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

Danksagung

Mein Dank gilt

den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg sowie der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, die mir sachlich und persönlich stets behilflich waren und so zum Gelingen dieser Master-Thesis beigetragen haben.

Mein besonderer Dank gilt

Herrn Prof. Dr. rer. nat. Heinrich Heitmann, HAW Hamburg,

für die freundliche Übernahme des Erstgutachtens und die mir gegebenen Hinweise während meines Studiums und meiner Master-Thesis, die mir in formalen Fragen unverzichtbar und als fachliche Unterstützung hervorragend dienlich waren,

Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank Mantwill, HSU / UniBw Hamburg,

für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens und die vertrauensvolle Überlassung des Themas,

Herrn Dipl.-Ing. M.Sc. Mohamad Tarabolsi, HSU / UniBw Hamburg, für die professionelle Betreuung bei der Erarbeitung der Inhalte dieser Master-Thesis, seine freundschaftliche Unterstützung und Anteilnahme.

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Zusammenfassung

In Deutschland erhalten jährlich rund 200.000 Menschen ein künstliches Hüftgelenk. Das Ziel eines solchen Hüftgelenkersatzes ist eine möglichst dauerhafte und optimale Wiederherstellung der Funktion des betroffenen Gelenks, das durch Abnutzung, Fehlbildung oder Unfall geschädigt ist. Die für einen vollständigen Gelenkersatz verwendete Totalendoprothese (TEP) besteht dabei aus einer in den Beckenknochen zu implantierenden künstlichen Hüftpfanne sowie aus einer Schaftprothese mit Kugelkopf, die in den Oberschenkelknochen eingesetzt wird.

Bei der Entwicklung von künstlichen Hüftpfannen spielt die Geometrie des Hüftgelenks eine entscheidende Rolle. Da die natürliche Gelenkpfanne annähernd halbkugelförmig ist, bietet sich diese Form auch für die Implantate an. Eine höhere Stabilität im knöchernen Lager besitzen hingegen andere Pfannenformen. 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 Pfannenschale, d. h. ihre Implantationsrichtung für eine optimale Fixierung des orthopädischen Knochenimplantats und einen ausreichenden Bewegungsumfang im künstlichen Hüftgelenk von Bedeutung.

Die Arbeit beschäftigt sich mit den zahlreichen Einflussfaktoren auf künstliche Hüftpfannen. Dies soll einen Aufschluss über Stabilitätskriterien des Hüftgelenkersatzes geben, die im Optimierungsprozess von künstlichen Hüftpfannen von Bedeutung sein können. Neben der ausführlichen Problemstellung wird ein Konzeptentwurf für eine Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne ausgearbeitet und vorgestellt. 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 Einflussfaktoren begründet. In Anforderungslisten werden zudem einige Forderungen und Wünsche für modulare Pressfit- und Schraubpfannen festgelegt.

Die Ergebnisse der 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.

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Abstract

Each year about 200.000 people in Germany receive an artificial hip joint. The aim of such a hip replacement is, ideally, the permanent and optimal restoration of the function of the affected joint which has been damaged through wear, deformity or accident. The total hip joint endoprosthesis which is being used for a complete joint replacement consists of an artificial hip socket for implantation into the pelvic bone and of a shaft prosthesis with a spherical head to be inserted into the femur. The geometry of the hip joint plays an essential role in the development of artificial hip sockets. Since the natural hip socket is practically hemispherical, this shape suggests itself also for the implants. Other socket shapes, however, possess a higher stability within the bone mount. The material and the texture of the surface of the socket cup are only two of many other factors which have an influence on the longterm stability of artificial hip sockets. Last but not least also the kinematics of the socket cup, i.e. the direction in which it is being implanted, are of significance for an optimal fixation of the orthopaedic bone implant and a sufficient range of motion within the artificial hip joint.

