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13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof.

Dr.sc.med.des

PD Dr. med.

PD Dr.

Medial compartment cartilage composition correlates with the knee flexion moment during walking in the ACL injured knee

Gang- und Bewegungsanalyse

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Models for the development of post-traumatic knee osteoarthritis (OA) after ACL injury suggest that gait biomechanics may play a role in cartilage degeneration in addition to structural, biological and neuromuscular factors.1 To date, the relationship between laminar cartilage composition (T2 time) and gait biomechanics in young adults after an ACL injury is unknown. Aim To investigate the relationship between T2 time and ambulatory load in young healthy subjects with or without previous ACL injury. Methods 20 young adults 2-10 years after ACL injury (6m/14f, 26.1±3.1 years, 23.5±2.6 kg/m2) and 20 young healthy controls (9m/11f, 26.1±3.0 years, 22.7±1.6 kg/m2) were included. T2 times were measured in the deep zone in the medial and lateral femorotibial cartilage from MRI. The external knee flexion moment during walking was calculated using motion capture and inverse dynamics (CGM 2.3). Pearson correlations between absolute T2 times and peak knee flexion moment were calculated for both legs in ACL-patients and the left leg in controls (P&lt;0.05). Results Medial compartment T2 of the ACL injured legs correlated strongly with the peak knee flexion moment (R=0.520, P=0.019), whereas no correlations for the contralateral legs and the healthy legs were found (Fig.1). For lateral compartment T2 of the ACL injured legs (R=0.160, P=0.491) and contralateral legs (R=0.230, P=0.339) the correlation was weak, while there was no correlation in the healthy control legs. Summary Elevated cartilage T2 represent worse cartilage composition. The higher medial compartment T2 of the ACL injured leg with higher peak knee flexion moments suggest that cartilage composition in the medial compartment may be susceptible to higher ambulatory loads after an ACL injury. To prevent post-traumatic OA, gait intervention strategies that reduce peak knee loading should be considered and further researched. Funding: SNF#184912 1Wang et al. Arthritis Res Ther 2020

Vortrag

Relevanz verschiedener Methoden zur Bestimmung der Knieachse in der klinischen Ganganalyse bei Personen mit tibialen Torsionsfehlstellungen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Eine pathologische Tibiatorsion und deren Korrektur beeinflussen die Biomechanik des Gehens [1]. Dies ist relevant in der klinischen Ganganalyse (GA) als auch bei der Erstellung individualisierter muskuloskelettaler Modelle. Der Goldstandard zur Bestimmung der Tibiatorsion stellt das teure und aufwendige MR dar. In der GA kann die Knierotation bestimmt über die Knie-und Malleolenachse, als Surrogatparameter verwendet werden, um die Tibiatorsion abzuschätzen [2]. Dabei stehen sowohl Regression (RE) als auch funktionelle (FU) Methoden zur Bestimmung der Knieachse zur Verfügung. Es soll die Übereinstimmung der Tibiatorsion mit der Knierotation aus der GA unter Verwendung zweier Methoden (RE vs. FU) zur Bestimmung der Knieachse evaluiert werden. 34 Extremitäten von 25 Personen mit einer pathologischen Tibiatorsion, MRT und einer GA wurden in die Untersuchung eingeschlossen. In der GA wurde die Knieachse mittels 1. Palpation der medialen und lateralen Femurkondyle (RE), 2. Algebraische Achsbestimmungsmethode (FU) bestimmt. Die Übereinstimmung zwischen mittlerer Knierotation beider Methoden und MRT wurden mittels Bland-Altman-Plots evaluiert. Weiterhin erfolgte eine Unterschiedsprüfung der Differenzen beider Methoden. Abb. 1 und 2 zeigen eine mittlere Differenz von 9±15,6° (RE - MRT) bzw. 13,1±17,9° (FU – MRT). Die Unterschiedsprüfung ergab einen sig. Unterschied (p&lt;.001). Die GA unterschätzt mit beiden Methoden zur Bestimmung der Knieachse die Tibiatorsion im Vergleich zum Goldstandard und weist eine breite Streuung auf. Dabei unterschätzt RE die Tibiatorsion systematisch weniger als FU. Der Unterschied zwischen MRT und GA kann über die unterschiedliche Definition der Referenzlinie am Knie und dem dazwischenliegenden Femorotibialgelenk erklärt werden. Somit sollte für eine Abschätzung der Tibiatorsion in der GA die Knieachse vorzugsweise über die Palpation der medialen und lateralen Femurkondylen definiert werden. [1] Davids et al., 2014 [2] Radler et al., 2010

