine wichtige mechanische Rolle bei der Unterstützung und dem Schutz der inneren Organe, der Übertragung von Gewicht und Kräften, der Ermöglichung von Mobilität und Flexibilität sowie beim Geburtsvorgang. Die Erstellung biomechanischer Modelle der Beckenregion erfordert verschiedene Arten von Eingabedaten, z. B. Geometriedaten, Materialeigenschaften und -verhalten sowie andere Rahmenbedingungen, die Belastung-, kinematische und physiologische Daten beinhalten. Der Gebärmutterhals spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Geburt, da er während der Schwangerschaft als Barriere für den Fetus und während der Geburt als Durchgangspassage fungiert. Der Umbauprozess des Gebärmutterhalses ist aus mechanischer Sicht nach wie vor unbekannt, was das Verständnis verschiedener Phänomene im Zusammenhang mit der Geburt und Frühgeburt beeinträchtigt.
Computermodelle der Geburt wurden seit den 1990er-Jahren benutzt, um unser Verständnis der Geburtsvorgänge und der damit verbundenen Verletzungen zu verbessern [3]. Es wurden biomechanische Modelle entwickelt, um vor allem die Wehen in der Austreibungsphase zu simulieren und die Wirksamkeit verschiedener mütterlicher Belastungsmuster zu analysieren. Die Finite-Elemente-Modellierung ist ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem sich die Biomechanik der Geburt simulieren und es sich vorhersagen lässt, wie verschiedene Faktoren den Prozess beeinflussen können. In Hinblick auf den Arbeitsbereich, mit dem wir uns beschäftigen, soll dieser Artikel einen umfassenden Überblick über die Bedeutung der Geburtsbiomechanik und ihrer Auswirkungen auf die geburtshilfliche Versorgung geben.

