Biomechanik Des Menschlichen Bewegungsapparates

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05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 73 5 Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates Aus mechanischer Betrachtungsweise kann der menschliche Bewegungsapparat in zwei große Komplexe gegliedert werden: den passiven und den aktiven Teil.1 Als passiv werden alle Bausteine gewertet, die eine Stütz-, Bewegungs- und/oder Kraftübertragungsfunktion haben. Der aktive Teil wird ausschließlich durch die Bewegung erzeugenden Muskeln gebildet. In dieser Betrachtung werden die inneren Organe, das Herz-Kreislauf-System sowie das Nervensys- tem ausgeblendet, obwohl sie durchaus eine wesentliche Bedeutung für Bewegungen haben. Donskoi (1975, S. 32) schreibt dem Bewegungsapparat nachfolgende Funktionen zu: ü Energieursprung ü Mechanismus der Übertragung von Kräften ü Bewegungsobjekt ü Steuerungssystem Teilsystem Funktion Mechanische Eigenschaften Material in der Technik Knochen Stützelemente druck-, zug-, biegeund scherfest Hartholz Faserknorpel Stützelemente druckfest, elastisch, stoßdämpfend Hartgummi hyaliner Knorpel Gelenke minimale Reibung Kugellager Synovialflüssigkeit Schmierung minimale Reibung Öl Bänder Gelenkführung zugfest Seil Sehnen Kraftüberträger zugfest Seil Muskeln Motor kontraktil nicht bekannt Nervensystem Kontroll- und Steuerorgane Gefäßsystem Versorgung feine Vernetzung, Kapillarisierung nur in lebenden Systemen Haut Schutz zugfest Leder Regelsysteme, Computer Tab. 5.1: Teilsysteme des Menschen, ihre Funktion und mechanischen Eigenschaften 1 Donskoi (1975) unterscheidet aktive (der ganze Körper, der Bewegungsapparat) und passive (innere Organe, weiche und flüssige Gewebe) Systeme. 73 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 74 Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates 5.1 den Knochen seine große Festigkeit und Härte, die organischen Anteile (etwa 27 %) seine Elastizität. Passiver Bewegungsapparat Zum passiven Bewegungsapparat zählen das axiale Knochensystem, das Knorpelgewebe, Sehnen und Bänder. In der anatomischen Verbindung bilden sie die kinematischen Ketten, die unter Wirkung der Muskulatur statische (Halte-) und dynamische (Bewegungs-) Funktionen zu erfüllen haben. Auf diese Systeme wirken zum einen von außen und zum anderen von innen, von den Muskeln selbst, Belastungen, die entsprechende Beanspruchungen hervorrufen. Unter dem Aspekt der Bewegung bilden die langen Röhrenknochen mit ihren gelenkigen Verbindungen Hebelsysteme, die die Muskelzugkraft übertragen. 5.1.1 Axiales Knochenskelett Um ihre Aufgabe als Stütz-, Halte- und Bewegungssystem zu erfüllen, sind die Knochen aus zwei Bausteinen zusammengesetzt, die scheinbar gegensätzliche mechanische Eigenschaften repräsentieren. Die anorganischen Bestandteile (etwa 56 % sind Salze) geben Knochenmineralgehalt Knochen besitzen die gleiche Elastizität wie Eichenholz (130.000 kg/cm2), dieselbe Zugfestigkeit wie Kupfer oder Duraluminium (1.700 kg/cm2), ihre Druckfestigkeit ist mit 1.500 kg/cm2 größer als die des Baumaterials unserer höchsten Dome, Sand- bzw. Kalkstein, und ihre statische Biegefestigkeit entspricht sogar der des besten Flussstahls 2 (1.800 kg/cm ). Trotz dieser hohen Werte für die verschiedenen mechanischen