Kinematik und Gelenkbiomechanik

Die Kinematik beschreibt, wie sich Körpersegmente und Gelenke bewegen – ihre Position, Verschiebung, Geschwindigkeit und die Rotationsachsen –, während die Gelenkbiomechanik die Kräfte und Momente analysiert, die diese Bewegung erzeugen und ihr widerstehen. Zusammen quantifizieren sie, wie das muskuloskelettale System muskuläre Anstrengung in kontrollierte, lasttragende Bewegung umwandelt.

Definition

Kinematik ist die Beschreibung von Bewegung – Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Segmenten und Gelenken – ohne Bezugnahme auf die beteiligten Kräfte; Gelenkbiomechanik erweitert dies auf die Kinetik, die Analyse der Kräfte, Momente und Muskelaktionen, die Gelenkbewegung erzeugen und ihr widerstehen.

Scope

Das Thema umfasst die Beschreibung der Gelenkbewegung (Freiheitsgrade, Ebenen und Achsen, Bewegungsumfang), die Analyse von Gelenkkräften und -momenten (Kinetik) sowie die Art und Weise, wie Muskeln, Sehnen und Gelenkgeometrie zusammenwirken, um Bewegung zu erzeugen, einschließlich der rechnerischen Modellierung, die zur Schätzung von Größen verwendet wird, die nicht direkt gemessen werden können. Es handelt sich um eine methodische und analytische Referenz, nicht um eine klinische Leitlinie.

Core questions

• Wie wird die Gelenk- und Segmentbewegung in Bezug auf Freiheitsgrade, Ebenen und Achsen beschrieben?
• Wie werden Gelenkkräfte und -momente aus Bewegung und externen Lasten abgeleitet?
• Wie wirken Muskelkraft, Hebelarm und Gelenkgeometrie zusammen, um Bewegung zu erzeugen?
• Wie werden rechnerische muskuloskelettale Modelle zur Schätzung der internen Mechanik verwendet?

Key concepts

• Freiheitsgrade und Gelenkachsen
• Bewegungsebenen und Bewegungsumfang
• Hebelarm und Gelenkdrehmoment
• Kinematik versus Kinetik
• Inverse und Vorwärtsdynamik
• Muskuloskelettale Modellierung und Simulation

Key theories

Muskelsehnen-Modellierung nach Hill

Die Muskelkrafterzeugung in der biomechanischen Analyse wird üblicherweise durch Hill-Typ-Modelle dargestellt, bei denen ein kontraktiles Element mit Kraft-Längen- und Kraft-Geschwindigkeits-Eigenschaften in Reihe mit einer elastischen Sehne wirkt, was die Simulation ermöglicht, wie Muskeln die Gelenkbewegung antreiben.

Inverse und Vorwärtsdynamik

Die Gelenkkinetik wird entweder durch inverse Dynamik, die die zur Erzeugung der beobachteten Bewegung erforderlichen Nettogelenkmomente berechnet, oder durch Vorwärtsdynamik, die die Bewegung aus angenommenen Muskelkräften vorhersagt, analysiert, was komplementäre Wege zwischen Bewegung und den sie verursachenden Kräften bietet.

Mechanisms

Die Gelenkbewegung wird durch die Anzahl der unabhängigen Möglichkeiten, wie sich ein Gelenk bewegen kann (Freiheitsgrade), und durch die Ebenen und Achsen, um die es sich dreht, beschrieben, wobei der Bewegungsumfang durch die Gelenkgeometrie und Weichteilbeschränkungen begrenzt ist. Die die Bewegung antreibenden Kräfte stammen von Muskeln, deren Wirkung auf ein Gelenk von der von ihnen erzeugten Kraft und ihrem Hebelarm abhängt – dem senkrechten Abstand von der Wirkungslinie zur Gelenkachse –, so dass das Gelenkdrehmoment das Produkt aus Muskelkraft und Hebelarm, summiert über alle Muskeln, ist. Da interne Muskel- und Gelenkkontaktkräfte bei lebenden Probanden nicht direkt gemessen werden können, verwenden Biomechaniker die inverse Dynamik, um die Nettogelenkmomente aus gemessener Bewegung und externen Kräften zu berechnen, und muskuloskelettale Modelle mit Hill-Typ-Aktuatoren, um individuelle Muskelbeiträge durch Simulation abzuschätzen.

Clinical relevance

Die kinematische und kinetische Analyse bildet die Grundlage für das orthopädische Verständnis der normalen und veränderten Gelenkfunktion, die Begründung für rekonstruktive Verfahren und die Bewertung der Bewegung nach Verletzungen oder Operationen. Das Thema beschreibt, wie Bewegung und Gelenkbelastung gemessen und modelliert werden, und ist keine Grundlage für die Verschreibung von Behandlungen oder Rehabilitation für eine Einzelperson.

Evidence & guidelines

Gelenkkinematik und biomechanische Analyse basieren auf der Mechanik und werden durch experimentelle und rechnerische Studien validiert; Standardmethoden sind in Biomechanik-Lehrbüchern und in weit verbreiteten Open-Source-Modellierungsrahmenwerken konsolidiert und nicht in klinischen Leitlinien.

History

Die quantitative Untersuchung der menschlichen Bewegung entwickelte sich aus der frühen Bewegungsfotografie und der Anwendung der Starrkörpermechanik auf das Skelett. Im späten zwanzigsten Jahrhundert reiften instrumentierte Ganganalyse und Inverse-Dynamik-Methoden, und im einundzwanzigsten Jahrhundert machten Open-Source-Modellierungs- und Simulationsplattformen für das muskuloskelettale System detaillierte Schätzungen der internen Gelenk- und Muskelmechanik weithin zugänglich.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Kinematik und Kinetik?

Kinematik beschreibt die Bewegung selbst – Positionen, Winkel, Geschwindigkeiten – ohne Bezug auf ihre Ursachen, während Kinetik die Kräfte und Momente analysiert, die diese Bewegung erzeugen und ihr widerstehen.

Warum werden in der Gelenkbiomechanik rechnerische Modelle verwendet?

Da interne Muskel- und Gelenkkontaktkräfte bei lebenden Menschen nicht direkt gemessen werden können, schätzen muskuloskelettale Modelle und Simulationen diese Größen aus messbaren Bewegungen und externen Lasten ab.