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Zusammenhang von Muskel und Knochen

Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte haben eindeutig gezeigt, dass ein enger Zusammenhang zwischen Knochen- und Muskelparametern besteht: die funktionelle Muskel-Knochen-Einheit. Dabei passt sich der Knochen in erster Linie an die Anforderungen an, die unter anderem durch die Muskelfunktion definiert werden. Daher ist eine Methode, die einzig auf der Analyse von Knochenparametern beruht, nicht geeignet, um eine aussagekräftige, individuelle Diagnose zu stellen. Es muss vielmehr das Zusammenspiel aus Muskel und Knochen im individuellen Fall untersucht werden. Hierfür sind die folgenden Zusammenhänge entscheidend. 

Mechanische Funktion des Knochens und deren Konsequenz

Die wesentliche Funktion des Knochens ist es, mechanische Kräfte zu übertragen und damit Bewegung zu ermöglichen. Der Knochen adaptiert sich daher ein Leben lang auf die täglichen Maximalkräfte, welche auf ihn einwirken. Diese Maximalkräfte führen zu einer kleinen, elastischen Verformung des Knochens. Diese Verformung wird in µStrain gemessen (1000 µStrain = 0,1% Längenänderung). Überschreitet diese Verformung eine gewisse Schwelle, so stimuliert dies den Knochen zum Wachstum. Unterschreitet diese Verformung jedoch eine zweite (niedrigere) Schwelle, so wird der Knochen abgebaut. Dei Grundlagen dieses Regelkreis wurde von Harold Frost bereits seit den 60er Jahren ausführlich beschrieben und im "Utah Paradigm" als Mechanostat bezeichnet*.

Beispiele für die Adaption des Systems sind der Knochenabbau bei Astronauten, wenn sie sich lange auf Raumstationen im All aufhalten, oder bei alten Menschen, wenn sie sich über lange Zeit zu wenig bewegen. Beide leiden dann unter einem funktionsbedingten Knochenabbau, welcher leicht mit einer krankhaften Osteoporose verwechselt werden kann. Der funktionsbedingte Knochenabbau kann jedoch durch gezieltes Training kompensiert werden. 

Auftretende Maximalkräte bei alltäglichen Bewegungen

Zunächst verblüffend ist die Tatsache, dass die auf den Knochen wirkenden Maximalkräfte nicht etwa direkt durch äußere Einflüsse, sondern durch die Muskulatur selbst erzeugt werden. Dies wird einsichtig, wenn man die typischen Hebelverhältnisse im Körper berücksichtigt. Als gutes Beispiel dient das Sprunggelenk. Beim steifen Hüpfen auf einem Bein (wie z.B. beim Seilspringen) erzeugt der Vorderfuß beim gesunden Menschen eine Kraft, die in etwa dem 3,5-fachen Körpergewicht entspricht. Die Kraft hierzu muss offensichtlich im Wesentlichen vom Wadenmuskel erzeugt werden.

Berücksichtigt man nun, dass das Verhältnis zwischen dem Abstand von Vorderfuß zu Sprunggelenk und dem Abstand vom Sprunggelenk zur Achillessehne, an der der Wadenmuskel ansetzt, in etwa 3:1 beträgt, so muss der Wadenmuskel eine Kraft erzeugen, die dem 10,5-fachen des Körpergewichts entspricht, um eine Kraft, die dem 3,5-fachen des Körpergewichtes entspricht, am Vorderfuß (Bodenreaktionskraft) erzeugen zu können. Da der Wadenmuskel ein Widerlager benötigt, muss diese Kraft somit auch auf den Knochen wirken. Es wirkt also bei alltäglichen Bewegungen leicht eine Kraft vom 14-fachen des Körpergewichtes und mehr auf die Unterschenkelknochen. Bei einer Person mit einer Körpermasse von 80 kg entspräche dies einem Gewicht von über einer Tonne, also beispielsweise dem Gewicht eines Kleinwagens.

Zum Vergleich: Kommt man bei durchgestrecktem Bein hart mit der Ferse auf, so erzeugt man eine Kraft, die typischerweise dem doppelten oder 3-fachen Körpergewicht entspricht. In diesem Fall wirkt aber kein Hebel, so dass die gleiche Kraft auch auf den Knochen wirkt. Dieses einfache Beispiel zeigt, dass im Normalfall Kräfte, die durch die Muskulatur auf den Knochen wirken, deutlich größer sind als Kräfte, welche von außen auf den Knochen wirken.

Die oben beschriebenen Spitzenkräfte führen im gesunden, fitten Menschen zu einer Verformung des Knochens zwischen 1000 µStrain und 2000 µStrain. Bei einer Tibialänge (Schienbeinlänge) von ca. 40 cm entspricht dies einer Verformung zwischen 0,4 mm und 0,8 mm. Dies zeigt die Größenordnung der Auswirkungen alltäglicher Bewegungen.

 

*)  Harold Frost: The Utah Paradigm of Skeletal Physiology. Vol. 1+2. ISMNI, 2004.