Biomechanik

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Biomechanisches Modell von Skelett und Muskulatur
In den Boden eingelassene Kraftmessplatten und Proband mit Reflexionsmarkern für die 3D Bewegungsaufzeichnung (Motion Capture)

Die Biomechanik (von altgriechisch ???? ‚Leben‘[1] und ???????? ????? ?Mechanik?) ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die den Bewegungsapparat biologischer Systeme und die mit ihm erzeugten Bewegungen unter Verwendung der Begriffe, Methoden und Gesetzmäßigkeiten von Mechanik, Anatomie und Physiologie beschreibt, untersucht und beurteilt.[2][3][4] In diesem Sinn ist die Biomechanik ein Teilbereich der Bewegungswissenschaft und der Sportwissenschaft.

Die Biomechanik baut auf den Kenntnissen von Physik, Mathematik, Chemie, Biologie, der Anatomie, Physiologie, und Neurophysiologie auf. Untersucht wird eine große Bandbreite von Bewegungen, angefangen von der Grundlagenforschung (zum Beispiel dem Zustandekommen einer Muskelkontraktion) zum menschlichen Gang, von einfachen Bewegungen eines Arbeiters bis hin zu komplexen Bewegungen im Leistungssport.[4] Dabei kommen vielfältige Methoden zur Anwendung zum Beispiel verschiedene Arten der Kraftmessung, der kinematografischen Verfahren, zum Beispiel Motion Capture, der Messung muskulärer Aktivität (Elektromyografie) sowie der Computersimulation. Anwendungsgebiete sind neben dem Leistungs-, Breiten-, Gesundheitssport und der Gesundheitsförderung die Rehabilitation mit ihren Teilbereichen Orthopädie und Neurophysiologie oder auch die Prüfung von Sportgeräten.

Geschichte | Quelltext bearbeiten

Biomechanische Untersuchung von Borelli (1680)
The Horse in Motion (1878)
Bewegungsstudie Salto Rückwärts (1887)
Chronofotografie eines Pelikanflugs, um 1882

Schon in der Antike beschäftigten sich einige Gelehrte mit der Biomechanik. Aristoteles beobachtete bei den Olympischen Spielen die Sportler beim Weitsprung und stellte fest, dass diese mit Hanteln in den Händen weiter sprangen. Von da an beschäftigte er sich auch mit der Verbindung von Physik und lebenden Objekten. So untersuchte er in seinem Werk De motu animalium die Fortbewegung von Tieren.[5]

In der Renaissance untersuchten unter anderem Leonardo da Vinci und Andreas Vesalius funktionelle Aspekte des Bewegungsapparates. Aus dem Jahr 1490 stammt da Vincis Studie über Körperproportionen, der Vitruvianische Mensch. Da Vinci wollte auch ?das Innere des Menschen? genau kennenlernen, wozu er mehr als 30 Leichen seziert haben soll. Er versuchte zudem eine Flugmaschine für Menschen zu bauen und machte sich darum Gedanken, wie die Muskelkräfte des Menschen optimal ausgenutzt werden können. Er stellte dabei fest, dass über ein Hebelwerk die wirkende Kraft vergrößert werden kann. Der Physiker und Mathematiker Giovanni Alfonso Borelli entwickelte mechanische Modellüberlegungen für das statische Gleichgewicht und Bewegungen von Mensch und Tier und berücksichtigte dabei die aktiven und passiven Eigenschaften der Muskulatur. In seinem posthum im Jahre 1680 in Rom erschienenen Buch De motu animalium erklärt er die physiologischen Prozesse im lebenden Organismus nach den Gesetzen der Statik und Hydraulik, indem er den menschlichen Körper mit einer einfachen Maschine vergleicht. Dabei versuchte er den Körperschwerpunkt des Menschen möglichst genau herauszufinden. Borelli zeigte starkes Interesse am Zusammenhang von Muskelverkürzung und Kraftaufwand sowie dem optimalen Angriffswinkel der Kraft.[6][7]

Aufbauend auf den Erkenntnissen der Physiker Isaac Newton und Galileo Galilei sowie den Mathematikern Joseph-Louis Lagrange, Bernoulli, Leonhard Euler und Young[4] erfolgte im 18. und 19. Jahrhundert eine Verfeinerung der mechanischen Modelle und Methoden als Grundlage der heutigen Biomechanik. Im Jahr 1836 veröffentlichten die Brüder Wilhelm und Eduard Weber unter dem Titel Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge eine detaillierte Untersuchung des menschlichen Gehens.[8]

Die Untersuchung des menschlichen Schwerpunkts wurde um das Jahr 1890 von Braune und Fischer weitergeführt, die beide Pionierarbeit auf dem Gebiet der Biomechanik lieferten. Sie untersuchten, wo der Körperschwerpunkt eines deutschen Infanteristen mit Ausrüstung lag. Die wissenschaftliche Bedeutung ihrer Arbeit lag in der Einbeziehung von Physik und Mathematik in die Physiologie des menschlichen Bewegungsapparates, insbesondere bei der Analyse des menschlichen Ganges. Des Weiteren hatten sie einen erheblichen Anteil an der Entwicklung der modernen Biophysik.

