Inhaltsverzeichnis: - Heller

Inhaltsverzeichnis:
Abkürzungsverzeichnis: ........................................................................................ 7
1. Ziele der Biomechanik in der Physiotherapie...................................................... 10
1.1 Inhaltliche Schwerpunkte der Biomechanik ................................................ 10
1.2 Arbeitsweisen der Biomechanik.................................................................. 15
1.3 Auswirkungen von Bewegung und Haltung
auf den Bewegungsapparat ........................................................................ 16
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ........................................... 17
Antworten: ................................................................................................................. 18
2. Physikalische Grundlagen .................................................................................. 19
2.1 Newtonsche Axiome ................................................................................... 19
2.2 Kraft ............................................................................................................ 20
2.3 Kraftsysteme ............................................................................................... 27
2.4 Translation und Rotation............................................................................. 32
2.5 Schwerpunkt ............................................................................................... 33
2.6 Gleichgewicht.............................................................................................. 38
2.7 Hebelmechanik ........................................................................................... 40
2.8 Rolle............................................................................................................ 50
2.9 Druck........................................................................................................... 56
2.10 Arbeit........................................................................................................... 60
Was Dozenten zu diesen Themen gerne gefragt haben: .......................................... 64
Antworten: ................................................................................................................. 69
3. Funktion von Muskeln unter biomechanischen Gesetzmäßigkeiten ................... 77
3.1 Die Wirkung von Muskelkraft und Teilgewichtskräften
auf ein Gelenk............................................................................................. 77
3.2 Funktionsumkehr ........................................................................................ 81
3.3 Funktionsbeispiele ...................................................................................... 82
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ........................................... 84
Antworten: ................................................................................................................. 85
4. Kinematik des Gehens ........................................................................................ 87
4.1 Einblick in die Ganganalyse........................................................................ 87
4.2 Das Gleichgewicht im Gang........................................................................ 91
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ........................................... 93
Antworten: ................................................................................................................. 94
5. Belastung und Beanspruchung im Körper .......................................................... 95
5.1 Belastung und Beanspruchung der Wirbelsäule ......................................... 95
5.2 Berechnung der Beanspruchung verschiedener Körperstrukturen ............. 96
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ......................................... 102
Antworten: ............................................................................................................... 103
6. Anthropometrie ................................................................................................. 105
6.1 Konstitution ............................................................................................... 105
6.2 Einfluss der Konstitution auf das Bewegungsverhalten des Menschen.... 107
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ......................................... 109
Antworten: ............................................................................................................... 110
7. Biomechanische Messverfahren ....................................................................... 111
7.1 Messmethodische Gütekriterien ............................................................... 111
7.2 Methoden .................................................................................................. 111
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ......................................... 115
Antworten: ............................................................................................................... 116
8
8. Transfer biomechanischer Erkenntnisse in
physiotherapeutische Fachgebiete ................................................................... 117
8.1 Biomechanische Belastungen in der Befundaufnahme ............................ 117
8.2 Biomechanische Erkenntnisse in der ..............................................................
physiotherapeutischen Behandlung.......................................................... 118
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben: ......................................... 120
Antworten: ............................................................................................................... 121
Literaturverzeichnis: ................................................................................................ 122
9
1.
Ziele der Biomechanik in der Physiotherapie
Definition Biomechanik:
Die Biomechanik ist die Anwendung mechanischer und physikalischer
Gesetzmäßigkeiten auf das Bewegungssystem des Menschen. Die Biomechanik
betrachtet und untersucht die Auswirkung von Kräften auf Funktionen und Strukturen
des Bewegungsapparates.
Die Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik und betrachtet Phänomene aus dem
Bereich der Statik und der Dynamik:
Statik: Körper, die sich in Ruhe befinden, die angreifenden Kräfte sind im
Gleichgewicht
Dynamik: Körper, die sich in Bewegung befinden; untersucht werden Kräfte, die
eine Bewegung verursachen und zu welchen Kräften eine Bewegung führt;
• Kinetik: Die Kinetik ist eine Betrachtungsweise der Dynamik, die die Änderung
von Bewegungsgrößen (Weg, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung)
beschreibt, Kräfte analysiert, die Bewegungen hervorrufen, die physikalisch
messbar und quantifizierbar sind.
