Comprehensive Assessment and Investigation of Knee Joint Functionality in ACL Reconstructed Subjects - Course of performance capacities from Pre- to Six Months Post-ACL Reconstruction

Das vordere Kreuzband hat eine wichtige Funktion für die Kniegelenksstabilität. Daher führt ein Riss des vorderen Kreuzbandes zu schwerwiegenden Beeinträchtigungen für den menschlichen Bewegungsapparat dar, insbesondere durch eine starke Reduktion der Kniegelenksstabilität und Kniegelenksfunktionalität. Dies geht einher mit einer potentiellen lang andauernden Reduzierung des Aktivitätsmaßes in alltäglichen und sportlichen Bewegungen führen kann. Im Jahr 2016 lag die Inzidenzrate in Deutschland bei etwa 42 pro 100.000 Einwohner. Weiterhin wurde in den letzten Jahrzehnten eine Zunahme von vorderen Kreuzbandrupturen bei Freizeitsportlern festgestellt. Im Verletzungsszenario des vorderen Kreuzbandes können weitere biologische Strukturen des Kniegelenks (Menisken, Seitenbänder, Gelenkknorpel) begleitend verletzt oder stark beeinträchtigt werden. So führen Verletzungen des vorderen Kreuzbandes zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Kniegelenkhomöostase. Diese soll durch die operative Rekonstruktion und die nachfolgende Rehabilitation wiederhergestellt werden. Obwohl sich die Rekonstruktionstechniken in den letzten Jahren stark verbessert haben, kann nicht gewährleistet werden, dass die verletzten Personen wieder einen beschwerdefreien Alltag erlangen und das sportliche Niveau von vor der Verletzung erreichen können. Zusätzlich spielt das lebenszeitlich frühere Auftreten von degenerativen Gelenkerkrankungen, (z.B. Gonarthrose) bei den kreuzbandverletzten Personen eine gewichtige Rolle für die zukünftige Lebensqualität und das prospektive Aktivitätsniveau. Kreuzbandverletzte Personen erfahren postoperativ ein Rehabilitationsprogramm, das auf die Wiedergewinnung der Kniegelenkstabilität und Kniegelenksfunktionalität abzielt. Bei der Rückkehr auf ein sportliches Aktivitätsniveau bilden derzeit zumeist die Zeitdauer seit der operativen Rekonstruktion und die Kniefunktionalität in klinischen Tests (z.B. Lachman-Test) die entscheidenden Kriterien. Diese Kriterien bergen allerdings das das Risiko, dass die Funktionalität des Kniegelenks nicht umfassend genug gemessen wird, da so kaum Informationen über die Kniegelenksfunktionalität in alltäglichen und sportlichen Bewegungen erhoben werden. Die Notwendigkeit von aktivitätsspezifischen funktionellen Tests sowie die Kombination verschiedener funktioneller Tests, zur Bestimmung der Kniegelenksfunktionalität wurde hinreichend beschrieben. So hat sich die Bestimmung der dynamischen Funktionalität über Einbeinweitsprünge seit den 1980er Jahren etabliert. Diese Tests werden allerdings nicht standardisiert im klinischen und rehabilitativen Bereich eingesetzt. Obwohl Einbeinweitsprünge eine anspruchsvolle sport-spezifische Bewegung darstellen, scheint es aber auf Basis dieser Tests alleine nicht ausreichend zu sein, eine adäquate funktionale Einschätzung für eine Rückkehr in den Sport zu geben. Die Kniegelenkstabilität und Kniefunktionalität werden durch zahlreiche Faktoren in einem komplexen Gefüge bestimmt. Zudem bestehen vielschichtige Anpassungsmöglichkeiten des Bewegungsapparats auf Grund muskuloskeletaler Einschränkungen. Um diesen komplexen Anforderungen gerecht zu werden, sollte daher eine funktionelle Testbatterie den Anspruch der Ganzheitlichkeit haben und mehrfach über den Rehabilitationsverlauf durchgeführt werden. Einmalige Messungen der Kniegelenksfunktionalität zum Zeitpunkt des potenziellen Wiedereintritts in den Sport erscheint nicht ausreichend. Stattdessen können durch wiederholtes umfassendes