Orthopädische Biomechanik

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Waltraud Edwina Schneider
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1 Paul Brinckmann Wolfgang Frobin Gunnar Leivseth Burkhard Drerup Orthopädische Biomechanik Zweite, erweiterte Auflage Mit 325 Abbildungen und 23 Tabellen Mit einem Verzeichnis der Fachausdrücke der Orthopädischen Biomechanik Englisch-Deutsch Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. med. Hans Henning Wetz MV WISSENSCHAFT

2 Inhalt 1 Mechanische Grundbegriffe Kraft Drehmoment Druck Zentrum des Drucks Mechanische Spannung Reibungskraft Mechanische Arbeit, Energie, Impuls und Leistung Stabilität und Instabilität 32 2 Materialeigenschaften fester Stoffe Dehnung und Stauchung Scherung Elastische, viskoelastische und plastische Verformung Härte Reibung Materialversagen 46 3 Verformung und Festigkeit von Strukturen Experimentelle Bestimmung von Verformung und Festigkeit Berechnung von Verformung und Festigkeit stabfönniger 57 Strukturen Längenänderung eines Stabes bei Zug-oder Druckbelastung Biegung eines einseitig eingespannten Stabes Torsion eines Stabes um seine Längsachse Herabsetzung der Festigkeit durch Spannungskonzentrationen 62 4 Rechnen mit Vektoren Die Winkelfunktionen Sinus, Kosinus und Tangens Darstellung von Vektoren Addition von Vektoren, grafisches Verfahren im 2-dimensionalen 75 Fall 4.4 Addition von Vektoren, numerisches Verfahren im 2- und 78 3-dimensionalen Fall 4.5 Zerlegung eines Vektors in Summanden Multiplikation von Vektoren: Skalarprodukt und Vektorprodukt 80 5 Rechnen mit Matrizen Definition einer Matrix Multiplikation einer Matrix mit einem Vektor oder einer Matrix 85 V

3 6 Verschiebung und Drehung in der Ebene Anschauliche Beschreibung von Translation und Rotation Translation Rotation Aus Translation und Rotation zusammengesetzte Bewegung Fehlereinflüsse bei der Beschreibung einer Bewegung Rechnerische Beschreibung von Translation und Rotation Kartesische Koordinaten Translation Rotation Aus Rotation und Translation zusammengesetzte Bewegung Bestimmung der Abbildungsparameter aus 2 Punkten und ihrer 97 Bilder Matrixnotation Rechnerische Behandlung von Verschiebung und Drehung im Raum Koordinaten und Vektoren Koordinatentransformati onen Geradlinige Verschiebung im Raum Drehungen im Raum Einzeldrehungen um Koordinatenachsen Aus Einzeldrehungen zusammengesetzte Drehung Euler Winkel und Cardan-Bryant Winkel Einzeldrehung um eine beliebige Achse Aus Rotation und Translation zusammengesetzte Bewegung im 120 Raum und Theorem von Chasles 7.5 Berechnung der Parameter der Verschiebung und Drehung im 125 Raum aus der Messung der Lage von Referenzpunkten Parameter der Bewegung eines Körpers, der in einem raumfesten 125 Koordinatensystem beobachtet wird Parameter der Beschreibung der relativen Bewegung von zwei 130 Körpern 7.6 Beschreibung der Bewegung der Gelenke des menschlichen 132 Körpers Anschauliche Beschreibung der Bewegung in einer Ebene Beschreibung der räumlichen Gelenkbewegung Mechanische Eigenschaften von Knochen und Knorpel Aufbau des Knochengewebes Wachstum und Anpassung der Knochenform Frakturheilung Mechanische Eigenschaften des Knochenmaterials Spannung und Verformung inhomogener, anisotroper Materialien Materialeigenschaften von Kortikalis 146 VI

4 8.4.3 Architektur und Materialeigenschaften von Spongiosa Bestimmung der Knochendichte Klinische Anwendungen der Knochendichtemessung Anpassung von Knochen an die mechanischen Anforderungen Aufbau und mechanische Eigenschaften von Knorpel Reibungseigenschaften von Knorpel Anpassung und mechanisch bedingte Schädigung des Knorpels Struktur und Funktion von Skelettmuskeln Anatomische Grundlage der Kraftentfaltung Abhängigkeit der Muskelkraft von der Länge des Muskels Abhängigkeit der Muskelkraft von der Verkürzungsgeschwindigkeit Modellierung der mechanischen Eigenschaften der Skelettmuskeln Elastische Eigenschaften von Sehnen Abstufung der Kraft eines Muskels Zusammenhang zwischen EMG-Signal und Muskelkraft Architektur des Skelettmuskels Mechanische Aufgaben der Skelettmuskeln Training von Kraft und Ausdauer Kraftzuwachs durch Muskelhypertrophie Kraftzuwachs durch neurale Anpassung Kraftzuwachs nach mentalem Training Ausdauertraining Mechanische Aspekte der Haut Anatomischer Aufbau der Haut Mechanische Kennwerte Elastizitätsmodul Reibungseigenschaften Reaktion der Haut auf mechanische Beanspruchung Schädigung der Haut durch mechanische Beanspruchung Schädigung durch Druck Schädigung durch Scherung Abmessungen, Masse, Schwerpunktlage und Trägheitsmoment 223 der Segmente des menschlichen Körpers 11.1 Bestimmung der Schwerpunktlage und des Trägheitsmoments Schwerpunkt Trägheitsmoment Masse, Dichte und Abmessungen der Segmente des Körpers Schwerpunkt der Segmente des Körpers Trägheitsmoment der Segmente des Körpers 235 VII