• Kinematik: Die Kinematik ist ein Teilgebiet der Dynamik und beschäftigt sich mit
der qualitativen Bewegungsbeschreibung in Raum und Zeit ohne die Ursachen
der Bewegung (Kräfte) zu betrachten. Es werden beschreibende Adjektive wie
z. B. Bewegungspräzision, -konstanz und –genauigkeit verwendet.
(Definitionen werden gerne im Examen gefragt!)
1.1
Inhaltliche Schwerpunkte der Biomechanik
Es gibt zahlreiche Bereiche, in denen man sich biomechanische Erkenntnisse zu
nutzen macht:
(Man sollte biomechanische Betrachtungsweisen kennen)
Prävention
Ziel der Prävention ist es Krankheiten zu verhindern, in frühem Stadium zu erkennen
und eine weitere Verschlechterung zu vermeiden.
Aufgrund biomechanischer Untersuchungen kann man mechanische Eigenschaften
bestimmter Gewebsstrukturen bestimmen. In der Prävention ist es wichtig, dass man
genau weiß, welche Einwirkungen und Einflüsse am Gewebe zu Schädigungen
führen.
Durch Erkenntnisse über physiologische Bildungsreize und Gesetzmäßigkeiten von
Körperstrukturen (Knochen, Knorpel, Bandscheibe, Muskulatur) kann man gezielt
Schaden abwenden und somit präventiv vorgehen.
Jedes Gewebe benötigt physiologische Bildungsreizen, um sich auf seine Funktion
optimal einzurichten. (wichtig)
• Muskulatur: Wechsel zwischen konzentrischer und exzentrischer Kontraktion:
Muskelspannung, Einwirkung der Schwerkraft
• Knochen: gleichmäßiger Druck und Zug (durch Muskulatur): Wechsel aus Druck
und Entlastung
• Knorpel: gleichmäßiger hydrostatischer intermittierender Druck
• Ligamente: unterschiedlich starker Zug
10
Rehabilitation
Ziel der medizinischen Rehabilitation ist es, die körperlichen, psychischen und
physischen Funktionen eines Menschen bestmöglich wiederherzustellen und ihm
eine Teilnahme am gesellschaftlichen Leben zu ermöglichen.
Wichtige biomechanische Fragestellungen: Welche Bewegung erlaubt eine bereits
geschädigte Struktur? Welche Mechanismen führen zu einer bestimmten
Schonhaltung? Welche Strukturen können schon beansprucht werden und was muss
noch geschont werden? Welche Belastung ist in den verschiedenen Heilungsstadien
erlaubt?
In der Physiotherapie versucht man den Betroffenen zu einem „normalen
Bewegungsverhalten“ heran zu führen und ggf. Kompensationsbewegungen zu
entwickeln.
Beispiel: Hüft-TEP
Ein Physiotherapeut muss bei der Nachbehandlung eines Patienten mit einer
frischen Hüft-TEP darauf achten, dass er Bewegungen in die Adduktion und
Außenrotation an der betroffenen Hüfte vermeidet, da die stabilisierenden
Kapselstrukturen und die Muskulatur noch nicht richtig arbeiten, sodass die Hüfte
luxieren könnte.
Anthropometrie
Die Anthropometrie versucht Körpermaße und –proportionen in Normen zusammen
zu fassen und sie somit für Wissenschaften nutzbar zu machen. Diese Erkenntnisse
dienen beispielsweise der ergonomischen Gestaltung von Arbeitsplätzen oder der
Medizin. In der Physiotherapie nutzen wir die genormten Bezeichnungen für
Körperbewegungen und Körperachsen.
Es werden drei Bewegungsebenen unterschieden:
Frontalebene:
Der Körper wird in eine vordere und hintere Hälfte geteilt.
