mini|Vereinfachter Aufbau des rechten Kniegelenkes (Ansicht von vorn, schematisch) mini|Röntgenbild eines rechten Kniegelenkes (Ansicht von der medialen Seite)
Das Kniegelenk ( Articulatio genus) ist das im Knie (, ) befindliche größte Gelenk der Säugetiere. Der Oberschenkelknochen (Femur), das Schienbein (Tibia) und die Kniescheibe (Patella) bilden dabei die knöchernen Gelenkkörper.
Das Kniegelenk ist ein zusammengesetztes Gelenk. Es besteht aus zwei Einzelgelenken, dem Kniescheibengelenk (Articulatio femoropatellaris), welches sich zwischen Oberschenkelknochen und Kniescheibe befindet, und dem Kniekehlgelenk (Articulatio femorotibialis), das zwischen Oberschenkelknochen und Schienbeinkopf (Caput tibiae) liegt. Anatomisch gesehen handelt es sich bei dem proximalen Gelenk zwischen Schienbein (Tibia) und Wadenbein (Fibula) (Articulatio tibiofibularis) zwar um ein eigenständiges Gelenk, das aber in der Regel über eine Ausbuchtung der Kniegelenkkapsel (Recessus subpopliteus) mit dem Kniegelenk verbunden ist.
An der Hinterseite des Kniegelenkes liegt die Kniekehle (Fossa poplitea), in deren Tiefe wichtige Blutgefäße und Nerven verlaufen. Zudem sind hier die Kniekehllymphknoten (Lymphonodi poplitei) ausgebildet.
Etymologie Die gemeingerm. Körperteilbezeichnung mhd. knie, ahd. kneo geht auf idg. ḡenu- „Knie“ zurück. Siehe auch
Knöcherne Strukturen und Gelenkflächen Die Gelenkflächen der Gelenkkörper sind mit hyalinem Gelenkknorpel überzogen, der sich unter der Wirkung übertragener Kräfte verformt und damit die Kontaktflächen bereitstellt, auf denen die Flächenpressdrücke das notwendige Kräftegleichgewicht herstellen. Die Gelenkflächen können nur Druckkräfte übertragen. Da in der Regel nur Teile der Gelenkflächen als Kontakt- und Tragflächen fungieren, sind die tatsächlichen Pressdrücke wesentlich höher als die aus den anatomischen Gelenkflächen geschätzten Drücke, sie übersteigen den Blutdruck um ein Vielfaches. Daher sind im Gelenkknorpel auch keine Blutgefäße, denn der Blutdruck könnte keinen Stoffaustausch gegen den Gewebedruck aufrechterhalten. Der zwischen den beiden Knorpeloberflächen liegende Gelenkspalt ist sehr dünn: lediglich einige Moleküllagen Gelenkschmiere passen hier hinein. Die Dimension des Gelenkspalts liegt im Mikrometerbereich und ist im Röntgenbild nicht darstellbar. Was der Orthopäde als „Gelenkspalt“ bezeichnet sind die beiden strahlendurchlässigen Knorpelschichten der Gelenkkörper. Der Gelenkknorpel ist von Kollagenfasern durchzogen, die ihn auf dem Knochen befestigen und ihm eine gewisse Zugfestigkeit verleihen. Am Gelenkspalt verlaufen sie in horizontaler Richtung (die sogenannte Tangentialfaserschicht) und unterstützen das Gleiten der Gelenkkörper.
Oberschenkelknochen mini|300px|Gelenkflächen des rechten Oberschenkelknochens (Ansicht von unten, schematisch)
Der Oberschenkelknochen endet kniewärts (distal) mit zwei recht breiten, leicht nach außen gekrümmten (konvexen) Gelenkknorren (Condylus lateralis femoris und Condylus medialis femoris), die von vorne nach hinten verlaufen und zwischen denen auf der Rückseite eine schmale Grube (Fossa intercondylaris) liegt. Die Oberfläche der Gelenkknorren (Condyli ossis femoris) ist spiralförmig angelegt, so dass der Mittelpunkt der Drehbewegung des Gelenkes unter der Bewegung eine spiralförmige Bewegungsbahn beschreibt. Der innere Gelenkknorren ist in waagerechter Richtung (sagittal) ein bis zwei Zentimeter größer als der äußere und steht weiter vom Gelenk entfernt.
Die Knorpelschicht der Oberschenkelknorren ist dünner als die der Kniescheibe, wobei die äußere Gleitfläche von einer dickeren Knorpelschicht überzogen ist als die innere.