funktionelles Testen, wichtige Daten erhoben werden, die ein breiteres Bild über den Status der Kniegelenksfunktionalität liefern. In Bezug zu den erhobenen funktionellen Defiziten, kann dann das Rehabilitationsprogramm spezifisch angepasst werden. So kann der frühzeitigen Manifestierung muskuloskeletaler Dysbalancen entgegengewirkt und die Personen besser auf die Rückkehr in den Sport vorbereitet werden. Die gesamte Dissertation umfasst neun Hauptkapitel. Kapitel 1 enthält ein Vorwort sowie einen Überblick der Dissertation. In Kapitel 2 ist der gesamte theoretische Hintergrund der Dissertation durch die Aufarbeitung des gegenwärtigen Forschungsstandes dargestellt. Darin sind alle wichtigen anatomischen Zusammenhänge sowie die weitreichenden Konsequenzen, die durch vordere Kreuzbandverletzungen entstehen können, beschrieben. Weiterhin, sind der gegenwärtige Stand des funktionellen Testens sowie gängige Konzepte zur Rückkehr in den Sport nach vorderen Kreuzbandverletzungen kurz beschrieben. Aus den abgeleiteten Forschungslücken, wird in Kapitel das Ziel dieser Dissertation motiviert und spezifisch dargestellt. Darin werden die Hauptforschungsfragen in die Synthese der theoretischen Grundlagen aus Kapitel 2 eingebettet. In Kapitel 3 wird abschließend durch eine Darstellung aller Studien, die durchgeführt wurden, um das Ziel der Dissertation zu erreichen, nämlich die Kniegelenksfunktionalität von kreuzbandverletzten Probanden über den Rehabilitationsverlauf zu analysieren. Das folgende Kapitel 4 beinhaltet die gesamte Methodik dieser Haupt-Studie. In dieser Haupt-Studie wurde mit kreuzbandverletzten Probanden eine umfassende funktionelle Testbatterie an vier Testzeitpunkten durchgeführt. T1 wurde vor der Rekonstruktion durchgeführt. T2 sieben Wochen, T3 drei Monate und T4 sechs Monate nach der Rekonstruktion. Um den Anspruch der Ganzheitlichkeit der Testbatterie zu gewährleisten wurde die Kniegelenksfunktionalität bei klinischen Tests (passives Bewegungsausmaß in Knieflexion und Knieextension, Umfangsmessungen am Bein), bei Alltagsbewegungen (Gehen in der Ebene, Gehen mit Unebenheiten, Treppen Gehen und Kurven Gehen) und bei sport-spezifischen Tests (unilaterale und bilaterale Sprungtests, isometrische Krafttests) gemessen und analysiert. Neben kinematischen und kinetischen Parametern, lag ein besonderes Augenmerk bei der Untersuchung der Kniegelenksfunktionalität auf dem Seitigkeitsverhältnis der Beine (Bein-Symmetrie-Index). Zudem wurden standardisierte Fragebögen/Scores eingesetzt (Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score und Tegner Activity Score), um die selbsteingeschätzte Funktionalität und den Einfluss der Kniegelenkverletzung auf den Alltag und die Lebensqualität der Probanden sowie das gegenwärtige Aktivitätsniveau zu erfassen. Auf Basis der erhobenen Parameter der Testbatterie wurde die Funktionalität des Kniegelenks in intraindividuellen Analysen über den Untersuchungszeitraum bis sechs Monate nach der Kreuzbandrekonstruktion analysiert. Zusätzlich wurden die Ergebnisse der kreuzbandverletzten Probanden an T4 mit anthropometrisch gemachten Kontrollprobanden verglichen. Da die Reproduzierbarkeit des Kurven Gehens bisher noch nicht in der Literatur beschrieben war, wurde dies in einer methodischen Vorstudie, die Teil dieser Arbeit ist (Kapitel 5), überprüft. Darin konnte, an Hand der Faktoren Lokomotionsstrategie, Bodenkontaktzeiten und medio-lateraler sowie vertikaler Bodenreaktionskraft, bestätigt werden, dass die Lokomotion des Kurven Gehens bei Gesunden über den Tagesverlauf reproduzierbar ausgeführt wird. Auf Grund dieser Ergebnisse wurde das Kurvengehen als weitere zu untersuchende Alltagsbewegung in die