Inter-joint coordination in the affected and unaffected leg of patients with severe knee osteoarthritis before and 6 months after knee arthroplasty compared to healthy controls

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: Joint coordination may provide important information on fundamental aspects of pathological gait and the effect of treatment. Purpose: The primary aim of this study was to investigate differences in inter-joint coordination in patients with knee osteoarthritis (OA) between the affected leg (AL) and unaffected leg (UL) and compared with healthy controls (HC), before and 6 months after knee arthroplasty during the gait phases of walking. Methods: We included 23 patients with knee OA (age: 72 ± 9 years) and 20 healthy controls (HC) (age: 33 ± 10 years). The groups matched in walking speed (0.88 m/s). Sagittal joint angles of the hip, knee and ankle during walking were obtained via IMUs. Coupling angles (CA) were calculated via vector coding technique1 (Fig.1). Circular statistics (circular t-test and Waston‑Williams test) was used to detect within subject and between group differences. The gait cycle was divided into five phases2. Results: The hip-knee CA in the AL differed from the UL and the HC during loading response pre-surgery (P&lt;0.001; P=0.016) and post-surgery (P&lt;0.001; P=0.030) with smaller differences post‑surgery (Fig.2). During terminal stance, the hip-knee CA in the UL differed from the HC post-surgery (P=0.023), but not pre-surgery. Conclusion: Observed differences were gait phase specific. Some differences in inter-joint coordination in the UL emerged only after surgery and may be linked to simultaneous abnormal CA in the AL. Therefore, the rehabilitation process and follow-up in these patients should also focus on the specific biomechanical properties of the different gait phases to regain coordination in the AL closer to healthy and pay attention to the UL to prevent the manifestation of abnormal coordination and the development of secondary diseases. 1Needham, 2014, J Biomech 2Perry, 1992, Gait Analysis Funding: Deutsche Arthrose-Hilfe e.V.; University of Basel

PD Dr.-Ing.

Prof. Dr.-Ing.

Der Einfluss eines externen Extensionsmoments auf die Hüftgelenkbelastung in vivo

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die Implantation einer Endoprothese verbessert die Lebensqualität der Patienten häufig bereits unmittelbar nach der Operation. Bei Betrachtung der individuellen postoperativen (pOP) Kinematik zeigen sich jedoch auch negative Folgen, die primär auf das intraoperativ verursachte Muskeltrauma zurückzuführen sind. Frühere in vivo Belastungsstudien konnten bereits zeigen, dass eine intraoperative Schädigung der Gelenkmuskulatur pOP zu einer Mehrbelastung führt. Diese erhöhten Belastungen lassen sich mit kompensatorischen Ko-Kontraktionen der umgebenden Muskulatur erklären. Bislang gibt es jedoch keinen Beweis dafür, dass dies die Belastung tatsächlich direkt beeinflusst. Ziel des Projekts war, den Effekt einer externen Unterstützung auf die individuelle Muskelaktivierung und eine damit einhergehende Änderung der Belastung in vivo zu analysieren. Die Gelenkkraft (F) sowie das Torsionsmoment im Femur (Mtors) wurden bei 3 Patienten mit instrumentiertem Hüftimplantat gemessen. Für die Untersuchungen wurden sie mit einem Soft-Exosuit (Kim et al. 2019) ausgestattet, welches die Hüftstrecker beim Gehen in der Extensionsphase mit 300N Zugkraft unterstützt. Synchron dazu wurde die Aktivierung der Glutealmuskulatur sowie die Kinematik von Becken und Hüfte aufgezeichnet. Die Verwendung des Soft-Exosuit führte im Vergleich zum Gehen ohne aktive Unterstützung zu einer signifikanten Reduktion der Gl. Maximus Aktivierung im Mittel um 23% bzw. des Gl. Medius um 20%. Zeitgleich konnte eine signifikante Zunahme der Beckenkippung nach posterior (+11°) sowie Hüftextension um +16° beobachtet werden. F und Mtors wurden ebenfalls um 6% bzw. 18% reduziert (Abb.1). Eine Zunahme der Hüftextension sowie posterioren Beckenkippung waren mit einer Reduktion (R²=-0,68*; R2=-0,68*) der Hüftbelastung verbunden. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Abnahme der in vivo Belastung mit dem reduzierten Muskelmoment korrelierte (R²=0,72*), was die Hypothese der kompensatorischen Ko-Kontraktion stützt.