Biomechanische Vorgänge

Mit dem Einsetzen von Wehen beginnt eine Reihe koordinierter biomechanischer Vorgänge, die den Fortgang der Geburt erleichtern. Eine Abfolge kontinuierlicher und progressiver Uteruskontraktionen trägt dazu bei, dass sich der Gebärmutterhals öffnet (zervikale Dilatation) und verkürzt (zervikales Effacement), sodass der Fetus durch den Geburtskanal tiefer treten kann [4]. Diese kräftigen und schmerzhaften Wehen treten in Abständen von weniger als 10 min auf und können mit fortschreitender Geburt häufiger und stärker werden. Die Eröffnungsphase der Geburt beginnt mit dem Einsetzen regelmäßiger, rhythmischer Kontraktionen und erreicht ihren Höhepunkt, wenn der Muttermund auf ~10 cm vollständig erweitert ist. In dieser Phase eröffnet sich der Gebärmutterhals vollständig und zu Beginn dieser Phase erkennen die Frauen möglicherweise nicht einmal, dass sie in den Wehen liegen, solange die Wehen leicht und unregelmäßig sind. Bleiben die Uteruskontraktionen abnormal/unregelmäßig, wird der Uterus verschiedenen Belastungen ausgesetzt, die sich direkt auf die Sauerstoffversorgung des Feten auswirken, was die Geburt und die Gesundheit von Mutter und Fetus gefährden kann. Die Latenzphase ist normalerweise die längste und am wenigsten intensive Phase der Geburt.
Die Austrittsphase der Geburt kann als ein dynamischer und koordinierter Prozess beschrieben werden, der verschiedene Kräfte und Bewegungen umfasst. In dieser Phase zieht sich die Gebärmutter kräftig zusammen und übt Druck auf den Kopf des Feten aus. Die Beckenbodenmuskulatur, bestehend aus dem M. levator ani und den am Os coccygis inserierenden Muskeln, spielt eine entscheidende Rolle in Form von Unterstützung und Widerstand. Der Schädel des Feten, der aus sich überlappenden Knochen und flexiblen Nähten besteht, passt sich dem mütterlichen Geburtskanal an, indem sich seine Schädelnähte übereinander schieben und er seine Form verändert, sodass er durch die engsten Stellen des Beckens tiefertreten kann. Das Zusammenspiel von Gebärmutterkontraktionen, Beckenbodenmuskulatur, knöchernem Becken und der Flexibilität des fetalen Schädels erleichtert das progressive Tiefertreten und letztendlich die Geburt.
Die Synchronisierung der Gebärmutterkontraktionen ist ein wichtiger Faktor für eine erfolgreiche Geburt. Die Muskelzellen der Gebärmutter haben die Fähigkeit, elektrische Signale, sogenannte Aktionspotenziale, weiterzuleiten. Bei einer normalen vaginalen Geburt werden diese Impulse synchronisiert und erzeugen eine Reihe von Gebärmutterkontraktionen, die den Feten austreiben. Unkoordinierte Uteruskontraktionen sind in der Regel mit einem erhöhten intraabdominalen Druck verbunden, der zu einem schlechten Geburtsfortschritt führt. Diese können das Ergebnis verschiedener physischer und physiologischer Faktoren sein, wie z. B. mangelnde Energieversorgung, Dehydrierung, Ketoazidose und Müdigkeit [5]. Es gibt viele Formen von unkoordinierten Uteruskontraktionen, wie z. B. übermäßig kurze Ruheintervalle und eine Tachysystolie [6]. Erstere ist durch eine deutliche Verkürzung der Ruhezeit zwischen 2 aufeinanderfolgenden Kontraktionen gekennzeichnet, letztere durch eine übermäßig hohe Frequenz von Uteruskontraktionen.
Essenziell ist das Verständnis der mechanischen Effekte abnormaler Uteruskontraktionen
Mit numerischen Methoden lassen sich die biomechanischen Auswirkungen unkoordinierter Uteruskontraktionen auf den Uterus und den Geburtsverlauf untersuchen [7]. Ein numerisches Modell, das die Gebärmutter und den Fetus umfasst und zur Nachahmung der Gebärmutteraktivität verwendet wird, zeigt Abb. 1. Die Gebärmutter wird durch ein elektrochemomechanisches konstitutives Modell charakterisiert, das in der Lage ist, eine Reihe normaler oder abnormaler Gebärmutterkontraktionen durch Änderung der Kontraktions- und Ruheperioden zu reproduzieren. Diese antreibenden Kräfte drücken den Feten aus, wobei die Gebärmutter je nach Art der simulierten Gebärmutterkontraktionen einer bestimmten maximalen Hauptbelastungsverteilung unterworfen wird. Das Verständnis der mechanischen Auswirkungen verschiedener abnormaler Uteruskontraktionen auf den Uterus ist von entscheidender Bedeutung, um die Gesundheit von Mutter und Fetus während der Wehen zu schützen, indem je nach Art der unkoordinierten Kontraktionen, welche die Geburt beeinflussen, angemessene klinische Praktiken angewandt werden.
Die Festlegung der korrekten Rahmenbedingungen in einer Finite-Elemente-Simulation der Geburt ist von wesentlicher Relevanz, um genaue und aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Rahmenbedingungen spezifizieren die äußeren Einflüsse und Einschränkungen, die auf das Modell einwirken, und ahmen die realen Bedingungen des Geburtsvorgangs nach. Die Geburt ist ein komplexer Prozess, bei dem komplizierte Wechselwirkungen zwischen dem Becken der Mutter, der Gebärmutter, dem Feten und den umgebenden Strukturen bestehen. Die genaue Darstellung der Rahmenbedingungen, wie z. B. der durch die Gebärmutterkontraktionen ausgeübten Kräfte, der durch den Geburtskanal auferlegten Beschränkungen, der Bewegungsrichtungen des fetalen Kopfes oder der Muskelansätze, ist entscheidend dafür, dass die Simulation wertvolle Erkenntnisse über die Biomechanik der Geburt liefern kann. Bei einer Geburtssimulation sind die Messpunkte, die den Ansatzpunkten des Beckenbodenmuskels am Beckenknochen, den Bändern und dem Steißbein entsprechen, in der Regel fixiert, wie in Abb. 2a dargestellt. Darüber hinaus sind auch die Messpunkte, die den Ansatzstellen des M. transversus perinei superficialis sowie des M. bulbospongiosus in der Nähe der Schambeinfuge entsprechen, fixiert, wie in Abb. 2b dargestellt. Um die anatomische Befestigung des äußeren Teils der Musculi ischiocavernosi am Sitzbein korrekt wiederzugeben, sind die entsprechenden Messpunkte in vertikaler Richtung eingeschränkt.
Von großer Bedeutung ist auch die Untersuchung der mechanischen Faktoren und Prozesse beim Auftreten von Frühgeburten, d. h. bei Geburt eines Kindes vor 37 SSW (Schwangerschaftswochen). In diesem Zusammenhang haben wir versucht, die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten der menschlichen Eihäute zu verstehen, die Aufschluss über die Mechanismen des normalen und des vorzeitigen Blasensprungs geben können [2].
Das Verständnis der Biomechanik der Frühgeburt ist relevant, um präventive Strategien zu entwickeln
Die Kräfte, die während der Wehen auf die Eihäute wirken, sind komplex und können den Verlauf der Geburt beeinflussen und zu Komplikationen, wie protrahierter Geburt oder fetalem Stress, führen. Die Umbauprozesse des Gebärmutterhalses während der Schwangerschaft – von lang, geschlossen und steif zu kurz, geweitet und weich – können ebenfalls Aufschluss über normale und vorzeitige Geburten geben. Das Verständnis der Biomechanik der Frühgeburt ist relevant für die Ermittlung von Risikofaktoren, die Entwicklung von Präventionsstrategien und die Verbesserung klinischer Interventionen zur Verringerung der Häufigkeit und der negativen Folgen von Frühgeburten.

