Biomechanik der Hüfte

Ursprüngliche Herausgeberin Ewa Jaraczewska basierend auf dem Kurs von Rina Pandya

Top-Beitragende Ewa Jaraczewska, Jess Bell und Rucha Gadgil

Einführung(edit | edit source)

„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 Erörterung der Biomechanik des Hüftgelenks muss berücksichtigt werden, wie die Knochen, Bänder und Muskeln das Gewicht des Körpers 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 )

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)

Beim beidseitigen Stand befindet sich der Schwerpunkt zwischen den beiden Hüften, wobei auf beide Hüften die gleiche Kraft ausgeübt wird. Der Körperschwerpunkt befindet sich 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)

(6)

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 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)

Statische und dynamische Modelle der Kraftproduktion der Hüftabduktoren (nach Warrener A.G. et al.)

Einbeiniger Stand ( edit | edit source )

Während des einbeinigen Stands treten die folgenden Vorgänge auf: (7)

  • 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 zudemn ein hohes Risiko für Hüftpathologien, einschließlich arthritischer Erkrankungen. (5) Allerdings ergab eine Studie von Warrener et al. (8), 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: (7)

  • 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 % BW) (9)(10)
  • Treppe heruntergehen: 108% bis 260% KG(11)
  • Treppe hinaufgehen: 251% KG(10)
  • Beim Aufstehen vom Stuhl und Beugen: 40% KG(11)
  • Stehend: 32% KG
  • Einbeiniger Stand: 230 bis 290% KG (9)

Anmerkung: „Stolpern oder instabile Phasen während des Einbeinstandes können resultierende Kräfte von mehr als dem Achtfachen des Körpergewichts erzeugen“.(12)

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. (11)

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)

  • Der M. gluteus medius ist in der mittleren Standbeinphase des Gehens weniger aktiv.
  • 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
  • Bei Patienten mit Unterschenkelamputationen ist die Funktion des ITB als Stabilisator des Hüftgelenks durch den Verlust seiner distalen Befestigung beeinträchtigt (5)

Klinische Relevanz ( edit | edit source )

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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
    • Verwendung eines Gehstocks in der kontralateralen Hand – dadurch wird die Gelenkreaktionskraft um 50 % reduziert, wenn etwa 15 % des Körpergewichts auf den Stock übertragen werden.(13)

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“.(13) 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.(13)

Treppensteigen ( edit | edit source )

Patienten mit Osteoarthritis zeigen beim Hinaufgehen einer Treppe:(14)

  • Eingeschränkter Bewegungsumfang 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 Bewegungsumfangs 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(14)

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(15)
  • 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.(16)
  • Verschreibung von Ausdauertraining für Patienten mit mittelschwerer bis schwerer Hüftarthrose. Es kann die Ausdauerfähigkeit der Kniestrecker verbessern, die eine wichtige Rolle bei der täglichen Arbeit spielen.(17)

Amputation der unteren Extremität ( edit | edit source )

Patienten mit Oberschenkelamputation weisen trotz intakter Hüftabduktoren ein positives Trendelenburg-Gangbild 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.

Die Behandlung kann die chirurgische Technik der Tenodese des ITB und der seitlichen 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)

  1. McLester J, Pierre PS. Applied Biomechanics. Jones & Bartlett Learning; 2019 Mar 8.
  2. Van Houcke J, Khanduja V, Pattyn C, Audenaert E. The history of biomechanics in total hip arthroplasty. Indian Journal of Orthopaedics. 2017 Aug;51(4):359-67.
  3. 3.0 3.1 Fetto J, Leali A, Moroz A. Evolution of the Koch model of the biomechanics of the hip: a clinical perspective. J Orthop Sci. 2002;7(6):724-30.
  4. Feger J. Femoral neck-shaft angle. Reference article, Radiopaedia.org. (accessed on 07 Mar 2022) https://doi.org/10.53347/rID-81120
  5. 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 Fetto JF. A dynamic model of hip joint biomechanics: The contribution of soft tissues. Advances in Orthopedics. 2019 Jun 4;2019.
  6. Mock FRCS Cardiff. Free body diagram hip. 2016. Available from: https://www.youtube.com/watch?v=H0SoMQ_L7-k (last accessed 27/02/2022)
  7. 7.0 7.1 Pandya R. Biomechanics of the Hip Course. Physioplus. 2022.
  8. Warrener AG, Lewton KL, Pontzer H, Lieberman DE. A wider pelvis does not increase locomotor cost in humans, with implications for the evolution of childbirth. PLoS One. 2015 Mar 11;10(3):e0118903.
  9. 9.0 9.1 Rydell NW. Forces acting on the femoral head prosthesis. A study on strain gauge supplied prostheses in living persons. Acta Orthop Scand. 1966;37:Suppl 88:1-132.
  10. 10.0 10.1 Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech. 2001 Jul;34(7):859-71.
  11. 11.0 11.1 11.2 Luepongsak N, Amin S, Krebs DE, McGibbon CA, Felson D. The contribution of type of daily activity to loading across the hip and knee joints in the elderly. Osteoarthritis Cartilage. 2002 May;10(5):353-9.
  12. Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech. 2001 Jul;34(7):859-71.
  13. 13.0 13.1 13.2 Lim LA, Carmichael SW, Cabanela ME. Biomechanics of total hip arthroplasty. The Anatomical Record: An Official Publication of the American Association of Anatomists. 1999 Jun 15;257(3):110-6.
  14. 14.0 14.1 Hall M, Wrigley TV, Kean CO, Metcalf BR, Bennell KL. Hip biomechanics during stair ascent and descent in people with and without hip osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research. 2017 Jul;35(7):1505-14.
  15. Iijima H, Eguchi R, Shimoura K, Yamada K, Aoyama T, Takahashi M. Transcutaneous electrical nerve stimulation improves stair climbing capacity in people with knee osteoarthritis. Scientific reports. 2020 Apr 29;10(1):1-9.
  16. Bieler T, Kristensen AL, Nyberg M, Magnusson SP, Kjaer M, Beyer N. Exercise in patients with hip osteoarthritis–effects on muscle and functional performance: A randomized trial. Physiotherapy Theory and Practice. 2021 May 8:1-2.
  17. Burgess LC, Taylor P, Wainwright TW, Swain ID. Strength and endurance deficits in adults with moderate-to-severe hip osteoarthritis, compared to healthy, older adults. Disability and Rehabilitation. 2021 Jun 20:1-8.


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