Abstract

Ein wichtiger Teilbereich der Biomechanik befasst sich mit der Wirkung von Kräften und Momenten innerhalb physiologischer Strukturen. In den meisten Fällen können jedoch nur Bewegungen und externe Kräfte beobachtet und gemessen werden. Deshalb müssen diese Parameter anderweitig bestimmt werden (Morlock et al., 1996). Funktionell betrachtet entstehen Bewegungen nach dem Steuerimpulse des zentralen Nervensystems über Nervenbahnen zu den einzelnen Muskeln (Aktuatorsystem) gelangen. Wird ein Muskel aktiviert, erzeugt er eine Kraft, die auf das Skelettsystem übertragen wird. Die Aktivierung mehrerer Muskeln in geeigneter Weise führt zu einer zielgerichteten und koordinierten Bewegung. Aus Sichtweise der Technischen Mechanik stellt das menschliche Gliedersystem ein Mehrkörpersystem dar. Ist dessen Struktur festgelegt, lässt sich das dynamische Systemverhalten mathematisch beschreiben. Diese Gleichungen beschreiben unter Berücksichtigung anthropometrischer Größen (z.B. Massen und Trägheitsmomente) Beziehungen zwischen dem Bewegungsverhalten der einzelnen Körpersegmente und den einwirkenden Kräften und Momenten. Drei grundlegende Aufgabenstellungen müssen hierbei unterschieden werden: 1) Bestimmung der bei Bewegungsabläufen auftretenden Kräfte und Momente. Sind die Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Segmente sowie die Segmentparameter bekannt, so erlauben die Bewegungsgleichungen die Berechnung der Gelenkskräfte und -momente. Diese Vorgehensweise wird als inverse Dynamik bezeichnet. 2) Bestimmung der Bewegungen unter Vorgabe von Kräften und Momenten. Dieser Ansatz wird als direkte Dynamik oder als Simulation bezeichnet. Wie der Name bereits verdeutlicht, beschreitet die direkte Dynamik den umgekehrten Weg der inversen Dynamik. 3) Die Optimierung beschäftigt sich mit der Fragestellung, welche Muskelaktivierungen oder - in weiterer Folge - welche Kräfte und Momente notwendig sind, um eine Bewegung in Bezug auf ein bestimmtes (Leistungs-) Kriterium zu optimieren. Zur Beschreibung von internen Kraftverläufen, auftretenden Verformungen und Spannungen in Knochen oder anderen Geweben sind diese Ansätze meist nicht geeignet und andere Methoden müssen genutzt werden. Hier kommt meist die Analysemethode der Finiten Elemente (FE) zum Einsatz. Einleitung (geändert)