Biomechanik des Fusses

INHALTSVERZEICHNIS

BIOMECHANIK DES FUßES

Einleitung

Der Fuß als Ganzes

Die Fußwurzel
Der Mittelfuß
Die Zehen
Die Sprunggelenke
Fußwölbungen

Kinematik und Kinetik

Fußdeformitäten
Der Plattfuß
Der Hohlfuß

Literaturverzeichnis

Einleitung

BIOMECHANIK DES FUßES

The average person takes approximately 10,000 steps per day, which can add up more than 3 millions steps per year.

Each step can place two to three times of body weight forces on the feet … … Indeed, as time marches on, it marches on your feet! (AOFAS)

Einleitung

Unser Fuß wird laut Zitat täglich extremen Belastungen ausgesetzt. Mit Blick auf die Biomechanik stellt sich die Frage, wie es dem Fuß überhaupt möglich ist dies allem standzuhalten und wie schafft er es z.B. auch in Bewegung das Gleichgewicht zu halten? Nach Debrunner (1985, S. 1) wird der Fuß als komplexes Gebilde mit einer einmaligen, recht komplizierten Funktion beschrieben. „Die Mechanik des Fußes umfasst sowohl die konstruktiven Details wie Gelenkarchitektur und Festigkeit der daran beteiligten Gewebe, als auch den recht komplexen Bewegungsablauf (Kinematik) und die Beschreibung der aktiven und passiven Kräfte, die auf ihn einwirken (Kinetik)“ (Debrunner, 1985, S.1). Um die Biomechanik des Fußes erklären zu können sind grundlegende Kenntnisse in der Anatomie des Fußes Voraussetzung. Deshalb werde ich im ersten Teil meiner Hausarbeit die Anatomie beschreiben, um dann später auf die Kinematik und Kinetik aufzubauen. Im letzten Teil folgen dann noch die möglichen Deformitäten des Fußapparates, bei denen ich auf die wichtigsten bzw. am häufigsten vorkommenden näher eingehen werde.

Der Fuß als Ganzes

Abbildung 1: Fußskelett von innen unten mit Blick auf das Fußgewölbe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Fuß ist das Stütz - und Fortbewegungsorgan des Menschen. Da er nicht nur unser gesamtes Körpergewicht tragen muß, und damit auch das meist belastete Körperteil ist, sondern auch noch eine stoßdämpfende Funktion hat, ist er mit besonders stabilen Knochen, eine Vielzahl stützender Bänder und haltgebender Muskeln ausgestattet (s.a. Engelhardt, 1998; Tittel, 1994). Dabei umfasst der menschliche Fuß insgesamt 26 Knochen und 33 Gelenke (AOFAS, 2000). Das in Abb.1 abgebildete Fußskelett stellt eine Gesamtübersicht des Knochenaufbaus dar. Nach Engelhardt (1998, S. 143) besteht der Fuß aus drei Teilen:

- der Fußwurzel (Tarsus) mit sieben Fußwurzelknochen (Ossa tarsi);
- dem Mittelfuß ( Metatarsus) mit den fünf Mittelfußknochen (Ossa metatarsalia) und
- fünf Zehen, bei denen die Großzehe (Hallux) zwei, die übrigen Zehen (Digiti pedis) jeweils drei Knochen enthalten.

Die Fußwurzel

Die Fußwurzelknochen können in zwei Gruppen unterteilt werden. Zur fibularen Gruppe zählt der am weitesten dorsal liegende und gleichzeitig größte Fußwurzelknochen das Fersenbein (Calcaneus) sowie das Würfelbein (Os cuboideum). Die tibulare Gruppe umfasst das Sprungbein

(Talus), das auf dem Fersenbein liegt, das Kahnbein (Os naviculare), das distal vom Sprungbein und medial vom Calcaneus liegt, und die drei Keilbeine (Ossa cuneiformia I-III) genannt, die zwischen dem Kahnbein und dem Würfelbein, ventral und lateral, eingeschlossen nebeneinander liegen.

