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

Prof.

Knee kinematics of the lateral extra-articular tenodesis using an anterior shifted insertion point in order to avoid femoral tunnel interference

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Purpose:   Potential tunnel interference between anterior cruciate ligament reconstruction (ACLR) and modified Lemaire lateral extra-articular tenodesis (LET) in combined ACLR+LET knee joint treatment can be avoided when placing the LET insertion point anterior to the lateral epicondyle. The aim of the study was to investigate tibiofemoral knee kinematics of this alternative, anterior LET insertion point and compare them to the originally described insertion point. Methods:  Six fresh-frozen human knee joints were tested on a test bench in the following states: 1) native, 2) anterolateral insufficient, 3) original Lemaire (oLET; insertion point: 4 mm posterior and 8 mm proximal to the epicondyle), 4) anterior Lemaire (aLET; insertion point: 5 mm anterior and 5 mm proximal to the epicondyle). Internal tibial rotation and anterior translation were statically investigated under an internal tibial torque in 0°, 30°, 60° and 90° of flexion and during a simulated Lachman test respectively. Additionally, the range of internal tibial rotation and anterior translation were dynamically investigated by a simulated pivot-shift test. Tibiofemoral kinematics were measured using an optical 3D motion analysis system. Results:  The aLET showed an internal tibial rotation comparable to the native state for all tested flexion angles except 90° (0°: P = 0.154; 30°: P = 0.154; 60°: P = 0.176; 90°: P &lt; 0.001). The oLET showed an internal tibial rotation below the values of the native state for all tested flexion angles (0°: P &lt; 0.001; 30°: P = 0.002; 60°: P = 0.009; 90°: P &lt; 0.001). No differences in anterior translation and internal tibial rotation were found between the oLET and aLET during simulated Lachman and pivot-shift test, approximating the native state. Conclusions:  The aLET restored internal tibial rotation after anterolateral insufficiency to the native state while decreasing the risk of an unphysiologically reduced internal tibial rotation compared to the oLET.

Bewegungsapparat (Gelenke, Wirbelsäule)

Vortrag

Prof. Dr. med.

PD Dr. med.

Dr. med.

Biomechanische Prüfung der Rekonstruktion von lateralen und medialen Bändern am Sprunggelenk: Einfluss verschiedener Rekonstruktionstechniken auf Stabilität und Mobilität

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Die optimale Operationstechnik bei chronischer Knöchelinstabilität sowie der Einfluss der medialen Stabilisierung bleibt umstritten. Ziele Die Wirkung einer zusätzlichen Stabilisierung des medialen Kollateralbandes (MCL) bei Knöchelinstabilität sowie der Vergleich von offenen und arthroskopischen OP-Techniken für die Reparatur des lateralen Seitenbandes. Material/Methode Testung von 8 Zuständen in Gruppe &quot;open repair&quot;: Nativ, MCL cut, MCL repair, anterior talofibular ligament (ATFL) cut, calcaneofibular ligament (CFL) cut, MCL cut + ATFL repair, MCL cut + AFTL and CFL repair, MCL, ATFL, and CFL repair und 3 Zuständen in arthroskopischer Gruppe: Nativ, ATFL cut, ATFL repair. Unter Verwendung eines Robotersystems wurde ein multidirektionaler Belastungstest mit fünf Bewegungen - anteriore Translation (AT), Inversion (IV), Eversion (EV), Innenrotation (IR) und Außenrotation (ER) - in jedem Zustand in vier verschiedenen Sprunggelenkpositionen durchgeführt: Neutralposition (NP), 15° Dorsalflexion (15DF), 15° und 30° Plantarflexion (15PF, 30PF). Ergebnisse Signifikante Reduktion der ER- und EV-Laxität, wenn das MCL zusätzlich repariert wurde im Vergleich zur isolierten Refixation des ATFL und CFL in allen getesteten PF/DF-Positionen (p&lt;.05). Die anteriore und IR-Laxität war nach der Refixation des MCL in NP sowie in 15° und 30° PF signifikant reduziert. Die Ergebnisse des offenen Verfahrens zeigten keine signifikanten Unterschiede in der AT-, IV- und IR-Laxität in den verschiedenen Sprunggelenkpositionen gegenüber den Ergebnissen des arthroskopischen Verfahrens (p&gt;.05). Zusammenfassung Eine zusätzliche mediale Stabilisierung führte zu einer zusätzlichen Stabilisierung des Sprunggelenks, was die Bedeutung der prä- und intraoperativen Beurteilung der medialen Knöchelbänder bei der Behandlung der Knöchelinstabilität unterstreicht. Die Stabilisierung des Sprunggelenks war bei der offenen und der arthroskopischen Technik der lateralen Bandreparatur vergleichbar.