Eigenschaften können deutlich geringere Werte bei ungünstigen Belastungsrichtungen bzw. in Kombinationen zur Zerstörung der Knochen führen. Die Abbildung 5.2 zeigt eine typische Verletzung beim Skifahren, wenn bei einem Schwung die Ski in eine Schneewehe rutschen. Es entstehen Biege- und Torsionsbelastungen, die zu einem Spiralbruch des Schienbeins (Tibia) führen können. Entsprechend der Lage und der Funktion der Knochen variiert die Zusammensetzung der Menopause 100% Altersatrophie (alterüblich) 50% postklimakterische Osteoporose (pathologisch) 20 74 30 40 50 60 70 80 Lebensjahre Abb. 5.1: Der Knochenmineralgehalt im Altersgang (nach Weineck 2007) 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 75 Passiver Bewegungsapparat Abb. 5.2: Richtungsänderung beim alpinen Skifahren und typischer Spiralbruch der Tibia organischen und anorganischen Bestandteile. Grob lassen sich zwei Typen bilden: die platten Knochen und die Röhrenknochen.2 Aus mechanischer Sicht haben die platten Knochen vor allem Schutz-, Halte- und Tragefunktion. Typisches Beispiel dafür ist das Becken. Es schützt die Eingeweide, trägt den Torso mit Kopf, Wirbelsäule, Armen usw. und bietet große Flächen für Muskelansätze (u.a. für den Musculus gluteus maximus, den Gesäßmuskel) (Abb. 5.3). Dieser Knochen hat eine hohe Dichte mit einer festen kompakten Struktur (hoher Anteil an Salzen), um den statischen Kraftwirkungen zu widerstehen. Von den 206 bis 212 Knochen des Skelettsystems des Menschen sind etwa 180 direkt an Bewegungen beteiligt. Dabei sind besonders die Röhrenknochen für die Kraftübertragung und als Bewegungsorgane tätig. Für diese Funktion sollten sie nicht zu träge sein, also nur eine geringe Masse besitzen, und dabei doch fest und elastisch sein. Diese Anforderungen werden durch ihren Aufbau und ihre Zusammensetzung erfüllt. Der Röhrenaufbau Kreuzbein Darmbein Sitzbein Abb. 5.3: Das Becken Oberschenkelbein Kniescheibe Wadenbein Schienbein 2 Daneben werden noch kurze (z.B. Fingerknochen) und unregelmäßige (z.B. Wirbelkörper) Knochen unterschieden. Abb. 5.4: Knochen der unteren Extremität 75 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 76 Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates garantiert eine geringe Dichte (geringe Trägheit) und die Konstruktion der Knochenbälkchen (Spongiosa), verbunden mit höheren Anteilen organischer Substanzen, ist die Grundlage für die Festigkeit und die Elastizität. Knochen sind entwicklungsgeschichtlich (phylogenetisch) durch Anpassung optimierte Gebilde. Das äußert sich in einem optimalen Verhältnis der Masse zu ihrer Festigkeit (siehe Abb. 5.5: Trajektorien der Röhrenknochen). Kräften gegenüber sind sie bis zu einem bestimmten altersabhängigen und individuell variierenden Grenzbereich widerstandsfähig. Der aktuelle Bereich der Widerstandsfähigkeit ist ontogenetisch geprägt. Schon Ende des 19. Jahrhunderts haben u.a. Meyer und Culmann, Wolff sowie Roux auf das Bauprizip der Spongiosa entsprechend der Beanspruchung und auf die funktionelle Anpassung der Knochen hingewiesen. Pauwels (1965) konnte nachweisen, dass sich die Spongiosastruktur entsprechend den Spannungslinien ausrichtet und dass sich ebenfalls die Dicke der Kortikalis bzw. Kom- Abb. 5.5: Schematische Darstellung der dreidimensionalen Anordnung