Biomechanik des Beckens

Das mütterliche Becken ist eine komplexe Struktur, die während der Schwangerschaft und der Geburt erhebliche Veränderungen erfährt.
Während der vaginalen Geburt können sich die Beckenmaße anpassen, um das Tiefertreten des Feten durch den Geburtskanal zu ermöglichen, was ein herausfordernder Prozess sein kann. Form und Größe des Beckens können die Mechanik der Geburt beeinflussen und zu Komplikationen führen. Die Finite-Elemente-Modellierung ermöglicht eine genaue Darstellung der Beckenknochenstruktur während der Geburt (Abb. 3). Mit einem solchen Werkzeug lassen sich potenzielle Risikofaktoren während der vaginalen Entbindung ermitteln.
Das Becken als komplexe Struktur erfährt erhebliche Veränderungen während Schwangerschaft und Geburt
Borges et al. untersuchten 2 Gebärpositionen (eine, die eine freie Bewegung des Steißbeins ermöglicht, analog einem frei beweglichem Kreuzbein, und eine andere, bei der diese Bewegung stärker eingeschränkt ist, wie bei einem fixiertem Kreuzbein), die von der Mutter während der Geburt eingenommen werden können, und bewerteten ihre pathophysiologischen Folgen, indem sie die Verbreiterung der Schambeinfuge und die Bewegung von Kreuzbein und Steißbein analysierten [8]. Sie kamen zu dem Schluss, dass Geburtspositionen mit flexibler Kreuzbeinmobilisation wie Knien, Stehen, Hocken und Sitzen günstiger für die knöcherne Struktur des Beckens sind, da sie eine größere Bewegung des Steißbeins und eine geringere Verbreiterung der Schambeinfuge ermöglichen. Die Technologie zur Bewegungserfassung, wie Xsens (Xsens Technologies B.V., Enschede, Niederlande), in Verbindung mit einem System zur Modellierung des Bewegungsapparats, wie AnyBody Modeling System (AnyBody Technology A/S, Aalborg, Dänemark), ermöglicht ein umfassenderes Erfassungssystem für Geburtspositionen (Abb. 4). Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass sich der Beckendurchmesser in der Hand- und Kniestellung im Vergleich zur Steinschnittlage eher vergrößert, was auf stärkere Kräfte und Kraftmomente zurückzuführen ist, welche die Beckensegmente auseinanderdrücken.
Moura et al. (2022) bewerteten die Auswirkungen verschiedener Einstellungen des Feten auf Mutter und Feten mithilfe der Finite-Elemente-Analyse und zeigten damit, wie wichtig biomechanische Analysen für ein besseres Verständnis der Mechanik der Geburt sind [9]. Die ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine okzipitoposteriore (OP) Position aus biomechanischer Sicht ein höheres Potenzial für eine Schädigung des Beckenbodens und der Beckenknochen haben könnte. Umgekehrt könnte die OP-Lage für den Feten von Vorteil sein, da sie das Auftreten von Kopfdeformationen verringert.

