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Über dieses Buch

Trauma-Biomechanik untersucht die Reaktion und Toleranz des menschlichen Körpers auf mechanische Belastungen, die zu Verletzungen führen können. Das Verständnis der mechanischen Faktoren ist entscheidend, um Maßnahmen zur Prävention von Verletzungen zu entwickeln.
Dieses Buch stellt die biomechanischen Grundlagen und deren Anwendungen dar. Neben Verletzungen, die im Straßenverkehr und Sport erlitten werden, wird auf ballistische Traumata und Verletzungen durch Explosionen sowie auf Schädigungen durch chronische Belastungen eingegangen. Das Buch bietet eine kompakte Einführung in das Fachgebiet – von zellulärer Biomechanik bis zu ingenieurwissenschaftlichen Ansätzen zur Verletzungsprävention.
Der Inhalt
• Grundlagen der Trauma-Biomechanik• Überblick über verwendete Methoden, einschließlich Computersimulationen und standardisierter Testverfahren• Systematische Diskussion verschiedener Verletzungen, Verletzungsmechanismen, biomechanischer Kenngrößen und Möglichkeiten der Prävention• Verletzungen durch chronische mechanische Belastung• Aspekte der zellulären Trauma-Biomechanik• Übersicht zur Ballistik und Verletzungen durch Schüsse und Explosionen
Die Zielgruppen
• Studierende der Ingenieurwissenschaften, der Gesundheitswissenschaften, der Sportwissenschaften, der Medizin, der biomedizinischen Technik und verwandter Bereiche• Ingenieure, z.B. der Automobil-Industrie• Juristen, Mitarbeitende von Versicherungen und der Unfallforschung



Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Der menschliche Körper wird täglich mechanischen Belastungen ausgesetzt. Eine mögliche Folge von inneren wie äußeren, auf den Körper wirkenden Kräfte ist das Entstehen von Verletzungen. Solche werden üblicherweise mit dem Auftreten von übermäßigen äußeren Kräften und/oder dem Auftreten von Kräften in ungünstigen Konstellationen, insbesondere im Rahmen von Unfällen, in Verbindung gebracht. Der Teilbereich der Biomechanik, der sich mit dem Entstehen von Verletzungen durch mechanische Einwirkungen beschäftigt, wird als Verletzungsbiomechanik oder Trauma-Biomechanik bezeichnet. Das vorliegende Buch konzentriert sich auf diesen Aspekt der Biomechanik.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 2. Methoden der Trauma-Biomechanik

Zusammenfassung
Die Arbeit in der Trauma-Biomechanik wird durch einige Randbedingungen eingeschränkt, die in dieser Form in anderen Bereichen der Ingenieurwissenschaften und der Life Sciences nicht oder nur zu einem geringen Teil vorhanden sind. Experimente an Menschen, bei denen verletzungsinduzierende Belastungen auftreten können, sind ausgeschlossen. Tierversuche sind nur sehr eingeschränkt anwendbar, da es schwierig bis unmöglich ist, Verletzungssituationen vom Tier auf den Menschen zu übertragen. Auch ist es fraglich, in welchem Grade Tiermodelle die Biomechanik des Menschen repräsentieren. Kosten und insbesondere ethische Überlegungen tragen weiter dazu bei, dass solche Experimente heute nur noch selten und nur unter besonderen Bedingungen durchgeführt werden. Dementsprechend sind die in der Trauma-Biomechanik zur Anwendung kommenden Methoden größtenteils indirekt. Dazu gehören statistische Ansätze und Feldstudien, Unfallrekonstruktionen, verschiedene biomechanische Experimente, standardisierte Testverfahren sowie numerische Simulationen.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 3. Zelluläre Trauma-Biomechanik: Verletzungen des zentralen Nervensystems

Zusammenfassung
Traumatische Gehirnverletzungen (traumatic brain injury, TBI) haben weltweit einen bedeutenden Anteil an Morbidität und Mortalität. Ursache dafür sind komplexe intrakranielle Vorgänge, wobei der mechanische Reiz den Beginn einer Reihe von biologischen Reaktionen darstellt, die sich über Minuten bis Tage nach dem Ereignis entfalten. In diesem Kapitel werden die zellulären Auswirkungen der primären Verletzung durch die mechanische Belastung und die sich daraus ergebenden biologischen Mechanismen bezüglich sekundärer Pathologien zusammengefasst. Die relevanten Aspekte der Zellphysiologie werden in Kürze beschrieben, gefolgt von Bemerkungen zur neuronalen Anatomie. Spezifische Verletzungsmechanismen, die anschließend diskutiert werden, umfassen Mechanoporation, Exzitotoxizität, Schädigung durch freie Radikale, Proteolyse und den Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke. Viele dieser pathologischen Reaktionspfade wirken nach einer Verletzung zusammen, was eine pharmakologische Therapie erschwert. Dies verdeutlicht, dass Vorkehrungen zur Verletzungsverhütung bzw. zur Minderung der Verletzungsschwere eine entscheidende Bedeutung zukommt.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 4. Kopfverletzungen

