Die Biomechanik ist Teil der Biophysik. Biophysik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die Gesetze und Methoden der Physik in biologischen Systemen und Prozessen untersucht und beschreibt.
Die Biomechanik beschäftigt sich mit den Bewegungsabläufen in biologischen Systemen sowie den Funktionen von biologischen Bewegungsapparaten und ist somit auch ein Teilbereich der Bewegungswissenschaften und der Sportwissenschaften.
Die biomechanischen Grundlagen bauen auf den Kenntnissen von Physik, Mathematik, Biologie, Chemie, Anatomie und der Physiologie auf. Neben Anwendungsgebieten im Leistungs-, Breiten- und Gesundheitssport findet Biomechanik auch in der Medizin Anwendung.
Welche Biomechanische Prinzipien gibt es? Was kann mit Biomechanik erreicht werden?
Nach Gerhard Hochmuth haben sich 6 biomechanische Prinzipien durchgesetzt, mit denen sich Handlungsempfehlungen und Optimierungen von Bewegungsverfahren für Sportler ableiten lassen, um optimale Ergebnisse auf Leistungs- und Gesundheitsebene zu erzielen. Diese Prinzipien lauten wie folgt:
- Prinzip der Anfangskraft
- Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
- Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf
- Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen
- Prinzip der Gegenwirkung
- Prinzip der Impulserhaltung
Für die Messung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung:
- Dynamometrie: Messung der von außen einwirkenden Kräfte mit Dehnungsmessstreifen, piezoelektrischen Sensoren und Kraftmessplatten.
- Anthropometrie: Anthropometrische Biomechanik beinhaltet die Bestimmung der Verteilung der Körpermaße sowie Ermittlung des Körperschwerpunktes.
- Kinemetrie: Weg-Zeit-Messung (Geschwindigkeitsbestimmung von Körpern)
- Elektromyographie: Messung der Muskelaktivität
- Messung von Arbeit, Leistung, Energie, Drehmoment, Kraft, Impuls, Beschleunigung und Druck
Was ist unter Biomechanik in der Medizin zu verstehen?
In der Medizin wird vor allem die präventive Biomechanik für die Gesundheitsförderung und Rehabilitation in der Orthopädie und Neurophysiologie angewendet. Ingenieure der Biomechanik erfassen und analysieren Bewegungsabläufe und setzen sie in Computermodelle und -simulationen um, die für die Entwicklung von therapeutischen Maßnahmen, medizintechnischen Produkten und medizinischer Software verwendet werden.
Mithilfe der Biomechanik können Zusammenhänge von Struktur, Funktion, Belastung und Beanspruchung von Knochen, Muskeln, Bindegewebe und von Gelenken erklärt werden. Um körperinterne Kräfte zu messen, werden digitale Patienten in Finite-Elemente-Modellen verwendet – ein numerisches Verfahren, um Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen durchzuführen. Damit ist man in der Lage, unter anderem Muskelkräfte und Gelenkkräfte zu analysieren.
Anwendungsgebiete für solche Finite-Elemente-Modelle in der personalisierten Medizin sind zum Beispiel die Entwicklung von Implantaten, Orthesen und biomechanischen Prothesen, die mithilfe biomechanischer Analysen individuell an den Patienten angepasst werden können, um somit ein optimales Behandlungsergebnis zu erzielen.
Mit unserer Simulationssoftware Simq VIT ist es zum Beispiel möglich, die wirkenden Belastungen und Kräfte patientenspezifisch an der individuellen Implantatversorgung zunächst im digitalen Zwilling des Patienten darzustellen. Mit diesen medizinischen Simulationen kann der Implantatdesigner die Leistungsfähigkeit und Sicherheit des Implantats vor der OP schnell und effizient prüfen und auf den jeweiligen Patienten anpassen.
Was sollte man noch über Biomechanik wissen?
Optische Technologien werden für die Biomechanik immer wichtiger, denn sie ermöglichen schnelle und nicht-invasive Messungen. So wird es in Zukunft Messsysteme geben, die innerhalb kürzester Zeit mit wenig Aufwand, sprich ohne Marker am Patienten, eine Messung des gesamten Körpers ermöglichen.
Zudem werden wir zunehmend Anwendungsgebiete für die Modellierung biomechanischer Prozesse im Körper sehen. Ein Beispiel ist biomechanische Simulationen bei Operationen, die zusätzliche Informationen während des Eingriffs liefern und diese somit effizienter und sicherer machen.