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Über dieses Buch

Das Lehrbuch bietet Ihnen eine umfassende Einführung in die orthopädische Biomechanik
Dieses einführende Lehrbuch erläutert, wie mit Hilfe der orthopädischen Biomechanik Einfluss auf das Haltungs- und Bewegungsorgan genommen werden kann. Die Autoren konzentrieren sich in ihrer Darstellung dabei insbesondere auf die unteren Extremitäten und legen Wert auf eine interdisziplinäre Betrachtung der biologischen und mechanischen Systeme. Neben den physiologischen und pathologischen Systemzuständen stellen sie eine Reihe der wichtigsten Berechnungen in der orthopädischen Biomechanik vor.
Das Besondere am vorliegenden Werk ist die abgestimmte Darstellung und Erörterung medizinischer Fragestellungen mit Grundlagen der technischen Mechanik und deren theoretischen Hintergründen zum besseren Verständnis biomechanischer Funktionen.
Autoren richten sich nicht nur an Studenten
Das Lehrbuch über die orthopädische Biomechanik richtet sich vor allem an Studierende der Ingenieurwissenschaften und der Medizin mit dem Schwerpunkt der Biomechanik. Darüber hinaus möchte es aber auch Auszubildende aller verwandten medizinischen Berufe ansprechen. Dazu zählen auch die folgenden Bereiche:
• Orthopädie• Unfallchirurgie• Endoprothetik• Rehabilitation• Physiotherapie• Medizintechnik• Orthopädietechnik
Im Fokus stehen die orthopädischen Hilfsmittel für die unteren Extremitäten
Dieses Lehrbuch bietet Ihnen einen umfassenden Überblick über die Grundlagen der orthopädischen Biomechanik. Im Speziellen beschäftigt sich das Autorenteam mit den folgenden Themen:
• Grundlagen für die Berechnung am Haltungs- und Bewegungsorgan• Knochen, Gelenke und Bindegewebe• Becken-Bein-Stützsystem• Hüftgelenksberechnung• Pathologische Veränderungen und Analyse des Gelenkknorpels• Frakturbehandlung und Osteosynthesen• Anatomie des Kniegelenks und Kniegelenksberechnungen• Oberes Sprunggelenk• Wirbelsäule• Grundlagen der Endoprothetik
Die didaktisch wertvolle Aufbereitung des Bewegungsapparats macht dieses Buch zu einem unverzichtbaren Lehrbuch.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundlagen für Berechnungen am Haltungs- und Bewegungsorgan

Zusammenfassung
Kapitel 1 geht auf grundlegende Methoden der Technischen Mechanik ein, soweit sie für das Verständnis der Belastung und Beanspruchung der Knochen und Gelenke des menschlichen Körpers notwendig sind. Es wird das Schnittprinzip vorgestellt, mit dessen Hilfe die wirkenden Kräfte sichtbar und der Berechnung zugängig gemacht werden. Berechnungsmethoden werden eingeführt, mit deren Hilfe die grundsätzlich im dreidimensionalen Raum wirkenden Kräfte in ihre jeweiligen koordinatenachsenorientierten Komponenten zerlegt werden, wodurch einfache Rechengänge ermöglicht werden. Es werden die durch die Kräfte entstehenden Belastungen auf die einzelnen Elemente des Körpers in Form von Knochen, Gelenke, Muskeln ermittelt und ihre Wirkungen untersucht, die als Beanspruchungen, ausgedrückt durch mechanische Spannungen, berechnet werden. Dazu ist es notwendig, die Eigenschaften der Körperelemente, ihre charakteristischen Formen und Größen kennenzulernen, um die Beanspruchungen unter Berücksichtigung des jeweiligen Materials beurteilen zu können. Die Beanspruchungsarten Zug und Druck, Biegung und Torsion sowie aus diesen zusammengesetzte Beanspruchungen werden vorgestellt. An körperbezogenen Beispielen werden die Arbeitsweisen kurz dargestellt.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

2. Bindegewebe, Knochen und Gelenke

Ossa et Articulationes
Zusammenfassung
Kapitel 2 beschreibt die biomechanischen Konstruktionsprinzipien der Knochen und Gelenke. Dazu wird der Knochen- und Gelenkaufbau betrachtet, die Struktur und Funktion des Knochengewebes aufgezeigt und mit technischen Elementen der Mechanik verglichen. Aus dem mikroskopischen Knochenaufbau werden technische Ersatzstrukturen abgeleitet. Zellformationen des Knochens werden aufgezeigt. Der piezoelektrische Effekt des Calziumphosphateinbaus in eine dreisträngige Helixstruktur des Kollagens wird erläutert. Die Skelettentwicklung und Auswirkungen von exzentrischen Belastungen auf Knochen werden beschrieben. Hierbei spielt der physikalische Vorgang der Druckbelastung eine wesentliche Rolle. Es wird auf die Mineralisation und den Calziumstoffwechsel eingegangen und die Begriffe häufiger Knochenerkrankungen wie Osteoporose, Osteosklerose sowie Osteomalazie werden betrachtet. Wichtige Funktionsstörungen der Gelenkmechanik wie chronische Polyarthritis und Arthrosis deformans werden erläutert. Zwei wichtige Grundgesetze der Biomechanik der Gewebe werden dargestellt.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