der belastungstragenden Spongiosastruktur (Trajektorien) am Beispiel des Femurkopfes 76 pakte anpasst. Die Belastbarkeit der Knochen erweitert sich mit zunehmendem Alter bis zu einem Maximalwert und nimmt danach durch chemische und hormonelle Prozesse bedingt wieder ab. Individuell und durch aktuelle Anpassungen (u.a. Sport, Krankheiten) können Schwankungen auftreten. Ganz allgemein reagieret ein Knochen auf optimale Trainingsreize durch Dickenzunahme, Verbreiterung seines Schaftes (Diaphyse) sowie Verdickung seiner inneren Bälkchenstruktur (Spongiosa). In Abbildung 5.6 sind zwei Beispiele für die Adaptation des Knochengewebes an Belastungen dargestellt. Im Fall der Unterschenkelknochen weisen das Schienbein wie auch das Wadenbein des trainierten Sportlers einen größeren Querschnitt auf. Die schematische Wirbelsäule auf der rechten Seite stellt einen Entwicklungsprozess eines Athleten dar, der sehr viel mit Hanteln trainierte. Die Wirbelkörper wurden dadurch breiter, aber gleichzeitig wurden sie auch gestaucht. Eine größere Querschnittsfläche kann höhere Druckkräfte kompensieren. Die Stauchung kann jedoch im Alter ein Problem darstellen, wenn die Muskulatur schwächer wird und die Wirbelsäule nicht mehr optimal stützen kann. Für einen normalen Bau sowie für die Gesunderhaltung des axialen Skeletts sind Druck- und Zugbelastungen ausschlaggebend. Das Überschreiten der aktuellen Grenzwerte der Widerstandsfähigkeit führt spontan oder prozesshaft zu Schädigungen des Knochens (Abb. 5.7). Die verschiedenen Kraftwirkungen ergeben folgende mechanische Belastungsmöglichkeiten: ü Zugbelastungen ü Druckbelastungen ü Biegebelastungen ü Torsionsbelastungen 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 77 Passiver Bewegungsapparat beim Untrainierten durch langjähriges Training Kortikalisdicke beim Untrainierten Kortikalisdicke beim langjährig trainierten Sportler Abb. 5.6: Adaptation der Unterschenkelknochen und der Wirbelsäule an sportliche Belastungen Kraft Biegung unbelastet Abb. 5.7: Schematische Darstellung von mechanischen Belastungen Torsion (Windung) Kompression (Druck) Traktion (Zug) Diese Belastungen treten vorwiegend in gemischter Form auf und wirken auf den Bewegungsapparat in seiner Gesamtheit (Knochen, Knorpel, Sehnen, Bänder, Muskeln). Sie gehen mit elastischen Deformationen der in die Belastung einbezogenen Systeme einher. wirken. Ihre grundlegenden mechanischen Eigenschaften, Festigkeit und Länge, sind die Voraussetzung zur Übertragung von Kräften (F) über Hebel (l), d.h. zur Bildung von Kraftmomenten (M), konkret von Muskelkraftmomenten. Knochen als Hebel MM = F · l · sin(F; l) Bewegungen des Menschen werden durch die Extremitäten (Beine, Arme) realisiert, wobei die Röhrenknochen als mechanische Hebel Die langen Röhrenknochen der Extremitäten bilden durch ihre Verbindungen, die Gelenke, (Nm) 77 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 78 Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates Hebelsysteme. Je nachdem, auf welcher Seite der Drehachse innere oder äußere Kräfte angreifen, entstehen einarmige oder zweiarmige Hebel (Abb. 5.8 und 5.9). Aus den Zeichnungen in Abbildung 5.8 ist ersichtlich, dass der Kraftarm (Ansatz der Muskelsehne bis Gelenkdrehpunkt) im Verhältnis zum Lastarm relativ klein ist. Daraus