Der Mittelfuß

Der Mittelfuß setzt sich zusammen aus den fünf Mittelfußknochen (Ossa metatarsalia) deren distales Ende ‚Kopf’ genannt wird und mit den Grundphalangen der Zehen verbunden ist, während das proximale Ende, die ‚Basis’, mit der Fußwurzel zusammenhängt. Jener, der die Großzehe trägt ist der stärkste. Das erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Gehen der erste Strahl bei der Abwicklung des Fußes vom Boden am meisten beansprucht wird und schon beim Stehen etwa den doppelten Druck auszuhalten hat als die übrigen. Die Muskelgruppe der mittleren Fußsohle zählt zu den kurzen Fußmuskeln. Ein wichtiger Flexorenmuskel, der die Zehen an den Grund- als auch in den Mittelgelenken beugt, wäre der kurze Zehenbeuger (M.flexor digitorum brevis), der an den Mittelgliedern der 2.-5. Zehe ansetzt. Außerdem ist er auch an der Verspannung des Fußgewölbes beteiligt (Tittel, 1994, S. 143-144).

Die Zehen

Die Zehen werden, wie die Mittelfußknochen, zu den Röhrenknochen gezählt. Die Großzehe besteht aus zwei Gliedern (Phalangen), während die übrigen vier aus drei Gliedern bestehen. Zu den Kugelgelenken zählen die Zehengrundgelenke. Die Interphalangealgelenke werden zu der Gruppe der Scharniergelenke gezählt. Die wichtigsten Muskeln, die erwähnt werden sollten, wären der zur Streckung der Großzehe verantwortliche M. extensor hallucis longus, der auch an der Dorsalextension des Fußes beteiligt ist und der zur Streckung der 2.-5. Zehe verantwortliche lange Zehenstrecker (M. extensor digitorum longus). Ein nahezu viereckiger Muskel ist der M. quadratus plantae, der nicht an den Knochen, sondern in den Sehnen des langen

Zehenbeugers ansetzt und als Hilfsmuskel die Zugrichtung der Sehnen korrigiert (Engelhardt, 1998, S. 145-146).

Die Sprunggelenke

Am Fuß unterscheiden wir zwei Hauptgelenke. Mit den oberen Gelenkflächen vom Sprungbein (Talus) bilden das Schien - und Wadenbein nach distal das obere Sprunggelenk (Articulatio talocruralis), das in einer festen scharnierförmigen Verbindung steht. Das Scharniergelenk ermöglicht die dorsale Beugung des Fußes (Dorsalflexion), aktiv etwa bis 30 Grad (passiv bis 40 Grad) und die plantare Beugung (Plantarflexion), aktiv bis etwa 50 Grad (passiv bis 65 Grad). Die Zahlenangaben sind je nach Alter oder Trainingszustand stark abhängig (Tittel, 1994, S. 181). Fußhebende Fußmuskeln liegen vor der Knöchelachse, die viermal stärkeren Fußsenker dahinter. Zu den Plantarflexoren zählen: Tibialis anterior, Extensor digitorum longus, Extensor hallucis longus und Peroneus (Fibularis) tertius und zu den Fußsenker der: Triceps surae, Flexor hallucis longus, Peroneus (Fibularis) longus et brevis, Fexor digitorum longus und Tibialis posterior. Die wichtigsten Unterschenkelmuskeln bei der Plantarflexion wären der Zwillingswadenmuskel (M. gastrocnemius) und der Schollenmuskel (M. soleus), die auch beide für die Supination in den