Abb.: Frontalebene
Bewegungen in der Frontalebene spielen sich immer in der Vorderansicht ab.
• Adduktion (Bewegung zum Körper hin)
• Abduktion (Bewegung vom Körper weg)
• Lateralflexion (Seitbeugung im Rumpf oder Halswirbelsäule)
11
2.
Physikalische Grundlagen
2.1
Newtonsche Axiome
Ein Axiom ist ein Naturgesetz und somit eine Ableitung aus der Natur, das keinen
Beweis benötigt!
Die Axiome nach Newton werden als Grundlagen der klassischen Mechanik
angesehen und stellen das Fundament mechanischer Gesetzmäßigkeiten dar.
Deshalb werden die Axiome hier an erster Stelle erwähnt.
2.1.1
Trägheitsgesetz: 1. Newtonsches Axiom
• ein Körper befindet sich im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung,
solange keine Kräfte auf den Körper einwirken
• von einer gleichförmigen Bewegung spricht man wenn die Geschwindigkeit oder
die Beschleunigung konstant ist
• diesen Zustand findet man auf der Erde eigentlich nie, da immer Kräfte (siehe
Schwerkraft) auf einen Körper wirken
2.1.2
Das Aktionsprinzip: 2. Newtonsches Axiom
= Grundgleichung der Mechanik
Da „F“ ein Vektor ist, muss in Klausuren unbedingt ein Vektorpfeil über dem
Buchstaben „F“ stehen!
• das Gesetz besagt, dass die Änderung der Bewegung einer bestimmten Masse
proportional zu der einwirkenden Kraft ist
(wichtig im Examen)
Kraft = Masse ∗ Beschleunigung
F=m∗a
= [kg ∗ m/s2 ] gemessen in [N]
Die Kraft 1N bewirkt an einem Kilogramm die Beschleunigung 1m/ s2
• Was ist Beschleunigung?
v2 und v1 sind Geschwindigkeiten! v1 ist die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t = 1 und
v2 ist die Geschwindigkeit zu Zeitpunkt t = 2!
• a = Geschwindigkeitsänderung / Zeit = Δv / t
• Δv = v2 - v1
• [m/s] / [s] = [m/s2]
Bemerkung: die eckigen Klammern zeigen, dass es sich um eine Einheit handelt
Exkurs: Die Gewichtskraft als Vektor
FG = m ∗ g
g: Gravitation/ Erdanziehung = 9,81m/ s2 ≅ 10 m/ s2
Beispiel:
m = 60kg
FG = m ∗ g = 60kg ∗ 10 m/s2 = 600N
Hinweis:
Alle Angaben immer umrechnen in m/kg/s – System
19
2.1.3
Das Reaktionsprinzip: 3. Newtonsches Axiom
• wenn auf einen Körper, der sich im Zustand der Ruhe befindet eine bestimmte
Kraft ausgeübt wird, muss dieser Körper eine genau so große Kraft entgegen
setzen (damit ist ein Körper in Ruhe, obwohl Kräfte auf ihn wirken!)
• es gilt immer ACTIO = REACTIO, dass heißt, Kräfte treten immer paarweise,
bedingen sich und stehen in Wechselwirkung zueinander
2.2
Kraft
= die Ursache für eine Veränderung des Ruhe- und Bewegungszustandes oder der
Gestalt nennt man Kraft. (examensrelevant)
Eine Kraft ist eine vektorielle Größe und wird festgelegt durch:
• Richtung, Lage im Raum
• Angriffspunkt
• Größe, Intensität, Betrag
Abb.: Kraft als Vektor
Man nennt die Linie auf der die Kraft wirkt auch Wirkungslinie.
Die Kraft lässt sich durch ihre Wirkungslinie definieren und sie lässt sich auf ihrer
Wirkungslinie verschieben.
Bsp.: Wenn man an einer Schnur zieht, kann man die Schnur kürzer oder länger
nehmen, ohne dass sich die Wirkung an dem befestigten Gegenstand verändert.