The paper deals with the numerous factors which have an influence on artificial hip sockets. It is to give information about the criteria affecting the stability of the hip joint replacement, which may be of importance in the process of optimising artificial hip sockets. In addition to a detailed outline of the problem, a draft concept for the optimisation of the stress and strain distribution within the replacement system of the hip joint socket is being drawn up and presented. First of all, the current state-of-the art technology for cemented and cement-free hip socket implants is being described. Subsequently, the working hypothesis is being formulated and substantiated by means of an order scheme, using the example of two influencing factors which had previously been identified as vital. In addition, several demands and requests for modular press-fit and screw sockets are being specified in requirement lists. The results of this work contribute within the scope of the project RomEo in which the Helmut Schmidt University and the Trauma Hospital of the Workman's Compensation, Center for Reconstructive, Orthopedic Surgery and Rehabilitation, in Hamburg participate, to a subproject for the optimisation and further development of hip joint replacements.

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Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  1

2.  Anatomie und Histologie  3

2.1  Stützgewebe  3

2.1.1  Knorpelgewebe  3

2.1.2  Knochengewebe  5

2.1.3  Vergleich Knochen - Knorpel  9

2.2  Muskelgewebe  10

2.2.1  Glattes Muskelgewebe  10

2.2.2  Quergestreiftes Muskelgewebe  12

2.3  Achsen, Ebenen und Orientierungsbezeichnungen  17

2.3.1  Körperachsen und Körperebenen  17

2.3.2  Lage- und Richtungsbezeichnungen  19

2.3.3  Bewegungsrichtungen des Rumpfes und der Extremitäten  20

2.4  Anatomie des Hüftgelenks  21

2.4.1  Gelenkpfanne  21

2.4.2  Gelenkkopf  24

2.4.3  Ausrichtung des Gelenks  25

2.4.4  Gelenkkapsel  26

2.4.5  Mechanik  29

2.4.6  Gefäßversorgung  35

2.4.7  Innervation  36

2.5  Ärztliche Topographie und Zugänglichkeit  38

3.  Werkstoffe und Hüftpfannen  43

3.1  Werkstoffe  43

3.1.1  Metalle  43

3.1.2  Keramiken  46

3.1.3  Kunststoffe  47

3.2  Werkstoffeignung  49

3.2.1  Anforderungen an Implantate  49

3.2.2  Anforderungen an Implantatwerkstoffe  50

3.2.3  Gestaltungseinfluss  52

3.2.4  Beurteilung  53

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3.2.5  Ergebnisse  54

3.3  Hüftpfannen  59

3.3.1  Zementierte Hüftpfannen  59

3.3.2  Zementfreie Hüftpfannen  60

3.3.3  Material und Oberfläche  66

3.3.4  Osseointegration  67

3.3.5  Ergebnisse  71

4.  Biomechanik  73

4.1  Kontaktkraft im Hüftgelenk  73

4.1.1  Das Rechenmodell von Pauwels  73

4.1.2  Einfluss von Anatomie und Muskelfunktion auf die Kontaktkraft  75

4.2  Gelenkdruck  78

4.3  Knochenumbau  79

4.4  Endoprothesen  81

4.5  Belastung des Hüftgelenks bei komplexen Aktivitäten  82

4.5.1  Kraftberechnung  82

4.5.2  Kraftmessung  83

4.5.3  Spannungsberechnung  85

4.6  In vivo wirkende Kräfte im Hüftgelenk  87

4.6.1  Stehen  87

4.6.2  Gehen und Joggen  89

4.6.3  Treppensteigen  93

4.6.4  Aufstehen und Hinsetzen  96

4.6.5  Kniebeugen  98

4.6.6  Krankengymnastik  99

4.6.7  Gehen mit Unterarmgehstützen  99

4.6.8  Stolpern  99

4.6.9  Fahrrad fahren  100

4.6.10  Einfluss von Schuhwerk und Bodenmaterial  100

4.6.11  Belastungsrichtungen  101

4.6.12  Drehbelastung von Hüftimplantaten  102

4.7  Erwärmung von Hüftimplantaten  103

4.8  Bewegungsumfang  104

4.8.1  Implantatposition  105

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4.8.2  Implantatdesign  107

4.8.3  Ergebnisse  110

5.  Konzeptentwurf  114

5.1  Stand der Technik  114

5.1.1  Zementierte Hüftpfannen  114

5.1.2  Zementfreie Hüftpfannen  115