Biomechanik des Feten

Die Biomechanik des Feten umfasst die Untersuchung der mechanischen Kräfte, die durch die Bewegungen des Feten hervorgerufen werden, sowie die Auswirkungen der physischen Umgebung auf die Bewegungen des Feten und der fetale Anpassungen, wie die Verformung seines Kopfes, die in unserer Forschungsarbeit untersucht wurde. Bei einer Geburt aus Schädellage kann der Druck auf den Kopf, der durch den engen Geburtskanal verursacht wird, den Kopf eher in eine längliche als in eine runde Form bringen. Dieser Prozess wird durch die Schädelnähte und Fontanellen sowie durch die Elastizität der Schädelknochen und vor allem durch deren Fähigkeit, sich unter Druck zu verschieben, erreicht [10]. Bei der Schädellage und okzipitoanteriorer (OA) Position sind der biparietale (BPD) und der subokzipitobregmatische (SOBD) Durchmesser diejenigen Durchmesser des fetalen Kopfes, die zuerst in den Geburtskanal eindringen. Die Verkürzung dieser Durchmesser, insbesondere des SOBD, und die Verlängerung des maxillovertikalen Durchmessers (MaVD) reduzieren die Belastung der Beckenbodenmuskulatur und die für eine erfolgreiche Geburt erforderliche Kraft. Silva et al. kamen zu dem Schluss, dass die Anpassung des fetalen Kopfes die Dehnung reduziert, der die Muskeln während der Geburt ausgesetzt sind [18]. Moura et al. (2020) führen eine visköse Komponente zur Modellierung der Schädelnähte und der Fontanelle ein [11]. Die Einbeziehung dieses Faktors ermöglicht es, die Entwicklung des Formanpassungsprozesses im Zeitverlauf zu untersuchen. Darüber hinaus lässt sich auf diese Weise untersuchen, wie sich eine verschiedene Geburtsdauer auf die Verformung des fetalen Kopfes auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Dauer der Austrittsperiode auch der Verformungsindex ansteigt. Während längerer Wehen erfährt der Kopf des Fetus über einen längeren Zeitraum einen größeren Druck aus dem Geburtskanal, was zu stärkeren Verformungen führt. Diese Ergebnisse stimmen mit der klinischen Studie von Kriewall et al. überein, in der ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Dauer der Austrittsperiode und dem Deformationsindex festgestellt wurde [12]. Moura et al. (2022) bewerteten den Anpassungsprozess unter Berücksichtigung einer abnormalen Position des Fetus, der OP-Position. Die Studie ergab, dass der okzipitofrontale Durchmesser (OFD) in der OP-Position größeren Schwankungen unterliegt als in der OA-Position. Diese Abweichung war zu erwarten, da der OFD in der OP-Lage zuerst das Becken berührt. In ähnlicher Weise unterliegt der SOBD stärkeren Veränderungen in der OA-Position. Umgekehrt weist die BPD in der OA-Position deutlichere Veränderungen auf. Bei der MaVD werden in der OA-Position höhere Werte beobachtet, was auf die charakteristische Längsausziehung des Kopfes in dieser Position zurückzuführen ist. Obwohl in der Literatur nur Messungen des fetalen Kopfdurchmessers für die OA-Position zu finden sind, zeigen die Ergebnisse, dass die OP-Position keine so ausgeprägte Anpassung des fetalen Kopfes zulässt.
Die mechanische Umgebung, welcher der Fetus ausgesetzt ist, beeinflusst seine Fähigkeit, sich frei zu bewegen [13]. Die Bewegungen des Fetus finden in einer sich dynamisch verändernden, eingeschränkten physikalischen Umgebung statt, in der die Bewegungsfreiheit mit zunehmender Größe des Feten und abnehmender Fruchtwassermenge zunehmend eingeschränkt wird. Es wurden Computersimulationen der fetalen Bewegungen entwickelt, um die mechanischen Kräfte zu bestimmen, die auf den Fetus wirken, während er sich bewegt [14]. Diese Simulationen verwenden Cine-MRI(„magnetic resonance imaging“)-Daten fetaler Bewegungen und Methoden zur Modellierung des Bewegungsapparats, um die fetalen Bewegungen quantitativ zu charakterisieren. Ziel dieser Simulationen ist es, die Entwicklung des Fetus besser zu verstehen und die fetalen Gesundheitsanalysen zu verbessern.

