Zur Mechanik der Gelenkbelastung

Zusammenfassung

Die Kenntnis der Belastung der menschlichen Gelenke ist in der Orthopädie von großer Bedeutung. Die Größe der in den Gelenken wirkenden Kräfte während eines Bewegungsablaufes, ob im Alltag oder beim Sport, spielt eine entscheidende Rolle. Gerade bei Aufprallvorgängen wie beispielsweise bei allen Landungen im Sport treten im menschlichen Körper hohe Beschleunigungen auf. Knochen und Weichteile (Muskeln, Sehnen, Bänder) reagieren in diesen Phasen recht unterschiedlich, und ihr Verhalten hat großen Einfluß auf Größe und Verlauf der innerhalb des Körpers, insbesondere in den Gelenken, wirkenden Kräfte.

In bisher entwickelten Methoden zur Bestimmung der Gelenkbelastung bei dynamischen Bewegungsabläufen wurde dieses Verhalten des menschlichen Körpers vernachlässigt. Demgegenüber wird in der vorliegenden Arbeit ein physikalisches Modell vorgestellt, das die Zusammensetzung des Körpers aus verschiedenen Materialien berücksichtigt. Durch Einführung einer “Schwabbelmasse”, die an die knöchernen Anteile eines jeden Körperteils gedämpft elastisch gekoppelt ist, wird das Verhalten der Weichteile des menschlichen Körpers simuliert und damit eine realistische Berechnung der im Körper übertragenen Kräfte und Momente erreicht. Für ein ausgewähltes Bewegungsbeispiel wird der zeitliche Verlauf dieser Größen für das Knie- und Hüftgelenk aufgezeigt und anhand vereinfachter Gelenkstrukturen interpretiert. Die Berechnungsmethode wird in ihren Grundzügen an einfachen Beispielen aus der Statik im ersten Teil der Arbeit aufgezeigt.

Abstract

The calculation of the possible load on human joints is of great importance in orthopedics. The magnitude of the force transmitted in the joints during the process of movement, whether in everyday life or in athletics, plays a decisive role. Especially at moments of impact, as in sports, high accelerations are transmitted through the human body. Bones and tissue (muscles, tendons and ligaments) react quite differently in this phase, and their reactions have a large influence on the magnitude and course of the forces working within the body, particularly in the joints.

In previously developed methods of loaddetermination on joints during dynamic movements, these reactions were not considered. In the following paper, however, we will introduce a physical model that takes the various materials of the body's constitution into account. By introducing “wobbling mass”, which, elastically damped, is coupled to the bony parts of the body, we can simulate the reaction of the body tissues, and a realistic calculation of the forces and moments transported through the body can be reached. The temporal sequence of these magnitudes for the knee and hip joints will be illustrated using an exemplary selected movement and interpreted using simplified joint structures. The main features of the method of calculation, using simple examples from statics, will be shown in Part One of this paper.