5.2  Optimierung der Druck- und Zugverteilung  118

5.2.1  Arbeitshypothese  118

5.2.2  Einflussfaktoren  120

5.2.3  Ordnungsschema am Beispiel von zwei Einflussfaktoren  124

5.2.4  Anforderungslisten  127

6.  Zusammenfassung und Ausblick  138

7.  Literaturverzeichnis  141

  A. Abbildungsverzeichnis  157

  B. Tabellenverzeichnis  160

  C. Abkürzungsverzeichnis und verwendete Formelzeichen  161

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1. Einleitung

Allein in Deutschland erhalten jährlich rund 200.000 Menschen ein künstliches Hüftgelenk, weltweit sind es etwa 1,5 Millionen. Das Ziel eines solchen Hüftgelenkersatzes 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 Totalendoprothese (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 unterscheidet man daher zwischen Pressfit- und Schraubpfannen. Als Implantatwerkstoffe 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 Kugelkopf und Pfanneneinsatz, eine Verbesserung des Bewegungsumfangs und der Stabilität des künstlichen Hüftgelenks erreicht werden kann.

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

Bei der Entwicklung von künstlichen Hüftpfannen spielt die Geometrie des Hüftgelenks eine entscheidende Rolle. Da die natürliche Gelenkpfanne annähernd halbkugelförmig ist, bietet sich diese Form auch für die Implantate an. Eine höhere Stabilität

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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 Pfannenschale, d. h. ihre Implantationsrichtung für eine optimale Fixierung des orthopädischen Knochenimplantats und einen ausreichenden Bewegungsumfang im künstlichen Hüftgelenk von Bedeutung.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den zahlreichen Einflussfaktoren auf künstliche Hüftpfannen. Dies soll einen Aufschluss über Stabilitätskriterien des Hüftgelenkersatzes 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 Orientierungsbezeichnungen 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 Berechnungsverfahren und Messsystemen ermittelten, im natürlichen und künstlichen Hüftgelenk wirkenden Kräfte werden für verschiedene Aktivitäten analysiert. Außerdem werden die Einflussfaktoren auf den Bewegungsumfang und die Stabilität des künstlichen Hüftgelenks 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 Wünsche 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.

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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. Kennzeichnend für dieses Stützgewebe sind die Knorpelzellen (Chondrozyten), die mehr oder weniger abgerundet sind, in kleinen Gruppen (Chondrone) in der Knorpelgrundsubstanz (Extrazellularmatrix) liegen und sich gegenseitig nicht berühren. Siehe hierzu Abb. 2.1. Je nach Art und Menge der Fasern unterscheidet man zwischen hyalinem 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 direkt durch die Gelenkflüssigkeit (Synovia), wie es beim hyalinen Gelenkknorpel der Fall ist. Die Knorpelentwicklung geht vom Perichondrium aus, allerdings ist die Regenerationsfähigkeit von Knorpel sehr gering. Fehlt das Perichondrium, wie beim hyalinen Gelenkknorpel, findet gar keine Neubildung statt. Knorpel zeichnet sich weiterhin durch eine hohe Druckfestigkeit aus, er ist viskoelastisch verformbar und besitzt 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 großen 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

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hyaline Gelenkknorpel besitzt als einziger Knorpel keine Knorpelhaut (Perichondrium), 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 elastische Fasernetze, die um die Chondrozyten verlaufen und in das angrenzende Perichondrium 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 auditiva) 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 Gelenkzwischenscheiben (Disci articulares / Menisci articulares).