Biomechanik der Weichteile

Neben dem mütterlichen Becken und dem Schädel des Fetus spielen auch die umliegenden Weichteile eine wichtige Rolle bei der Geburtsbiomechanik. Die biomechanischen Eigenschaften des Geburtskanals, einschließlich der Vaginalwände, des Dammes und der Beckenbodenmuskulatur, sind wichtige Faktoren, die bei der Geburt zu berücksichtigen sind.
Das mechanische Verhalten der Beckenbodenmuskulatur kann durch das von Martins et al. (1998; [15]) vorgeschlagene inkompressible, transversal isotrope, hyperelastische Modell beschrieben werden. Die Muskeln zeigen ein nichtlineares elastisches Verhalten, das durch hyperelastische Modelle erfasst werden kann. Darüber hinaus variieren die mechanischen Eigenschaften der Muskeln in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung, was auf ein anisotropes Verhalten hinweist. Daher tragen transversal isotrope Modelle dieser Anisotropie Rechnung, indem sie unterschiedliche Materialeigenschaften in Längs- und Querrichtung berücksichtigen. Dies ist von Bedeutung, da Muskelfasern in einer bestimmten Richtung ausgelegt sind, was ihre Reaktion auf verschiedene Belastungsbedingungen beeinflusst.
Darüber hinaus weisen Weichteile auch viskoelastische Eigenschaften auf. Muskeln zeigen zeitabhängige Reaktionen, was bedeutet, dass sich ihre mechanischen Eigenschaften mit der Zeit ändern. Ein viskoelastisches Modell kann in geeigneter Weise Elemente einbeziehen, die unterschiedlich auf Be- und Entlastungsraten reagieren und so eine genauere Darstellung des Muskelverhaltens ermöglichen. Daher muss die Viskoelastizität bei der mechanischen Charakterisierung der Beckenbodenmuskulatur berücksichtigt werden [16]. Ungeachtet des gewählten konstitutiven Modells ist es wichtig zu erkennen, dass die gewählten Materialparameter die erzielten Ergebnisse beeinflussen können [17].
Das nichtlineare elastische Verhalten von Muskeln kann durch hyperelastische Modelle erfasst werden
Während der Geburt können sich die Beckenbodenmuskeln über eine zulässige Länge hinaus dehnen, was zu mechanischen Schäden führt. Die Muskeln können verschiedene Arten von mechanischem Versagen und Schäden erleiden, wie z. B. Muskelzerrungen, Ein- oder Abrisse. Materialmodelle können eine Schadenskomponente enthalten, um das mechanische Verhalten der Muskeln im Versagensbereich zu beschreiben. Ein Schadenskonstitutivmodell ermöglicht die Darstellung dieser Versagensmechanismen durch Einbeziehung von Parametern, anhand derer sich die Entstehung, Entwicklung und Akkumulation von Schäden im Muskelgewebe beschreiben lässt. Durch die Berücksichtigung der Schädigung kann das Modell Einblicke in die mechanische Reaktion der Muskeln unter Belastungsbedingungen geben, die zum Versagen führen, was für das Verständnis von Muskelverletzungen wesentlich ist [23, 24].
Mit dem Geburtsbeginn kann sich die Fruchtblase des Feten öffnen. Der Zugang zu ihren mechanischen Eigenschaften ist wichtig, um den jeweiligen Öffnungsprozess zu verstehen, unabhängig davon, ob er rechtzeitig am Geburtstermin oder für eine Frühgeburt eintritt.
Die Eihäute bestehen aus 2 Hauptschichten, Amnion und Chorion. Das Amnion ist die innere und mechanisch dominante Schicht, während das Chorion die äußere und nachgiebige Schicht ist [20]. Die Charakterisierung dieser Schichten aus mechanischer Sicht ist eine Herausforderung, da ihre Eigenschaften bei verschiedenen Frauen und Eihautregionen (periplazentare und perizervikale Regionen) erheblich variieren.
Es wurde ein mehrschichtiges Modell der Eihäute entwickelt, das das Amnion, das Chorion und einen Teil der mütterlichen Schicht, die Dezidua, umfasst, wobei experimentelle Daten mit numerischen Methoden kombiniert wurden. Dieses Modell wurde anhand der experimentellen Daten kalibriert und angepasst und zur Untersuchung verschiedener physiologischer Faktoren im Zusammenhang mit der Schwangerschaft verwendet, wie z. B. unterschiedliche intrauterine Drücke, Amnion- und Choriondicken oder Kollagenfasern in den Eihäuten. Das Modell wurde unter Berücksichtigung eines mechanischen Aufblasversuchs und experimenteller Daten entwickelt.