Sprunggelenken zuständig sind und ihren Ansatz am Fersenhöcker (Tuber calcanei) haben. Die gleiche Funktion besitzt auch der an den Endgliedern 2. - 5. Zehe ansetzende lange Zehenbeuger (M. flexor digitorum longus) und der lange Großzehenbeuger (M. flexor hallucis longus), der noch zusätzlich die Beugung in den Zehengelenken ermöglicht. Mit dem langen Zehenbeuger, dem Kniekehlenmuskel (M. popliteus) und dem hinterem Schienbeinmuskel (M. tibialis posterior) zählt der Großzehenbeuger zu den tiefen Muskeln der Plantarflexoren. Am Talus selbst setzen keine Muskeln an. Die genannten Unterschenkelmuskeln ziehen mit ihren Sehnen an ihm vorbei. Dafür sind zahlreiche Bänder (Seitenbänder) an ihm fixiert, wie z.B. das kräftigste Band, das Lig. talocalcaneum interosseum, das den Talus und Calcaneus verbindet und mit weiteren kurzen, kräftigen Bändern während des Gehens, Laufens und Springens großen Belastungen ausgesetzt ist. Zwei weitere schwächere Bänder, die das Sprungbein und Fersenbein verknüpfen, wären das Lig. talocalcaneum laterale und das Lig. talocalcaneum posterius (Kapandji, 1985, S. 174-176). Das Sprungbein überträgt allein die Last des Körpers auf das gesamte Fußskelett bzw. Fußwölbungen. Allgemein gesehen führen Bewegungseinschränkungen des oberen Sprunggelenkes und der Zehen zu Abrollbehinderungen (Niethardt, 1989, S. 470).

Das untere Sprunggelenk wird vom Sprung-, Fersen- und Kahnbein eingeschlossen und ist hauptsächlich für die Inversion und Eversion zuständig. Das Würfelbein sollte an dieser Stelle noch erwähnt werden, weil es den Bewegungsspielraum des unteren Sprunggelenkes wesentlich erweitert. Das untere Sprunggelenk gliedert sich wiederum in zwei separate, selbständige Gelenke das vordere untere und das hintere untere Sprunggelenk (Articulatio talocalcaneonavicularis und

Articulatio subtalaris). Das untere vordere Sprunggelenk wird aus dem Fersen-, Sprung- und Kahnbein gebildet; das hintere untere aus Fersen- und Sprungbein. Die Gelenke besitzen jeweils eine eigene Kapsel. Zwischen den beiden Gelenken verläuft ein sehr kräftiges Band, das Lig. Talocalcaneum interosseum. Für die Funktion des Sprunggelenkes oder zu sportlichen Aktivitäten ist jedoch das Zusammenspiel beider Gelenke Voraussetzung. Im unteren Sprunggelenk sind mehrere Bewegungskombinationen möglich, wie z.B. gesellt sich zur Adduktion und Supination noch die Plantarflexion, sowie zur Abduktion und Pronation noch die Dorsalfunktion (s.a. Tittel, 1994, Engelhardt, 1998, Kapandji, 1985). Als kräftigster Supinator sollte noch der dreiköpfige Wadenmuskel (M. triceps surae) erwähnt werden. Weitere Supinatoren wären der: Tibialis posterior et anterior, Flexor hallucis longus und Flexor digitorum longus; zuständige Pronatoren: Peroneus (Fibularis) longus et brevis, Extensor diditorum longus, Peroneus (Fibularis) tertius und Extensor hallucis longus (Staubesand, 1985, S. 413). Durch Störungen des unteren Sprunggelenkes und des Mittelfußes wird die Leistungsfähigkeit des Fußes beim Gehen auf unebenem Grund eingeschränkt.