2.1.2 Knochengewebe

Das Knochengewebe ist als Baumaterial der Knochen bzw. des Skeletts das Hauptstützgewebe und abgesehen vom Zahnmaterial die härteste Substanz des menschlichen 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 Knorpelzellen (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 aufweist. Die Extrazellularmatrix ist reich an Kollagenfasern, die in einer mit anorganischen Salzen angereicherten Grundsubstanz verlaufen. Sie besteht zu 20 % bis 25 % aus Wasser, zu 25 % bis 30 % aus organischer und zu ca. 50 % aus anorganischer Substanz. Die anorganische Substanz enthält dabei im Wesentlichen Kalksalze, vor allem Calciumphosphat und Calciumcarbonat. Die Mineralien sind in kristalliner 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 Knochengewebe 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 Querschnitt 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).

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Abb. 2.2: Aufbau von Knochengewebe am Beispiel des Oberschenkelknochens [62]

Während die Compacta im gesamten äußeren Bereich des Röhrenknochens vorkommt und im Schaft (Diaphyse) besonders gut ausgeprägt ist, bildet sich die Spongiosa vor allem an den Enden (Epiphysen) des Knochens. Durch diese Art Leichtbauweise wird mit einem Minimum an Material ein Maximum an Festigkeit erreicht. Zusätzlich hierzu kann sich der Knochen funktionell anpassen, indem sich die Spongiosabälkchen (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, blutbildende Knochenmark. Gelbes Knochenmark oder Fettmark hingegen ist im Bereich der Markhöhle der Diaphyse besonders ausgebildet.

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Seinen Namen verdankt der Lamellenknochen dem lamellenartigen Aufbau der Substantia compacta eines Röhrenknochens. Am Querschnitt wird die Verteilung der Lamellensysteme (Osteone bzw. Havers-Systeme) innerhalb der Compacta besonders deutlich. Wie aus Abb. 2.2 ersichtlich, befindet sich im Zentrum eines Osteons ein ernährendes Blutgefäß, um das die Osteozyten und die Extrazellularmatrix ringförmig angeordnet sind. Die Knochenzellen liegen dabei stets zwischen den Lamellen, in denen die Kollagenfasern spiralig angeordnet sind. Wie bereits erwähnt, stehen die Osteozyten untereinander über Zellfortsätze, die in winzigen Knochenkanälchen (Canaliculi) verlaufen, in Verbindung und können so Nährstoffe von innen, also vom Blutgefäß ausgehend, nach außen weitergeben. Die Innenwand eines im Aufbau 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 eingelagert. 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 Lamellen selbst sind allerdings plattenförmig angeordnet. Siehe hierzu Abb. 2.2. Da Blutgefäße fehlen, erfolgt die Nährstoffversorgung der sehr stoffwechselaktiven Osteozyten durch Diffusion vom umgebenden Knochenmark. Hierdurch können die Spongiosabälkchen 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 einem Knochenbruch, sehr gut anpassen. Innerhalb der Compacta und der Spongiosa werden somit alte Lamellensysteme abgebaut und neue aufgebaut. Der Abbau er-

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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 Knochenbruchheilung zunächst so genannter Geflechtknochen gebildet. In diesem verlaufen Blutgefäße und Kollagenfasern im Gegensatz zum Lamellenknochen völlig ungeordnet. Geflechtknochen entspricht daher einem erhärteten, faserreichen Bindegewebe 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 Ersatzknochen 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 eine knorpelige Vorstufe. Nur einige Schädelknochen sowie das Schlüsselbein (Clavicula) 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) abgebaut und anschließend durch Ersatzknochen (chondrale bzw. indirekte Ossifikation) 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

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Knochenkernen (Nebenkerne) entwickelten Knochenvorsprünge bezeichnet, die als Ansatz von Muskeln und Bändern dienen.

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 Bedingungen laufend an. Der gefäßfreie Knorpel, dessen Zellen isoliert voneinander und weitab von Nährstoffquellen liegen, regeneriert weniger gut und zeigt nur eine geringe biologische Anpassungsfähigkeit.