Einen bedeutenden Schritt in der Geschichte der Kinematik machte der englische Fotograf Eadweard Muybridge mit seinen qualitativen Untersuchungen. 1872 wurde er von Leland Stanford engagiert, um die exakte Beinstellung eines galoppierenden Pferdes zu bestimmen. Damit begründete er die Serienfotografie mit komplexen Aufbauten, bestehend aus 12, 24 und schließlich 36 nacheinander auslösenden Fotoapparaten. So wurde erstmals der sichtbare Beweis erbracht, dass sich beim galoppierenden Pferd zeitweise alle vier Beine in der Luft befinden. Bei seinen Serienaufnahmen von Trabern und Galoppern berührten die Pferde einzelne, quer zur Pferderennbahn gespannte Zugdrähte, wodurch sich die elektrisch betriebenen Hochgeschwindigkeitsblenden, der nebeneinander aufgestellten Kameras, kurzzeitig öffneten. 1879 erfand Muybridge das Zoopraxiskop zur Präsentation seiner Reihenaufnahmen, welches die in Einzelbilder zerlegte Bewegung einem Kinofilm ähnlich synthetisierte. Im Jahr 1881 veröffentlichte Muybridge seine berühmten Serienaufnahmen unter dem Titel The attitudes of animals in motion in Form von Albuminpapierabzügen. Mit derselben Technik untersuchte er erstmals menschliche Bewegungen wie zum Beispiel Lauf, Hürdenlauf, Standweitsprung oder Treppensteigen.

1876 benutzte Étienne-Jules Marey den vier Jahre zuvor von Gabriel Lippmann entwickelten Kapillarelektrometer, um die elektrischen Aktivität des Herzens aufzuzeichnen. Dies war ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Elektrokardiographie.[9] Um 1880 entwickelte er die Chronofotografie zur Rekonstruktion von Bewegungsabläufen, dreidimensionale Rekonstruktionen waren ebenfalls möglich. Er benutzte rotierende photographische Platten in einer gewehrähnlichen Kamera (1882), lichtempfindliche Papierstreifen beziehungsweise Zelluloid (1888) und schließlich Projektionsgeräte (1893) sowie eine 35 mm-Kamera (1899). Seine Fragestellungen betrafen die Bewegung von Tieren (unter anderem Insekten, Vogelflug, Pferde und Katzen) und menschliche Körperbewegungen. Die Chronofotografie betrachtete Marey als die perfekte Anwendung der graphischen Methode.[10]

Der deutsche Chirurg Julius Wolff berichtete über die Wechselbeziehungen zwischen Form und Funktion der einzelnen Gewebe des Organismus. Aufgrund von Beobachtungen in seiner langjährigen Tätigkeit als Chirurg postulierte er das Wolffsche Gesetz (ursprünglicher Titel 1892: Gesetzes der Transformation der Knochen), das den Zusammenhang zwischen Knochengeometrie und mechanischen Einflüssen auf den Knochen beschreibt. Hierfür stand er mit führenden Wissenschaftlern seiner Zeit in regen Kontakt. So unterstützten ihn Karl Culmann, Wilhelm Roux, Christian Otto Mohr und Albert Hoffa bei der Interpretation und Auswertung seiner Forschungsarbeiten. Mit seiner Arbeit führte er die Mechanik und somit physikalische Faktoren in die Evolutionsbiologie ein. Er sah sein Werk als eine Erweiterung der Evolutionstheorie von Charles Darwin. Seine Erkenntnisse, dass sich Knochen veränderten mechanischen Bedingungen anpassen, finden Anwendung in der muskuloskeletalen Forschung, der Orthopädie, Unfallchirurgie, der Rehabilitation, der Mechano- und Zellbiologie sowie im Tissue Engineering.

1922 wurde Archibald Vivian Hill der Nobelpreis für Medizin für seine Arbeiten zur Wärmeentwicklung bei Muskelkontraktionen zugesprochen.[11] Er führte Borellis Ansatz weiter aus und bewies die Abhängigkeit der Muskelverkürzungsgeschwindigkeit von der mechanischen Belastung. Der derzeitige wissenschaftliche Stand stellt der Querbrückenzyklus mit der Gleitfilamenttheorie von Hugh Esmor Huxley und Andrew Fielding Huxley dar.

