The effect of altered muscle activation ratios on the tibiofemoral joint contact forces during activities of daily living in simulations

Abstract

Osteoarthrose (OA) zählt zu den stark wachsenden Gesundheitsbedenken in unserer Gesellschafft, wobei Knie OA eine besonders hohe Prävalenz aufweist. Zu den Risikofaktoren gehören, höheres Lebensalter, weibliches Geschlecht und ein hoher Body Mass Index. Methoden, wie Gewichtsreduktion, Kniebandagen, Gangumschulung und Muskelkoordinationstraining (MKT) spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduktion der Kniegelenkskräfte (KGK). Obwohl Gangumschulung und MKT vielversprechende Ergebnisse in der Reduktion von KGK beim Gehengezeigt haben, wurde ihre Auswirkung auf andere Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL) noch nicht ausreichend untersucht. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, die Effekte von alterierten Muskelaktivierungsverhältnissen (MAV) der Mm. gastrocnemii und des M. soleus auf die KGKindenfolgendenADLzuanalysieren: Gehen, StiegenundRampengehen, undaufstehen und hinsetzen. Da andere Studien gezeigt haben, dass die Reduktion der Kräfte in einem Gelenk, zu einer Steigerung in benachbarten Gelenken führen kann, werden als zweite Zielsetzung, auch die Auswirkungen der gleichen alterierten MAV auf die Hüftgelenkkräfte (HGK) untersucht. Pseudoanonymisierte Bewegungsdaten von zehn gesunden Erwachsenen, in Form von c3d Dateien, wurden für muskuloskelettale Simulationen in OpenSim 4.5 (Stanford, California, USA) eingesetzt. Die Reduktion der Aktivierung der Mm. gastrocnemii, und Erhöhung des M. soleus wurden durch die Integration eines Static Optimization Algorhythmus in eine Simulations-Pipeline erzielt. Nach der Entfernung fälschlicher Daten, blieben 413 valide Bewegungsaufnahmen von acht Subjekten für die weitere Analyse über. Die Simulationsergebnisse der aggregierten Daten aller Subjekte, zeigen, dass abhängig von der ADL, die Muskelaktivierung (MA) des M. soleus um 3– 32 % erhöht werden konnte, wobei hinsetzen die niedrigsten und Stiegen hinaufgehen die höchste MA aufweisen. Dadurch konnte eine maximale Reduktion der KGK um 33 % beim Hinsetzen, 22 % beim Aufsehen, 21 % beim Gehen, 17 % beim Rampe hinaufgehen, 15 % beim Stiegen hinaufgehen, 14 % beim Rampe hinuntergehen, und 10 % beim Stiegen hinuntergehen erzielt werden. Die gleiche MA des M. soleus, erhöhte die HGK um 1– 24 %. Die Ergebnisse implizieren, dass die Erhöhung der MA des M. soleus, mit der gleichzeitigen Reduktion der Mm. gastrocnemii, nicht nur beim Gehen, sondern auch bei allen anderen untersuchten ADL, die KGK reduzieren kann. Die Änderung in MA, KGK und HGK variiert stark zwischen den Subjekten, was anzeigt, dass nicht alle Individuen von MKT profitieren würden. Nichtsdestotrotz, könnte diese Methode als vielversprechende therapeutische Maßnahme für Personen mit Knie OA, aber ohne Hüft OA, dienen.Osteoarthritis (OA) is becoming an increasingly important health concern in our society, with knee OA being particularly prevalent. Risk factors include older age, female gender and high body mass index. Methods such as weight reduction, knee braces, gait retraining and muscle coordination retraining, are crucial for decreasing the load on the knee joint. Although gait and muscle coordination retraining have shown promise in reducing Knee Joint Contact Forces (KJCF) during level walking, their effects on other activities of daily living (ADL) have not been well studied. Therefore, this master thesis aims to investigate the effects of an altered muscle activation ratio of the gastrocnemius medialis and lateralis, and soleus muscles, on KJCF in the following ADL: Level walking, ambulating stairs and ramps, and sit-to-stand up and down. Since studies have shown that a reduction of contact forces in one joint, can lead to an increase in neighbouring joints, the effect of the same alteration in muscle activations, will also be explored on the Hip Joint Contact Forces (HJCF), as a secondary objective. Pseudo anonymized motion data from ten healthy adults in the form of c3d files is used for musculoskeletal simulations in OpenSim 4.5 (Stanford, California, USA). The reduction of the gastrocnemius, and increase of the soleus muscle activation is provoked by integrating a Static Optimization algorithm into a simulation pipeline. After removing erroneous data, a total of 413 valid motion trials from eight subjects remained for further analysis. Simulation results from the aggregated data of all IDs, revealed that depending on the ADL, the muscle activation of the soleus could be increased by 3– 32 %,with sit-to-stand down having the lowest, and stairs up the highest activation. Thus, the maximal reduction in KJCF was 33 % in sit-to-stand down, 22 % sit-to-stand up, 21 % in level walking, 17 % in ramp up, 15 % in stairs up, 14 % in ramp down, and 10 % in stairs down. The same increase of soleus activation resulted in higher HJCF, of 1– 24 %. The results imply that increasing the muscle activation of the soleus, while decreasing that of the gastrocnemii, can not only reduce the KJCF in level walking, but also in all other ADL, examined. The alterations in muscle activation, KJCF, and HJCF vary greatly depending on the subject, indicating that not all individuals would benefit from muscle coordination retraining. Nonetheless, this intervention could serve as a promising therapeutic strategy to reduce knee OA progression in patients who have not developed hip OA.by: Laura NikoletosMasterarbeit Fachhochschule Technikum Wien 202