Hinweis:
Ein Vektor ist abzugrenzen von einem Skalar. Ein Skalar ist durch einen einzigen
Zahlenwert gekennzeichnet und ist eine ungerichtete Größe. Ein Skalar besteht aus
einer Maßzahl und einer Einheit.
Beispiele: Temperatur (24°C), Zeit (3h), Länge (5m), Winkel (45°), ...
Resultierende Kraft:
= Äquivalent zweier oder mehrer Kräfte, die deren Wirkungen an einem Körper
darstellt.
Der Schnittpunkt aller Wirkungslinien der Teilkräfte ist der Ansatzpunkt der
Gesamtresultierenden.
20
2.2.1
Die Muskelkraft
= aufgrund eines elektrischen Impulses kommt es zur Depolarisation der
Muskelzellmembran und über elektromechanische Kopplung zur Kontraktion eines
Muskels. Man unterscheidet eine isotonische Kontraktion mit Verkürzung der
Muskelfasern, eine isometrische Kontraktion wobei die Muskellänge gleich bleibt und
eine auxotonische Kontraktion (Kombination aus isometrischer und isotonischer
Kontraktion, bei Kontraktion verändert sich Muskellänge und Muskelspannung).
Man unterscheidet drei Hauptformen der Muskelkraft:
• Maximalkraft: höchste Kraft die gegen Widerstand ausgeführt werden kann
• Schnellkraft: größtmögliche Kontraktionsgeschwindigkeit mit der Widerstände
überwunden werden können (erzeugen einer großen Spannung in möglichst
kurzer Zeit)
• Kraftausdauer, Ausdauerkraft: möglichst lange Erhaltung bzw. viele
Wiederholungen einer Kraftleistung ohne zu ermüden; bei der Kraftausdauer
überwiegt die Kraftleistung und bei der Ausdauerkraft liegt der Schwerpunkt bei
der Ausdauerleistung
Weiter Kraftformen:
• Reaktivkraft: die Muskulatur entwickelt aus einer exzentrischen (abbremsenden)
Kontraktion in sehr kurzer Zeit eine große konzentrische Kraft
• Explosivkraft: möglichst schnelle, explosive Kraftentfaltung (Explosivkraft ist vor
allem bei großen Widerständen wichtig) z.B. Gewichtsheber, Kuglstoßer
Man unterscheidet folgende Kontraktionsformen der Skelettmuskulatur:
1. Isometrische Kontraktion:
• Spannungsentwicklung, ohne dass sich die Länge des Muskels ändert
In vivo: reine Haltearbeit ohne Gelenkbewegung.
2. Isotonische Kontraktion:
• eine isotonische Kontraktion ist eine Muskelverkürzung mit Gelenkbewegung
• bei der Muskelverkürzung bewegen sich die Sarkomere aufeinander zu, es
entsteht eine Bewegung
• der Muskeltonus ändert sich während der Bewegung kaum
• kontraktile Elemente verkürzen sich, die serienelastischen behalten ihren
Dehnungszustand bei
In vivo: Kommt streng genommen nicht vor, da bei Muskelverkürzungen Gelenke
bewegt werden. Dadurch ändern sich die wirkenden Drehmomente.