Prof. Dr.

Asymmetrien der Hüftgelenkmomente während Tragevorgängen bei gesunden Erwachsenen – eine biomechanische Laborstudie

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Hüftgelenkarthrose kann bei entsprechender Lastenhandhabung im Arbeitsalltag als Berufskrankheit eingeordnet werden. Für das Verständnis der Entstehung von uni- bzw. bilateraler Arthrose existieren wenige biomechanische Studien, die untersuchen welche Kräfte während Tragevorgängen auf das Hüftgelenk wirken und ob dabei Asymmetrien vorliegen. Methoden: Ziel dieser Studie ist die Untersuchung von asymmetrischen Hüftbelastungen beim einseitigen Tragen einer Last von 20 kg neben dem Körper und auf einer Schulter. Dafür wurde eine 3D-Bewegungsanalyse unter Hinzunahme von Kraftmessplatten bei 20 gesunden ProbandInnen (9 ♀; 37 ± 12 Jahre; BMI: 24,8 ± 3,7 kg/m2) durchgeführt. Verglichen wurde das interne resultierende Hüftgelenkmoment Mres (Wurzel der Quadratsummen der Sagittal-, Frontal- und Transversalmomente) zwischen Trage- (ipsilateral) und nicht-Trageseite (kontralateral) über die Standphase (SPM1D). Ergebnisse: Beim Tragen neben dem Körper wirkten am kontralateralen Hüftgelenk bei ca. 10 % - 75 % der Standphase signifikant größere Mres als ipsilateral (t = 4,686; p &lt; 0,001; Abb. 1a). Die Asymmetrie bestand hauptsächlich in der Frontalebene (Abb. 2a). Beim Tragen auf einer Schulter existierten keine signifikanten Seitenunterschiede im Mres (t = 4,595; p &gt; 0,05; Abb. 1b). In der Einzelbetrachtung der ProbandInnen waren jedoch Asymmetrien von &gt; 10 % der mittleren Mres beider Seiten zu sehen, die sowohl in Richtung der ipsilateralen als auch der kontralateralen Seite auftraten (Abb. 2b). Schlussfolgerungen: Die Asymmetrie des Mres zwischen ipsi- und kontralateraler Seite variiert zwischen den Tragetechniken. Für eine möglichst geringe Belastung beider Hüftgelenke ist das Tragen auf einer Schulter dem einseitigen Tragen neben dem Körper vorzuziehen. Letztendlich muss jedoch ebenfalls das individuelle Belastungsmuster berücksichtigt werden, um die Entwicklung einer uni- bzw. bilateralen Hüftgelenkarthrose durch Lastenhandhabung begründen zu können.

Prof.Dr.

Do markerless and marker-based motion analyses provide identical joint kinematics?

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Markerless motion analysis is a promising alternative to traditional marker-based motion capture. Although generally comparable, differences between the kinematic signals captured by each system have been reported. The exact origin of these differences remains yet unclear. Goal In this study, we investigate the possible influence of local frame orientation on the kinematic interpretation of the results. In particular, we apply a REference FRame Alignment MEthod (REFRAME) to a set of tibiofemoral kinematics captured using a marker-based and a markerless system, to understand whether inconsistencies in the output waveforms can be associated with differences in local frame orientation. Materials and Methods Ten healthy subjects (5/5 M/F, age 27±8, 22.16) were recruited to perform five walking trials (right side only). Kinematic data was captured using an eight-camera (Miqus, Qualisys) markerless system (Theia3D), and a 24-camera (Oqus and Arqus, Qualysis) marker-based system, simultaneously. The marker-based system tracked reflective markers positioned according to Qualisys" sports full-body marker set. Both sets of processed data were exported for kinematic analysis in Visual3D (C-Motion). Results Re-orientation of the tibia and femur coordinate systems (Table 1) decreased the RMSE in the sagittal plane, from 3.88° to 1.72°, in the frontal plane, from 6.12° to 1.76°, and in the transverse plane, from 10.19° to 2.53°. Visual agreement between waveforms clearly improved (Figure 1). Summary The considerable decrease in the kinematic differences between the markerless vs. marker-based systems is a strong indication that initial discrepancies in joint angles were related to inconsistencies in local reference frame orientation, rather than differences in estimated joint motion.