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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 Kontraktion 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 Körpers. 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 Muskelzellen bzw. -fasern in hoher Konzentration die als Myofibrillen bezeichneten Eiweißstrukturen, die sich bei Erregung der Muskelfasern zusammenziehen (kontrahieren). Die Myofibrillen selbst sind aus kurzen Eiweißfäden, den Myofilamenten, zusammengesetzt. 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 Hämoglobin (Hb) sehr nahe stehender, im Zytoplasma gelöster Farbstoff. Nach Bau und Funktion werden glattes und quergestreiftes Muskelgewebe unterschieden. 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. Glattes 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).

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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. Längere 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 weniger 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 Bindegewebsfasern (Retikulinfasern) untereinander und mit ihrer Umgebung verbunden. Die Auslösung der Kontraktion erfolgt durch Überträgerstoffe (Neurotransmitter) wie Acetylcholin (ACh) und Adrenalin.

2.2.2 Quergestreiftes Muskelgewebe

Das quergestreifte Muskelgewebe wird in Skelettmuskelgewebe und Herzmuskelgewebe unterschieden. Parallel zur Längsrichtung der Muskelzelle bzw. -faser verlaufen dicht gepackte Myofibrillen. Jede Fibrille zeigt regelmäßig abwechselnde, einfach- 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 ähnlicher 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 kollagenem 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 zusammen, die mit bloßem Auge noch gut sichtbar und untereinander durch lockeres Bindegewebe (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 aufgebaut, 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) begrenzter Zytoplasmaschlauch, in dessen Verlauf die Zellgrenzen fehlen und der mehrere hundert am Rand gelegene Zellkerne besitzt. Somit sind Muskelzellen fadenförmige, oft mehrere Zentimeter lange Zellen mit einem Durchmesser von 10 μm bis

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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.

Innerhalb eines Muskels liegen zwischen 40 und 500 so genannte Muskelspindeln. Diese Rezeptororgane enthalten spezifische Dehnungsrezeptoren, die Längenänderungen des Muskels registrieren und diese Informationen über bestimmte Nervenfasern zum Rückenmark senden. Die Muskelspindeln sind spezialisierte Muskelfasern, die man als innerhalb der Muskelspindel gelegene (intrafusale) Muskulatur der au-

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ßerhalb der Muskelspindel gelegenen (extrafusalen) Muskulatur des aktiven Bewegungsapparates 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 Gesamtheit als transversales System bzw. T-System bezeichnet, siehe Abb. 2.6. Hierüber breitet sich der Extrazellularraum über den gesamten Muskelfaserquerschnitt aus, wodurch eine schnelle Ausbreitung des Aktionspotentials bis tief in die Muskelfaser gewährleistet wird.

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 longitudinalen 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 (Ca ²⁺ ), die beim Eintreffen eines Aktionspotentials (AP) in Bruchteilen von Sekunden aus den Tubuli freigesetzt werden und die Kontraktion des Muskels einleiten (elektromechanische Kopplung). Alleinige Energiequelle für diese Muskelkontraktion ist Adenosintriphosphat (ATP), das in den zahlreichen Mitochondrien gebildet wird. Die sich verkürzenden (kontraktilen) Bauelemente der Skelettmuskelzellen, die Myofibrillen, verlaufen parallel zur Längsrichtung der Muskelfaser und sind durch querverlaufende Trennwände (Z-Scheiben) in zahlreiche ca. 2,5 μm lange Einheiten (Sarkomere) gegliedert. Siehe hierzu Abb. 2.7. Innerhalb eines solchen Sarkomers sind

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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 (Kontraktion) gleiten dünne und dicke Myofilamente aneinander vorbei. Die Filamente selbst behalten dabei ihre ursprüngliche Länge, während sich die einzelnen Sarkomere verkürzen. Bei der Erschlaffung oder Dehnung eines Muskels kehrt sich dieser Vorgang um.