PD Dr.-Ing.

Einfluss der spinopelvinen Kinematik auf die Hüftgelenkbelastung in vivo

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die spinopelvine Kinematik, die davon abhängige Implantatorientierung und ihre Änderung im postoperativen (pOP) Verlauf ist ein unmittelbarer Risikofaktor für den langfristigen Erfolg des Hüftgelenkersatzes. So konnte gezeigt werden, dass eine altersbedingte Abnahme der spinopelvinen Mobilität das Risiko für Luxationen, trotz ursprünglich optimaler Implantatorientierung, erhöht (Haffer et al. 2023). Unklar ist bisher wie diese Änderungen die Gelenkbelastungen in vivo beeinflussen. Ziel dieser retrospektiven Analyse war es, die pOP Änderung der Kinematik von Becken und Hüfte und deren Einfluss auf die in vivo Hüftgelenkbelastung zu untersuchen. Eine Gruppe von 10 Patienten mit instrumentierten Gelenkersatz im Zeitraum bis zu 100 Monate pOP examiniert. Hierfür wurden Bewegungsanalysen mit synchroner Messung der Hüftbelastung2 in vivo zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten pOP durchgeführt. Erste Analysen zeigten, dass die Gelenkbelastung im pOP Verlauf im Mittel über 9 Patienten um 11% ansteigt (Abb. 1). Ein Proband (H7R) zeigte deutliche abweichende Änderungen des Gangbildes aufgrund einer Spondylolisthese (L5/S1). Bei diesem wurde eine signifikante Zunahme der Gelenkbelastung um 30% (Abb. 2A), eine signifikante Änderung der Beckenkippung nach posterior von 15° (Abb. 2B) und eine signifikante Erhöhung der Hüftextension von 8° beobachtet (Abb. 2C). Die posteriore Zunahme der Beckenkippung zeigte einen Trend die Gelenkbelastung zu erhöhen (R²=0,227**). Es konnte auch gezeigt werden, das eine Erhöhung des Extensionswinkels mit einer signifikanten Zunahme der in vivo Belastung einhergeht (R²=0,411**). Diese ersten Analysen zeigen, dass es trotz optimal implantierter Prothesen im pOP Verlauf, durch eine Veränderung der spinopelvinen Mobilität, zu signifikanten Belastungszunahmen kommen kann. Abb. 1 Änderungen der resultierenden Gelenkkontaktkraft der 9 Patienten Abb. 2 Änderung H7R der Gelenkkontaktkraft (2a), Beckenkippung (2b), Flexion/Extension der Hüfte (2c)

Prof. Dr.

Towards a better understanding of the hip joint translation in subjects with femoroacetabular impingement

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) In most biomechanical studies, the hip joint (HJ) is described as a 3 DoF joint with no translation (trans), resembling a perfect ball-socket joint. However, studies report HJ trans (HJT) up to 4.1 mm1. Despite this, a comprehensive analysis of HJT and its impact on premature joint contact is lacking. Therefore, this study employs a multivariate regression (MR) approach to define HJT based on HJ orientation. Two male subjects (age=28, height = 1.90m) underwent MRI to capture seven hip orientations on each side. Mesh-to-point registration was used to align reference segmentation with MRIs. The femoral head center (FHC) was determined using a best spherical fit. To define HJT, a local coordinate system (LCS) was established: MP=[RP,PAC] (RP= rotation matrix pelvis, PAC= center of acetabulum) and the FHC was transformed into this LCS: P'= RP (PFC-PAC) (PFC= FHC). LCS for the femur was defined and rotated into the pelvis to define Euler angles. Three MR analyses treated rotations as ind. variables and trans as dep. variables. MR analysis revealed significant relationships between Flex/Ext and Ant/Post trans (adj. R2=0.583, p&lt;0.001, coef.=0.03) and Add/Abd and Sup/Inf trans (adj. R2=0.62, p&lt;0.001, coef.=0.047) (see Fig. 1). The results suggest coupling mechanisms between Flex/Ext and Ant/Post trans as well as Abd/Add and Sup/Inf trans. Clinical relevance lies in their impact on premature contact during flexion or abduction in individuals with femoroacetabular impingement (FAI). Implementing these insights into modulations is crucial for clinical considerations, given the influence of trans on premature joint contact in specific movement scenarios with FAI. Figure 1 Regression results: a) Flex/Ext and Ant/Post trans (adj. R2=0.58, p&lt;0.001, coef.=0.03) b) Add/Abd and Inf/Sup trans (adj. R2=0.62, p&lt;0.001, coef.=0.047) 1Kapron, A. L. et al. (2015). In-vivo hip arthrokinematics during supine clinical exams: Application to the study of FAI. Journal of Biomechanics