3. Auxotonische Kontraktion:
• Länge und Spannung des Muskels ändern sich
• die auxotonische Kontraktion tritt auf, wenn sich der Muskel dynamisch
exzentrisch und konzentrisch verkürzt und verlängert
• die Spannung im Muskel ändert sich während der Bewegung aufgrund
unterschiedlicher Bewegungsgeschwindigkeit und Hebelverhältnisse der
Muskulatur
21
4. Unterstützungskontraktion:
• zweiphasige Kontraktionsform
• zuerst erfolgt eine isometrische Kontraktion und bei weiterer
Spannungsentwicklung und Verkürzung des Muskels eine auxotonische
Kontraktion
• Bsp.: Heben eines schweren Eimers
5. Anschlagskontraktion:
• zuerst auxotonische, dann isometrische Kontraktion
• anfangs bewegte Last schlägt gegen einen Widerstand
• Bsp.: Faust schlägt gegen Wand, Kaubewegung (Ober- und Unterkiefer bewegen
sich aufeinander zu und sobald die Zähne den harten Gegenstand beißen kommt
es zu einer Muskelverkürzung ohne Bewegung)
6. Konzentrische Kontraktion:
• der Muskel verkürzt sich, Sarkomere bewegen sich aufeinander zu
• Ursprung und Ansatz nähern sich an
7. Exzentrische Kontraktion:
• Der Muskel verlängert sich unter Anspannung
• der Muskel verlängert sich unter Anspannung, dass heißt er bremst eine Dehnung
durch äußere Kräfte (Bsp.: Scherkraft) ab
• Bsp.: Setzen: beim Hinsetzen wird das Kniegelenk gebeugt, Urpsrung und Ansatz
des M. quadrizeps verlängern sich, der Muskel arbeitet exzentrisch gegen die
Schwerkraft
2.2.2
Die Reibungskraft
= die Reibungskraft FR ist eine Kraft, die dafür sorgt, dass eine Bewegung verzögert
wird. Die Reibungskraft wirkt entgegen der Bewegungsrichtung.
Merke:
Die Reibungskraft wirkt parallel zur Berührungsfläche und ist der Bewegung
entgegen gerichtet. Die Reibungskraft wird in Newton [N] gemessen.
Die Reibungskraft stellt immer einen Bruchteil der Normalkraft FN dar und ist
unabhängig von der Kontakt- bzw. Berührungsfläche.
FR = μ FN [N]
• Jede Kraft, die auf eine Fläche einwirkt kann in eine Normalkraft FN und in eine
Querkraft (erzeugt Scherkräfte) zerlegt werden. Die Normalkraft wirkt immer
senkrecht auf die Fläche ein und erzeugt Druck- oder Zugspannung.
• μ: („müh“) Reibungszahlkoeffizient, der von der Beschaffenheit der Oberfläche
abhängt, d.h. wie groß die Widerstände sind, die zwischen den Berührungsflächen
wirken.
Die Reibungszahl kann maximal so groß sein wie die Gewichtskraft des Körpers.
0<μ<1
Im Gelenk dient Synovia dazu den Reibungszahlkoeffizienten zu verkleinern.
22
Was Dozenten zu diesem Thema gerne gefragt haben:
1.
Welche Kennzeichen weißen bei einer Inspektion auf ein Ungleichgewicht
zwischen Belastung und Belastbarkeit hin? (siehe 8.1.1)
2.
Arthrose entsteht aus einem Ungleichgewicht von Belastung und
Beanspruchbarkeit! Welche körperlichen Belastungsreaktionen lassen sich im
Röntgenbild erkennen? (siehe 8.1.2)
3.
Worauf sollten Sie als Physiotherapeut achten, wenn Sie bei belastungsstabilen
Frakturen Widerstände setzen? (siehe 8.2.1)
4.
Wann wendet man aus biomechanischen Gesichtspunkten Traktion an? Nennen
Sie drei mögliche Indikationen! (siehe 8.2.2)
120
Antworten:
zu 1.
• übermäßige Hornhautbildung
• Blasen und Schwielen
• Schon- und Fehlhaltungen
• Achsdeformitäten
• ungleichmäßig abgenutztes Schuhwerk
zu 2.
• Knorpel ist aufgeraut und wird dünner
• Reaktive Synovitis/ Aktivierte Arthrose
• Osteophyten
• Subchondrale Sklerosierung
• Zysten
zu 3.
• bei gelenknahen Frakturen muss ein Physiotherapeut bei der Nachbehandlung
darauf achten, dass nur bei übungsstabilen Frakturen Widerstände gegeben
werden
• Widerstände bei Frakturen sind immer so zu setzen, dass auf den Frakturspalt
keine Zug- und Scherkräfte wirken
• die Widerstände bei gelenknahen stabilen Frakturen werden proximal der
Frakturen gesetzt
zu 4.
• Schmerzlinderung
• Arthrose
• zur Erweiterung der Bewegungsmöglichkeiten
121