Herausforderungen und Zukunftsaussichten

Die Untersuchung der Biomechanik der Geburt ist aufgrund ethischer Erwägungen und der Komplexität von In-vivo-Messungen mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, da es schwierig ist, genaue Messungen der Kräfte und Drücke während der Geburt vorzunehmen und weil es an standardisierten Methoden dafür mangelt. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden neue Technologien wie Computersimulationen und medizinische Bildgebung als mögliche Lösungen eingesetzt. Mithilfe von Computersimulationen kann die Biomechanik der Geburt modelliert und dadurch vorhergesagt werden, wie sich verschiedene Faktoren auf den Prozess auswirken können. Medizinische Bildgebungsverfahren, wie MRT (Magnetresonanztomographie) und Ultraschall, können detaillierte Bilder des Geburtskanals und der Lage des Fetus liefern, die Forschern helfen können, die Biomechanik der Geburt besser zu verstehen [26].
Die beschriebenen Berechnungsmodelle bieten zwar wertvolle Einblicke in die Biomechanik der Geburt, aber die biomechanischen Analysen können noch weiter verbessert werden. Gegenwärtig werden Studien zu Verletzungen der Gebärmutter und des Beckenbodens durch separate Simulationen durchgeführt. Von entscheidender Bedeutung ist es jedoch, alle relevanten Strukturen zu integrieren, um die Simulation eines gesamten Geburtsvorgangs zu ermöglichen. Dies würde bedeuten, dass die Kontraktionen während der ersten Phase der Geburt, der Mechanismus der Gebärmutterhalserweiterung und das Tiefertreten des Fetus durch den Geburtskanal bis zum Ende der Austreibungsphase der Geburt einbezogen werden. Die Verwendung größerer Gebärmuttermodelle, einschließlich der Eihäute, des Gebärmutterhalses und der Gebärmutter, sowie die Untersuchung der Interaktion zwischen diesen Komponenten in Bezug auf Stress und Belastung sind unerlässlich.
Darüber hinaus ist es von entscheidender Relevanz, patientenspezifische Modelle für die Simulation von Geburten im klinischen Umfeld zu entwickeln. Das Hauptziel besteht darin, Ärzte in die Lage zu versetzen, spezifische Parameter einzelner Frauen einzugeben und die biomechanischen Veränderungen, die in ihren Muskeln und im Feten während der Geburt auftreten, genau zu verstehen. Um dies zu erreichen, ist eine enge Zusammenarbeit erforderlich zwischen Geburtshelfern und Ingenieuren, die für die Modellentwicklung zuständig sind. Gegenwärtig ist es schwierig, die notwendigen Informationen über die einzigartige Anatomie einer Frau für Entwicklung des Modells zu erhalten. Daher besteht ein Bedarf an weiteren Untersuchungen, welche die erforderlichen Maße liefern können, ohne das Wohlbefinden der Frau zu beeinträchtigen. Neben der Ermittlung der präzisen Maße ist es auch wichtig, Daten über die mechanischen Eigenschaften des Gewebes jeder Frau zu sammeln, da diese Eigenschaften erheblich variieren. Techniken wie der dreidimensionale transperineale Ultraschall und die Scherwellenelastographie können für diese Zwecke eingesetzt werden [22].
Aufgrund des Bedarfs an Echtzeitreaktionen und der Integration biomechanischer Simulationen in den klinischen Alltag haben sich Forscher auf Strategien zur Verringerung der Rechenzeit für biomechanische Simulationen konzentriert. Um dieses Ziel zu erreichen, können Werkzeuge der künstlichen Intelligenz (KI) in Verbindung mit der Finite-Elemente-Methode eingesetzt werden. Einer der Hauptvorteile des Einsatzes von KI bei biomechanischen Simulationen ist die Möglichkeit, die für komplexe Berechnungen erforderliche Rechenzeit zu verringern. Durch die Nutzung der Mustererkennungsfähigkeiten der KI kann der Simulationsprozess optimiert werden, was schnellere und effizientere Analysen ermöglicht. Reaktionen in Echtzeit werden möglich, sodass Kliniker umgehend fundierte Entscheidungen treffen können.
Die Mustererkennungsfähigkeiten der KI können den Simulationsprozess optimieren
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration von KI-Tools mit der Finite-Elemente-Methode eine vielversprechende Methode zur Beschleunigung biomechanischer Simulationen und zur Erzielung von Echtzeitreaktionen in klinischen Anwendungen darstellt.
Auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit ist wichtig, um diesen Bereich voranzubringen, und kann zu neuen Erkenntnissen und Ansätzen führen. Das Studium der Geburtsbiomechanik erfordert Fachwissen aus verschiedenen Bereichen, darunter Geburtshilfe, Gynäkologie, Ingenieurwissenschaften und Informatik.