Correlations between load-induced changes in shoulder kinematics and muscle activity in shoulders with and without rotator cuff tears

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Question Shoulders with rotator cuff (RC) tears undergo greater upward scapula rotation1, have greater shoulder muscle activity2 during 30° scaption than healthy shoulders, and such trends increase with loading but their relationship is unknown in healthy and pathological shoulders. This study aimed to examine the relationship between increases in shoulder kinematics and muscle activity with loading in shoulders with and without RC tears. Methods Fluoroscopy and electromyography (EMG) of 130 shoulders (43 healthy, 24 RC tendinopathy, 38 asymptomatic and 25 symptomatic RC tears) were acquired during 30° scaption with handheld weights (0, 2 and 4 kg). Shoulder kinematics (upward scapula rotation and superior glenohumeral (GH) translation) were measured during scaption.3 EMG of multiple shoulder muscles was normalised to the maximum voluntary isometric contraction and log transformed. A linear mixed model (kinematics, shoulder type) with random intercept and slope (IDs) was fitted to predict EMG. Slopes were examined for the shoulder types. Results Overall, significant slopes were found for almost all muscles with scapula rotation as a predictor in RC tears and healthy shoulders, with slopes higher in healthy shoulders and lower in symptomatic RC tears (Table 1, Fig 1). GH translation had only a few significant effects in pathological shoulders (Table 1). Conclusions In shoulders with healthy or torn RC, scapula rotation correlated not only with the activity of the upper trapezius but also of the other muscles, indicating that all contribute to shoulder motion. The little correlation with GH translation suggests that the shoulder remained stable. The higher levels of EMG and scapula rotation in shoulders with RC tears than healthy shoulders may contribute to secondary damage over time. Early detection of these increased parameters may be of clinical interest. 1Croci et al. Swiss Med Wkly 2023 2Croci et al. J Orthop Traumatol 2023 3Croci et al. Eur Radiol 2023

Klinische Studien und Rehabilitation

PD Dr.

Sex-Specific hand function impairment in rheumatoid and psoriatic arthritis patients: a comparative analysis of grip strength and fine motor skills

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Hand function is a key factor of disease burden in inflammatory arthritis. Integrating functional assessments for disease monitoring is therefore essential, yet sex-specific differences in functional tasks remain poorly investigated. To identify sex-specific hand function characteristics that allow to distinguish between healthy controls (CON) and Rheumatoid Arthritis (RA) and Psoriatic Arthritis (PsA) patients. RA (ACR/EULAR 2010 criteria) and PsA (CASPAR criteria) patients (Internal Medicine 3 outpatient clinics Erlangen, Germany) and CON participated in this study (Ethics #357_20B, DRKS00032490). All participants performed an isometric grip strength test (Dynamometer, Saehan®, Korea), a dynamic grip and finger strength test (Martin Vigorimeter, Germany) and the Moberg Picking-Up Test (MPUT). The highest attempt (out of three for isometric grip, two per dynamic grip and finger strength) and the fastest of two MPUT trials were used for analysis. Linear mixed-effect models, adjusted for age and participants ID as random intercept term were used to compare the groups. Seventy-three RA patients (24 male, 53.9±14.1 years; Disease Activity Score 28: 2.6±0.9), 76 PsA patients (37 male, 52.0±4.3 years; Disease Activity in Psoriatic Arthritis Score: 10.2±7.1), and 77 CON (37 male, 46.0±18.5 years) were included in the study. Female patients presented on average lower grip strength with both devices, lower middle finger strength (PsA) and slower MPUT times compared to female CON (Abb.1, all p&lt;0.05). In male patients, grip and finger strength was not significantly lower compared to male CON (Abb.1, all p&gt;0.05). Male patients had significantly slower MPUT times compared to male CON (Abb.1, all p&lt;0.05). Our results suggest that grip rather than finger strength and MPUT can discriminate between patients and CON in females. MPUT was most sensitive to discriminate between patients and CON in male participants. Abb.2:Unadjusted means of hand function tests by group and sex.

