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Evaluation and characterization of knee joint instability in ACL deficient patients
Boeth, Heide
Osteoarthrose ist eine degenerative Gelenkerkrankung, welche durch strukturelle als auch zelluläre Degeneration des Gelenkknorpels beschrieben wird. Es wird angenommen, dass Osteoarthrose im Kniegelenk durch pathologische Belastungsmuster und/oder Gelenkinstabilitäten hervorgerufen werden kann. Eine frühe Detektion von Osteoarthrose zu Beginn der Krankheit ist nach heutigem Stand der Wissenschaft bislang nicht möglich. Die Quantifizierung von Instabilität im Kniegelenk und Erkenntnisse über das Verhalten von Patienten mit einer Gelenkslaxizität während aktiver Bewegung, könnte jedoch in diesem Zusammenhang das Verständnis über den Einfluss von Instabilitäten auf eine Gelenksdegeneration erweitern. Da das vordere Kreuzband (VKB) primär dafür zuständig ist, die Verschiebung der Tibia nach vorne zu verhindern, ist es von besonders großem Interesse, die Kinematik von Knien mit VKB Ruptur mit physiologisch gesunden Knien zu vergleichen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, den Einfluss von passiver Gelenkslaxizität, hervorgerufen durch einen VKB Riss, auf die aktive tibio-femorale Kinematik während des Gehens zu erklären. Innerhalb dieser Dissertation wurden eine Reihe von Studien durchgeführt, um neue Methoden zur Bestimmung funktioneller Bewegungen im Kniegelenk zu entwickeln. Außerdem wurde die Methode in ihrer Effizienz im Gebrauch und ihrer Bedeutung hinsichtlich mit Gelenkinstabilitäten assoziierter klinischer Probleme getestet.
Um die tibio-femorale Kinematik quantifizieren zu können, wurde ein nicht invasiver Ansatz entwickelt, der die tibio-femorale Bewegung dynamisch ermitteln kann. Dieser neue Ansatz erwies sich als reproduzierbar und wiederholbar. Er basiert auf der Bewegungsanalyse und ist mit fortgeschrittenen Techniken kombiniert, um die skelettale Kinematik im Kniezentrum zu bestimmen (inklusive SARA, SCoRE & OCST). Es wurden 13 Patienten untersucht, die an einer über das MRT bestätigte VKB Ruptur litten. Die verletzten Kniegelenke wurden sowohl mit ihrer gesunden Gegenseite als auch mit denen einer gesunden Kontrollgruppe verglichen. Hierbei wurden optische Messtechniken verwendet, um die Unterschiede in der Gelenkstabilität während Aktivitäten des täglichen Lebens zu ermitteln.
In einem weiteren Ansatz zur Bestimmung der Kinematik des Kniegelenks wurde zwischen einer medialen und einer lateralen Translation unterschieden, indem die Bewegung der jeweiligen Kondylen bestimmt wurde. Hierbei sollte die Rotation des Kniegelenkes in der transversalen Ebene näher untersucht werden. Diese Betrachtung lieferte die neue Erkenntnis, dass das Rotationszentrum beim Laufen in der transversalen Ebene auf der lateralen Seite zu liegen scheint. Außerdem zeigen die Ergebnisse eine erhöhte interne Rotation der Tibia in dem verletzten Kniegelenk im Vergleich zu der gesunden Kontrollgruppe während des Laufens. Ein wesentliches Ergebnis dieser Studien stellt zudem das gegensätzliche Verhalten der tibialen Vorwärtsbewegung während passiver und aktiver Situationen dar. Während der passiven Situation zeigt die Tibia des Kniegelenkes mit der VKB Ruptur eine signifikant erhöhte Vorwärtsbewegung im Vergleich zu dem kontralateralen gesunden Kniegelenk. Dahingegen ist das Femur des Kniegelenkes mit der VKB Ruptur im Vergleich zur Tibia während des Laufens über den gesamten Gangzyklus weiter hinten positioniert. Der Bereich von maximaler zu minimaler tibio-femoraler Translation (Range) in der transversalen Ebene ist überraschenderweise in den Kniegelenken mit VKB Ruptur im Vergleich zu den gesunden Kniegelenken über einen gesamten Gangzyklus signifikant geringer. Zwei mögliche Ansätze zur Erklärung der reduzierten Translation im verletzten Gelenk sind: a) eine aktive Stabilisierung von tibio-femoraler Kinematik oder b) eine Subluxation der Tibia nach vorne. Dies beinhaltet eine eventuelle muskuläre Überkompensation im Kniegelenk oder eine Limitierung der Bewegung, die durch sekundäre passive Stabilisatoren hervorgerufen wird. Beide Mechanismen haben einen reduzierten Range von aktiver Bewegung zur Folge, der von der physiologischen Stabilität abweicht. Unabhängig vom zutreffenden Mechanismus impliziert der reduzierte Range von tibio-femoraler Translation während aktiver Bewegung eine Überlastung der passiven Strukturen in passiv lockeren Kniegelenken. Obwohl der Fortschritt von Osteoarthrose in den Patientengruppen nicht nachzuweisen ist, wurde bewusst eine Patientengruppe gewählt, bei denen relevante Veränderungen bekannt sind und ein klinisches Problem darstellen.