Klinische Implikationen und Schlussfolgerung

Ein tieferes Verständnis der Biomechanik der Geburt hat erhebliche Auswirkungen auf die klinische Praxis und die Gesundheit der Frauen. Fortschritte auf diesem Gebiet können dazu beitragen, geburtshilfliche Eingriffe, wie den Einsatz von Zangen oder Vakuumextraktionen, besser zu verstehen, Geburtsverletzungen zu verhindern und letztlich die Entscheidungsfindung während der Geburt zu unterstützen. So kann das Wissen über die Kräfte und den Druck, die bei der Geburt auftreten, den Ärzten helfen zu entscheiden, wann sie eingreifen und wann sie die Geburt auf natürliche Weise verlaufen lassen sollten [27]. Eine Vertiefung der Kenntnisse über die Geburt aus mechanischer Sicht kann auch zur Klärung verschiedener Faktoren beitragen, die mit der Biomechanik der Eihäute zusammenhängen, insbesondere mit der Öffnung der Eihäute, unabhängig davon, ob diese zum Zeitpunkt der Geburt oder zu früh eintritt.
Computermodelle können eingesetzt werden, um die mit der Geburt verbundenen Komplikationen zu analysieren, zu verstehen und möglicherweise vorherzusagen. Während sich frühere Modelle vor allem auf den Beckenboden und insbesondere den M. levator ani konzentrierten, haben neuere Studien ihren Anwendungsbereich auf die biomechanische Analyse des Dammes und des analen Schließmuskels während der Geburt erweitert. 2008 entwickelten Parente et al. [24] anhand von MRT-Scans ein Finite-Elemente-Modell, das die weiblichen Beckenknochen, die Beckenbodenmuskulatur und den Feten einbezog. Dieses Modell ermöglichte die Bewertung von Muskeldehnungen und -verformungen, die während der vaginalen Entbindung auftreten und gab Auskunft über die Auswirkungen des Kopfdurchtritts. Es wurde festgestellt, dass der M. levator ani und der M. pubococcygeus während einer vaginalen Entbindung am stärksten gedehnt und belastet werden, wobei die höchsten Werte im unteren Teil dieser Muskeln auftreten. Folglich sind diese Muskeln am anfälligsten für potenzielle Verletzungen, die durch Dehnung verursacht werden. Aufbauend auf dieser Grundlage hat sich die nachfolgende Forschung mit verschiedenen geburtsbedingten Problemen befasst. Da der Fötus einen großen Einfluss auf das Ergebnis vaginaler Entbindungen hat, wurden Simulationen mit dem Fötus in verschiedenen Positionen durchgeführt, nämlich in der ungünstigen OP-Einstellung und unter Berücksichtigung verschiedener Grade der Kopfbeugung, um die Auswirkungen auf die Beckenbodenmuskulatur zu bewerten [25, 26]. Vergleicht man die typische OA-Lage mit der ungünstigeren OP-Lage, so stellt man fest, dass letztere zu über 6 % höheren Dehnungswerten am Beckenbodenmuskel führt, was das Risiko dehnungsbedingter Verletzungen erhöht [26]. Darüber hinaus tritt die maximale Belastung auf, wenn sich der fetale Kopf um 6 cm absenkt, was der interspinalen Ebene +4 entspricht. Was die Auswirkungen der fetalen Kopfflexion während der vaginalen Entbindung betrifft, so verringert eine zunehmende fetale Kopfflexion die dem fetalen Tiefertreten entgegenwirkenden Kräfte und reduziert die Belastung des Beckenbodens. Diese Ergebnisse belegen, dass eine optimale fetale Kopfflexion während der vaginalen Entbindung dazu beitragen kann, die Geburt zu erleichtern und den Beckenboden zu schützen [25].
In zahlreichen Studien wird allgemein davon ausgegangen, dass die Muskeln durch die Epiduralanästhesie vollständig entspannt sind. Eine frühere Studie zeigte hierbei, dass eine erhöhte Beckenbodenmuskelaktivierung mit höheren Kräften verbunden ist, die dem fetalen Tiefertreten entgegenwirken. Außerdem führt eine erhöhte Beckenbodenmuskelaktivierung zu einer stärkeren Belastung des Beckenbodens [27].
Darüber hinaus wurde das Modell verwendet, um die Folgen und optimalen Vorgehensweisen für verschiedene geburtshilfliche Verfahren während der vaginalen Entbindung zu untersuchen, einschließlich Simulationen von Dammschnitten, um deren Auswirkungen besser zu verstehen [28]. Aus mechanischer Sicht wurde beobachtet, dass die mediolaterale Episiotomie eine schützende Wirkung hat, indem sie die Belastung der Muskeln und die für eine erfolgreiche Geburt erforderliche Kraft reduziert. Darüber hinaus zielten diese Modelle auf die Untersuchung von Geburtsmanagementpraktiken zur Minimierung von Beckenbodenmuskel-Verletzungen während der Austrittsperiode ab [29]. Die Ergebnisse zeigten, dass die Durchführung von dreimaligem, je 5 s andauerndem mütterlichen Pressen pro Kontraktion im Vergleich zu anderen Pressmustern zu einer im Vergleich geringeren Schadensakkumulation in der Beckenbodenmuskulatur führte. Die Technik des angeleiteten Pressens mit dreimaligem, jeweils 10 s andauerndem Pressen pro Kontraktion führte zu einer erhöhten Schadensakkumulation, ohne die Dauer der Austreibungsperiode zu verkürzen. Die Studie legt nahe, dass kürzeres Pressen vorzuziehen ist, um das Risiko von Beckenbodenmuskelverletzungen während der Wehen zu verringern und die Gesamterfahrung für die Frauen zu verbessern. Diese Ergebnisse könnten möglicherweise zu einer besseren Anleitung bei Geburt und zu besseren Strategien zur Verletzungsprävention beitragen. Darüber hinaus kann die Studie auch Simulationen von unterstützten Geburten mit einer Saugglocke einbeziehen, um Erkenntnisse über die biomechanischen Vor- und Nachteile dieses Verfahrens zu gewinnen. In jüngerer Zeit wurden in die Berechnungsmodelle neben dem Beckenboden auch der Damm und der äußere Analsphinkter einbezogen, sodass nicht nur Beckenbodentraumata, sondern auch Dammrisse und geburtshilfliche Analsphinkterverletzungen untersucht werden können (Abb. 5). Ein bemerkenswertes Ergebnis ist, dass die obere Region des Dammkörpers im Vergleich zur unteren Region einer höheren Belastung ausgesetzt ist. Diese Beobachtung könnte bei der Erkennung versteckter Risse im oberen Dammbereich helfen, die gelegentlich auftreten und unbemerkt bleiben können.

