Biomechanik der Hüfte

Einleitung(edit | edit source)

Biomechanik, Mechanik der Bewegung.

„Biomechanik ist einfach die Physik (Mechanik) der Bewegung, die von biologischen Systemen gezeigt oder erzeugt wird. Genauer gesagt ist die Biomechanik ein hochgradig integriertes Studiengebiet, das sich mit den Kräften befasst, die auf und innerhalb eines Körpers wirken, sowie mit den Kräften, die von einem Körper erzeugt werden.“⁽¹⁾

Bei der Betrachtung der Biomechanik des Hüftgelenks muss berücksichtigt werden, wie Knochen, Bänder und Muskeln das Körpergewicht vom Achsenskelett auf die untere Extremität übertragen.⁽²⁾

Statische Belastung ( edit | edit source )

Koch’sches Modell ( edit | edit source )

Koch führte erstmals das statische Modell der Hüftbiomechanik ein. Nach seiner Theorie haben der Körperhebelarm und der Hebelarm der Abduktoren ein Verhältnis von 2:1. Das bedeutet, dass der M. gluteus medius bei einem einbeinigen Stand die doppelte Kraft des Körpergewichts aufbringen muss, um das Gleichgewicht zu halten und zu verhindern, dass sich der Körper zur nicht gestützten Seite neigt. Bei diesem Modell ist der M. gluteus medius der einzige Muskel, der den auf den Oberschenkel ausgeübten Belastungen Widerstand entgegensetzt. Koch schlug vor, dass der M. gluteus medius diese Belastungen in Zugbelastungen auf der lateralen Seite des Oberschenkels unterhalb seines Ansatzes und in Druckbelastungen auf der lateralen Seite des distalen Drittels des Oberschenkels umsetzt. Es wurde jedoch festgestellt, dass die ursprüngliche Aussage von Koch nicht gut erklärt, wie die Zugbelastung in eine Druckbelastung im distalen Teil des Oberschenkelknochens umgewandelt wird.⁽³⁾

Beidseitige Beinbelastung ( edit | edit source )

Der Gravitationsschwerpunkt (Center of Gravity, CoG) des Körpers wird durch die Körperstruktur, die Körperhaltung, das Alter und das Geschlecht beeinflusst. Säuglinge haben den am höchsten gelegenen CoG, gefolgt von Kindern und dann Erwachsenen. Eine Turnerin hat aufgrund der unterschiedlichen Muskelentwicklung möglicherweise einen höher gelegenen CoG als ein Fußballspieler.

Bei Neugeborenen und bis zum Alter von vier Jahren beträgt der Schenkelhalswinkel des Oberschenkels etwa 160-165 Grad. ⁽⁴⁾ Die aufrechte Haltung führt zur Verringerung dieser Werte bis zum Erreichen eines Winkels von 130-135 Grad. Dieser bleibt dann während der gesamten Körperentwicklung und des Knochenwachstums unverändert, obwohl der Mensch viel Zeit in aufrechter Haltung verbringt und die Körpermasse weiter zunimmt.⁽⁵⁾

Der Gravitationsschwerpunkt des Körpers befindet sich nicht immer innerhalb des Körpers.⁽⁶⁾ Er kann sich beispielsweise nach außerhalb des Körpers verlagern, wenn eine Person ihre Füße mit den Händen berührt. Beim beidseitigen Stand befindet sich der Schwerpunkt zwischen den beiden Hüften, wobei auf beide Hüften die gleiche Kraft ausgeübt wird. Der Körperschwerpunkt befindet sich beim Erwachsenen einen Zentimeter vor dem ersten Sakralsegment.⁽⁵⁾ Die Schwerkraft wirkt auf die unteren Extremitäten in vertikaler Richtung. Unter diesen Belastungsbedingungen lastet das Gewicht des Körpers abzüglich des Gewichts beider Beine gleichmäßig auf den Oberschenkelköpfen.⁽⁵⁾

⁽⁷⁾

Das Knochengewebe reagiert auf verschiedene Anforderungen, auch auf solche, die von der Umwelt beeinflusst werden. Zu den spezifischen Reaktionen gehören die Entwicklung eines hypertrophen oder atrophen Knochens oder eine Veränderung der Knochenqualität in Bereichen mit Druck- (Kortikalis) oder Zugbelastung (Spongiosa).⁽⁵⁾