Die Oberschenkelknorren divergieren etwas gelenkferner und nach hinten. Der äußere Gelenkknorren ist vorne breiter als hinten, während der innere Gelenkknorren eine gleichmäßige Breite besitzt. In horizontalen Ebenen sind die Gelenkknorren um eine vertikale Achse nur leicht gekrümmt. In der vertikalen Ebene nimmt die Krümmung nach hinten zu, das heißt, der Krümmungsradius wird kleiner. Der innere Gelenkknorren ist noch zusätzlich um eine vertikale Achse gekrümmt (Rotationskrümmung).W. Platzer: Taschenatlas der Anatomie. Band I: Bewegungsapparat. Thieme-Verlag, Stuttgart 2005, S. 206.
Auf der Gelenkfläche des Oberschenkelknochens (Vorderseite) verläuft eine flache, zwischen beiden Gelenkknorren liegende Gleitrinne für die Kniescheibe (Facies patellaris femoris bzw. Trochlea ossis femoris). Diese Gleitrinne unterteilt die Gelenkflächen in zwei Facetten. Die äußere Facette ist etwas größer und läuft gelenknäher und weiter vorne als die kleinere innere. Im Unterschied zu dieser kann sie so vor allem während der Beugung mehr Druck aufnehmen.
Schienbein mini|Gelenkflächen des rechten Schienbeines (Ansicht von oben, schematisch)
Das obere Ende des Schienbeines läuft ebenfalls in zwei, leicht nach innen gekrümmte Gelenkknorren (Condylus lateralis tibiae und Condylus medialis tibiae) aus. Dazwischen befinden sich ein erhabener Knochenfirst (Eminentia intercondylaris), der sich in zwei kleine Höcker unterteilt (Tuberculum intercondylare mediale und Tuberculum intercondylare laterale) und zwei Einmuldungen (Area intercondylaris anterior – bei Tieren Area intercondylaris cranialis – und Area intercondylaris posterior – bei Tieren Area intercondylaris caudalis). Die gesamte obere Fläche des Schienbeins wird als Schienbeinplateau bezeichnet, die die Gelenkfläche des Schienbeins (Facies articularis superior tibiae) für das Kniegelenk bildet. Da sich der Knochenfirst über das gesamte Schienbeinplateau erstreckt, bleibt die Drehbewegung als mögliche Bewegungsrichtung des Gelenkes erhalten.
Kniescheibe mini|Gelenkfläche der Kniescheibe mit den Ansatzstellen des Schleimbeutels (Ansicht von hinten, schematisch)
Die Kniescheibe ist dreieckig und an ihrer Vorderfläche etwas nach außen gewölbt. Sie ist als Sesambein in die Ansatzsehne des vierköpfigen Oberschenkelmuskels (Musculus quadriceps femoris) eingelagert, der sie von oben kommend einbettet. Von ihrer unteren Spitze (Apex patellae) entspringen die Fasern des Kniescheibenbandes (lateinisch Ligamentum patellae). Auf der Hinterseite der Kniescheibe (Facies articularis patellaris) befindet sich ein First, der die Gelenkflächen in zwei Facetten unterteilt. Ihre Knorpelschicht ist etwa sechs Millimeter dick.
Bei gebeugtem Knie liegt die Kniescheibe fest in der Furche kurz oberhalb des Gelenkspaltes zwischen Oberschenkelknochen und Schienbein, bei gestrecktem Bein weiter oberhalb. Deshalb lässt sie sich zwar bei Streckstellung und entspannter Muskulatur ein wenig nach rechts und links verschieben, jedoch nicht in Beugestellung.
Hauptaufgabe der Kniescheibe ist die Verlängerung des Hebelarms und somit des Drehmoments des Quadrizeps, da sie den Abstand seiner Kraftwirkungslinie vom Bewegungszentrum des Kniegelenks erhöht. Zudem dient sie der Führung der Sehne und verringert den Widerstand der Gleitbewegung der Sehne über den Knochen.
Besonderheiten bei Tieren Die Oberschenkelknochen weisen bei vierfüßigen Säugetieren eine Krümmung nach außen auf, deren Krümmungsradius nach hinten größer wird. Dadurch kommt es bei zu starker Beugung (Hyperflexion) zu einer stärkeren Spannung der Seitenbänder (Kollateralbänder), wodurch die Bewegung gebremst wird (sogenanntes Spiralgelenk). Das Gelenk befindet sich immer in einer Beugestellung. Die maximale Streckung geht zum Beispiel bei Hunden nicht über einen nach hinten offenen Winkel von 150° hinaus. Neben der Kniescheibe existieren bei Hunden noch drei weitere Sesambeine am Kniegelenk. Die Fabellae befinden sich in der Ursprungssehne der beiden Köpfe des zweiköpfigen Wadenmuskels (Musculus gastrocnemius). Die seitliche Fabella ist größer als die mittige. Beide artikulieren mit dem Oberschenkelknochen. Das dritte Sesambein liegt in der Ursprungssehne des Kniekehlmuskels (Musculus popliteus) in der Kniekehle. Die Gelenkfläche für die Kniescheibe wird in der Tieranatomie als Trochlea ossis femoris bezeichnet. Dessen innenseitiger Rollkamm ist beim Pferd deutlich verdickt, was als Tuberculum trochleae ossis femoris bezeichnet wird. Hier hängt sich die Schlaufe zwischen mittlerem und inneren Kniescheibenband ein, was Pferden eine weitestgehend ermüdungsfreies Stehen (Schildern) ermöglicht.Klaus-Dieter Budras, Sabine Röck: Atlas der Anatomie des Pferdes: Lehrbuch für Tierärzte und Studierend. Schlütersche, 2004, ISBN 978-3-89993-002-3, S. 16.