Wie aus Abb. 2.8 ersichtlich, binden sich die Myosinköpfchen während einer Muskelkontraktion an die Aktinfilamente, wodurch sich so genannte Querbrücken bilden. Durch eine Kipp- oder Ruderbewegung der Köpfchen werden die Aktinfilamente anschließend 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 im-

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mer wieder gelöst werden. So können die Aktin- und Myosinfilamente nach erneuter Bindung durch Abkippung weiter aneinander vorbeigleiten. Für eine maximale Muskelkontraktion müssen sich diese Binde- und Abkippvorgänge ca. 50-mal schnell hin-tereinander abspielen.

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 liegen die Kerne der Herzmuskelzellen meist zentral, wie aus Abb. 2.4 ersichtlich ist; weiterhin ist die Herzmuskelzelle im Querschnitt kleiner als die Skelettmuskelfaser

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 Erregungsleitsystem 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

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2.3 Achsen, Ebenen und Orientierungsbezeichnungen

2.3.1 Körperachsen und Körperebenen

Durch den menschlichen Körper lassen sich beliebig viele Achsen und Ebenen legen. 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 verlaufen; 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.

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  Abb. 2 9 : Die wichtigsten Ebenen, Lagebezeichnungen und Bewegungsrichtungen  12

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2.3.2 Lage- und Richtungsbezeichnungen

Die folgenden Lage- und Richtungsbezeichnungen dienen der genauen Beschreibung 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

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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 Extremitätenteilen; 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

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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 vorhanden. 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 acetabuli), 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 durchschneiden 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 klinischen Sprachgebrauch wird diese häufig fälschlicherweise als Limbus acetabuli bezeichnet. Der Limbus jedoch bildet vielmehr den knöchernen Rand des Acetabulums, an dem die Lippe selbst entspringt. Diese stellt im Querschnitt ein Dreieck dar, dessen Basis dem knöchernen Limbus zugewendet ist und dessen auslaufende Spitze

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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 Ausdehnung besitzt, ist sie vorn und unten nur ca. 0,5 cm breit. Die Gelenkkapsel setzt am knöchernen Rand des Acetabulums, außerhalb des Labrums an. Hierdurch entsteht zwischen Lippe und Kapsel ein Spaltraum, der Recessus supraarticularis oder perilimbicus. Dieser erreicht seine größte Tiefe hinten und unten, fehlt jedoch im Bereich des so genannten Pfannenquerbandes (Lig. transversum acetabuli), wie ebenfalls aus Abb. 2.10 ersichtlich ist.

Abb. 2.10: Rechtes Hüftgelenk, Kapselmanschette zirkulär durchtrennt und Femurkopf aus der Pfanne gezogen. An der Pfanne sieht man die Facies lunata mit einer oberen Knorpelinzisur, peripherwärts davon das Labrum acetabulare. Zwischen Lippe und Kapsel liegt der Recessus perilimbicus. Unten überbrückt das Lig. transversum acetabuli die Incisura acetabuli. 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 Incisura acetabuli. Während die äußeren Fasern dieses ca. 1 cm breiten Bandes die Enden der Pfannenlippe verbinden, reichen die inneren Fasern vom Sitzbein- bis zum Schambeinhorn der Facies lunata. Hierbei entspringt das Band am abgerundeten

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Hinterhorn breitflächig, im Bereich des Vorderhorns tritt es eher an dessen Außenfläche 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 Grubenabschnitten fehlen, indem sich die Membrana synovialis direkt an das Periost anlegt und der Fettkörper zentral in der Fossa acetabuli liegen bleibt.

