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Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne – Problemstellung und Konzeptentwurf

Masterarbeit 2007 172 Seiten

Medizin - Biomedizinische Technik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Anatomie und Histologie
2.1 Stützgewebe
2.1.1 Knorpelgewebe
2.1.2 Knochengewebe
2.1.3 Vergleich Knochen – Knorpel
2.2 Muskelgewebe
2.2.1 Glattes Muskelgewebe
2.2.2 Quergestreiftes Muskelgewebe
2.3 Achsen, Ebenen und Orientierungsbezeichnungen
2.3.1 Körperachsen und Körperebenen.
2.3.2 Lage- und Richtungsbezeichnungen
2.3.3 Bewegungsrichtungen des Rumpfes und der Extremitäten
2.4 Anatomie des Hüftgelenks
2.4.1 Gelenkpfanne
2.4.2 Gelenkkopf
2.4.3 Ausrichtung des Gelenks
2.4.4 Gelenkkapsel
2.4.5 Mechanik
2.4.6 Gefäßversorgung
2.4.7 Innervation
2.5 Ärztliche Topographie und Zugänglichkeit

3. Werkstoffe und Hüftpfannen
3.1 Werkstoffe
3.1.1 Metalle
3.1.2 Keramiken
3.1.3 Kunststoffe
3.2 Werkstoffeignung
3.2.1 Anforderungen an Implantate
3.2.2 Anforderungen an Implantatwerkstoffe
3.2.3 Gestaltungseinfluss
3.2.4 Beurteilung
3.2.5 Ergebnisse
3.3 Hüftpfannen
3.3.1 Zementierte Hüftpfannen
3.3.2 Zementfreie Hüftpfannen
3.3.3 Material und Oberfläche
3.3.4 Osseointegration
3.3.5 Ergebnisse

4. Biomechanik
4.1 Kontaktkraft im Hüftgelenk
4.1.1 Das Rechenmodell von Pauwels
4.1.2 Einfluss von Anatomie und Muskelfunktion auf die Kontaktkraft
4.2 Gelenkdruck
4.3 Knochenumbau
4.4 Endoprothesen
4.5 Belastung des Hüftgelenks bei komplexen Aktivitäten
4.5.1 Kraftberechnung
4.5.2 Kraftmessung
4.5.3 Spannungsberechnung
4.6 In vivo wirkende Kräfte im Hüftgelenk
4.6.1 Stehen
4.6.2 Gehen und Joggen
4.6.3 Treppensteigen
4.6.4 Aufstehen und Hinsetzen
4.6.5 Kniebeugen
4.6.6 Krankengymnastik
4.6.7 Gehen mit Unterarmgehstützen.
4.6.8 Stolpern
4.6.9 Fahrrad fahren
4.6.10 Einfluss von Schuhwerk und Bodenmaterial
4.6.11 Belastungsrichtungen
4.6.12 Drehbelastung von Hüftimplantaten
4.7 Erwärmung von Hüftimplantaten
4.8 Bewegungsumfang
4.8.1 Implantatposition
4.8.2 Implantatdesign
4.8.3 Ergebnisse

5. Konzeptentwurf
5.1 Stand der Technik
5.1.1 Zementierte Hüftpfannen
5.1.2 Zementfreie Hüftpfannen
5.2 Optimierung der Druck- und Zugverteilung
5.2.1 Arbeitshypothese
5.2.2 Einflussfaktoren
5.2.3 Ordnungsschema am Beispiel von zwei Einflussfaktoren
5.2.4 Anforderungslisten

6. Zusammenfassung und Ausblick

7. Literaturverzeichnis

A. Abbildungsverzeichnis

B. Tabellenverzeichnis

C. Abkürzungsverzeichnis und verwendete Formelzeichen

1. Einleitung

Allein in Deutschland erhalten jährlich rund 200.000 Menschen ein künstliches Hüft- gelenk, weltweit sind es etwa 1,5 Millionen. Das Ziel eines solchen Hüftgelenkersat- zes ist eine möglichst dauerhafte und optimale Wiederherstellung der Funktion des betroffenen Gelenks.

Eine durch Abnutzung, Fehlbildung oder Unfall verursachte Hüftgelenksarthrose er- fordert häufig den vollständigen Gelenkersatz. Die hierfür verwendete Totalen- doprothese (TEP) besteht aus einer in den Beckenknochen zu implantierenden künstlichen Hüftpfanne sowie aus einer Schaftprothese mit Kugelkopf, die in den Oberschenkelknochen eingesetzt wird. Während die Schaftprothese entweder in den Knochen einzementiert oder dort verklemmt wird, kann die künstliche Hüftpfanne auch eingeschraubt werden. Bei den zementfrei zu implantierenden Hüftpfannen un- terscheidet man daher zwischen Pressfit- und Schraubpfannen. Als Implantatwerk- stoffe werden hauptsächlich Metalle wie Titan und seine Legierungen, Keramiken sowie Kunststoffe wie Polyethylen verwendet.

Zahlreiche aktuelle Hüftendoprothesen sind modular aufgebaut. Hierdurch lassen sich die beteiligten Implantatkomponenten so miteinander kombinieren, dass z. B. durch die gezielte Auswahl der Gleitpaarung, also der Materialpaarung von Kugel- kopf und Pfanneneinsatz, eine Verbesserung des Bewegungsumfangs und der Stabi- lität des künstlichen Hüftgelenks erreicht werden kann.

Aufgrund der gestiegenen Lebenserwartung und durch die Erweiterung der Indikatio- nen für die Implantation von künstlichen Gelenken insbesondere auf jüngere Patien- ten müssen für moderne Hüftendoprothesen deutlich verlängerte Standzeiten ge- währleistet werden. Die mit Abstand häufigste Ursache für ein Implantatversagen mit nachfolgender Wechseloperation ist dabei die aseptische Prothesenlockerung. Ur- sächlich hierfür sind vor allem Abriebprodukte aus Polyethylen, die in das Implantat- Knochen-Interface eindringen und dort zu einer Knochenresorption führen. Eine be- friedigende Lösung für dieses Problem gibt es trotz jahrelanger Forschung auf die- sem Gebiet bislang nicht.

Bei der Entwicklung von künstlichen Hüftpfannen spielt die Geometrie des Hüftge- lenks eine entscheidende Rolle. Da die natürliche Gelenkpfanne annähernd halbku- gelförmig ist, bietet sich diese Form auch für die Implantate an. Eine höhere Stabilität im knöchernen Lager besitzen hingegen konische, parabole oder elliptische Pfannen- formen.

Das verwendete Material und die Beschaffenheit der Schalenoberfläche sind nur zwei von vielen weiteren Faktoren, die einen Einfluss auf die Langzeitstabilität von künstlichen Hüftpfannen haben. Nicht zuletzt ist auch die Kinematik der Pfannen- schale, d. h. ihre Implantationsrichtung für eine optimale Fixierung des orthopädi- schen Knochenimplantats und einen ausreichenden Bewegungsumfang im künstli- chen Hüftgelenk von Bedeutung.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den zahlreichen Einflussfaktoren auf künstliche Hüftpfannen. Dies soll einen Aufschluss über Stabilitätskriterien des Hüft- gelenkersatzes geben, die im Optimierungsprozess von künstlichen Hüftpfannen von Bedeutung sein können.