Zusammenfassung
Einer kurzen Zusammenfassung der relevanten anatomischen Strukturen des Kopfes folgt eine Beschreibung und Klassifikation möglicher Kopfverletzungen und der entsprechenden Verletzungsmechanismen. Anschließend werden das biomechanische Verhalten des Kopfes, das in verschiedenen Experimenten untersucht wurde, sowie daraus abgeleitete Verletzungskriterien, mit deren Hilfe die Belastungen des Kopfes in Crashtests quantifiziert werden, diskutiert. Spezielle Aspekte von Kopfverletzungen im Sport werden in einem eigenen Unterkapitel behandelt. Abschließend werden grundlegende Prinzipien zur Prävention von Kopfverletzungen vorgestellt.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 5. Verletzungen der Wirbelsäule

Zusammenfassung
Verletzungen der Wirbelsäule und insbesondere des Rückenmarks können zu lang andauernden Beeinträchtigungen bis hin zu Querschnittslähmungen oder Tetraplegien führen. Die Halswirbelsäule ist das Segment der Wirbelsäule, das am häufigsten verletzt wird. Da Hals und Kopf eine funktionelle Einheit bilden, schließen Belastungen des Kopfes oftmals auch eine Belastung des Halses ein. Im Straßenverkehr werden schwere Halswirbelsäulenverletzungen beispielsweise bei Unfällen mit nicht angegurteten Fahrzeuginsassen (Kopfanprall) oder bei Motorradunfällen (mit und ohne Helm) beobachtet. Die überwiegende Mehrheit der Halswirbelsäulenverletzungen gehört jedoch zur Gruppe der leichten Weichteilverletzungen, die üblicherweise als AIS1 klassifiziert werden. „Schleudertrauma“ ist wahrscheinlich der am häufigsten verwendete Begriff, um diese Halswirbelsäulen-Beschwerden zu beschreiben. Tatsächlich sind diese HWS-Beschwerden die am häufigsten im Straßenverkehr erlittenen „Verletzungen“ und daher von besonderer Bedeutung.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 6. Thoraxverletzungen

Zusammenfassung
Verletzungen des Thorax werden im Allgemeinen in Frontal- und Seitenkollisionen sowie in Kollisionen, deren Anprallwinkel zwischen diesen beiden Extremen liegt, erlitten. Häufig entstehen Thoraxverletzungen durch direkten Anprall, beispielsweise an Strukturen des Fahrzeuginnenraums wie dem Lenkrad, dem Sicherheitsgurt, der Türe oder dem Armaturenbrett. Im Sport kann ein Anprall durch Kontakt mit einem Mitspieler (Fußball, Eishockey) oder durch Schläge (Boxen, Taekwondo) erfolgen. Die meisten Thoraxverletzungen entstehen als Folge eines stumpfen Anpralls. Verletzungen durch Kontakt mit spitzen, scharfkantigen Objekten sind im Rahmen von Straßenverkehrsunfällen selten. Sie können allenfalls durch Gegenstände im Fahrzeuginnenraum verursacht werden oder kommen vor, wenn ein Fahrzeuginsasse aus dem Fahrzeug herausgeschleudert wird. Verletzungen durch stumpfen Anprall stehen daher im Vordergrund dieses Kapitels.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 7. Verletzungen des Abdomens

Zusammenfassung
Verletzungen der menschlichen Bauchhöhle treten im Allgemeinen als stumpfes Trauma oder Penetration auf, wobei ersteres als Folge von Straßenverkehrsunfällen häufiger vorkommt. Oft werden solche Verletzungen nicht sofort erkannt bzw. lassen sich äußerlich nicht erkennen. Die Untersuchung des biomechanischen Verhaltens des Abdomens hat sich als besonders schwierig herausgestellt und auch die erhaltenen Ergebnisse sind nicht leicht zu interpretieren. Daher mangelt es immer noch an ausreichendem Wissen über Verletzungsmechanismen und geeignete Verletzungskriterien. Dieser Mangel an Know-how zeigt sich beispielsweise auch bei den verschiedenen Crashtest-Dummys, die nur eine rudimentäre Nachbildung des Abdomens aufweisen.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 8. Verletzungen des Beckens und der unteren Extremitäten

Zusammenfassung
Verletzungen der unteren Extremitäten spielen insbesondere im Sport (z. B. Fußball, Skifahren) eine große Rolle. Aber auch bei Frontalkollisionen im Straßenverkehr stellen sie mittlerweile häufig erlittene, nicht unerhebliche Verletzungen dar, da bei Rückhaltesystemen wie Sicherheitsgurten und Airbags der Schutz der Beine nicht im Vordergrund steht. Wenngleich meist nicht lebensbedrohlich, so haben Verletzungen der Extremitäten jedoch oftmals langwierige Beeinträchtigungen zur Folge.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 9. Verletzungen der oberen Extremitäten

