Funktionelle Anatomie und Biomechanik des Hüftgelenks

Wechselt eine Person vom Zweibeinstand zum Einbeinstand, ändert sich die globale Balance und die Balance der belasteten Hüfte dramatisch. Die Schwerkraftlinie der gesamten Körpermasse verlagert sich aus dem Bereich zwischen den Füßen nach außen zur Mitte des Standfußes hin (Saunders et al. 1953). An der Hüfte selbst treten ab diesem Zeitpunkt in der Frontalebene Kräfte auf, die diejenigen der Sagittalebene und der Transversalebene um ein Vielfaches übersteigen. So kann man davon ausgehen, dass die Belastung des Hüftgelenks in dieser Ebene entscheidet, wie stark letztendlich die Hüfte beansprucht wird.

Als erstes erhöht sich das Gewicht, das auf die standbeinseitige Hüfte auftrifft, erheblich. Es besteht, da das Standbein selbst die Hüfte nicht belasten kann, aus dem Gewicht des Kopfes, der Arme, des Rumpfes und des gegenseitigen Spielbeins. Des Weiteren muss beachtet werden, dass die Schwerkraftlinie dieses asymmetrisch ausgebildeten Körperteilgewichtes – das in der Literatur mit ca. 83 % des gesamten Körpergewichtes angegeben wird (Pauwels 1935) – nicht mehr mittig durch die Symphyse, sondern etwas zur Spielbeinseite hin verlagert ist. Es ergibt sich hiermit für das Hüftgelenk ein Lastarm, der sich auf einer Horizontalen zwischen Hüftkopfmittelpunkt und einer Vertikalen aufspannt, die spielbeinseitig knapp neben der Symphyse verläuft. Dieses, das Becken absenkende Drehmoment aus hüftbelastendem Körperteilgewicht und zugehörigem Lastarm wird jenseits des Hüftgelenksdrehpunkts durch ein gegenhaltendes Drehmoment neutralisiert, das überwiegend von den kleinen Glutäen und dem Glutaeus maximus und deren zugehörigen Kraftarmen aufgebracht wird. Im Pauwels-Urmodell (Pauwels 1935) wurde ein Längenverhältnis von Lastarm zu Kraftarm von 3:1 angenommen, sodass sich die Hüfte im drehmomentfreien Gleichgewicht befindet, wenn die Glutäen dreifach so viel Kraft aufbringen wie das gegenziehende, der Hüfte zugeordnete Körperteilgewicht. In einem letzten Schritt kann man aus den beschriebenen Drehmomenten auf vektoriellem Wege die Hüftlast errechnen, die entsprechend der Abb. 5 leicht schräg auf die Hüfte trifft und etwas weniger als das Vierfache des der Hüfte zugeordneten Körperteilgewichtes beträgt. Interessanterweise haben sich die Werte des für das Verständnis der Hüfte so wichtigen Pauwels-Rechenmodells in der In-vivo-Messung an telemetrierten Endoprothesen bestätigt (Bergmann et al. 1993).

Zur dreidimensional-fortlaufenden Berechnung des Betrags und der Richtung der Hüftresultierenden existieren inzwischen mehrere hochkomplexe Rechenmodelle, die mithilfe kinematischer Werte aus der Ganganalyse, muskelmechanischen Bestimmungen, EMG-Aktivitäten und kinetischen Messungen ähnliche Ergebnisse ergeben, wie die In-vivo-Messung der Hüftresultierenden. Sie zeigen übereinstimmend, dass die Hüfte – der Abb. 6 zu entnehmen – am Anfang und gegen Ende der Standbeinphase ein doppelgipfliges Belastungsmaximum aufweist (Pedersen et al.1997; Heller et al. 2001; Stansfield et al. 2003; Correa et al. 2010).

Ersichtlich war hierbei, dass für eine möglichst exakte Berechnung der Hüftlast zusätzlich zur Glutäalmuskulatur auch der M. iliopsoas und die ischiocrurale Muskulatur sowie weitere hüftferne Muskelgruppen berücksichtigt werden müssen (Correa et al. 2010).

Für klinische Fragestellungen behält die Bestimmung der Hüftresultierenden im Einbeinstand in der Frontalebene weiterhin ihre Bedeutung. Es gelingt hier, die Hüftbelastung einer Person näherungsweise zu berechnen (Debrunner 1975; Heimkes et al. 1993, 1997; Anderson und Pandy 2001; Genda et al. 2001; Iglič et al. 2002; Eschweiler et al. 2014).

Wachstumsanalysen an kindlichen und juvenilen Hüften zeigen, dass die Form des koxalen Femurendes im Wesentlichen von 2 Wachstumszentren bestimmt wird, die sich arbeitsteilig verhalten. Die Hüftkopfepiphysenfuge entscheidet hierbei über die Länge des Schenkelhalses, die Knorpelfuge des Trochanter major gibt vor, wie stark sich der Schenkelhals neigt (Heimkes 2016). Die vom Trochanter major aufgenommenen Kräfte können nicht gemessen, jedoch mittels biomechanischer Modellrechnung berechnet werden (Heimkes et al. 1993, 1997). Eine muskelmechanische Analyse hat ergeben, dass der Trochanter major durch ein übereinander liegendes zweifaches Zuggurtungssystem belastet ist. Zum einen bilden die kleinen Glutäen zusammen mit Anteilen der Kniestreckmuskulatur – insbesondere mit dem M. vastus lateralis – eine innere Muskelschlinge. Zum anderen muss man den Tractus iliotibialis mit einbeziehen, der vom M. glutaeus maximus und M. tensor fasciae latae aktiv gezügelt wird. Die Berechnung beider Systeme führt entsprechend der Abb. 7 zu einer Kraftresultierenden R_t, die den Trochanter major mit einem Einfallswinkel von 50–52° zur Vertikalen von kraniolateral nach kaudal-medial beansprucht und immerhin 55–60 % der Kraft der Hüftresultierenden aufbringt.