Im zweiten Kapitel wird zunächst die Anatomie und Histologie des Hüftgelenks und dessen Gewebe erläutert. Weiterhin werden Termini technici und wichtige Orientie- rungsbezeichnungen erklärt. Das dritte Kapitel befasst sich anschließend mit den unterschiedlichen Hüftpfannentypen, ihren Werkstoffen und deren Eignung für einen dauerhaften Verbleib im menschlichen Körper. Im vierten Kapitel wird dann näher auf die Biomechanik des Hüftgelenks eingegangen. Die anhand von Berechnungsverfah- ren und Messsystemen ermittelten, im natürlichen und künstlichen Hüftgelenk wir- kenden Kräfte werden für verschiedene Aktivitäten analysiert. Außerdem werden die Einflussfaktoren auf den Bewegungsumfang und die Stabilität des künstlichen Hüft- gelenks ermittelt und näher betrachtet. Das fünfte Kapitel enthält schließlich den Konzeptentwurf für eine Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne, der sich in zwei Teile gliedert. Zunächst wird der aktuelle Stand der Technik für zementierte und zementfrei zu implantierende Hüftpfannen beschrieben. Anschließend wird die Arbeitshypothese formuliert und anhand eines Ordnungsschemas am Beispiel von zwei zuvor als wesentlich ermittelten Einflussfak- toren begründet. In Anforderungslisten werden zudem einige Forderungen und Wün- sche für modulare Pressfit- und Schraubpfannen festgelegt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit fließen im Rahmen des Projektes RomEo, an dem die Helmut-Schmidt-Universität und das Berufsgenossenschaftliche Unfallkrankenhaus Hamburg beteiligt sind, in ein Teilprojekt zur Optimierung und Weiterentwicklung des Hüftgelenkersatzes ein.

2. Anatomie und Histologie

2.1 Stützgewebe

Als typische Stützgewebe gelten vor allem das Knorpel- und das Knochengewebe. Sie enthalten überwiegend kollagene Fasern und besitzen damit die Zugfestigkeit von Bindegewebsstrukturen. Durch besondere Ausbildung der Extrazellularmatrix beim Knorpel und durch Einlagerung von Kalksalzen beim Knochen wird zusätzlich die Druckfestigkeit erhöht.

2.1.1 Knorpelgewebe

Knorpelgewebe kommt hauptsächlich im Skelett und in den Luftwegen vor. Kenn- zeichnend für dieses Stützgewebe sind die Knorpelzellen (Chondrozyten), die mehr oder weniger abgerundet sind, in kleinen Gruppen (Chondrone) in der Knorpelgrund- substanz (Extrazellularmatrix) liegen und sich gegenseitig nicht berühren. Siehe hier- zu Abb. 2.1. Je nach Art und Menge der Fasern unterscheidet man zwischen hyali- nem Knorpel, elastischem Knorpel und Faserknorpel. Beim Erwachsenen sind alle drei Knorpelarten frei von Blutgefäßen. Ihre Versorgung mit Nährstoffen erfolgt durch Diffusion; entweder durch eine gefäßführende Knorpelhaut (Perichondrium) oder di- rekt durch die Gelenkflüssigkeit (Synovia), wie es beim hyalinen Gelenkknorpel der Fall ist. Die Knorpelentwicklung geht vom Perichondrium aus, allerdings ist die Re- generationsfähigkeit von Knorpel sehr gering. Fehlt das Perichondrium, wie beim hy- alinen Gelenkknorpel, findet gar keine Neubildung statt. Knorpel zeichnet sich wei- terhin durch eine hohe Druckfestigkeit aus, er ist viskoelastisch verformbar und be- sitzt einen hohen Widerstand gegenüber Scherkräften.

Hyaliner Knorpel sieht in frischem Zustand bläulich-milchig aus und wird aufgrund seiner durchscheinenden Beschaffenheit häufig als glasartig bezeichnet. Er überzieht als Gelenkknorpel die Gelenkflächen, bildet den Rippenknorpel, einen Teil der Na- senscheidewand, das Kehlkopfskelett und die Spangen der Luftröhre sowie der gro- ßen Bronchien. Während der Embryonalperiode wird der größte Teil des späteren knöchernen Skeletts knorpelig vorgebildet. Beim Heranwachsenden bestehen die Wachstumsfugen (Epiphysenfugen) innerhalb der Röhrenknochen aus hyalinem Knorpel, der erst nach Abschluss des Wachstums durch Knochen ersetzt wird. Der hyaline Gelenkknorpel besitzt als einziger Knorpel keine Knorpelhaut (Perichondri- um), weswegen er nach seiner Zerstörung durch entzündliche oder degenerative Prozesse nicht neu aufgebaut werden kann.

Elastischer Knorpel enthält zusätzlich zu den Strukturen des hyalinen Knorpels elas- tische Fasernetze, die um die Chondrozyten verlaufen und in das angrenzende Peri- chondrium einstrahlen. Diese Knorpelart besitzt aufgrund der elastischen Fasern ein gelbliches Aussehen und kommt beim Menschen nur in der Ohrmuschel, in Teilen des Kehlkopfskeletts, im Kehldeckel (Epiglottis) sowie in der Ohrtrompete (Tuba au- ditiva) vor.

Der Faser- oder Bindegewebsknorpel enthält im Gegensatz zum hyalinen Knorpel deutlich mehr Kollagenfasern und findet sich überall dort, wo Sehnen oder Bänder auf Druck beansprucht werden, so z. B. in den äußeren Faserringen (Anuli fibrosi) der Zwischenwirbelscheiben (Disci intervertebrales) sowie in den Gelenkzwischen- scheiben (Disci articulares / Menisci articulares).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Verschiedene Knorpelgewebe [62] a Hyaliner Knorpel b Elastischer Knorpel c Faserknorpel

2.1.2 Knochengewebe

Das Knochengewebe ist als Baumaterial der Knochen bzw. des Skeletts das Haupt- stützgewebe und abgesehen vom Zahnmaterial die härteste Substanz des menschli- chen Körpers. Der Knochen selbst besitzt eine hohe Druck- und Zugfestigkeit und ist außerordentlich widerstandsfähig gegenüber Biegebeanspruchung. Er wird außer im Bereich des Gelenkknorpels von einer Knochenhaut (Periost) überzogen, von der z. B. nach einer Knochenfraktur die Knochenbruchheilung ihren Ausgang nimmt.

Die eigentlichen Knochenzellen (Osteozyten) bleiben im Gegensatz zu den Knorpel- zellen (Chondrozyten) miteinander in Kontakt, indem sie sich mit zahlreichen feinsten Zellfortsätzen berühren, die in ebenso feinen Knochenkanälchen (Canaliculi) liegen. Sie sind rundherum von einer Knochengrundsubstanz (Extrazellularmatrix) umgeben, die bezüglich ihrer Zusammensetzung und Anordnung einige Besonderheiten auf- weist. Die Extrazellularmatrix ist reich an Kollagenfasern, die in einer mit anorgani- schen Salzen angereicherten Grundsubstanz verlaufen. Sie besteht zu 20 % bis 25 % aus Wasser, zu 25 % bis 30 % aus organischer und zu ca. 50 % aus anorgani- scher Substanz. Die anorganische Substanz enthält dabei im Wesentlichen Kalksal- ze, vor allem Calciumphosphat und Calciumcarbonat. Die Mineralien sind in kristalli- ner Form in die Grundsubstanz eingelagert und verleihen dem Knochen eine große physikalische Härte. Seine biologische Plastizität erlangt der Knochen aufgrund einer außerordentlich guten Gefäßversorgung (Vaskularisation), die einen intensiven Stoffwechsel (Metabolismus) ermöglicht. Das starre und äußerst harte Knochenge- webe ist eine lebende Substanz, die sich veränderten statischen Bedingungen im Körper, z. B. einer neuen oder veränderten Belastungsrichtung im Knochen, durch Umbau leicht anpasst. Organische und anorganische Bestandteile durchdringen sich gegenseitig und können nur mikroskopisch voneinander unterschieden werden.

Die anorganischen Salze können durch Säure herausgelöst werden. Der Knochen ist dann schneidbar, weich und biegsam. Glüht man ihn hingegen aus, so bleibt nur das anorganische Mineralgerüst übrig und der Knochen wird brüchig.