Zusammenfassung
Im Gegensatz zum Automobil-Bereich sind Verletzungen der oberen Extremitäten im Sport häufig. Sie sind daher entsprechend oft Gegenstand der Forschung. Zahlreiche Studien analysierten die Kinematik der oberen Extremitäten bei unterschiedlichen Bewegungsabläufen wie dem Werfen, einem Golf- oder einem Tennisschlag. Zudem finden sich viele Studien zu Diagnose und Behandlung von Sportverletzungen der oberen Extremitäten. Hinsichtlich Verletzungsmechanismen bestehen jedoch weiterhin viele ungelöste Fragen und bezüglich Verletzungskriterien und Verletzungsgrenzwerten finden sich kaum konklusiven Arbeiten. Um jedoch zuverlässige Präventionsmaßnahmen entwickeln zu können, ist die Kenntnis der zugrundliegenden Verletzungsmechanismen erforderlich.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 10. Schädigungen und Verletzungen durch chronische Belastung

Zusammenfassung
Ein Unfall ist definiert als ein heftiges, ungewöhnliches, möglicherweise gesundheitsschädigendes Ereignis, das plötzlich und unerwartet auftritt und in der Regel von kurzer Dauer ist. Der Ausdruck „chronisch“ impliziert hingegen eine Belastung, die über einen – im Vergleich zur typischen Dauer eines Unfalls – langen Zeitraum wirkt. Entscheidend ist, dass bei chronischer mechanischer Überlastung Gesundheitsschäden und/oder Verletzungen bei Belastungen auftreten können, die für sich genommen unterhalb der individuellen Verletzungstoleranzen liegen. Die Auswirkung der Belastungen wird jedoch durch die lange Einwirkdauer bestimmt und verschärft. Dabei tritt die Belastung nicht zwangsläufig ununterbrochen auf; sie kann regelmäßig oder auch unregelmäßig wirken, z. B. nur während Trainingszeiten (Sport) oder Arbeitszeiten (Baumaschinen). Teilweise wirken diese Belastungen über Jahre hinweg. Die einzelne Belastung selbst ist in der Regel ungefährlich bzw. der Körper kann sich rasch davon erholen. Ursachen, Mechanismen, Belastungsmuster, Toleranzen wie auch Prävention und Möglichkeiten zur Minderung von Gesundheitsschäden unterscheiden sich daher deutlich von denjenigen, die aus der Analyse von Unfällen bekannt sind.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 11. Ballistisches Trauma und Verletzungen durch Explosionen

Zusammenfassung
Sowohl im militärischen wie auch im zivilen Umfeld kommt es zu Verletzungen durch Schüsse und Explosionen. Ein ballistisches Trauma beschreibt dabei die Interaktion zwischen einem Projektil und dem menschlichen Körper; penetrierende oder stumpfe Traumata können die Folge sein. Verletzungen durch Explosionen beziehen sich auf die Detonation eines Sprengsatzes und die nachfolgende komplexe Interaktion des Menschen mit der eigentlichen Detonationswelle, etwaigen Splittern des explodierenden Sprengsatzes und umherfliegender Gegenstände bzw. Trümmern. Die Abgrenzung zwischen ballistischem Trauma und Verletzungen durch Explosionen ist nicht immer ganz eindeutig, es bestehen gewisse Überlappungen. Verletzungen der unteren Extremitäten, des Thorax und des Kopfes treten beispielsweise häufig im Zuge von Explosionen auf, obschon auch andere Körperregionen betroffen sein können. Genauso können alle Körperregionen durch Schüsse verletzt werden, obschon hier Schutzausrüstungen zum Einsatz kommen, die sich vor allem auf lebenswichtige Organe wie Hirn, Herz oder Lunge konzentrieren. Forschungsschwerpunkte in diesen Bereichen sind u. a. Kopfverletzungen, der Schutz von Fahrzeuginsassen bei Explosionen und der Schutz von Kopf, Gesicht und Thorax vor Schussverletzungen sowie Verletzungen durch Splitter, wobei dies auch stumpfe Traumata umfasst, die trotz Tragen von Schutzausrüstung entstehen können (z. B. wenn die Schutzausrüstung von außen belastet wird).
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

Kapitel 12. Lösungen

Zusammenfassung
Am Ende der meisten Kapitel finden sich einige Aufgaben und Problemstellungen; Aufgaben beginnen mit dem Buchstaben A, Probleme mit dem Buchstaben P. Nachfolgend finden Sie Lösungen zu den Aufgaben. Lösungen bzw. Lösungsansätze zu den Problemen können beim Verlag bezogen werden.
Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Barclay Morrison III, Markus H. Muser, Felix Walz

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