Betrachtet man das koxale Femurende in Zusammenschau, wird dieses entsprechend der Abb. 8b über 2 funktionelle Achsen belastet. Die erste entspricht der Wirklinie der Hüftresultierenden, die nach ihrem Durchtritt durch die Hüftkopfmitte exzentrisch auf den Schenkelhals trifft und damit stark divergierend zur anatomischen Achse des Schenkelhalses verläuft. Die zweite funktionelle Achse entspricht der Wirklinie der Trochanterresultierenden, sie trifft noch innerhalb des Schenkelhalses auf die Wirklinie der Hüftresultierenden. Die Bestimmung beider Resultierenden (Heimkes et al. 1993, 1997), wie im konkreten Beispiel der Abb. 9, ergibt sinnvolle Werte („loading and boundary conditions“) zum Aufbau experimenteller Prüfstände (Kraenzlein et al. 2009) und zur weiteren Verwendung in Finite-Elemente-Berechnungen (Jansson et al. 1993; Hölzer et al. 2013).

Es interessiert nun, inwieweit sich die beschriebenen Kräfte auf die Form und Struktur des koxalen Femurendes auswirken.

In der klassischen Biomechanik ging man – da die Druckbelastung des Trochanter vernachlässigt wurde – davon aus, dass die exzentrisch auf den Schenkelhals auftreffende Hüftresultierende diesen überwiegend im Varussinne auf Biegung beansprucht (Pauwels 1954; Kummer 1993). Dementsprechend würden sich in der Spongiosaarchitektur des koxalen Femurendes neben Drucktrajektorien auch Trajektorien finden, die man als Zugtrajektorien deutete (von Meyer 1867). Auch am Femurschaft nahm man an, dass dieser im Stand und beim Gehen einer Biegung ausgesetzt ist, sodass die mediale Kompakta überwiegend druck- und die laterale Kompakta überwiegend zugbeansprucht wird. Nun mehrten sich in den letzten Jahren Arbeiten, die bezweifeln, dass sich kortikaler Knochen ausbilden und erhalten kann, wenn er überwiegend zugbeansprucht wird (Hěrt 1994; Taylor et al.1996; Fetto et al. 2002; Rudman et al. 2006). Es gilt also, sowohl die Form des koxalen Femurendes als auch dessen spongiöse Architektur sowie kortikale Dicke und Dichte unter funktionellen Aspekten neu zu deuten.

Zur Formentstehung: In deskriptiven Arbeiten ist beschrieben, dass das koxale Femurende einer Chondroepiphyse entstammt (Siffert 1981). Mit zunehmender Beanspruchung bilden sich 2 Wachstumskerne (Abb. 10) aus, deren basisgebende Knorpelfugen genau im rechten Winkel jeweils der Hüft- und Trochanterresultierenden entgegenwachsen. Im Bereich, in dem sich die Wirkung beider Resultierenden nur mehr wenig überlappt, senkt sich, kausal gut deutbar, ein weniger stark wachsender Schenkelhalsisthmus ein.

Zur Spongiosaarchitektur: Die klassische Trajektorientheorie geht davon aus, dass im koxalen Femurende ein trajektorielles Fachwerk vorliegt, das aus 3 Bündeln besteht. Zwei davon orientieren sich parallel zur Hüft- und Trochanterresultierenden sowie genau im rechten Winkel zur epiphysären und apophysären Knorpelfuge, sodass angenommen werden kann, dass sie Drucktrajektorien entsprechen. Das mittlere, als bogenförmig beschriebene Bündel gab Rätsel auf, wurde letztendlich jedoch als Zugbündel angesehen (Pauwels 1954; Kummer 1993). Eine neuere, an der Funktion orientierte Trajektorienanalyse zeigte jedoch, dass sich dieses Bündel nicht bogenförmig verhält (Skuban et al. 2009). Seine Form ähnelt – wie in der Abb. 11 zu ersehen – einem Bumerang, dessen 2 Schenkel sich jeweils im rechten Winkel zur Hüft- und Trochanterresultierenden ausrichten und dessen Umknickpunkt dazwischen in Höhe des Schenkelhalsisthmus liegt. Es ähnelt also dem Verlauf der epiphysären und apophysären Knorpelfugen und kann somit als Ausdruck einer von 2 Seiten wirksamen Druckbeanspruchung angesehen werden.

Binärbilder von DXA-Scans entsprechend der Abb. 12, die die Knochendichte und Knochendicke scherenschnittartig erscheinen lassen (Böhm et al. 2007), zeigen, dass sich eine Kluft zwischen den medialen Anteilen des koxalen Femurendes und dem Trochantermassiv auftut. Der Hüftkopf und der Adam-Bogen lassen sich zu einer Pilzform reduzieren, wobei dann eine Schenkelhalsfraktur unabhängig von seiner Klassifikation einem Abbrechen des alleine nicht mehr tragfähigen Pilzstengels entspräche.