Der Aufbau eines so genannten Lamellenknochens wird besonders gut am Quer- schnitt durch einen Röhrenknochen deutlich, siehe Abb. 2.2. Man unterscheidet hier einen äußeren dichten Knochen (Substantia compacta bzw. Compacta) von einem inneren Bälkchenknochen (Substantia spongiosa bzw. Spongiosa).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2: Aufbau von Knochengewebe am Beispiel des Oberschenkelknochens [62] a Sägeschnitt durch Kopf, Hals, großen Rollhügel und proximalen Schaft b Ausschnittsvergrößerung aus a: Schnittpräparat durch die Spongiosa c Ausschnittsvergrößerung aus b: Schnittpräparat durch die Compacta d Vereinfachte Darstellung der Zug- und Drucktrabekel der Spongiosa

Während die Compacta im gesamten äußeren Bereich des Röhrenknochens vor- kommt und im Schaft (Diaphyse) besonders gut ausgeprägt ist, bildet sich die Spon- giosa vor allem an den Enden (Epiphysen) des Knochens. Durch diese Art Leicht- bauweise wird mit einem Minimum an Material ein Maximum an Festigkeit erreicht. Zusätzlich hierzu kann sich der Knochen funktionell anpassen, indem sich die Spon- giosabälkchen (Trabekel) unter dem Einfluss von Biegebeanspruchung als Druck- und Zugtrabekel entlang der größten Druck-, Zug- und Scherbelastungen ausrichten. In den Hohlräumen zwischen den Spongiosabälkchen befindet sich das rote, blutbil- dende Knochenmark. Gelbes Knochenmark oder Fettmark hingegen ist im Bereich der Markhöhle der Diaphyse besonders ausgebildet.

Seinen Namen verdankt der Lamellenknochen dem lamellenartigen Aufbau der Sub- stantia compacta eines Röhrenknochens. Am Querschnitt wird die Verteilung der Lamellensysteme (Osteone bzw. Havers-Systeme) innerhalb der Compacta beson- ders deutlich. Wie aus Abb. 2.2 ersichtlich, befindet sich im Zentrum eines Osteons ein ernährendes Blutgefäß, um das die Osteozyten und die Extrazellularmatrix ring- förmig angeordnet sind. Die Knochenzellen liegen dabei stets zwischen den Lamel- len, in denen die Kollagenfasern spiralig angeordnet sind. Wie bereits erwähnt, ste- hen die Osteozyten untereinander über Zellfortsätze, die in winzigen Knochenkanäl- chen (Canaliculi) verlaufen, in Verbindung und können so Nährstoffe von innen, also vom Blutgefäß ausgehend, nach außen weitergeben. Die Innenwand eines im Auf- bau befindlichen Osteons wird von einer großen Anzahl Knochenbildungszellen (Osteoblasten) besiedelt, die tapetenartig eine Schicht Knochensubstanz aufbauen. In dieser röhrenförmigen Lamelle sind die Kollagenfasern parallel und spiralig einge- lagert. Zwischen den Fasern liegen in bestimmter räumlicher Anordnung die bereits erwähnten anorganischen Salze in kristalliner Form. Im Folgenden werden von innen weitere Lamellen angelegt, in denen die Kollagenfasern scherengitterartig gekreuzt zu den jeweils vorangegangenen verlaufen, bis schließlich in dem verbleibenden so genannten Havers-Kanal nur noch wenig Platz für etwas Bindegewebe und die zur Ernährung erforderlichen Blutgefäße bleibt. Ein fertig aufgebautes Osteon ist ca. 1 cm lang und besteht aus 5 bis 20 ineinander geschachtelten Röhrenlamellen. Die Osteozyten sind dabei zwischen den Knochenlamellen regelrecht eingemauert und über feinste Zellfortsätze mit den Nachbarzellen verbunden. Auch die Osteone sind durch Kanäle (Volkmann-Kanäle) miteinander verbunden, in denen arterielle Abzweigungen verlaufen, die wiederum in die Gefäße der Havers-Kanäle münden.

Innerhalb der Spongiosa ist der Knochen ebenfalls lamellenartig aufgebaut, die La- mellen selbst sind allerdings plattenförmig angeordnet. Siehe hierzu Abb. 2.2. Da Blutgefäße fehlen, erfolgt die Nährstoffversorgung der sehr stoffwechselaktiven Oste- ozyten durch Diffusion vom umgebenden Knochenmark. Hierdurch können die Spon- giosabälkchen nur eine bestimmte Dicke erreichen, die bei ca. 0,5 mm liegt.

Die Osteone der Compacta und die Knochenlamellen der Spongiosa werden ständig umgebaut und können sich so veränderten statischen Bedingungen, z. B. nach ei- nem Knochenbruch, sehr gut anpassen. Innerhalb der Compacta und der Spongiosa werden somit alte Lamellensysteme abgebaut und neue aufgebaut. Der Abbau er folgt durch hierfür spezialisierte knochenabbauende Zellen (Osteoklasten), die im Umbau befindlichen Osteone heißen Schaltlamellen.

Die Struktur des ausgebildeten (ausdifferenzierten) menschlichen Lamellenknochens entsteht nicht primär. Vielmehr wird während der Embryonalperiode und bei der Kno- chenbruchheilung zunächst so genannter Geflechtknochen gebildet. In diesem ver- laufen Blutgefäße und Kollagenfasern im Gegensatz zum Lamellenknochen völlig ungeordnet. Geflechtknochen entspricht daher einem erhärteten, faserreichen Bin- degewebe und kann wie folgt entstehen:

1. Direkt aus dem embryonalen Bindegewebe (Mesenchym) als so genannter Bindegewebsknochen (desmale bzw. direkte Ossifikation)
2. Als knorpeliges Vorskelett aus dem Mesenchym, das zum so genannten Er- satzknochen umgebaut wird (chondrale bzw. indirekte Ossifikation)

Der neu gebildete Knochen wird dabei laufend umgestaltet und passt sich so dem wachsenden Organismus an. Er wächst durch Abbau an der einen und Anbau an einer anderen Stelle. Höhere funktionelle Beanspruchung, z. B. die Zunahme an Körpergewicht, führt später zu einem Umbau in Lamellenknochen (Knochenumbau). Die meisten Knochen entstehen durch chondrale bzw. indirekte Ossifikation über ei- ne knorpelige Vorstufe. Nur einige Schädelknochen sowie das Schlüsselbein (Clavi- cula) entstehen durch desmale bzw. direkte Ossifikation. Diese kann allerdings auch im knorpelig vorgebildeten Röhrenknochen vorkommen, so z. B. in der so genannten perichondralen Knochenmanschette, die im Bereich der Diaphyse entsteht und auf deren Grundlage der Knochen in die Dicke wächst (perichondrale Ossifikation), siehe Abb. 2.3. Innerhalb des Röhrenknochens (enchondral) entsteht Knochen indirekt, indem zunächst der Knorpel durch knorpelabbauende Zellen (Chondroklasten) ab- gebaut und anschließend durch Ersatzknochen (chondrale bzw. indirekte Ossifikati- on) ersetzt wird. An den Übergängen der Diaphyse zu den Epiphysen entstehen knorpelige Wachstumsfugen (Epiphysenfugen), in denen sich die Knorpelzellen bis zum Abschluss des Wachstums teilen und in denen das Längenwachstum stattfindet. Aufgrund fehlender Calciumeinlagerungen sind solche Wachstumszonen auch im Röntgenbild sichtbar. Die Knochenbildung innerhalb der Epiphysen (Epiphysen- bzw. Knochenkern) setzt erst zum Zeitpunkt der Geburt ein, viele Knochenkerne entstehen sogar erst in den ersten Lebensjahren. Als Apophysen werden die aus besonderen Knochenkernen (Nebenkerne) entwickelten Knochenvorsprünge bezeichnet, die als Ansatz von Muskeln und Bändern dienen.

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Abb. 2.3: Vereinfachte Darstellung der Entwicklung eines Röhrenknochens (ĸ = Dickenwachstum / Ľ = Längenwachstum) [62]

2.1.3 Vergleich Knochen – Knorpel

Der gefäßreiche Knochen, dessen Zellen ein dichtes Stofftransportsystem bilden, regeneriert gut und passt sich durch stetigen Umbau veränderten statischen Bedin- gungen laufend an. Der gefäßfreie Knorpel, dessen Zellen isoliert voneinander und weitab von Nährstoffquellen liegen, regeneriert weniger gut und zeigt nur eine gerin- ge biologische Anpassungsfähigkeit.

