The cancellous structure in the calcaneus and its relation to mechanical stressing

Summary

The structure of the cancellous bone in the calcaneus is comparable to a three-dimensional trajectorial system, best adapted to resisting bending stresses. This can be seen from the curve trend of the tensile fascicles. Since stressing takes place mainly in the sagittal plane, the adaptation of the structure must be examined in this plane.

The photoelastic experiments prove that similar trajectorial patterns result from different types of loading (e.g., standing with and without muscular contraction, the transmission of forces before and after the fusion of the tuber apophysis); and therefore the stresses remain the same. The trajectorial patterns, already established from the experiments, correspond with those of the cancellous structure, which indicates that a state of adaptation exists. Using the definition given in Roux's “maximum-minimum” law, this means that the bone achieves maximum resistance with a minimum of material.

The photoelastic experiments can also be successfully applied to a short, skeletal element, which has been stressed in a complex manner.

Furthermore, the theory of causal histogenesis in the supporting tissues can be proved, since the position of the epiphyseal center coincides with that of a singular point (hydrostatic pressure) in the trajectorial pattern.

A division of the trajectorial pattern, into lateral and medial fascicles (as described by T. von Lanz and W. Wachsmuth) cannot be seen in the bone sections and consequently cannot be regarded as being factual.

Zusammenfassung

Der Spongiosaverlauf im Calcaneus entspricht einem dreidimensionalen Trajektoriensystem und ist optimal an die Beanspruchung — in diesem Fall Biegung — angepaßt. Aus dieser Biegebeanspruchung resultiert ein gebogener Verlauf der Zugbündel.

In der Sagittalebene liegt die Hauptbeanspruchung, so daß eine Anpassung der Struktur in dieser Ebene nachgeprüft werden muß.

In spannungsoptischen Versuchen läßt sich nachweisen, daß bei verschiedenen Belastungen (z.B. Stand mit und ohne Muskeleinsatz, Kraftübertragung vor und nach Synostose der Tuberapophyse) gleichartige Trajektorienverläufe entstehen; damit bleibt also die Beanspruchung gleich. Die gefundenen Trajektorienbilder stimmen mit der Ausrichtung der Spongiosa überein, das heißt, es liegt ein Zustand des Angepaßtseins vor. Im Sinne des Maximum-Minimum Gesetzes von Roux bedeutet dies, daß der Knochen mit einem Minimum an Material ein Maximum an Widerstand leisten kann.

Die Methode der Spannungsoptik läßt sich auch an einem kleinen Skelettelement erfolgreich anwenden, das in komplizierter Weise beansprucht wird.

Die theorie der kausalen Histogenese der Stützgewebe wird durch die Übereinstimmung der Lage des Epiphysenkerns mit der Lage eines singulären Punktes (hydrostatischer Druck) in einem weiteren Fall bestätigt. Eine Aufteilung der Trajektorienverläufe in laterale und mediale Bündel-wie sie im Buch von T. v. Lanz und W. Wachsmuth vorgenommen wird — findet sich nicht in den Knochenschnitten und entspricht somit nicht der Wirklichkeit.