Die Stabilität eines Gelenks der unteren Extremität hängt ab von:⁽⁵⁾

• Gelenkgeometrie: Stabilität in der Hüfte, im Knie und im Sprunggelenk
• Unversehrtheit der Weichteile: Stabilität der dynamischen (Muskeln, Sehnen, Faszien) und statischen Elemente (Bänder). Je nach Bedarf passen die dynamischen Strukturen ihre Länge an. Die statischen Strukturen werden in der Streckung auf der einen Seite und entsprechend in der Beugung auf der anderen Seite angespannt.⁽⁵⁾
• Die Kapselbänder des Hüftgelenks sind für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Mobilität und Stabilität des Gelenks entscheidend.⁽⁸⁾

Einbeiniger Stand ( edit | edit source )

Während des einbeinigen Stands treten die folgenden Vorgänge auf:⁽⁹⁾

• Der Schwerpunkt verlagert sich nach distal und weg vom Standbein
• Das unbelastete Bein wird Teil der Körpermasse, die auf die belastete Hüfte wirkt

• Die nach unten gerichtete Kraft übt eine Drehbewegung um das Zentrum des Hüftkopfes aus
• Die Abduktoren, zu denen die oberen Fasern des M. gluteus maximus, der M. tensor fasciae latae, der M. gluteus medius und minimus, der M. piriformis und der M. obturatorius internus gehören, wirken der Drehung des Oberschenkelkopfes entgegen. Dadurch entsteht ein Drehmoment um den Mittelpunkt des Oberschenkelkopfes
• Der Hebel der Abduktoren ist kürzer als der Hebelarm des Körpergewichts. Daher muss die kombinierte Kraft der Abduktoren ein Vielfaches des Körpergewichts betragen (typischerweise das Dreifache des Körpergewichts), was einem Hebelverhältnis von 2,5 entspricht

Bei Personen mit einem breiten Becken und kurzen Oberschenkelhälsen sind größere Hüftkräfte erforderlich. Diese Menschen haben ein größeres Hebelarmverhältnis und benötigen daher eine höhere Abduktorenkraft. Sie haben zudem ein hohes Risiko für Hüftpathologien, einschließlich arthritischer Erkrankungen.⁽⁵⁾ Allerdings ergab eine Studie von Warrener et al.,⁽¹⁰⁾ dass die Beckenbreite weder bei Frauen noch bei Männern die Mechanik der Hüftabduktoren oder die Energiekosten der Lokomotion vorhersagt.

Beispiele für Haltungen, die auf einen erhöhten Hebelarm und eine verringerte Hüftabduktionskraft hinweisen:⁽⁹⁾

• In Rückenlage „fallen“ die Beine nach außen.
• Beim Sitzen mit gekreuzten Knöcheln zwingt der große Bauch des Patienten die Hüfte in Abduktion und Außenrotation, wobei die Knie „durchhängen“.

Gelenkkräfte an der Hüfte ( edit | edit source )

Die durchschnittliche Belastung des Hüftgelenks bei Personen, die sich einer Hüfttotalendoprothese unterzogen, war wie folgt:

• Gehen bei etwa 4 km/h: 238 % des Körpergewichts (KG) (160 bis 330 % KG) ^(11)(12)
• Treppe heruntergehen: 108 % bis 260 % KG⁽¹³⁾
• Treppe hinaufgehen: 251 % KG⁽¹²⁾
• Beim Aufstehen vom Stuhl und beim Vorwärtsbeugen: 40 % KG⁽¹³⁾
• Stehend: 32 % KG
• Einbeiniger Stand: 230 bis 290 % KG⁽¹¹⁾

Anmerkung: „Stolpern oder instabile Phasen während des Einbeinstandes können resultierende Kräfte von mehr als dem Achtfachen des Körpergewichts erzeugen“.⁽¹⁴⁾

Die obigen Zahlen zeigen, dass die höchste Belastung des Hüftgelenks beim Gehen und Treppensteigen auftritt. Die Entwicklung einer Hüftpathologie, z. B. Arthrose lässt sich vorhersagen, wenn diese Tätigkeiten wiederholt und/oder unter falschen Bedingungen ausgeführt werden.⁽¹³⁾

Dynamisches Modell der Hüftbiomechanik ( edit | edit source )

Nach Koch⁽³⁾ muss der M. gluteus medius bei einem einbeinigen Stand das Doppelte des Körpergewichts aufbringen, um die Hüftstabilität aufrechtzuerhalten. Auf der Grundlage verschiedener Daten zur Hüftdynamik und eines vollständigen Stabilitätsmodells wurde jedoch festgestellt, dass das Iliotibialband (ITB) eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Hüftstabilität spielt. Die folgenden Beobachtungen unterstützen diese These:⁽⁵⁾