2.2 Muskelgewebe

Die Zellen des Muskelgewebes, die Muskelzellen, können ähnlich wie Nervenzellen chemisch und elektrisch erregt werden. Zusätzlich hierzu besitzen sie die Fähigkeit sich zusammenzuziehen, was zu einer Verkürzung des Muskels führt und als Kon- traktion bezeichnet wird. Ausgelöst wird die Kontraktion durch eine Erregung bei gleichzeitiger Anwesenheit bestimmter Eiweißstrukturen, den Myofibrillen. Auch im Wärmehaushalt des Organismus spielen Muskeln eine wichtige Rolle. So wird bei ihrer Kontraktion Energie in Form von Wärme freigesetzt. Muskelzittern dient z. B. dazu, einen Wärmeverlust des Körpers wieder auszugleichen.

In ihrem allgemeinen Aufbau gleichen die Muskelzellen den übrigen Zellen des Kör- pers. Da sie jedoch die Form einer bis zu 20 cm langen Faser besitzen, werden sie häufig auch als Muskelfasern bezeichnet. Als Besonderheit liegen in den Muskelzel- len bzw. -fasern in hoher Konzentration die als Myofibrillen bezeichneten Eiweiß- strukturen, die sich bei Erregung der Muskelfasern zusammenziehen (kontrahieren). Die Myofibrillen selbst sind aus kurzen Eiweißfäden, den Myofilamenten, zusammen- gesetzt. Hier werden dünne Aktinfilamente und dicke Myosinfilamente unterschieden, siehe Abb. 2.4. Die Auslösung einer Kontraktion erfolgt durch eine Nervenerregung, die durch Vermittlung des Überträgerstoffs (Neurotransmitter) Acetylcholin (ACh) an der motorischen Endplatte auf den Muskel übertragen wird. Seine Farbe erhält der Muskel durch das so genannte Myoglobin, ein bezüglich Bau und Aufgabe dem Hä- moglobin (Hb) sehr nahe stehender, im Zytoplasma gelöster Farbstoff.

Nach Bau und Funktion werden glattes und quergestreiftes Muskelgewebe unter- schieden. Siehe hierzu insbesondere Abb. 2.4.

2.2.1 Glattes Muskelgewebe

Glattes Muskelgewebe ist Eingeweidemuskulatur und kleidet als solche die Wände vieler Hohlorgane wie Speiseröhre, Magen, Darm, Gallenblase, Luftröhre, Ge- schlechtsorgane, harnableitende Wege, Blut- und Lymphgefäße usw. aus. Weiterhin kommt es in den tiefen Atemwegen, am Auge sowie an Haaren und Drüsen vor. Glat- tes Muskelgewebe bewegt sich langsam und ist unwillkürlich, also vom vegetativen (autonomen bzw. viszeralen) Nervensystem innerviert. In vielen Organen wird es auch durch passive Dehnung erregt (myogene Erregung).

Die spindelförmige glatte Muskelzelle ist 20 μm bis 200 μm lang und besitzt einen zentral gelegenen länglichen Zellkern. Ihr Durchmesser beträgt 2 μm bis 10 μm. Län- gere Muskelzellen von bis zu 800 μm kommen nur in der schwangeren Gebärmutter (Uterus) vor, kürzere auch in der großen Körperschlagader (Aorta), wo sie sogar mehrstrahlig sein können. Die für die Kontraktion verantwortlichen Myofibrillen liegen im Zytoplasma, sind aber im Gegensatz zur quergestreiften Skelettmuskulatur weni- ger streng angeordnet. Glatte Muskulatur kontrahiert sich langsam und kann so z. B. im Darm durch eine wellenförmig fortschreitende Wandbewegung (Peristaltik) den Darminhalt transportieren. Sie kann jedoch auch sehr lange in einem bestimmten Kontraktionszustand verharren (Tonus), wie es z. B. beim Magenpförtner (Pylorus), dem Schließmuskel am Magenausgang der Fall ist. Die Muskelzellen sind durch Bin- degewebsfasern (Retikulinfasern) untereinander und mit ihrer Umgebung verbunden. Die Auslösung der Kontraktion erfolgt durch Überträgerstoffe (Neurotransmitter) wie Acetylcholin (ACh) und Adrenalin.

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Abb. 2.4: Muskelgewebe im Längsschnitt [62] a Glattes Muskelgewebe b Quergestreifte Skelettmuskulatur c Herzmuskulatur

2.2.2 Quergestreiftes Muskelgewebe

Das quergestreifte Muskelgewebe wird in Skelettmuskelgewebe und Herzmuskelge- webe unterschieden. Parallel zur Längsrichtung der Muskelzelle bzw. -faser verlau- fen dicht gepackte Myofibrillen. Jede Fibrille zeigt regelmäßig abwechselnde, ein- fach- und doppeltbrechende, also hell und dunkel erscheinende Abschnitte. Dadurch, dass die einfach- und doppeltbrechenden Abschnitte aller Fibrillen jeweils in gleicher Höhe liegen, erscheint die gesamte Muskelfaser quergestreift. Diese gleichmäßige Hell-Dunkel-Bänderung ist lichtmikroskopisch gut erkennbar und gibt dem Skelett- und Herzmuskel den Namen quergestreifter Muskel. Die regelmäßige streifenartige Anordnung der Aktin- und Myosinfilamente unterscheidet die quergestreifte von der glatten Muskulatur, bei der die Untereinheiten der Myofibrillen unregelmäßig verteilt sind.

Die Skelettmuskulatur ist das am stärksten ausgebildete Organ des Menschen. Ihr Anteil am Gesamtkörpergewicht beträgt immerhin 40 % bis 50 % und sie besteht zum größten Teil aus der Muskulatur des aktiven Bewegungsapparates, die in ähnli- cher Form auch in Gesicht, Zunge, Rachen, Kehlkopf, Auge, Mittelohr, Zwerchfell, Beckenboden usw. vorkommt. Innerviert wird die Skelettmuskulatur von Nerven des willkürlichen (animalischen bzw. somatischen) Nervensystems.

Im Skelettmuskel sind die Muskelfasern und das Bindegewebe funktionell eng mit- einander verknüpft, siehe Abb. 2.5. Eine derbe Bindegewebshülle aus straffem kolla- genem Bindegewebe umgibt als Faszie den Muskel, hält ihn zusammen und verleiht ihm eine Verschiebbarkeit gegenüber seiner Umgebung. Die Muskeln selbst setzen sich aus einzelnen Faserbündeln, den Sekundärbündeln bzw. Fleischfasern zusam- men, die mit bloßem Auge noch gut sichtbar und untereinander durch lockeres Bin- degewebe (Perimysium externum) verbunden sind. Innerhalb dieses Bindegewebes verlaufen Gefäße und Nerven, die so bis in das Innere des Muskels gelangen.

Die einzelnen Faserbündel wiederum sind aus vielen hundert Muskelfasern aufge- baut, die von zartem Bindegewebe (Endomysium) umgeben sind und untereinander ebenfalls über lockeres Bindegewebe (Perimysium internum) in Verbindung stehen. Jede einzelne Muskelzelle ist ein langer, von einer Zellmembran (Sarkolemm) be- grenzter Zytoplasmaschlauch, in dessen Verlauf die Zellgrenzen fehlen und der meh- rere hundert am Rand gelegene Zellkerne besitzt. Somit sind Muskelzellen fadenför- mige, oft mehrere Zentimeter lange Zellen mit einem Durchmesser von 10 μm bis 200 μm. Sie durchlaufen einen Muskel häufig in seiner gesamten Länge und gehen an den Enden in bindegewebige Sehnen über, durch die der Muskel am Knochen befestigt ist. Siehe hierzu ebenfalls Abb. 2.5.