5 12 Ermittlung der Gelenkbelastung in einer Modellrechnung Gleichgewichtssatz der Mechanik Beispiel der Ermittlung der Gelenkkraft einer Balkenwaage Berechnung der Gelenkbelastung im statischen Fall, erläutert 244 am Beispiel des Ellenbogengelenks 12.4 Berechnung der Gelenkbelastung im dynamischen Fall, 248 erläutert am Beispiel des Sprunggelenks 12.5 Berechnung der Gelenkbelastung, wenn mehr als ein das Gelenk 255 überspannender Muskel aktiv ist 13 Mechanische Aspekte des Hüftgelenks Belastung des Hüftgelenks in der Standphase beim langsamen 261 Gang 13.2 Beeinflussung der Hüftgelenksbelastung durch Gehtechnik, äußere 265 Hilfsmittel oder knochenchirurgische Eingriffe 13.3 Bestimmung der Hüftgelenksbelastung aus Ganguntersuchungen Bestimmung der Hüftgelenksbelastung mit Hilfe instrumentierten 272 Gelenkersatzes 13.5 Berechnung der Druckverteilung auf der Oberfläche des 273 Hüftgelenks 13.6 Mechanische Ursachen der Arthrose des Hüftgelenks Mechanische Aspekte des Kniegelenks Gemeinsamkeiten in Aufbau und Funktion der Gelenke, 285 aufgezeigt am Beispiel des Kniegelenks 14.2 Die Bewegung des Kniegelenks Belastung des femoro-tibialen und des femoro-patellaren Gelenks Belastung der Kreuzbänder Mechanische Aspekte der Lendenwirbelsäulc Belastung der Lendenwirbelsäule Ebene Modellrechnung Räumliche Modellrechnungen Intraabdominaler Druck und Belastung der Lendenwirbelsäule Empfehlungen für das Heben und Tragen von Lasten Festigkeit der Lendenwirbel Kompressionsfestigkeit Knochendichte und Knochenmineralgehalt in Abhängigkeit 324 von Geschlecht und Alter Bruch des Wirbelbogens Segmentale Bewegung Beschreibung als reine Rotation Beschreibung als Kombination von Rotation und Translation Mechanische Funktion lumbaler Bandscheiben 332 VIII

6 Druckverteilung an der Grenzfläche Bandscheibe-Wirbelkörper Zusammenhang zwischen intradiskalem Druck 334 und radialer Auswölbung 15.5 Bandscheibenvorfall Hypothesen zu mechanischen Ursachen des Bandscheibenvorfalls Epidemiologische Studien Mechanische Aspekte der Schulter Die Gliederkette der oberen Extremität Muskeln der Schulterregion Stabilität des Schultergelenks Belastung des Schultergelenks Statische, ebene Modellrechnungen Statische, räumliche Modellrechnungen Dynamische, räumliche Modellrechnungen Messungen mit instrumentiertem Gelenkersatz Biomechanik des Fußes Die kinematische Kette des Fußes Statik des Fußes Belastung des Sprunggelenks Innere Kräfte in der Fußwölbung Innere Kräfte im Vorfuß Verformung des Fußes Posturographie Plantare Druckverteilung Druck-Messverfahren, Anforderungen und generelle Lösungen Druck-Messverfahren, Interpretation der Messungen Bodenreaktionskraft und plantarer Druck Einflussfaktoren der plantaren Druckverteilung Besonderheiten beim Diabetischen Fuß Gang Schrittmuster Zeitliche Schrittfolge Kinematik Muskelaktivität Drehmoment und Leistung der Muskeln Angriffspunkt der Bodenreaktionskraft Energieverbrauch beim Gehen Dominanz eines Beins Stürze Epidemiologie der Stürze Prävention von Sturzverletzungen 417 IX

7 19 Übungsaufgaben 423 Bezeichnungen und Maßeinheiten 471 Fachausdrücke der Biomechanik Englisch-Deutsch 473 Sachverzeichnis 479 X

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