Einführung in die Biomechanik des Hüftgelenks PDF
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Kliniktaschenbucher B.Kummer Einfuhrung in die Biomechanik des Huftgelenks Mit 68 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo Prof. Dr_Benno Kummer Anatomisches Institut der Universitat loseph-Stelzmann-Str. 9 5000 K61n 41 ISBN-I 3:978-3-540-1 5371-9 e-ISBN-13:978-3-642-95473-3 DOl: 10.1007/978-3-642-95473-3 Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Verviel faltigung fUr gewerbliche Zwecke ist gemal3 § 54 UrHG eine Vergiitung an den Verlag zu zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. ©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnun gen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dal3 solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher vonje derrnann benutzt werden diirften. Produkthaftung: Fiir Angaben iiber Dosierungsanweisungen und Applika tionsformen kann yom Verlag keine Gewahr iibemommen werden. Derarti ge Angaben miissen yom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand ande rer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit iiberpriift werden. Satz-und Bindearbeiten: G.Appl, Wemding, Druck: aprinta, Wemding 2124/3130-543210 Vorwort Seit vor rund 50 Jahren durch die richtungweisenden Arbeiten von F. Pauwels eine Renaissance der Bio mechanik des Bewegungsapparats eingeleitet wurde, ist eine modeme wissenschaftliche Orthopadie ohne solide biomechanische Grundlage nicht mehr denk bar. Allerdings ist es fUr den Arzt nicht ganz leicht, sich in das trockene und reichlich mit Mathematik durchsetzte Gebiet der Mechanik einzuarbeiten. Da zu fehlt vielfach die Zeit. Andererseits mangelt es auch oft an den notwendigen physikalischen und mathematischen Grundkenntnissen, und es ist iiber dies recht schwierig, aus der FiiHe des Stoffes die fUr die jeweilige Problemlosung relevanten physikali schen Grundlagen in der richtigen Weise herauszu filtem. Aus diesem Grund wird hier der Versuch unter nommen, die fUr die Biomechanik des Hiiftgelenks wichtigen Zusammenhange in einer auch fUr den nicht mathematisch Vorgebildeten verstandlichen Weise zu erklaren, ohne daB jedoch darunter die Ex aktheit der DarsteHung leiden soH. Da es sich urn Krafte, Momente und Gleichgewichtsbedingungen handelt, miissen diese Begriffe in ihrer gegenseitigen Abhiingigkeit beschrieben werden. Dazu eignet sich die bereits von Pauwels in meisterhafter Weise einge setzte Methode der graphischen Statik ganz beson ders, weil sie es gestattet, die entscheidenden physi kalischen GroBen auch ohne mathematische For meln anschaulich wiederzugeben. An verschiedenen v Stell en werden zwar die grundlegenden Beziehun gen auch in Form einfacher mathematischer Funk tionen dargesteIlt, der dadurch beschriebene Zusam menhang kann aber in jedem Fall ebenso gut allein aus den Abbildungen und dem zugehorigen Text ver standen werden. Besonderer Wert wurde auf eine ausgiebige Illu stration gelegt. Die Bilder, deren technische AusfUh rung ich zum groBten Teil Frau I. Schreiber zu ver danken habe, werden seit Jahren in der Vorlesung tiber Biomechanik verwendet. Sie enthalten aIle we sentlichen Informationen. Der bewuBt knapp gehal tene Text solI lediglich das Verstandnis erleichtem oder hier und da Erganzungen liefem. Ganz besonders danke ich Herm Dr. Heinz Got ze sowie den Mitarbeitem des Springer-Verlags, die so bereitwillig auf die Wtinsche bezliglich des Lay out eingingen und fUr ein schnelles Erscheinen ge sorgt haben. Wie der Titel des Buches bereits ausdruckt, wird hier nicht der Anspruch erhoben, die Biomechanik des Htiftgelenks vollstandig im Detail darzustellen. Dazu waren u. a. eine ausfUhrlichere mathematische Beschreibung sowie eine eingehende Diskussion der Materialkonstanten der am Gelenkaufbau beteilig ten Gewebe erforderlich. An dieser Stelle kommt es vielmehr darauf an, den an der Problematik Interes sierten in die Grundlagen der Mechanik eines Ku gelgelenks, speziell des Htiftgelenks, einzufUhren und damit die Voraussetzungen fUr ein tieferes Ein dringen in die Gelenkmechanik und vielleicht auch fUr eigene weiterftihrende Untersuchungen zu schaf fen. Koln, im Oktober 1984 B.KuMMER VI Inhaltsverzeichnis Einleitung . . . . . . . . . . . 