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Abb. 2.5: Aufbau eines Skelettmuskels [62]

Innerhalb eines Muskels liegen zwischen 40 und 500 so genannte Muskelspindeln. Diese Rezeptororgane enthalten spezifische Dehnungsrezeptoren, die Längenände- rungen des Muskels registrieren und diese Informationen über bestimmte Nervenfa- sern zum Rückenmark senden. Die Muskelspindeln sind spezialisierte Muskelfasern, die man als innerhalb der Muskelspindel gelegene (intrafusale) Muskulatur der außerhalb der Muskelspindel gelegenen (extrafusalen) Muskulatur des aktiven Bewe- gungsapparates gegenüberstellt. Zusätzlich hierzu enthalten die Muskeln am Muskel- Sehnen-Übergang bestimmte Sehnenrezeptoren, die ihn vor zu großen Spannungen schützen und als Golgi-Sehnenorgane bezeichnet werden.

In regelmäßigen Abständen stülpen sich die Zellmembranen der Muskelfasern tief in das Innere der Zelle ein und bilden auf diese Weise so genannte transversale Tubuli. Diese umgeben die Myofibrillen in Form von Schläuchen und werden in ihrer Ge- samtheit als transversales System bzw. T-System bezeichnet, siehe Abb. 2.6. Hier- über breitet sich der Extrazellularraum über den gesamten Muskelfaserquerschnitt aus, wodurch eine schnelle Ausbreitung des Aktionspotentials bis tief in die Muskel- faser gewährleistet wird.

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Abb. 2.6: Transversale und longitudinale Tubuli einer Muskelzelle (T- und L-System) [62]

Eine weitere Besonderheit von Muskelzellen sind die zwischen den transversalen Tubuli in Längsrichtung zu den Myofibrillen angeordneten so genannten longitudina- len Tubuli, die das longitudinale System bzw. L-System bilden. Dieses Röhrensystem des endoplasmatischen Retikulums (ER), das in der Muskelzelle sarkoplasmatisches Retikulum (SR) heißt, bildet in seiner Gesamtheit ein Reservoir für Calciumionen (Ca2+), die beim Eintreffen eines Aktionspotentials (AP) in Bruchteilen von Sekunden aus den Tubuli freigesetzt werden und die Kontraktion des Muskels einleiten (elekt- romechanische Kopplung). Alleinige Energiequelle für diese Muskelkontraktion ist Adenosintriphosphat (ATP), das in den zahlreichen Mitochondrien gebildet wird.

Die sich verkürzenden (kontraktilen) Bauelemente der Skelettmuskelzellen, die Myo- fibrillen, verlaufen parallel zur Längsrichtung der Muskelfaser und sind durch querver- laufende Trennwände (Z-Scheiben) in zahlreiche ca. 2,5 μm lange Einheiten (Sar- komere) gegliedert. Siehe hierzu Abb. 2.7. Innerhalb eines solchen Sarkomers sind auch die Untereinheiten der Myofibrillen, die als Myofilamente zusammengefassten dünnen Aktin- und dicken Myosinfilamente, regelmäßig angeordnet. Während die Aktinfilamente jeweils an den Z-Scheiben eines Sarkomers verankert sind, ragen die Myosinfilamente in der Mitte des Sarkomers an beiden Seiten in die Aktinfilamente hinein. An den Myosinfilamenten unterscheidet man einen Schwanzteil und einen Kopfteil, auch Myosinköpfchen genannt. Bei der Verkürzung eines Muskels (Kontrak- tion) gleiten dünne und dicke Myofilamente aneinander vorbei. Die Filamente selbst behalten dabei ihre ursprüngliche Länge, während sich die einzelnen Sarkomere ver- kürzen. Bei der Erschlaffung oder Dehnung eines Muskels kehrt sich dieser Vorgang um.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.7: Schematischer Aufbau eines Sarkomers [62]

a Myofibrille

b Anordnung der Aktin- und Myosinfilamente im Sarkomer c Aufbau eines Myosinfilaments

Wie aus Abb. 2.8 ersichtlich, binden sich die Myosinköpfchen während einer Muskel- kontraktion an die Aktinfilamente, wodurch sich so genannte Querbrücken bilden. Durch eine Kipp- oder Ruderbewegung der Köpfchen werden die Aktinfilamente an- schließend in Richtung Sarkomermitte gezogen. Eine einzelne Kippbewegung aller ca. 500 Myosinköpfchen eines dicken Filaments kann ein Sarkomer jedoch nur um ca. 1 % seiner ursprünglichen Länge verkürzen. Um eine stärkere Verkürzung zu erzielen, müssen die Querbrücken der Myosinköpfchen zu den Aktinfilamenten immer wieder gelöst werden. So können die Aktin- und Myosinfilamente nach erneuter Bindung durch Abkippung weiter aneinander vorbeigleiten. Für eine maximale Mus- kelkontraktion müssen sich diese Binde- und Abkippvorgänge ca. 50-mal schnell hin- tereinander abspielen.

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Abb. 2.8: Elektromechanische Kopplung (Filamentgleiten) [62]

Herzmuskelgewebe ist eine Sonderform des quergestreiften Muskelgewebes und unterscheidet sich vom Skelettmuskel hauptsächlich in drei Punkten:

1. Im Unterschied zu den randständigen Zellkernen der Skelettmuskelfasern lie- gen die Kerne der Herzmuskelzellen meist zentral, wie aus Abb. 2.4 ersichtlich ist; weiterhin ist die Herzmuskelzelle im Querschnitt kleiner als die Skelett- muskelfaser
2. Die Herzmuskelzellen sind im Gegensatz zu den unverzweigten Fasern der Skelettmuskulatur netzförmig durch so genannten Glanzstreifen miteinander verknüpft; mit dieser Vernetzung verbindet sich ein besonderes Erregungsleit- system des Herzens
3. Als weitere Besonderheit des Herzmuskels sind ein Teil seiner Zellen dazu in der Lage, Erregungen nicht nur als Antwort auf einen von außen kommenden Reiz, sondern spontan auszubilden; darüber hinaus kann die Tätigkeit der Herzmuskelzellen vom vegetativen Nervensystem beeinflusst werden, so z. B. die Herzschlagfrequenz

2.3 Achsen, Ebenen und Orientierungsbezeichnungen

2.3.1 Körperachsen und Körperebenen

Durch den menschlichen Körper lassen sich beliebig viele Achsen und Ebenen le- gen. Es werden daher drei Hauptachsen definiert, die senkrecht aufeinander stehen und die drei Raumkoordinaten angeben:

1. Längsachse bzw. Vertikal- oder Longitudinalachse: Steht beim aufrechten Stand senkrecht zur Standfläche; die längste Vertikalachse heißt Hauptachse
2. Querachse bzw. Horizontal- oder Transversalachse: Steht senkrecht zur Längsachse und verläuft quer durch den Körper von links nach rechts bzw. umgekehrt
3. Pfeilachse bzw. Sagittalachse: Steht senkrecht zur Längs- und Querachse und verläuft von der Hinterfläche zur Vorderfläche des Körpers bzw. umgekehrt

Hieraus lassen sich schließlich drei Hauptebenen ableiten:

1. Sagittalebene: Bildet alle vertikalen Ebenen, die entlang der Pfeilachse verlau- fen; die vertikale Ebene, die den Körper in zwei spiegelbildliche Hälften teilt, heißt Medianebene
2. Transversalebene: Steht senkrecht zur Sagittalebene und bildet alle quer durch den Körper verlaufenden Ebenen
3. Frontalebene: Steht senkrecht zur Sagittal- und Transversalebene und bildet alle parallel zur Stirn (Frons) verlaufenden Ebenen

Siehe hierzu insbesondere Abb. 2.9.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.9: Die wichtigsten Ebenen, Lagebezeichnungen und Bewegungsrichtungen [12]

2.3.2 Lage- und Richtungsbezeichnungen

Die folgenden Lage- und Richtungsbezeichnungen dienen der genauen Beschrei- bung der Lage von Körperteilen und Organen. Sie sind relativ und werden von einem Bezugspunkt aus gewählt.