Anatomical leg length discrepancy is children: can it be accurately determined using 3-D motion capturing?

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Background Leg length discrepancy (LLD) is common in youth. Long leg X-rays is the gold standard technique of measuring LLD. It is highly accurate and reliable compared to clinical method [1], but expose the subject to radiation. Instrumented gait analysis (IGA) can not only be used to measure of the joint kinematics during gait but also may also be used to assess LLD during standing. Aim The purpose of this study was to compare different methods of determining the LLD in paediatric population. We hypothesize that IGA using joint centres is more accurate and precise than the tape measurement. Methods Thirty-one patients with mean age 12(SD=2) years were included. Their LLD varied between 0-36 mm. Three methods for determining LLD (Abb. 1) were compared to the gold standard of radiography using Bland-Altman analysis: 1. Tape measurement 2. IGA, summarizing the distance from the spina iliaca to the medial malleolus marker via the medial knee condyle 3. IGA, summarizing distances between ankle, knee, and hip joints centres, where the latter was calculated using 3 different regression equations. Results The IGA joints method performed better than the tape measurement or IGA markers method. The equations of Davis [2] calculating the hip joint centre had the highest accuracy with mean difference to radiography of 0.7 mm (SD=6.3). The simple Harrington method [3] resulted in a slightly reduced accuracy but higher precision of 0.9 mm (SD=6.2). The Harrington method with leg length as input was less accurate 1.0 mm (SD=6.7), but was still considerably better than the tape measurement 1.8 mm (SD=7.0) or IGA markers method 1.1 mm (SD=11.5). Conclusion Determining LLD with IGA using the distances between ankle, knee and hip joints centres is a feasible method that can be applied in clinical practice to calculate LLD. Sabharwal &amp; Kumar. Clin Orthop Relat Res. 2008; 466(12): 2910-22. Harrington et al. J Biomech. 2007; 40(3): 595-602. Davis et al. Hum. Mov. Sci. 1991; 10: 575–87.

Muscle activation patterns during walking in patients 1 year after total knee arthroplasty or total hip arthroplasty compared to healthy controls

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Background While muscle activation during walking has been shown to improve after both total knee arthroplasty (TKA)1 and total hip arthroplasty (THA)2, temporal muscle activation patterns have not been compared to healthy controls. Aim Investigating whether temporal muscle activation patterns and strength differ between patients after TKA or THA and healthy controls. Method We included 14 patients 1 year after TKA (age 72±11 years; body mass index 26.5±3.7 kg/m2), 15 patients 1 year after THA (anterior minimal invasive approach; 66±11 years; 27.3±2.6 kg/m2), and 17 healthy controls (64±8 years; 25.7±4.0 kg/m2). All participants underwent a gait analysis with simultaneous measurement of surface electromyography (EMG) of the vastus medialis, semitendinosus and gluteus medius. EMGs were normalized to maximal voluntary contractions during isokinetic knee flexion/extension (60°/s) or isometric hip abduction on a dynamometer. Differences between patients and controls in EMG envelope time series (% gait cycle (GC)) were analyzed using statistical parametric mapping with independent sample t tests (P&lt;0.05). Results Patients after TKA had higher gluteus medius (4-11%GC, P=.042), semitendinosus (0-8%GC, P=.014; 97-100%GC, P=.044) and vastus medialis muscle activity (17-24%GC, P=.023; 27-32%GC, P=.029; Fig.1), and lower knee flexion and extension strength (P&lt;.008; Fig.2) than controls. Muscle activation patterns and strength of patients after THA did not differ from healthy controls (Fig.1&amp;2). Conclusion Muscle activation patterns of patients 1 year after THA have recovered to the level of healthy controls. Patients 1 year after TKA had higher muscle activity, especially in the loading response. Together with the lower knee muscle strength, this could be a compensatory mechanism to increase stability. Therefore, further strength training may be warranted especially in patients after TKA. 1Hubley-Kozey et al. Clin Biomech. 2010; 2Agostini et al. J Arthroplasty. 2014

Session 1
Bewegungsanalyse l

Termin

Vorsitzende

Programm

Session 1Bewegungsanalyse l

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Bewegungsanalyse l