Fußwölbungen

Das Fußskelett und damit auch der ganze Mensch wird durch ein Quer- und Längsgewölbe gehalten und gestützt. Dies ist natürlich nur durch entsprechend ausgebildete Unterschenkel- und Fußsohlenmuskulatur, sowie haltgebender Bänder möglich. Die Konkavität des medialen Bogens wird durch die folgenden Muskeln verspannt. Das wäre der hintere Schienbeinmuskel (M. tibialis posterior), der lange Großzehenbeuger (M. flexor hallucis longus), der lange Zehenbeuger (M. flexor digitorum longus) und der lange Wadenbeinmuskel (M. peroneus longus) (Tittel, 1994, S.189). Das Längsgewölbe gliedert sich in ein inneres und äußeres. Das innere Längsgewölbe und damit auch das längste, reicht vom Fersenbein, Sprungbein, Kahnbein, den Keilbeinen, den 1. bis 3. Mittelfußknochen bis zu den zugehörigen Zehen und liegt somit auf der Innenseite des Fußes. Das äußere Längsgewölbe zieht vom Fersenbein, Würfelbein, den 4. und 5. Mittelfußknochen bis zu den entsprechenden Zehen. Die Ferse und der Vorfuß sind die Hauptauflagepunkte, die durch ein Fettpolster vor Druckschäden und das auf ihnen lastende Körpergewicht geschützt sind. Das Quergewölbe oder auch vorderer Bogen dagegen bildet sich im Vorfuß zwischen dem 1. und 5. Strahl. Durch Bänder und Sehnen, wie dem M. peronaeus longus (Verlauf schräg nach vorn medial), der alle drei Bögen unterstützt, dem Caput transversum des M. adductor hallucis (transversal orientiert) und den plantaren Insertionen des M tibialis posterior (ziehen schräg nach vorn lateral), wird die vordere Wölbung gesichert. Aus der Vielzahl der stabilisierenden Bänder wären das Lig. metatarsea und das lange Fußsohlenband, das Lig. plantare longum zu nennen, die zwar noch zusätzlich das Quergewölbe verspannen, aber es trotzdem elastisch halten (Kapandji, 1985, S. 224). Damit sollten grundlegende Kenntnisse in der Anatomie des Fußes geschaffen sein, um nun auf die Biomechanik eingehen zu können. Im nächsten Abschnitt folgt nun die Kinematik und Kinetik.

Kinematik und Kinetik

Auf den Fuß wirken die dreidimensionalen Kräfte, die Druck-, Zug- und Scherkräfte. Eine entsprechend gute Fußsohlen-Muskulatur und Sehnenplatte, sowie eine möglichst günstige Druckverteilung auf die Auftrittspunkte sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des Fußgewölbes und somit für das allgemeine Gleichgewicht. Auch das ruhige, entspannte beidbeinige Stehen kann, laut Debrunner (1985, S. 3), als ein ausgesprochen dynamischer Zustand mit kleinen, langsamen Bewegungen beschrieben werden. Die Projektion des Körperschwerpunktes (KSP) wandert darum auf dem Boden dauernd um einen bestimmten Mittelpunkt hin und her, der etwas vor dem Navikulare liegt. Erschütterungen und Bewegungen des Bodens müssen durch kleine Korrekturbewegungen aufgefangen werden. Die sichere Standfläche erreicht ein Ausmaß von rund 15 mal 20 cm. Die Unterschenkel- bzw. Fußmuskulatur treten bei diesen größeren Verlagerungen des KSP in Kraft und sorgen dabei für eine aufrechte Körperhaltung. Das aufzufangende Körpergewicht wird von den beiden Sprunggelenken über die Tali, das Tuber calcanei bis auf den Vorfuß übertragen. Nach Tittel (1994, S. 189-190) liegt die Druckkonzentration des Fußes beim Stehen eindeutig im Fersenbereich (Abbildung a), während sie beim Gehen, also bei allgemein dynamischen Belastungen (Abbildung

b), unter der Großzehe liegt und gleichzeitig auch ein Druck-„Maximum“ angibt, da sie 12,6fach höher ist als im Stehen.

Abbildung 2: Druckverteilung (in kPa) unterhalb des Fußes beim beidbeinigen Stand (a) und beim Gehen (b)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fußdeformitäten

Das Diagramm zeigt, dass für den kraftvollen Abstoß des Fußes beim Gehen demzufolge der Hallux und die Mittelfußköpfchen verantwortlich sind. Die Fußsohle wird unter dem Tuber calcanei bei Belastung bis auf die Hälfte zusammengedrückt. Der Flächendruck an der Fußsohle liegt unter dem Vorfuß in der Größenordnung 5-15 N/cm² und unter der Ferse bei 11-40

N/cm². Bei einer Belastung des Talus mit 600 N erreicht die Spitzenbelastung am C alkaneus rund