Am Körperstamm:

- superior, -ius bzw. kranial: oberhalb, auf das Kopfende zu
- inferior, -ius bzw. kaudal: unterhalb, zum Steißende hin
- anterior, -ius bzw. ventral: vorn, zur Vorderfläche hin
- posterior, -ius bzw. dorsal: hinten, zur Rückfläche hin
- medial: auf die Medianebene zu
- median: in der Medianebene
- lateral: seitlich, von der Medianebene weg
- zentral: auf das Körperinnere oder das Innere eines Organs zu
- peripher: auf die Oberfläche des Körpers oder eines Organs zu
- profundus, -a, -um: tief
- superficialis, -e: oberflächlich
- dexter, -tra, -trum: rechts
- sinister, -tra, -trum: links

An den Gliedmaßen (Extremitäten):

- distal: vom Rumpf weg
- proximal: zum Rumpf hin
- ulnar: zur Ellenseite bzw. Kleinfingerseite hin
- radial: zur Speichenseite bzw. Daumenseite hin
- palmar: zur Handinnenfläche hin
- dorsal: zum Handrücken hin
- fibular: zur Wadenseite bzw. Kleinzehenseite hin
- tibial: zur Schienbeinseite bzw. Großzehenseite hin
- plantar: zur Fußsohle hin
- dorsal: zum Fußrücken hin

2.3.3 Bewegungsrichtungen des Rumpfes und der Extremitäten

Ebenfalls aus Abb. 2.9 ersichtlich sind die folgenden Bewegungsrichtungen des Rumpfes und der Arme und Beine:

- Extension: Streckung von Rumpf, Extremitäten oder Extremitätenteilen
- Flexion: Beugung von Rumpf (Bückbewegung), Extremitäten oder Extremitä- tenteilen; die Seitwärtsneigung des Rumpfes heißt Lateralflexion
- Abduktion: Bewegung vom Körper bzw. von der Hauptachse weg; Abspreizen
- Adduktion: Bewegung zum Körper bzw. zu der Hauptachse hin; Heranführen
- Rotation: Drehung bzw. Kreiselung um die Hauptachse bzw. Längsachse von Rumpf, Extremitäten oder Extremitätenteilen
- Pronation / Supination: Wendebewegung des Unterarms mit Hand; Auswärts- und Einwärtskantung der Füße
- Anteversion / Retroversion: Vorheben und Rückführen des Arms und Beins

2.4 Anatomie des Hüftgelenks

Das Hüftgelenk (Articulatio coxae) ist die gelenkige Verbindung zwischen Hüftpfanne (Acetabulum) und Schenkelkopf (Caput femoris), auch Femurkopf genannt. Die tiefe halbkugelförmige (hemisphärische) Pfanne schließt dabei mehr als die Hälfte des Kopfes ein, so dass es sich bei dem Gelenk um ein Nussgelenk (Enarthrosis), eine Sonderform des Kugelgelenks handelt. Hierdurch sind große Kontaktflächen vorhan- den. Diese sind auch erforderlich, da im Hüftgelenk die größten Massen des Körpers, nämlich Rumpf und Bein, gegeneinander bewegt werden müssen, wobei besonders Schwer- und Fliehkräfte (Zentrifugalkräfte) auftreten.

2.4.1 Gelenkpfanne

Die Pfanne wird zunächst aus einer überknorpelten Gelenkfläche, der so genannten Mondsichelfläche (Facies lunata) gebildet. Siehe hierzu Abb. 2.10. Diese C-förmige Gelenkfläche umschließt die zentrale, nicht überknorpelte Gelenkgrube (Fossa ace- tabuli), lässt jedoch an der Unterseite eine tiefe Kerbe (Incisura acetabuli) frei. Die Facies lunata bildet dabei einen nicht ganz kreisrunden, fast schraubenförmigen Au- ßenrand und einen variantenreichen Innenrand. Sie endet vorn und hinten mit einem Horn. Das vordere Horn (Schambeinhorn) ist schmal und spitz, das hintere Horn (Sitzbeinhorn) breit und abgerundet. Am breitesten ist die Knorpelfläche nicht direkt am Pfannendach, sondern etwas davor. Die Dicke des Knorpelüberzugs ist am Au- ßenrand am größten, kann jedoch an manchen Stellen fehlen. In solchen Fällen schneiden sich mehr oder weniger tiefe Inzisuren in die Gelenkfläche ein oder durch- schneiden diese sogar. Solche Knorpelinzisuren treten mit einer Häufigkeit von ca. 10 % auf und können durchaus mit Knorpelrissen verwechselt werden. Meist kommen sie am Pfannendach vor, nur selten schneiden sie das Schambein- oder Sitzbeinhorn ab.

Die überknorpelte Gelenkfläche wird nach außen (peripherwärts) noch durch eine faserknorpelige Lippe, dem so genannten Labrum acetabulare vergrößert. Im klini- schen Sprachgebrauch wird diese häufig fälschlicherweise als Limbus acetabuli be- zeichnet. Der Limbus jedoch bildet vielmehr den knöchernen Rand des Acetabulums, an dem die Lippe selbst entspringt. Diese stellt im Querschnitt ein Dreieck dar, des- sen Basis dem knöchernen Limbus zugewendet ist und dessen auslaufende Spitze frei in den Gelenkraum hineinragt, siehe Abb. 2.11. Auch die Gelenklippe ist nicht gleichmäßig breit. Während sie hinten und oben mit bis zu 1 cm ihre breiteste Aus- dehnung besitzt, ist sie vorn und unten nur ca. 0,5 cm breit.

Die Gelenkkapsel setzt am knöchernen Rand des Acetabulums, außerhalb des Lab- rums an. Hierdurch entsteht zwischen Lippe und Kapsel ein Spaltraum, der Reces- sus supraarticularis oder perilimbicus. Dieser erreicht seine größte Tiefe hinten und unten, fehlt jedoch im Bereich des so genannten Pfannenquerbandes (Lig. transver- sum acetabuli), wie ebenfalls aus Abb. 2.10 ersichtlich ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.10: Rechtes Hüftgelenk, Kapselmanschette zirkulär durchtrennt und Femurkopf aus der Pfan- ne gezogen. An der Pfanne sieht man die Facies lunata mit einer oberen Knorpelinzisur, peripherwärts davon das Labrum acetabulare. Zwischen Lippe und Kapsel liegt der Re- cessus perilimbicus. Unten überbrückt das Lig. transversum acetabuli die Incisura aceta- buli. Der innere Synovialtrichter erhebt sich zeltförmig aus der Fossa acetabuli, bedeckt das Pulvinar acetabulare und zieht, das Lig. capitis femoris umhüllend, zum Femurkopf. [4]

Wie bereits erwähnt, ist die Mondsichelfläche an ihrer Unterseite unterbrochen. Hier überbrückt das Lig. transversum acetabuli anstelle des Labrum acetabulare die Inci- sura acetabuli. Während die äußeren Fasern dieses ca. 1 cm breiten Bandes die En- den der Pfannenlippe verbinden, reichen die inneren Fasern vom Sitzbein- bis zum Schambeinhorn der Facies lunata. Hierbei entspringt das Band am abgerundeten Hinterhorn breitflächig, im Bereich des Vorderhorns tritt es eher an dessen Außenflä- che heran.

Im Zentrum der Gelenkpfanne befindet sich schließlich noch die nicht überknorpelte Gelenk- oder Pfannengrube (Fossa acetabuli). Sie ist gegenüber der Knorpelfläche um 3 mm bis 5 mm vertieft, 4 cm bis 5 cm hoch, 2 cm bis 3 cm breit und öffnet sich zwischen dem Lig. transversum acetabuli und der Incisura acetabuli nach unten.