kann die Aussage getroffen werden, dass das menschliche Bewegungssystem mit Kraftverlust, aber mit Weggewinn arbeitet. Am menschlichen Skelettsystem wirkt das klassische Hebelgesetz, die »Goldene Regel der Mechanik«: FM · Ka = L · La F1 · s1 = F2 · s2 Wenn zum Beispiel der Bizeps sich um 1 cm verkürzt, legt die Hand einen Weg von ca. 10 cm zurück. Gleichzeit muss der Bizeps zum Zweiarmiger Hebel Halten von 50 N eine Muskelspannung von 500 N entwickeln! Als ein unter täglichen Bedingungen ständig auftretendes Beispiel können die unterschiedlichen Belastungen zwischen Zweibein- und Einbeinstand betrachtet werden. Dobner und Perry (2001) analysierten für die Hüftgelenke beim Zweibeinstand (siehe Abb. 5.9 links) eine Belastung von je 270 N bei einer 810 N schweren Person. Beim Einbeinstand der gleichen Person werden Kräfte von 2700 N im Gelenk wirksam! Hierbei müssen die ausgleichend arbeitenden Muskeln eine Spannung von 2025 N erzeugen (siehe Abb. 5.9 rechts). Diese nahezu zehnfache Belastung im Einbeinstand resultiert aus dem Wirken eines zweiarmigen Hebels, dessen Lastarm dreimal länger ist als der Kraftarm. Hinzu kommt noch die Spannung der Hüftmuskeln. Die relativ hohe Mobilität ist für das tägliche Leben eine grundlegende Notwendigkeit. Die individuellen Ausprägungen der Knochenhebellängen und der Sehnenansätze der Muskeln bilden eine Grundlage für die unter- Einarmiger Hebel Kraftarm Kraftarm Trizeps Drehachse Kraftarm Bizeps 78 Abb. 5.8: Einarmiges Hebelsystem am Beispiel des Ellenbogengelenkes 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 79 Passiver Bewegungsapparat FT FH FH FH FT FM La FT = 540 N FT = 540 N+ FTB = 135 N Ka FH = 270 N FM ~ 0 FH TT FM FTB Abb. 5.9: Belastungen in den Hüftgelenken beim Zweibein- (links) und Einbeinstand (rechts) FM = 2025 N A B Fm Fm Lastarm Abb. 5.10: Unterschiedliche Längen der Kraftarme des M. brachialis FH = 2700 N Gelenkkraft Ka Kraftarm Teilkörpergewicht La Lastarm Muskelzugkraft Teilkörpergewicht Bein Kraftarm schiedlichen Kraftübertragungen und damit auch für die sportliche Eignung in bestimmten Disziplinen. In Abbildung 5.10 sind zwei mögliche Kraftarmlängen bei gleichen Lastarmlängen dargestellt. Bei gleicher Muskelkraft ist das Muskelkraftmoment bei B um 50 % größer als bei A. Lastarm Kraftarm A ➝ MM = 1.000 · 0,04 = 40 Nm B ➝ MM = 1.000 · 0,06 = 60 Nm Wenn sich der Muskel bei beiden Personen um 3 cm verkürzt, bewegt sich der Unterarm bei A innerhalb eines größeren Winkels als bei B (Abb. 5.11). 79 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 80 Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates A B Abb. 5.11: Bewegungsamplitude bei verschiedenen Muskelansätzen Mechanische Eigenschaften der Gelenke Gelenke sind Verbindungselemente, die Rotationsbewegungen der Knochen bzw. der mit den Gelenkteilen verbundenen Glieder zueinander gewährleisten. Die Drehungen in den Gelenken erfolgen auf den gekrümmten Oberflächen der verbundenen Knochenenden. Das eine Knochenende ist in der Regel als Kopf und das andere als Pfanne ausgebildet. Je nach Oberflächengestalt dieser zwei Hauptbestandteile einschließlich der Anordnung und Beschaffenheit des Bandapparates sind Drehbewegungen im Gelenk um eine oder mehrere Achsen möglich (Freiheitsgrade). a 80 b c Betrachtet man die