Die Bezeichnung Biomechanik als eigenständiges Fachgebiet entwickelte sich erst in den 1960er Jahren. Im August 1967 fand in Zürich eine erste internationale Wissenschaftliche Konferenz für Biomechanik mit 150 Vertretern aus 24 Staaten statt.[12] Von da an trafen sich die Biomechaniker alle 2 Jahre zu ihren internationalen Konferenzen. Im Jahre 1973 wurde auf der Konferenz in der Penn State University (USA) die Internationale Gesellschaft für Biomechanik (ISB = International Society of Biomechanics) gegründet. Zu der damaligen Zeit stand die Sportbiomechanik im Mittelpunkt des Interesses. Das hat sich jedoch seither geändert. Heute befassen sich die Biomechaniker überwiegend mit Fragestellungen der Wiederherstellung von Bewegungen der Menschen nach Verletzungen oder durch Krankheit hervorgerufenen Bewegungsstörungen (zum Beispiel nach einem Schlaganfall) ? Rehabilitation. Aber auch im juristischen Bereich spielt die Biomechanik eine bedeutende Rolle, wenn zum Beispiel Unfallhergänge geklärt werden müssen. Insgesamt hat sich der Themenbereich sehr ausgedehnt. So gehören heute auch Fragen der Bewegungskontrolle durch das Nervensystem eine wichtige Rolle. Die Europäische Gesellschaft für Biomechanik (ESB) wurde im Jahr 1979 gegründet. Ihre Konferenzen (seit 1980) finden alle 2 Jahre statt, jeweils in den Jahren, in denen die ISB nicht tagt. Ihre Hauptthemen sind Bereiche aus der Orthopädie. Die Deutsche Gesellschaft für Biomechanik (DGfB) wurde im Jahr 1997 als gemeinnütziger Verein in Ulm gegründet. Ihr erster Vorsitzender war Lutz Claes. Ihre Kongresse finden seit 1999 alle 2 Jahre statt.

Grundlagen | Quelltext bearbeiten

Untersuchung des Fußabdruckes einer Probandin mit Hilfe einer Kraftmessplatte
Mit Hilfe einer Kraftmessplatte aufgenommene Konturkarte eines menschlichen Fußabdrucks

Biomechanik als Teildisziplin der Bewegungswissenschaft, Biophysik, Technischen Mechanik und Arbeitswissenschaft beschreibt, untersucht und beurteilt menschliche Bewegungen und den Bewegungsapparat biologischer Systeme unter Verwendung der Begriffe, Methoden und Gesetzmäßigkeiten der Mechanik. Bei der Biomechanik des Sports als Teildisziplin der Sportwissenschaft sind der menschliche Körper, seine Bewegungsmöglichkeiten und die Bewegung Gegenstand der wissenschaftlichen Untersuchung.[2][3] In speziellen Fällen werden nichtlebende Bewegungsträger in die Betrachtung mit einbezogen, wie zum Beispiel Sportgeräte, orthopädische Hilfsmittel oder Arbeitsgeräte.[13] Mit Hilfe biomechanischer Messverfahren wird die Bewegung in Orts-, Zeit-, Geschwindigkeits-, Winkel- und Kraftmerkmale zerlegt. Dabei kommen Messmethoden wie zum Beispiel Kraftmessungen, Motion Capture oder Elektromyografie zum Einsatz.

Lange Zeit konzentrierte man sich auf den Außenaspekt der Bewegung. Das Hauptziel war dabei eine Theoriebildung zur Formulierung sportartenübergreifender biomechanischer Prinzipien wie zum Beispiel das Prinzip des optimalen Beschleunigungswegs oder das Prinzip der Anfangskraft. Ein weiteres Ziel war die Modellierung des sporttreibenden Menschen hinsichtlich des motorischen Verhaltens, des Körperbaus und der Aufdeckung der leistungsbestimmenden Kenngrößen. Mittlerweile wird der Innenaspekt der Bewegung verstärkt untersucht, wie zum Beispiel bioelektrische Muskel- und Reflexaktivitäten oder die Materialeigenschaften des menschlichen Körpers.[14] Die Biomechanik tritt damit in Interaktion mit anderen Fachgebieten wie zum Beispiel Neurophysiologie, Physiologie oder Anatomie.[4]

Die Biomechanik wird seit einiger Zeit auch als ein Teil der Technischen Mechanik verstanden, da die Belastungen von belebten Strukturen und beispielsweise Maschinenteilen gewisse Ähnlichkeiten aufweisen. Die Optimierungsstrategien von Bäumen und Knochen von Wirbeltieren dienen dabei als Vorbild für den Entwurf von Bauteilen hoher Festigkeit. Längst nicht mehr strittig ist, ob Knochen auf Biegung oder reinen Druck beansprucht werden: Die Analyse der resultierenden Kräfte langer Röhrenknochen zeigt, dass die Knochenschäfte erheblichen Biegemomenten ausgesetzt sind. Sie müssen sowohl Druck- als auch Zugkräfte übertragen. Die Auswirkungen dieser prinzipiell ungünstigen Beanspruchungsform werden im Bewegungsapparat durch passive und aktive Zuggurtung (z. B. Tractus iliotibialis) vermindert.