Die Grube ist mit einer dünnen Knochenhaut (Periost) ausgekleidet und mit einem lockeren Fettgewebekörper (Pulvinar acetabulare) ausgefüllt. Dieses Fettkissen ist dabei nur locker am Periost angeheftet und in Richtung des Gelenkraums von einer Gelenkflüssigkeit (Synovia) bildenden Synovialmembran (Membrana synovialis) des inneren Synovialtrichters bedeckt. Die Fetteinlagerung kann in den oberen Gruben- abschnitten fehlen, indem sich die Membrana synovialis direkt an das Periost anlegt und der Fettkörper zentral in der Fossa acetabuli liegen bleibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.11: Frontalschnitt durch ein rechtes Hüftgelenk, der Kopf etwas aus der Pfanne gehoben. Die Pfanne ist nach außen unten geneigt. Am Pfannendach sind die Facies lunata und das Labrum acetabulare geschnitten, Recessus perilimbicus zwischen Lippe und Kapsel sicht- bar. Der Kapselursprung ist oben am knöchernen Pfannendach, unten am Lig. transver- sum acetabuli sichtbar. In Höhe des Femurhalses ist die Kapsel zur Zona orbicularis ver- dickt. Das Lig. capitis femoris entspringt am Lig. transversum acetabuli. Der innere Syno- vialtrichter bedeckt die Fossa acetabuli, das Fett der Pulvinar acetabulare und das Lig. ca- pitis femoris. [4]

2.4.2 Gelenkkopf

Der Schenkel- oder Femurkopf (Caput femoris) bildet zu etwa zwei Drittel eine Ku- geloberfläche mit einem Radius von ca. 2,5 cm. Die knorpelige Kontaktfläche zwi- schen Kopf und Pfanne beträgt dabei 14 cm2 bis 16 cm2. Bei geschlossenem Ge- lenkraum reicht somit bereits der Luftdruck aus, das Gesamtgewicht des Beins in der Pfanne zu halten. Der Knorpelüberzug des Kopfes ist in der Mitte am dicksten, wird peripherwärts dünner und ist am Oberschenkelhals (Femurhals) unregelmäßig abge- grenzt. Im hinteren unteren Quadranten des Kopfes liegt eine knorpelfreie, meist dreieckige Grube (Fovea capitis femoris), in der das Binnenband des Gelenks, das Lig. capitis femoris, inseriert. Siehe Abb. 2.10 sowie Abb. 2.11.

Das Lig. capitis femoris, auch Lig. teres femoris genannt, dehnt sich von der Pfanne bis zum Kopf aus, ist ca. 3,5 cm lang, bis zu 1 cm breit und von abgeplattetem bis dreieckigem Querschnitt. Es entsteht zumeist aus drei Wurzeln:

1. Vordere Wurzel (Ursprung: Schambeinhorn)
2. Hintere Wurzel (Ursprung: Sitzbeinhorn der Facies lunata)
3. Mittlere Wurzel (Ursprung: Lig. transversum acetabuli)

Die hintere Wurzel ist dabei die konstanteste und zugleich auch stärkste, die mittlere hingegen stets die schwächste Wurzel. Das Band steigt von der Incisura acetabuli zur Fovea capitis femoris auf. Seine Außenfläche lagert sich dabei dem Caput femo- ris, seine Innenfläche dem Pulvinar acetabulare an. Siehe hierzu insbesondere Abb. 2.11 und Abb. 2.12. Funktionell betrachtet gerät das Lig. capitis femoris bei kei- ner der möglichen Bewegungen des Hüftgelenks zwischen die überknorpelten Ge- lenkflächen.

Das Binnenband zieht dabei nicht frei durch den Gelenkraum, sondern ist von einer Synovialmembran (Membrana synovialis), dem so genannten inneren Kapseltrichter umhüllt. Wie aus Abb. 2.10 ersichtlich, entspringt dieser am Innenrand der Facies lunata und des Lig. transversum acetabuli, bedeckt das Pulvinar acetabulare und nimmt das Lig. capitis femoris auf, um mit ihm bis zur Fovea capitis femoris zu zie- hen. Somit bildet der innere Kapseltrichter eine räumliche Abgrenzung zwischen Ge- lenkhöhle und Incisura acetabuli.

Das Lig. capitis femoris ist sehr variabel ausgebildet. Bei guter Entwicklung kann es bis zu 60 kg Gewicht tragen. Häufig jedoch ist es wesentlich schwächer ausgebildet oder besteht sogar nur aus einer Wurzel. Seltener wird es nur aus lockerem Binde- gewebe gebildet oder der innere Synovialtrichter liegt überhaupt nur als leere Intima- falte vor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.12: Rechtes Hüftgelenk von oben, Schrägschnitt annähernd in der Horizontalebene. Die Pfan- ne schaut nach lateral und vorn. Facies lunata und Labrum acetabulare vorn und hinten geschnitten, zwischen Kapsel und Gelenklippe Recessus perilimbicus. Fovea capitis femo- ris und Lig. capitis femoris schauen in die Fossa acetabuli. Der intrakapsuläre Abschnitt des Femurhalses ist mit Membrana synovialis bedeckt. Antetorsion des Femurhalses ist angedeutet. [4]

2.4.3 Ausrichtung des Gelenks

Die Gelenkpfanne ist nicht ausschließlich nach lateral gerichtet. Sie zeigt vielmehr nach außen, vorn und unten. Eine solche Pfannenneigung gegen die Horizontalebe- ne ist im Frontalschnitt der Abb. 2.11 erkennbar. Die Pfanneneingansebene als Ebe- ne des Pfannenrandes nimmt mit der Horizontalebene dabei einen Winkel von ca. 50° bis 60° ein. Hierdurch überragt der Oberrand des Acetabulums als Pfannen- dach den Femurkopf deutlich. Die Neigung nach vorn ist im Horizontalschnitt der

Abb. 2.12 erkennbar. Hier schließt die Pfanneneingansebene mit der Sagittalebene einen Winkel von ca. 30° ein.

Wie aus Abb. 2.11 ersichtlich, ist der Kopf des Hüftgelenks durch den Femurhals nach medial und vorn aus der Schaftachse verlagert. Diese Verlagerung des Kopfes nach medial wird durch den so genannten Schenkelhalswinkel (Kollodiaphysenwin- kel) beschrieben, der beim Erwachsenen ca. 125° beträgt. Zeitlebens wirken auf die- sen Winkel vergrößernde und verkleinernde Kräfte ein. Winkelvergrößernd (valgisie- rend) wirken die Abspreizer (Abduktoren) sowie die zum Körper hin verlaufenden (proximalen) Heranführer (Adduktoren). Winkelverkleinernd (varisierend) wirken hin- gegen das Körpergewicht, sämtliche langen Adduktoren sowie die Beuger (Flexoren) und Strecker (Extensoren) des Kniegelenks (Articulatio genus). Störungen des Kräf- tegleichgewichts führen naturgemäß zu Veränderungen des Kollodiaphysenwinkels, der im klinischen Sprachgebrauch häufig als Centrum-Collum-Diaphysen-Winkel (CCD-Winkel) bezeichnet wird.

Die Verlagerung des Kopfes nach vorn erklärt sich schließlich aus einer Endstück- verdrehung des Oberschenkelknochens, die als Femurtorsion bezeichnet wird. Ge- mäß Abb. 2.12 ist das proximale Femurende gegen sein vom Körper entfernt verlau- fendes (distales) Ende um ca. 12° nach vorn verdreht, daher auch Antetorsion ge- nannt. Beim Stand mit geschlossenen Beinen liegen die Achsen der Femurhälse in der Frontalebene, d. h. die Querachsen beider Kniegelenke sind gegeneinander nach hinten abgewinkelt.