Joint and tendon loading during running: towards estimating musculoskeletal loads from IMUs with self-organising maps

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Rationale Running-related injuries are frequently researched. However, there is little evidence that the currently accepted risk factors have predictive value. The need for prospective and longitudinal data collection is hampered by the lack of information about the loading of joints and muscles when data is gathered in the field. While the combination of inertial measurement units (IMUs) and supervised learning tends to overcome this problem, a new network needs to be trained for each of the desired outcome variables. It was hypothesised that an unsupervised learning algorithm is capable of detecting running patterns from wearable sensor data and that these running patterns can be used to accurately estimate joint loading variables as well as ground reaction forces (GRFs) and tendon forces. Methods To test this, a publicly available data set of 28 recreational runners, running on a treadmill at three different speeds was used to (1) generate artificial IMU data from the existing retroreflective marker trajectories, (2) train a Kohonen&quot;s self-organising map (SOM) with the artificial IMU data and assign 3D GRFs, hip, knee and ankle joint moments and reaction forces as well as the patellar tendon and Achilles tendon forces. Subsets of the artificial IMUs were used to identify the minimum number of IMUs necessary for achieving predictions at an accuracy of above 85%. Results The assigned variables were estimated with good to excellent accuracy (R²&gt;0.86) except for the mediolateral GRF and the hip joint reaction force (R2=0.39 and 0.57, respectively). Normalised root mean squared errors were at an acceptable level (&lt;16%) again with the exception mentioned before (27% and 26%). To achieve these results, only the data of four artificial IMUs on the shanks and the feet were required. Conclusion The proposed approach used a novel approach by utilising unsupervised learning to allow a flexible yet reliable estimation of joint loading variables from two IMU sensors.

Virtual Reality und KI

Ein Bandscheibenersatz beeinflusst nicht nur die Bewegung der behandelten, sondern auch der Anschlusssegmente in der Halswirbelsäule

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Im Unterschied zur Fusion soll ein Bandscheibenersatz (total disc replacement, TDR) die Beweglichkeit der Halswirbelsäule (HWS) erhalten und so die Anschlusssegmente schonen. Gerade ein bisegmentaler TDR ist allerdings unzureichend untersucht. Ziele Ziel dieser in-vitro-Studie war es daher, den Bewegungsumfang (range of motion, ROM) der HWS nach mono- und bisegmentalem TDR in den behandelten und den Anschlusssegmenten zu untersuchen. Material &amp; Methoden Sieben humane Spenderwirbelsäulen (C4-T1, ⌀ 40 ± 17 Jahre) wurden intakt sowie nach monosegmentalem TDR bei C5-6 und anschließend nach bisegmentalem TDR von C5-7 untersucht. Die Präparate wurden quasistatisch mit reinen Momenten von 1,5 Nm in Flexion/Extension (FE), Seitneigung (SN) und axialer Rotation (AR) belastet (3,5 Zyklen, 1°/s). Daraus wurde der Bewegungsumfang jedes Segments bestimmt. Statistik: Friedmann-Test mit post-hoc Dunn-Bonferroni-Tests, p&lt;0,05. Ergebnisse In FE waren gekoppelte Bewegungen minimal (Abb. 1 A). Ein monosegmentaler TDR (C5-6) erhöhte die ROM in allen Segmenten, allerdings nur im kranialen Anschlusssegment (C4-5) signifikant. Ein zusätzlicher TDR (C6-7) erhöhte die ROM im behandelten Segment noch weiter (p&lt;0,05). In SN zeigte sich Bewegungskopplung mit AR (Abb. 1 B). Ein monosegmentaler TDR verringerte SN im behandelten Segment signifikant. Interessanterweise wurde nach Ausweitung des TDR auf C6-7 die gekoppelte AR bei C4-5 signifikant verringert. In AR zeigte sich Bewegungskopplung mit SN (Abb. 1 C). Nach monosegmentalem TDR waren sowohl AR als auch gekoppelte SN im kaudalen Anschlusssegment C6-7 signifikant erhöht. Eine Ausweitung des TDR auf C6-7 erhöhte gekoppelte SN bei C5-6. Zusammenfassung Sowohl ein mono- wie auch ein bisegmentaler TDR zeigt einen Einfluss auf die Bewegungskopplung ebenfalls in Anschlusssegmenten. Ein möglicher Grund könnte die Resektion der Längsbänder sein, was einen segmentübergreifenden Effekt hat.

Session 3
Bewegungsapparat – Gelenke

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Session 3Bewegungsapparat – Gelenke

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Bewegungsapparat – Gelenke