Einführung: Biomechanik von Sport

Einführung: Biomechanik von Sportverletzungen – Teil 2
PD Dr. Kai-Uwe Schmitt
AGU Zürich – Arbeitsgruppe für Unfallmechanik
www.agu.ch
Anatomie
Knochen
[Nigg & Herzog, 1999]
Knochen – mechanische Eigenschaften
 3-Punkt-Biegeversuch
(Kompakta):



Elastischer Bereich
Plastisch Bereich
Versagen (Bruch)
[Whiting, Zernicke]
Knochen – mechanische Eigenschaften
 Kraft (Spannungs-)Dehnungs-Diagramme
[Yamada 1970]
Knochen – mechanische Eigenschaften
 Viskoelastizität:



Kriechen, Ermüdung, Hysterese
Eigenschaften sind abhängig von der Deformationsgeschwindigkeit
Höherer E-Modul bei höhere Deformationsrate
(Knochen wirkt „härter“ bzw. „stärker“)
Knochen – mechanische Eigenschaften
 Anisotropie:

E-Modul der Kompakta ist richtungsabhängig:
- In longitudinaler Richtung: 17,0·109 N/m2
- In transversaler Richtung: 11,5·109 N/m2

Max. Zug-/Druckspannungen sind richtungsabhängig:
- Zug longitudinal/transversal: 133·106 N/m2 / 51·106 N/m2
- Druck longitudinal/transversal: 193·106 N/m2 / 133·106 N/m2
[Brinkmann et al. 2002]
Knochen – mechanische Eigenschaften
 Änderung/Unterschiede der mechanischen
Eigenschaften in Abhängigkeit von:



Alter
Geschlecht
Trainingszustand
Knochen - Frakturen
Knochen - Frakturen
 Frakturen:


direkte/indirekte Krafteinleitung
Ermüdungsfrakturen
 Prinzipiell mögliche Ursachen:


Festigkeit des Knochens reduziert
Belastungsgrenze wurde überschritten
Knochen - Frakturen
 Einflussfaktoren:


Amplitude: mehr Energie >> komplexere Frakturen
Deformationsgeschwindigkeit/Einwirkdauer:
- Viskoelastisches (zeitabhängiges) Materialverhalten >>
zusätzliche (sekundäre) Risse >> Knochen kann
„explodieren“

Bereiche mit Spannungskonzentrationen
Frakturen
[Levine 2002]
Frakturen
[Levine 2002]
Frakturen
Ermüdungsfrakturen
 Veränderung der Knochenstruktur durch
Überbelastung
 Mikrotrauma:


Ermüdung >> mikroskopische Risse (microcracks)
Normalerweise Resorption des Materials um die
Mikrofraktur und Aufbau neuen Knochens >> bei
ständiger, hoher Belastung: Ungleichgewicht, höheres
Frakturrisiko
Ermüdungsfrakturen
 Vorkommen:

V.a. Tibia (Langstreckenlauf), Fuss (Tanz), Fibula
 Risikofaktoren:




Frühere Ermüdungsfraktur
Muskelermüdung
Beinlängen-Unterschied (>0,5 cm)
bei Frauen: geringere Knochendichte
Verletzungen Hüfte - Ermüdungsfraktur
 Einfluss M. gluteus medius


A: Muskel entspannt
B: Muskel kontrahiert
[Egol et al.1998]
Knieverletzungen – Bänder/Sehnen
Aufgabe der Sehnen/Bänder? Welche mech.
Eigenschaften nötig?
Bänder/Sehnen – mechanische Eigenschaften
 Viskoelastizität (Relaxation/Kriechen)
 Abhängig von Querschnittsfläche und Struktur (fehlern)
 Nicht-lineare Kraft-Deformations-Kurve
Bänder/Sehnen – mechanische Eigenschaften
Bänder/Sehnen – Verletzungen
 Ruptur
 Ermüdungsverletzung


Zyklische Belastung >> Mikrotrauma (an Kollagenfasern)
Verlust der normalen Kollagenarchitektur, Ersatz durch
amorphe Struktur >> geänderte mech. Eigenschaften,
weniger belastbar
Knieverletzungen - ACL
 Vorderes Kreuzband (ACL)

Zweitkräftigste Band im Knie (bis ca. 2,2 kN)
Verhindert Vorwärtsbewegung der Tibia relativ zum
Femur

(isolierte) ACL-Ruptur:

- Innenrotation und Hyperextension oder Aussenrotation und Valgus

Ruptur auch in Kombination mit anderen
Bandverletzungen z.B. bei seitlichen Anprall
Knieverletzungen - PCL
 Hinteres Kreuzband (PCL)



PCL kräftiger als ACL
bei 30°-Flexion am lockersten
Verletzungen nicht so häufig (nur 5-10% aller Bandrupturen am Knie)
[Peterson 2002]
Knieverletzungen - PCL
 Verletzungsmechanismen:

Tibia wird relativ zum Femur nach hinten geschoben
[Peterson 2002]
Knieverletzungen - PCL
 Verletzungsmechanismen:


Sturz auf gebeugtes Knie
plötzliche Hyperextension (Überstreckung)
[Whiting/Zernicke 1998 ,Peterson 2002]
Knieverletzungen
Knieverletzungen - ACL
 Auswertung der FIS World Cup Rennen
 “slip catch mechanism”
 “landing back-weighted”
 “dynamic snowplow”
[T. Bere et al. 2013]
Knieverletzungen - ACL
 Untersuchung mittels Computersimulationen
 Validierung mittels Video und medizinischen Daten
Knieverletzungen Computersimulationen
 Detailanalyse einzelner anatomischer Strukturen

Spannungen/Dehnungen
 Parameterstudien

Positionen, Geschwindigkeiten, ...
 Untersuchung verschiedene Therapieansätze


Z.B. verschiedene „Grafts“, Einfluss Muskelaufbau
Implikation für Rehabilitation
Knieverletzungen
 Frauen erleiden häufiger ACL-Verletzungen als
Männer

3 – 8 mal häufiger [Elliot et al. 2010, Sutton & Bullock 2013]

z.B. Basketball, Volleyball, Fussball…
 Warum?

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