70 N/cm² (Debrunner, 1985, S. 7). Ohne ein dickes Sohlenpolster wäre ein Gebrauch des Fußes unmöglich weil es eine druckverteilende Wirkung besitzt. Am Calcaneus erreicht der Fettkörper eine Höhe von fast 2 cm. Die Dynamik des Fußes zeigt sich beim Gehen. Der Gangzyklus, die Grundeinheit des Geh-Aktes, umfasst den ganzen Doppelschritt, d.h. den Zeitraum zwischen zwei Fersenauftritten desselben Fußes. Die Ferse wird in leichter Valgusstellung aufgesetzt. Das Abrollen erfolgt über den Außenrand. Durch Absenken des Fußinnenrandes, Anheben des

Fußaußenrandes während des Abrollens, wird das Metatarsale-I-Köpfchen belastet, von dem das Abstoßen erfolgt. Der Gangzyklus unterteilt sich deshalb in eine Stand- und Schwungphase, wobei die Standphase etwa 600-640 ms, die Schwungphase 360-400 ms dauert. Die Mechanik des Fußes beim Gehen, Laufen und Springen läßt verschiedene Meßmethoden zu. Neben Kontaktdauer, Druckverlauf und Zeit des maximalen Druckes, in Abhängigkeit der Gangschnelligkeit, kann der Impuls einer ganzen Region ermittelt werden. Standardmethode der Filmaufnahme, das befestigen von Leuchtdioden an bestimmten Körperpunkten oder eine neuere Methode der Computersimulation (SIMI) wären weitere gängige Messbeispiele. Zwei kinetische Untersuchungsmethoden, zur Messung der Vertikalkraft bzw. Scherkräfte, wären z.B. Messungen der Bodenreaktionskraft mit Kraftmessplatten verschiedenster Konstruktionen oder das messen der Bodendrucke an diskreten Stellen unter der Sohle, an der der Orthopäde besonders interessiert ist. Vorhandene Scherkräfte sind Barfuss, besonders unter dem Vorfuß unter 2. und 3. Metatarsalköpfchen vorzufinden (Debrunner, 1985, S. 29-50). Hierbei erhält man eine übersichtliche Druckverteilung in verschiedenen Phasen des Geh-Aktes. Solche Untersuchungen ermöglichen es leicht auf eventuelle Deformitäten zu schließen

In Anbetracht der Kürze der Hausarbeit möchte ich mich auf die wichtigsten Fußfehlstellungen beschränken. Mögliche Fußdeformitäten wären noch der: Klumpfuß, Spitzfuß, Hängefuß, Hackenfuß, Ballenhohlfuß, Sichelfuß, Knickfuß und Senkfuß, wobei auch Kombinationen zwischen den aufgezählten Deformitäten möglich sind.

Der Plattfuß

Bei den Fehlformen des Fußes ist zu bedenken, dass keine Konstruktion des Körpers auf Dauerbelastung eingerichtet ist. Alles ist auf rhythmische Belastung angelegt. Zusätzlich sind unsere Füße ausschließlich durch Schuhe geschützt. Dies alles macht es dem Fußgewölbe auf Dauer unmöglich sich dem Untergrund anzupassen, weil ihm ein großer Teil seiner

Funktionsreize abgenommen wird. Ohne Wechsel der Beanspruchung, bei zu langem Stehen z.B., kommt es zu Überbelastungsbeschwerden. Der Plattfuß ist vorprogrammiert, wenn die Koordination und Kraft der fußstabilisierenden Muskulatur nicht konstant ‚kräftig ’ gehalten wird. Der Plattfuß (Pes planus) oder auch ‚Tintenlöscherfuß’ genannt, ist demnach auf eine muskuläre Insuffizienz, z.B. des M. peronaeus longus oder des M. tibialis posterior, zurückzuführen. Der unbelastete oder untrainierte Fuß nimmt eine Valgusstellung ein. Die Folgen abgeschwächter Muskulatur wären eine Überdehnung der Bänder und ein Absenken beider Fußwölbungen nach