Bei Vögeln ist der Oberschenkelknochen im Verhältnis zu anderen Knochen wesentlich kürzer. Er dient dazu, den Ansatzpunkt des Beines über den Schwerpunkt zu verlagern, um so ein möglichst energiesparendes Stehen und Laufen zu ermöglichen. Der Schwerpunkt der meisten Vögel liegt sehr tief, etwa auf der Höhe des Kniegelenkes (Siehe auch Vogelskelett).
Gelenke Kniescheibengelenk Das Kniescheibengelenk (Articulatio femoropatellaris) ist das Gelenk zwischen Oberschenkelknochen und Kniescheibe. Dabei stehen sich die mit hyalinem Knorpel überzogene Gelenkfläche auf der Rückseite der Kniescheibe (Facies articularis patellae) und die auf der Vorderseite des Oberschenkelknochens (Facies patellaris femoris) gegenüber. Die Kniescheibe gleitet bei Beugung und Streckung in der für sie vorgesehenen Rinne etwa fünf bis zehn Millimeter über den Oberschenkelknochen, der Eintritt in die Rinne erfolgt bei ungefähr 30° Beugung. Diese Gelenkform wird auch als Schlittengelenk (Articulatio delabens) bezeichnet.
Kräfte im Kniescheibengelenk Die Kraft, mit der die Kniescheibe auf den Oberschenkelknochen wirkt, wird als Gelenkreaktionskraft des femoropatellaren Gelenks (patellofemoral joint reaction force, PFJR) bezeichnet. Sie ist der resultierende Kraftvektor aus den Vektoren der Sehne des M. quadriceps femoris sowie des Ligamentum patellae. Die Größe der PFJR ist von dem Winkel, in dem sich das Kniegelenk befindet, und von der Kraft, die vom M. quadriceps femoris ausgeübt wird, abhängig.D. T. Reilly, M. Martens: Experimental analysis of the quadriceps muscle force and patellofemoral joint reaction force for various activities. In: Acta Orthopaedica Scandinavia. 43, 1972, S. 126–137. Mit zunehmender Beugung im Kniegelenk verschieben sich die Kontaktflächen der Gelenke proximal, die gesamte Kontaktfläche vergrößert sich zwischen 20° und 90°. Bei etwa 90° haben die Gelenkflächen ihren größtmöglichen Kontakt.A. M. J. Bull, A. A. Amis: Biomechanik. In: D. Kohn (Hrsg.): Knie. Thieme, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-126231-1. Mit zunehmender Beugung nimmt der Anpressdruck zu und erreicht bei einem Winkel von 70–75° ein Maximum.K. R. Kaufman u. a.: Dynamic joint forces during knee isokinetic exercise. In: The American Journal of Sports Medicine. 19, 1991, S. 305–316.
Die PFJR kann das Mehrfache des eigenen Körpergewichts überschreiten. Beim Gehen beträgt sie etwa die Hälfte des Körpergewichts (KG) (0,2–0,4 KG;R. D. Komistek u. a.: Mathematical model of the lower extremity joint reaction forces using Kane's method of dynamics. In: Journal of Biomechanics. 31 1998, S. 185–189. 0,5 KG), beim Treppensteigen 3,3 KG und bei tiefen Kniebeugen 7,6 KG. Beim Laufen können die Gelenkreaktionskräfte zwischen 7 und 11,1 KG betragen,S. H. Scott, D. A. Winter:. Internal forces at chronic running injury sites. In: Medicine & Science in Sports and Exercise. 22, 1990, S. 357–369. 17,5 KG beim GewichthebenR. F. Zernicke u. a.: Human Patellar Tendon Rupture. In: The Journal of Bone and Joint Surgery. 59, 1977, S. 179–183. bis hin zu dem 24-fachen des Körpergewichts bei einem nach unten gerichteten Sprung (downward jump).A. J. Smith: Estimates of muscle and joint force at the knee and ankle during jumping activities. In: Journal of Human Movement Studies. 1, 1975, S. 78–86.
Besonderheiten bei vierfüßigen Säugetieren mini|Kniegelenk eines Hundes