3. Das Becken-Bein-Stützsystem (BBS)

Zusammenfassung
Kapitel 3 wendet die in Kapitel 1 vorgestellten Methoden der Technischen Mechanik an, um quantitative Aussagen über die in Hüft-, Knie- und Sprunggelenk, Ober- und Unterschenkel, auftretenden Kräfte und Momente zu erhalten. Dazu gehört die Anwendung der Gleichgewichtsbedingungen für differentiell kleine Elemente. Die Auswertung dieser Gleichungen führen auf die Begriffe der Hauptspannungen und zugeordneter Richtungen sowie der Trajektorien. Das Spannungsverhalten in jedem Element eines Bauteils wird anschaulich mit Hilfe des Mohr’schen Spannungskreises dargestellt. Im weiteren Verlauf wird am Beispiel von Tibia aufgezeigt, wie die Strukturen des Röhrenknochens optimal an dessen Funktion angepasst sind. Es folgt ein Überblick über die lineare Elastizitätstheorie mit der Verknüpfung von Spannungs- und Verformungszuständen unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften (Hooke-Gesetz). Es werden grundlegende Methoden der Kinematik starrer Körper betrachtet. In der Kinetik wird der Schwerpunktsatz für die Translation eingeführt, der Drallsatz für die Rotation kurz vorgestellt Mit Hilfe der Ganganalyse nach Fischer und dem Prinzip von d’Alembert erfolgt abschließend die Berechnung dynamischer Kräfte am menschlichen Körper.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

4. Das Hüftgelenk

Articulatio coxae
Zusammenfassung
Kapitel 4 Das Hüftgelenk hat für den Bereich der unteren Extremitäten eine besondere Bedeutung. Es ist für den Erhalt der schmerzfreien Bewegungsfähigkeit von Beinen, Knie- und Sprunggelenken außerordentlich wichtig. Nach einer kurzen Einführung und anatomischer und physiologischer Betrachtung steht die mechanische Belastbarkeit des Hüftgelenks im Vordergrund. Anschließend werden die individuellen Verhältnisse festgestellt und die Berechnung der resultierenden Hüftgelenkskraft auch bei Fehlformen dargestellt. Am Beispiel der Schenkelhalsfraktur mit ihren verschiedenen Bruchwinkeln ist die Berechnung der Schub- und Scherkräfte besonders bedeutsam, da sie für das auszuwählende Therapieverfahren entscheidend sind. Ungleichgewichte zwischen Tragfähigkeit und mechanischer Belastung des Knochens, angeborenes Versagen des coxalen Femurs (Entwicklungsstörung), primäre und sekundäre Arthrose werden kurz behandelt. Eine kausale Therapie des Hüftgelenks nach biomechanischen Prinzipien wird vorgestellt. Zum Abschluss des Kapitels wird die Kräftemessung in vivo am Hüftgelenk beschrieben und verschiedene Belastungsarten dargestellt. Einfache Rechenmodelle zur Ermittlung der Gelenkkräfte stimmen mit den in vivo ermittelten Daten und Erkenntnissen überein.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

5. Pathologische Veränderungen und Analyse des Gelenkknorpels

Zusammenfassung
Kapitel 5 Die Arthrosis deformans, als degenerative verformende Gelenkerkrankung, gehört zu den Volkskrankheiten. Durch das Ansteigen des Durchschnittsalters der Bevölkerung und andere Faktoren, wie Bewegungsmangel, erlangt das Fachgebiet Haltungs- und Bewegungsorgan zunehmend an Bedeutung. Als biomechanisches Modell ist die Arthrose geeignet, ausgehend von einer gesunden Knorpelgrundstruktur (Zelle) den Verlauf bis zum Zelluntergang der Gelenkfläche (zum Beispiel durch Gelenküberlastung) aufzuzeigen. Beschrieben wird der Aufbau des Gelenkknorpels, die besondere Stoffwechsellage innerhalb des Gelenks und die damit zusammenhängenden Alterungsvorgänge, die zu einer vollständigen Zerstörung aller Gelenkstrukturen führen können. Auf die klinische Symptomatik wird eingegangen, Diagnostik und konservative Therapie werden kurz beschrieben. Am Beispiel einer Coxarthrose wird die operative Umstellungsosteotomie, eine biomechanische Behandlungsmethode vorgestellt.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