2.4.4 Gelenkkapsel

Die fibröse Gelenkkapsel (Membrana fibrosa) des Hüftgelenks ist besonders kräftig entwickelt. Sie entspringt am knöchernen Rand des Acetabulums sowie am Außen- rand des Lig. transversum acetabuli und inseriert am Oberschenkel (Femur) vorn an der so genannten Linea intertrochanterica und hinten proximal der so genannten Crista intertrochanterica zwischen lateralem und mittlerem Dreieck des Femurhalses. Siehe hierzu insbesondere Abb. 2.10, Abb. 2.11 und Abb. 2.12.

Insgesamt drei Bänder verstärken die fibröse Gelenkkapsel:

1. Lig. iliofemorale (Verlauf: Darmbein, Os ilii [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Oberschenkel, Femur)
2. Lig. pubofemorale (Verlauf: Schambein, Os pubis [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Oberschenkel, Femur)
3. Lig. ischiofemorale (Verlauf: Sitzbein, Os ischii [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Oberschenkel, Femur)

Die tiefen Faserzüge dieser Bänder umkreisen den Femurhals als so genannte Zona orbicularis. Diese Art Knopfloch, durch das der Femurkopf durchsteckt ist, ist aus Abb. 2.11 ersichtlich.

Das stärkste Band des Menschen ist das Lig. iliofemorale. Es zieht vom so genann- ten vorderen unteren Darmbeinstachel (Spina iliaca anterior inferior) mit einem Quer- zug (Pars transversa) zum proximalen Ende der Linea intertrochanterica und mit ei- nem Längszug (Pars descendens) zum distalen Ende dieser Linie. Siehe hierzu Abb. 2.13.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.13: Rechtes Hüftgelenk von vorn. An der Gelenkkapsel sind das Lig. iliofemorale und das Lig. pubofemorale erkennbar. Hinter dem Leistenband wird innerhalb der Lacuna vasorum die A. iliaca externa zur A. femoralis. Die A. femoralis entlässt am Bild die A. profunda fe- moris nach lateral. Aus der A. profunda femoris entspringt die A. circumflexa femoris late- ralis, deren R. ascendens vor dem Gelenk aufsteigt. Aus der A. iliaca interna entspringt die

A. obturatoria, die vor dem Foramen obturatum erscheint. Sie entlässt vorn einen Ast an das Acetabulum, außerdem den R. acetabularis, der gegen die Incisura acetabuli aufsteigt und einen Verbindungsast zur A. circumflexa femoris medialis. Aus letzterer entspringt ausnahmsweise ebenfalls ein R. acetabularis. [4]

Ebenfalls aus Abb. 2.13 ersichtlich ist der Verlauf des Lig. pubofemorale. Es ent- springt am oberen Schambeinast, der so genannten Crista obturatoria und Membra- na obturatoria und zieht mit dem Längszug des Lig. iliofemorale zur Linea intertro chanterica. Das Lig. pubofemorale ist dabei das schwächste Kapselband des Hüftge- lenks, zwischen ihm und dem Lig. iliofemorale ist somit auch die Kapsel besonders dünn. Hier kreuzt die Sehne des Hüftlendenmuskels (M. iliopsoas) das Gelenk und es ist ein Gleitlager, die Bursa iliopectinea vorhanden, die in 10 % der Fälle mit der Gelenkhöhle kommuniziert.

Das Lig. ischiofemorale liegt hinten am Hüftgelenk. Es entspringt vom Hinterrand des Acetabulums und zieht schraubenförmig um den Femurhals nach oben lateral, um gemeinsam mit dem Querzug des Lig. iliofemorale an der Linea intertrochanterica zu inserieren. Siehe hierzu Abb. 2.14.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.14: Linkes Hüftgelenk von hinten. Die Kapsel zeigt die Strukturen des Lig. ischiofemorale. Durch das Foramen ischiadicum majus zieht der M. piriformis zum Trochanter major. Durch das Foramen suprapiriforme tritt die A. glutea superior aus. Im Foramen infrapiri- forme erscheinen die A. glutea inferior und medial davon die A. pudenda interna. Unter- halb des Gelenks erscheint die A. profunda femoris, welche die A. circumflexa femoris medialis entlässt. Ihr R. ascendens steigt zum Trochanter major auf. [4]

Die Hemmfunktionen der Bänder lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Stre- ckung (Extension) wird durch alle drei Bänder gehemmt. Die Spreizung (Abduktion) erfährt ihre Hemmung durch das Lig. pubofemorale, den Längszug des Lig. iliofemo- rale und teilweise durch das Lig. ischiofemorale. Die Schließung (Adduktion) hingegen wird insbesondere durch den Querzug des Lig. iliofemorale gehemmt. Die Au- ßenrotation wird schließlich durch die Anspannung des Lig. pubofemorale und des Querzuges des Lig. iliofemorale gehemmt, die Innenrotation durch die Anspannung des Lig. ischiofemorale und des Längszuges des Lig. iliofemorale.

Die Synovialmembran (Membrana synovialis) des Hüftgelenks besteht aus zwei ge- trennten Kapselschläuchen. Zum einen aus dem inneren Kapseltrichter, der das Lig. capitis femoris enthält und die Gelenkhöhle gegen die Fossa und Incisura aceta- buli abschließt, und zum anderen aus dem äußeren Kapselschlauch, der den Ge- lenkraum nach außen begrenzt. Der Ansatz des äußeren Kapselschlauchs an der Pfanne liegt an der Basis des Labrum acetabulare und am Außenrand des Lig. transversum acetabuli. Die Membrana synovialis folgt, innen direkt der Membra- na fibrosa angelagert, bis zum Ansatz am Femurhals, wo sie sich auf den Ober- schenkelhals umschlägt und bis zur Knorpelknochengrenze des Femurkopfes zurück aufsteigt. Am Femurhals finden sich weiterhin Synovialfalten (Frenula capsulae), in denen Blutgefäße zum Femurkopf verlaufen.

2.4.5 Mechanik

Gemäß Abb. 2.15 lässt sich der Bewegungsumfang des Hüftgelenks als Bahnkugel darstellen, deren Drehpunkt im Zentrum der Hohlkugel liegt und mit den Mittelpunk- ten von Femurkopf und Hüftpfanne zusammenfällt. Die Oberfläche der Bahnkugel ist dabei ähnlich wie ein Globus durch Hilfslinien graduiert. Ihre Polachse stimmt mit der Longitudinalachse des Körpers überein, der Nullmeridian mit seiner Frontalebene. Auf der Oberfläche einer so orientierten Bahnkugel durchwandert das distale Ende des Oberschenkels ein annähernd symmetrisches ovales Bewegungsfeld, das in Abb. 2.15 als weißer Schnittrand dargestellt ist. Hieraus ergibt sich, dass Beuge- und Streckbewegungen umso geringer sind, je größer die Ab- und Adduktionsstellung ist. Umgekehrt werden die Ab- und Adduktionsbewegungen mit zunehmender Beugung (Flexion) und Streckung (Extension) eingeschränkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.15: Bewegungsumfang des Hüftgelenks [100]

Als Sonderform des Kugelgelenks werden am Hüftgelenk vereinbarungsgemäß drei Hauptachsen unterschieden.

Um die transversale Achse werden aus der Normal- oder Neutralnullstellung heraus Beugung (Flexion) und Streckung (Extension) durchgeführt. Die Flexion ist aktiv bis ca. 120°, passiv noch weiter bis zur Weichteilhemmung möglich. Abb. 2.16 zeigt die hieran beteiligten Muskeln sowie die Muskelarbeit in Meterkilogramm (mkg). Die Wei- te der Extension beträgt bis zur endgültigen Bandhemmung ca. 15°. Strecker (Exten- soren) und korrespondierende Muskelarbeit sind in Abb. 2.17 dargestellt.

[...]

Details

Seiten
172
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783640212422
ISBN (Buch)
9783640212552
Dateigröße
18.5 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v117799
Institution / Hochschule
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Note
1,0
Schlagworte
Optimierung Druck- Zugverteilung Ersatzsystem Hüftgelenkpfanne Problemstellung Konzeptentwurf

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Titel: Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne – Problemstellung und Konzeptentwurf