Oberflächengestalt der Gelenkköpfe, so erkennt man eine Ähnlichkeit mit Rotationskörpern wie Kugel, Ellipse oder Zylinder. Dementsprechend werden Gelenke auch als Kugelgelenk (Hüftgelenk), Ellipsoidgelenk (Handgrundgelenk) oder Zapfengelenk (Ellenbogengelenk) gekennzeichnet (Abb. 5.12). Neben der Anzahl der Drehachsen interessiert die mögliche Bewegungsamplitude der Gelenkdrehung. Die Problematik der Beweglichkeit oder Gelenkigkeit beeinflusst nicht nur die sportliche Leistung, sondern hat auch Auswirkungen auf Alltags- und Arbeitsbewegungen (vgl. Abb. 5.13). Unter Bewegungsamplitude versteht man den Winkelbereich, in dem die Bewegung der Körperteile in einer bestimmten Ebene erfolgen kann. Der Winkelbereich wird durch folgende Faktoren bestimmt: ü Aufbau der Knochenteile (Kopf und Pfanne) ü Anordnung, Spannung und Dehnbarkeit der Bänder und der Kapsel ü Dehnbarkeit der Muskeln ü Kraft der Muskeln bzw. äußerer Belastungen ü Konturen des umgebenden Muskel- und Fettgewebes d e Abb. 5.12: Schematische Darstellung der Gelenktypen: a = Kugelgelenk, b = Scharniergelenk, c = Zapfengelenk, d = Ei- oder Ellipsoidgelenk, e = Sattelgelenk 05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 81 Passiver Bewegungsapparat Insbesondere geeignetes Muskeltraining (Kräftigung und/oder Stretching) vergrößert die Bewegungsamplitude der Gelenke bzw. verringert ihre Einschränkung. ü ü ü ü Abb. 5.13: Hypermobilität in der Hals- und Lendenwirbelsäule (nach Tittel 1994) Merke ü Knochen bilden das innere Stützsystem des Körpers (axiales Skelett). ü Knochen entwickeln ein optimales Verhältnis zwischen ihren Masse- und entsprechenden Festigkeitseigenschaften, dabei entspricht der jeweilige Aufbau ihrer Funktion. ü Knochen sind aus mechanischer Sicht Elemente zur Kraftübertragung. Insbesondere die langen Röhrenknochen werden als einarmige oder zweiarmige Hebel wirksam. ü Knochen sind widerstandsfähig gegenüber Belastungen (Zug, Druck, Biegung, Torsion), unter denen sie eine elastische Deformation erfahren. Bei Überbelas- ü tungen kann die Knochenstruktur zerstört werden. Knochen können kurzzeitig Energie speichern, sie besitzen im beschränkten Maße Federeigenschaften. Gelenke verbinden die Knochen zu Gliedersystemen, die Rotationsbewegungen beteiligter Knochen ermöglichen. Entsprechend dem Aufbau der Gelenke ergeben sich ein bis drei rotatorische Freiheitsgrade, die ein-, zwei- oder dreiachsige Gelenke ergeben. Die Bewegungsweite oder -amplitude der Gelenke wird durch folgende Faktoren beeinflusst: 1. knöcherner Aufbau von Gelenkkopf und -pfanne 2. Anordnung, Spannung und Dehnbarkeit der Bänder und der Gelenkkapsel 3. Dehnbarkeit des Sehnen-Muskel-Apparates 4. Kraft des Muskelzuges bzw. des Betrages von äußeren Kräften 5. Konturen des umgebenden Muskelund Fettgewebes Dehnungs- und Krafttraining beeinflussen im Wesentlichen die Bewegungsamplitude der Gelenke. Kontrollfragen 1. Beschreiben Sie die Zusammensetzung der Knochen sowie davon abhängige mechanische Eigenschaften. 2. Weisen Sie den Zusammenhang zwischen Form bzw. Aufbau der Knochen und den mechanischen Funktionen nach! 3. Welche Aufgaben müssen die Knochen des axialen Skelettes für die Haltung und Bewegung des Menschen realisieren? Gehen Sie näher auf die Gruppen der platten Knochen und der Röhrenknochen ein. 81