• Das Iliotibialband dient als Zugband zur Entlastung des Energieverbrauchs und zur Verringerung der elektrischen Aktivität des M. gluteus medius während der mittleren Standbeinphase des Gehens⁽¹⁵⁾
• Bei Patienten mit Unterschenkelamputationen ist die Funktion des Iliotibialbandes als Stabilisator des Hüftgelenks durch den Verlust seines distalen Ansatzes beeinträchtigt⁽⁵⁾

Klinische Bedeutung ( edit | edit source )

Schmerzhafte Hüfte ( edit | edit source )

Die Behandlung von Hüftschmerzen sollte eine Reduzierung der Gelenkreaktionskraft beinhalten. Dies kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

• Reduzierung der Körpermasse
• Erhöhung der Abduktorenkraft
• Verkleinerung des Drehmomentarmes durch Annäherung des Schwerpunktes an die Mitte des Oberschenkelkopfes durch:
  • Hinken (antalgisches Gangbild)
  • Verwendung eines Gehstocks auf der kontralateralen Seite – dadurch wird die Gelenkreaktionskraft um 50 % reduziert, wenn etwa 15 % des Körpergewichts auf den Stock übertragen werden.⁽¹⁶⁾

Wenn eine Person einen Gehstock als Stütze benutzt, ist die Reaktionskraft des Gelenks geringer, weil die „Reaktionskraft des Stocks auf den Boden in einem viel größeren Abstand zum Hüftzentrum wirkt als die Abduktoren“.⁽¹⁶⁾ Selbst bei einer geringen Belastung durch den Stock ist der Patient in der Lage, die Beanspruchung der Abduktoren zu reduzieren, um die Gelenkstabilität beim Gehen aufrechtzuerhalten.⁽¹⁶⁾

Treppensteigen ( edit | edit source )

Patienten mit Arthrose zeigen beim Hinaufgehen einer Treppe:^(17)(18)

• Eingeschränktes Bewegungsausmaß der Hüfte in allen drei Ebenen: sagittal, transversal und frontal
• Reduziertes Spitzendrehmoment der Außenrotation der Hüfte

Beim Heruntergehen von Treppen zeigen diese Patienten:

• Zunahme der ipsilateralen Rumpfneigung

• Verringerung des Bewegungsausmaßes in der Sagittalebene
• Reduziertes externes Spitzendrehmoment der Extension
• Reduziertes externes Spitzendrehmoment der Rotation
• Höheres Adduktionsmoment der Hüfte
• Höherer Drehimpuls der Hüftadduktion
• Höherer Drehimpuls der Hüftinnenrotation⁽¹⁷⁾

Der physiotherapeutische Ansatz zur Verbesserung des Treppensteigens für Menschen mit Arthrose kann Folgendes umfassen:

• TENS als Option zur Verringerung der Auswirkungen von Kniearthrose im Frühstadium⁽¹⁹⁾
• Widerstandstraining zur Verbesserung der Muskelmasse an der Hüfte. Es wurde festgestellt, dass dies positiv mit der Leistung beim Treppensteigen und beim Transfer vom Sitzen zum Stehen korreliert.⁽²⁰⁾
• Verschreibung von Ausdauertraining für Patienten mit mittelschwerer bis schwerer Hüftarthrose. Dies kann die Ausdauerfähigkeit der Kniestrecker verbessern, die eine wichtige Rolle bei der täglichen Arbeit spielen.⁽²¹⁾

Amputation der unteren Extremität ( edit | edit source )

Patienten mit Oberschenkelamputation weisen trotz intakter Hüftabduktoren ein positives Trendelenburg-Zeichen auf. Bei dieser Patientengruppe ist der M. gluteus medius nicht in der Lage, die Hüfte während des Gehens ausreichend zu stabilisieren, da das iliotibiale Band nicht mehr für zusätzliche Gelenkstabilität sorgt.⁽²²⁾

Die Behandlung kann die chirurgische Technik der Tenodese des Iliotibialbandes und der lateralen Weichteilstrukturen bis zum distalen Oberschenkelknochen umfassen.⁽⁵⁾

Ressourcen(edit | edit source)

1. Zaghloul A, Elalfy MM. Hip Joint: Embryology, Anatomy and Biomechanics. Biomed J Sci & Tech Res, 2018 12(3).
2. Hip Biomechanics https://www.orthobullets.com/recon/9064/hip-biomechanics

Referenzen(edit | edit source)