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 sichtbar. Der Kapselursprung ist oben am knöchernen Pfannendach, unten am Lig. transversum acetabuli sichtbar. In Höhe des Femurhalses ist die Kapsel zur Zona orbicularis verdickt. Das Lig. capitis femoris entspringt am Lig. transversum acetabuli. Der innere Synovialtrichter bedeckt die Fossa acetabuli, das Fett der Pulvinar acetabulare und das Lig. capitis femoris. [4]

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2.4.2 Gelenkkopf

Der Schenkel- oder Femurkopf (Caput femoris) bildet zu etwa zwei Drittel eine Kugeloberfläche mit einem Radius von ca. 2,5 cm. Die knorpelige Kontaktfläche zwischen Kopf und Pfanne beträgt dabei 14 cm ² bis 16 cm ² . Bei geschlossenem Gelenkraum 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 abgegrenzt. 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 femoris, seine Innenfläche dem Pulvinar acetabulare an. Siehe hierzu insbesondere Abb. 2.11 und Abb. 2.12. Funktionell betrachtet gerät das Lig. capitis femoris bei keiner der möglichen Bewegungen des Hüftgelenks zwischen die überknorpelten Gelenkflächen.

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 ziehen. Somit bildet der innere Kapseltrichter eine räumliche Abgrenzung zwischen Gelenkhöhle und Incisura acetabuli.

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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 Bindegewebe gebildet oder der innere Synovialtrichter liegt überhaupt nur als leere Intimafalte vor.

Abb. 2.12: Rechtes Hüftgelenk von oben, Schrägschnitt annähernd in der Horizontalebene. Die Pfanne schaut nach lateral und vorn. Facies lunata und Labrum acetabulare vorn und hinten geschnitten, zwischen Kapsel und Gelenklippe Recessus perilimbicus. Fovea capitis femoris 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 Horizontalebene ist im Frontalschnitt der Abb. 2.11 erkennbar. Die Pfanneneingansebene als Ebene des Pfannenrandes nimmt mit der Horizontalebene dabei einen Winkel von ca. 50° bis 60° ein. Hierdurch überragt der Oberrand des Acetabulums als Pfannendach den Femurkopf deutlich. Die Neigung nach vorn ist im Horizontalschnitt der

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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 (Kollodiaphysenwinkel) beschrieben, der beim Erwachsenen ca. 125° beträgt. Zeitlebens wirken auf diesen Winkel vergrößernde und verkleinernde Kräfte ein. Winkelvergrößernd (valgisierend) wirken die Abspreizer (Abduktoren) sowie die zum Körper hin verlaufenden (proximalen) Heranführer (Adduktoren). Winkelverkleinernd (varisierend) wirken hingegen das Körpergewicht, sämtliche langen Adduktoren sowie die Beuger (Flexoren) und Strecker (Extensoren) des Kniegelenks (Articulatio genus). Störungen des Kräftegleichgewichts 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 Endstückverdrehung des Oberschenkelknochens, die als Femurtorsion bezeichnet wird. Gemäß Abb. 2.12 ist das proximale Femurende gegen sein vom Körper entfernt verlaufendes (distales) Ende um ca. 12° nach vorn verdreht, daher auch Antetorsion genannt. 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:

(Verlauf: Darmbein, Os ilii Oberschenkel, Femur) 1. Lig. iliofemorale

2. Lig. pubofemorale (Verlauf: Schambein, Os pubis Oberschenkel, Femur)

3. Lig. ischiofemorale (Verlauf: Sitzbein, Os ischii Oberschenkel, Femur)

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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 genannten vorderen unteren Darmbeinstachel (Spina iliaca anterior inferior) mit einem Querzug (Pars transversa) zum proximalen Ende der Linea intertrochanterica und mit einem Längszug (Pars descendens) zum distalen Ende dieser Linie. Siehe hierzu Abb. 2.13.

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 lateralis, 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 entspringt am oberen Schambeinast, der so genannten Crista obturatoria und Membrana obturatoria und zieht mit dem Längszug des Lig. iliofemorale zur Linea intertro-

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chanterica. Das Lig. pubofemorale ist dabei das schwächste Kapselband des Hüftgelenks, 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.

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. Unterhalb 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 Streckung (Extension) wird durch alle drei Bänder gehemmt. Die Spreizung (Abduktion) erfährt ihre Hemmung durch das Lig. pubofemorale, den Längszug des Lig. iliofemorale und teilweise durch das Lig. ischiofemorale. Die Schließung (Adduktion) hinge-

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