1 Geometrie des Hiiftgelenks . 2 Kinematik des Hiiftgelenks . 18 Einige Grundbegriffe der Dynamik 26 Statik des Hiiftgelenks. . . . . . . . 42 Der EinfluB von Formabweichungen auf die Statik des Hiiftgelenks. . . 112 Bemerkungen zur Kinetik . 120 Literatur . . . . 126 Sachverzeichnis 128 VII Einleitung Hier sollen ausschlieBlich die wichtigsten physikalischen Grundlagen dargestellt werden, die zum Verstandnis der Me chanik eines Kugelgelenks - speziell des Hiiftgelenks - uner laBlich sind. Nach der Gliederung von S. Falk (1967) wird die Mecha nik in Kinematik(Bewegungsgeometrie) und Dynamik(Lehre von den Massen und Kraften) eingeteilt. In der Dynamik konnen wiederum Statik (Lehre von den ruhenden Massen und Kraften) und Kinetik (Lehre von den bewegten Massen und Kraften) unterschieden werden. Demzufolge werden im AnschluB an die Geometrie des Hiiftgelenks seine Kinematik, Statik und Kinetik beschrie ben. Funktionelle Anatomie des HOftgelenks Morphologie Biomechanik /"'" Dynamik Kinematik /"" Statik Kinetik 1 Geometrie des Huftgelenks FUr die folgenden Betrachtungen so11 das Huftgelenk zu nachst als ideales Kugelgelenk angesehen werden. Die mogli chen Konsequenzen einer Abweichung von der idealen Ku gelgestalt werden S.116ff. diskutiert. Fur die genaue Lokalisation von Kraftangriffspunkten, gegenseitiger Ste11ung der Gelenkpartner und von Merkma len an den Gelenkoberflachen mussen fUr Kopf und Pfanne Koordinatensysteme vereinbart werden, die eiq.e eindeutige Beschreibung der Lage von Punkten auf beiden Oberflachen gestatten. Wegen der Kugelform beider Gelenkflachen liegt es nahe, ein geographisches Koordinatennetz zu verwenden, analog der Einteilung auf einem Erdglobus. Dabei sind, der besseren Verstandigung wegen, die Koordinatensysteme von Kopfund Pfanne auch durch ihre sprachlichen Bezeiehnungen deutlieh voneinander zu unterscheiden. Weil beide Gelenkflachen keine vollstandigen Kugelfla chen sind, kann jeweils nur ein Pol festgelegt werden. Der zu gehorige ;{quator ist dann als GroBkreis im 90° -Abstand ein deutig definiert. Der Nu11meridian und die Zahlrichtung der Meridiane mussen auf jeder Gelenkflache per conventionem bestimmt werden. Wenn man dem Femurkopf das terrestrische Koordina tensystem zuordnet, konnte man in das Azetabulum zur bes seren Unterscheidung die ekliptikalen Koordinaten legen. Es ist aber sieher verstandlicher, einfach die Bezeiehnungen "Kopfpol", "Kopfaquator", "Pfannenpol", "Pfannenaqua tor" usw. zu verwenden, nur muB der eindeutigen Verstandi gung wegen darauf geachtet werden, daB die Prafixe " Kopf-" bzw. "Pfannen-" niemals weggelassen werden. 2 Polarachse Das Kugelgelenk kann mit einem Globus vergli chen werden. Ein entsprechendes Koordinatensy stem erlaubt eine exakte Orientierung. 3 Geometrie des Hliftgelenks Am Caput femoris wird der Pol F in das Zentrum der Fovea capitis gelegt. Der Nullmeridian verlaufe durch den oberen DurchstoB punkt der mechanischen Achse1 des Femurs durch den Kopf. Dies ist zugleich der hochste Punkt des Femurkopfes beim aufrechten Stehen mit vollstandig gestreckten Htift- und Kniegelenken. Die Zahlrichtung der Meridiane lauft bei bei den Femora von oben (0°) tiber vom (90°) nach unten (180°) und hinten (270°). Die Polarachse des Femurkopfes ist durch seinen Pol F und den Kugelmittelpunkt C festgelegt. 1 Die "mechanische Achse" des Femurs ist eine Gerade durch den Kopfmit telpunkt C und den Mittelpunkt des Kniegelenks. 4
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