Biomechanische Prinzipien in Diarthrosen und Synarthrosen - Teil III: Mechanik des Tibiofemoralgelenkes und Rolle der Kreuzbänder

Zusammenfassung

Das Tibiofemoralgelenk (TFJ) ist ein kraftschlüssiges Gelenk. Es tritt in Funktion, wenn es kompressiv belastet ist. Die geometrische Gestalt der artikulierenden Flächen und das angreifende Kraftsystem (gegeben durch Muskeln und Schwerkraft) bestimmen sowohl Kinematik als auch Art und Ausmaß der statischen Stabilität des Knies. Der Funktionsmechanismus des TFJ wird aus der anatomischen Form der artikulierenden Gelenkflächen abgeleitet. In antero-posteriorer Richtung ist die mechanische Führung des Gelenks durch eine gestreckte und eine überschlagene dimere Gelenkkette im lateralen bzw. im medialen Gelenkkompartiment gegeben. Beide Gelenkketten verknüpfen sich zu einem räumlichen Viergelenk, das der Tibia nur Bewegungen nach posterior erlaubt. Das Ausmaß der individuellen Extension läßt sich aus morphologischen Daten des femoralen Kondylus vorhersagen. In Hockposition kann das Ausmaß der mechanischen Stabilität des Gelenkes geändert und sogar in Instabilität verwandelt werden durch Rotation des resultierenden kompressiven Gelenkkraftvektors um die momentane Drehachse des Gelenkes, ohne daß die Gelenkposition geändert wird. Auf diese Weise kann Aufstehen strukturell erklärt werden. Die Kreuzbänder haben keine direkte mechanische Führungsfunktion. Sie stellen ein Sensorsystem dar, das einer mechanischen Brückenschaltung entspricht. Es kann sowohl das Ausmaß der Flexion als auch den für das Funktionieren des Gelenks unverzichtbaren Kraftschluß messend erfassen. Auch die Meniski haben Sensorfunktion. Die vorgestellte Theorie wird aus morphologischen, mechanischen und physiologischen Gegebenheiten abgeleitet. Sie wird durch Messungen der Knielast beim Radfahren bestätigt.

Abstract

The tibiofemoral joint (TFJ) is forcelocked. It takes its function as it is compressively loaded. The geometrical shape of the articulating surfaces and the acting force system (given by muscles and gravity) determine the kinematics as well as the quality and extent of static stability of the knee. The mechanism of the TFJ is derived from the anatomical shape of the articulating surfaces. In antero-posterior direction the joint guidance is structurally given by a stretched and overlapped dimeric link chain in lateral and medial region, respectively. Altogether, the two chains are linked up to a four-bar-chain (link quadrangle) that solely allows the tibia to strike backwards. The extent of individual extension can be rejected to morphological data of the femoral condylus. In squat position the extent of mechanical stability of the joint can be changed and even reversed to instability by a rotation of the resulting compressive joint force around the momentary rotational axis of the gear system while the joint position remains unaltered. Thus e.g. the process of straightening up is structurally explained. The cruciate ligaments do not bear any direct mechanical guiding function. They represent a sensor system which structurally resembles a mechanical bridge circuit. Beside detecting the degree of flexion it is able to monitor the indispensable contacting of the articulating surfaces. The menisci represent an additional, similarily working sensor system. At first approximation these two sensor systems are aligned in two planes which are perpendicular. Therefore they form a spatial sensor system. The presented theory is derived from mechanical, morphological, and physiological findings and gets evidence by measurements on knee loads during seated cycling.