Fazit für die Praxis

  • Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Berechnungsmodelle auf verschiedene Weise dazu beitragen können, die Ursachen und Folgen von Geburtstraumata weiter zu erforschen. Finite-Elemente-Berechnungsmodelle für Geburten beinhalten jedoch häufig Vereinfachungen, um den komplexen Prozess rechnerisch effizienter zu gestalten.
  • Diese Vereinfachungen können Annahmen über die Form und das Verhalten der Anatomie der Mutter, die Eigenschaften der beteiligten Gewebe und die mechanischen Wechselwirkungen während der Geburt beinhalten. Durch die Vereinfachung der Modelle können sich die Forscher auf bestimmte Aspekte der Geburt konzentrieren, z. B. auf die Uteruskontraktionen oder das Tiefertreten des Feten, und gleichzeitig die wesentliche Dynamik erfassen.
  • Weitere Forschungen zur Biomechanik der Geburt haben das Potenzial, neue Erkenntnisse zur Optimierung der mütterlichen Betreuung während des gesamten Geburtsvorgangs zu liefern.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch die Portugiesische Stiftung für Wissenschaft und Technologie im Rahmen des Junior Researcher Contract 2020.01522.CEECIND und der Stipendien SFRH/BD/05876/2021 und SFRH/BD/136213/2018. Die Unterstützung durch das Associated Laboratory for Energy and Aeronautics (LAETA) im Rahmen des Projekts UIDB/50022/2020 wird ebenfalls dankend erwähnt.

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt

D. Oliveira, R. Moura und D. Fidalgo geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Für diesen Beitrag wurden von den Autor/-innen keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.
Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.
Die in diesem Artikel enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten Weiterverwendungen des Materials die Einwilligung des jeweiligen Rechteinhabers einzuholen.
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Literatur
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Zurück zum Zitat Baumer A, Gimovsky A, Gallagher M (2022) Investigating reproductive biomechanics using physical models. In: Latanision RM, Winter DC, Anderson JL, Corale JB, Carol KH, Tien JM (Hrsg) The bridge—Linking engineering and society. National Academy of Engineering, Washington, S 10–15 Baumer A, Gimovsky A, Gallagher M (2022) Investigating reproductive biomechanics using physical models. In: Latanision RM, Winter DC, Anderson JL, Corale JB, Carol KH, Tien JM (Hrsg) The bridge—Linking engineering and society. National Academy of Engineering, Washington, S 10–15
4.
Zurück zum Zitat Cunningham FG, Leveno KJ, Bloom SL, Dashe JS, Hoffman BL, Casey BM (2019) Physiology of labor. In: Cunningham FG, Leveno KJ, Bloom SL, Dashe JS, Hoffman BL, Casey BM (Hrsg) Williams obstetrics, 25. Aufl. McGraw-Hill, S 1–30 Cunningham FG, Leveno KJ, Bloom SL, Dashe JS, Hoffman BL, Casey BM (2019) Physiology of labor. In: Cunningham FG, Leveno KJ, Bloom SL, Dashe JS, Hoffman BL, Casey BM (Hrsg) Williams obstetrics, 25. Aufl. McGraw-Hill, S 1–30
Metadaten
Titel
Biomechanik der Geburt
verfasst von
Dulce Oliveira
Rita Moura
Daniel Fidalgo
Publikationsdatum
19.09.2023
Verlag
Springer Medizin
Erschienen in
Die Gynäkologie / Ausgabe 10/2023
Print ISSN: 2731-7102
Elektronische ISSN: 2731-7110
DOI
https://doi.org/10.1007/s00129-023-05138-1

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