Die zusammengefassten Ergebnisse der innerhalb der Dissertation durchgeführten Studien demonstrieren außerdem, dass eine VKB Ruptur sich kritisch auf die Kinematik des Kniegelenkes während des normalen Laufens auswirkt. Eine durch Instabilität hervorgerufene zusätzliche oder auch veränderte Belastung im Gelenk kann einen Mechanismus hervorrufen, durch den sich posttraumatische Degeneration von Knorpel im Kniegelenk erklären lässt.
Osteoarthritis is a degenerative joint disease that is characterized by structural and cellular degradation of the cartilage, which is thought to be induced by pathological loading patterns as well as joint instability. The disease naturally affects several joints of the human body; however, the incidence of osteoarthritis is known to be higher in the knee joint than in other joints. The early detection of osteoarthritic disease onset is not yet possible. However, the quantification of knee joint instability and further investigation into how subjects with joint laxity behave during active movement could provide the foundations for understanding the role of instability on joint degeneration. As the anterior cruciate ligament (ACL) is the primary restraint for stabilising anterior tibial translation, it is critical to understand the kinematics of ACL deficient knees compared to physiologically healthy joints. Therefore, this thesis aims to elucidate the role of passive joint laxity, primarily caused as a result of ACL rupture, on active tibio-femoral kinematics during walking. A series of studies have therefore been undertaken within this thesis to provide novel techniques for assessing the functional movement of the knee joint, testing and verifying the efficacy of its use and its application towards improving understanding of clinical problems related to joint instability. In order to quantify tibio-femoral kinematics, a non-invasive approach to evaluate dynamic tibio-femoral motion was developed and then demonstrated as both reproducible and repeatable. In addition, different calibration methods to assess the most suitable joint axes and centres at the lower limb have been tested. The approach was based on motion capture that was combined with advanced techniques for assessing skeletal kinematics (including SARA, SCoRE & OCST), initially determined at the centre of the knee joint. Detailed investigation into the influence of a changing marker placement or the use of different reference measurements to assess knee axes have been achieved to further develop the methodology and to better understand the functional determination of knee joint kinematics. Thirteen patients with MRI confirmed ACL rupture were then tested using the approach and compared against their healthy contralateral limb as well as against healthy control groups using optical measurement techniques to examine the difference in joint stability and kinematics during activities of daily living.In a further development, knee joint kinematics were determined by separating translations at the medial and lateral condyles of the knee in order to further investigate the rotation of the knee in the transverse plane. The consideration of assessing medial and lateral kinematics supplies the new insight that the centre of rotation in the transverse plane seems to be positioned on the lateral side during walking. The results further suggest an increased internal tibial rotation in the ACL ruptured knee joint compared to healthy controls during walking.An investigation in the influence of passive instability on knee joint kinematics during walking has shown passive tibial anterior translation to be significantly greater in the ACL ruptured knees than in the contralateral healthy controls. However, the femora of the ACL ruptured knees generally remained more posterior relative to the tibia within a gait cycle of walking compared to the healthy limbs. Surprisingly, the mean range of tibio-femoral anterior-posterior translation over an entire gait cycle was significantly lower in ACL ruptured knees than in the healthy joints. The results suggest that either active stabilisation of tibio-femoral kinematics or anterior subluxation of the tibia reduces joint translation in lax knees. This implies that either a muscular overcompensation mechanism or a physical limitation due to secondary passive stabilisers occurs within the joint, and thus produces a situation that has a reduced range of active motion than in knees with physiological stability.
Whichever mechanism is appropriate, the reduced range of active tibio-femoral translation implies overloading of the passive structures in passively lax knees.
Although we were unable to follow the progression of Osteoarthritis degeneration in these cohorts we had selected a group that is known to develop relevant changes within the joint and therefore displays clinical problems.
The combined results of these studies further demonstrate that ACL rupture plays a critical role on the kinematics of the knee joint during normal walking, and that additional or altered joint loading due to joint instability could provide a plausible mechanism for explaining post-traumatic degeneration of cartilage in the joint.