Wiederbelastung. Durch die Valgusstellung verlagert sich der hintere Stützpfeiler in die Mitte des Fußes-die Wölbungen verschwinden. Oftmals tritt er zusammen mit anderen Fußfehlstellungen z.B. mit einem Knickfuß auf, bei dem das Sprungbein über das Fersenbein nach medial unten abrutscht. Es ist auch eine Kombination beider Deformitäten möglich. Diese Fehlstellung nennt sich dann Knickplattfuß. Durch einen einfachen Fußabdruck läßt sich der Plattfuß vom

Normalfuß leicht abgrenzen. Die mediale Innenseite wird immer konvexer. Beim Laufen lässt sich eine breite Verteilung über der Ferse und eine ziemlich ausgeglichene Verteilung über dem Vorfuß erkennen.

Abbildung 3: Normales Fußgewölbe, Plattfuß und Hohlfuß in der Seitenansicht mit jeweils typischen Fußabdruck

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Hohlfuß

Dem Plattfuß steht der Hohlfuß (Pes excavatus) gegenüber, der durch eine Verstärkung des Fußlängsgewölbes definiert bzw. durch einen hohen Rist gekennzeichnet werden kann. Die

Ursachen eines Hohlfußes können durch eine Störung des Muskelgleichgewichtes, bei Ausfall bestimmter Beugemuskeln oder an ein zu steil stehen der Mittelfußknochen oder des Fersenbeins liegen. Bei Ausfall einiger Beugemuskeln extendieren z.B. die Streckmuskeln den Fuß stärker nach dorsal. Ursachen können an zu kleinen Schuhen oder an hohen Absätzen liegen. Beim Laufen lässt sich der Hohlfuß im Vergleich zum Plattfuß durch folgende Ausprägungen in der Druckkurve abgrenzen: Schmale, hohe Belastung der Ferse, wenig ausgedehnte starke Belastung des Vorfußes mit Betonung der Medialseite was zur Entstehung schmerzhafter Schwielen führt (Debrunner, 1985, S. 54). Bei einer Abflachung des Fußquergewölbes entsteht ein Spreizfuß. Die Mittelfußknochen und deren Köpfchen sind stärkeren Belastungen ausgesetzt, weil sich deren Abstand vergrößert. Leider muss der Spreizfuß zu den häufigsten, schmerzhaftesten und degenerativen Erkrankungen gezählt werden. Deformitäten können entweder durch Tragen einfacher Einlagen und orthopädischen Schuhen oder letztendlich durch eine Operation wieder hergestellt werden (Niethard, 1989; Tittel, 1994).

Literaturverzeichnis

AOFAS (2000). The Adult Food. In World Wide Web: http://www.aofas.org/default.htmDebrunner, H. U. (1985) . Biomechanik des Fußes. Stuttgart: Enke

Engelhardt, S. (1998). Der Bewegungsapparat. In A. Schäffler & S. Schmidt (Hrsg.), Mensch, Körper, Krankheit: Anatomie, Physiologie, Krankheitsbilder; Lehrbuch und Atlas für die Berufe im

Gesundheitswesen (S.108-146). Ulm: Gustav Fischer. Faller, A. (1972). Der Körper des Menschen. Stuttgart: Georg Thieme Kapandji, I. A. (1985). Funktionelle Anatomie der Gelenke. Stuttgart: Enke Netter, F. H. (1997). Atlas der Anatomie des Menschen. Stuttgart: Georg Thieme Niethard, F. U. & Pfeil, J. (1989). Orthopädie. Stuttgart: Hippokrates SIMI (2000). SIMI° MOTION; 2D-und 3D-Bewegungsanalyse. In World Wide Web: http://www.simi.de

Staubesand, J. (1985). Untere Gliedmaßen. In J. Staubesand (Hrsg.), Benninghoff Anatomie - makroskopische und mikroskopische Anatomie des Menschen. (S. 376-418). München:

Urban & Schwarzenberg. Tittel, K. (1994). Beschreibende und funktionelle Anatomie des Menschen. Stuttgart: Gustav Fischer.