6. Frakturbehandlung und Osteosynthesen

Zusammenfassung
Kapitel 6 führt in die Frakturbehandlung ein und zeigt medizinische und technische Prinzipien der Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen (AO) auf. Die Knochenheilung nach stabiler Osteosynthese wird dargestellt. Grundsätze statischer und dynamischer Kräfte wie interfragmentäre Kompression, Schienung, Winkelstabilität und Zuggurtprinzip werden erläutert. Die Instrumentarien für eine stabile Osteosynthese mit Anwendungsbeispielen werden aufgezeigt. Es wird zudem auf eine spezielle Osteosynthese, der transossären Osteosynthese nach Ilizarov, eingegangen, sowie Behandlungsbeispiele aufgeführt und seine vielfältige Anwendung und Bedeutung dargestellt.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

7. Das Kniegelenk

Articulatio genus
Zusammenfassung
Kapitel 7 Das Kniegelenk ist das größte Körpergelenk des Menschen. Es verfügt über viele anatomische, physiologische und biomechanische Besonderheiten. Auf Grund dessen ist es mit hohen Kräften belastet und anfällig für Läsionen seiner artikulierenden Strukturen. Beschrieben werden die funktionellen und anatomischen Eigenschaften des Kniegelenks. Die Grundlagen der Gelenkskinematik mit der speziellen Viergelenkkette und die Gleit-Rollbewegung werden vorgestellt. Biomechanischen Auswirkungen pathologischer Veränderungen werden erörtert und operative Therapieverfahren werden aufgezeigt.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

8. Das obere Sprunggelenk (OSG)

Articulatio talocruralis
Zusammenfassung
Kapitel 8 Als drittes Gelenk in der Gelenkkette der unteren Extremität neben Hüft- und Kniegelenk kommt dem oberen Sprunggelenk für den Bewegungsablauf des Menschen eine besondere Bedeutung zu. Auf Grund seiner anatomischen Besonderheiten treten hohe Gelenkkräfte im oberen Sprunggelenk auf. Das vorliegende Kapitel gibt einen Überblick über die Kraftwirkung beim Gehen, beim Fersen- und Zehenstand sowie beim Fußsohlenstand.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

9. Die Wirbelsäule

Columna vertebralis
Zusammenfassung
Kapitel 9 Die Wirbelsäule als Zentralorgan des Haltungs- und Bewegungsapparates des menschlichen Körpers ist durch einseitige Belastungen in der modernen Industriegesellschaft besonders gefährdet. Im vorliegenden Kapitel werden biomechanische Grundlagen, Anatomie, Physiologie und ein Bandscheibenmodell mit statischer Beanspruchung von Bandscheibe und Wirbelkörper dargestellt. Fehlformen der Wirbelsäule wie Skoliose und Kyphose und deren operativen Behandlungsmöglichkeiten werden besprochen. In einem weiteren Teil wird das Frakturverhalten von Wirbelkörpern mit dynamischen Prüfungen der Bruchlastwerte dargestellt. Anwendungsbeispiele, wie das in der Praxis häufig vorkommende HWS-Distorsionstrauma, und Berechnungen von Kräften und deren Kraftverläufe an der Wirbelsäule nach der Tensegrity-Methode in Verbindung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden vorgestellt. Biomechanische Wirkungsweisen von Zellsystemen mit dem Beispiel der Spannungsdehnungsverläufe sowie der Kräfteverteilung im menschlichen Körper einer Normalperson und die eines Gewichthebers werden verglichen.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

10. Endoprothetik der unteren Extremität

Zusammenfassung
Kapitel 10 gibt einen kurzen Überblick über die geschichtliche Entwicklung der Endoprothetik der unteren Extremität, ihren Biomaterialien, über Grenzflächenprobleme zwischen Knochen und Implantat, sowie über Abriebprobleme. Ursachen für die Lockerung einer Endoprothese werden aufgezeigt. Die einzelnen Entwicklungsschritte und die bei der Konstruktion und Dimensionierung eines Implantates auftretenden Problemen werden aufgezeigt. Der Kompromiss zwischen der technischen Lösung und den biologischen Möglichkeiten wird deutlich gemacht. Gegenstand dieses Kapitels sind auch Belastungs- und Funktionsteste, sowie Normung und Zulassung einer Endoprothese. Die erforderliche interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Medizin und Technik soll deutlich gemacht werden.
Heimbert Dittrich, Manuel Schimmack, Claus-Heinrich Siemsen

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