Testbatterie der Haupt-Studie eingeschlossen. Ausgewählte Ergebnisse der Haupt-Studie, die Einklang in diese Dissertation fanden, sind in Kapitel 6 und 7 beschrieben und dargestellt. Kapitel 6 beinhaltet dabei die Aufarbeitung der klinischen Tests, der sport-spezifischen Tests sowie die Ergebnisse der Fragebögen/Scores. Darin zeigte sich bei den meisten analysierten Parametern der sport-spezifischen Tests ein einheitliches Muster der Kniegelenksfunktionalität über den Untersuchungszeitraum. Zunächst wurde eine starke Reduktion der Funktionalität von T1, vor der Rekonstruktion, zu T2, sieben Wochen nach der Rekonstruktion, festgestellt. Daraufhin verbesserte sich die Funktionalität in den meisten Parametern bis sechs Monate (T4) nach der Kreuzbandrekonstruktion. Jedoch wurde im Mittel das Funktionalitätsniveau der gesunden Kontrollgruppe nicht erreicht. Dieser Verlauf der Funktionalität zeigte sich auch in den klinischen Tests, in der selbsteingeschätzten Kniegelenksfunktion und im Aktivitätsniveau. Aus diesen Ergebnissen wurde geschlossen, dass die kreuzbandverletzten Personen dieser Studie das Niveau der gemachten Kontrollgruppe nicht erreichten und demnach auch nicht ihr Vorverletzungsniveau. Zusätzlich wurde eine große Varianz der Ergebnisse festgestellt, was zusätzlich für einen sehr individuellen Heilungs- und Rehabilitationsprozess spricht. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Analyse der funktionellen Tests wurden durch die deskriptive Analyse des Kurvengehens gestützt (Kapitel 7). Darin wurden in der Hälfte der Kurvengehbedingungen, Tendenzen kinematischer und kinetischer Anpassungen festgestellt. Die kinematischen Anpassungen prägten sich hauptsächlich durch eine erhöhte Knieflexion über die Standphase aus. Die kinetischen Anpassungen zeigten uneinheitlich, eine Über- oder Unterbelastung des verletzten und nicht verletzten Beines, sowohl frühzeitig nach der Rekonstruktion (T2), als auch mittel- (T3) und längerfristig (T4), im Vergleich zu der gesunden Kontrollgruppe. Die Ergebnisse dieser Studien werden in einer allgemeinen Diskussion (Kapitel 8) zusammengeführt und vor dem Hintergrund der vollen Wiederherstellung der Kniegelenksfunktion, des Rückkehrs in den Sport auf das Vorverletzungsniveau und möglicher Manifestationen jener Anpassung- und Kompensationsmechanismen diskutiert. Darin wurde geschlossen, dass die durchgeführten Analysen bestätigten, dass kreuzbandverletzte Personen ein breit gefächertes Defizit der Kniegelenksfunktionalität auch noch sechs Monate nach der Rekonstruktion zeigen. Dies prägte sich auf mehreren Ebenen aus, da neben biomechanischen Defiziten in Alltags- und Sportbewegungen auch persönliche Defizite gefunden wurden, manifestiert in einer reduzierten Lebensqualität. Diese Diskussion führt schließlich zu den Schlussfolgerungen und praktischen Implikationen dieser Dissertation. Darin wurde festgehalten, dass auf Grund der Komplexität der reduzierten Funktionalität, eine generelle Freigabe von Personen mit vorderen Kreuzbandverletzungen in den Sport nach sechs Monaten nicht generalisiert empfohlen werden sollte. Aus diesem Grund gilt es, Rehabilitationsprogramme stets weiter zu verbessern. Durch die standardisierte Erhebung der Kniegelenksfunktionalität über den Rehabilitationsverlauf, könnten daher wichtige Erkenntnisse gewonnen werden und so die Rehabilitationsprogramme, entsprechend individueller funktioneller Defizite, adaptiert werden. Zusätzlich kann auf Basis von Funktionalitätstests ein besseres Maß für den Wiedereintritt in den Sport gefunden werden. Abschließend könnten frühzeitig Manifestationen funktioneller Adaptationen, die zu muskuloskeletalen Dysbalancen führen können, erkannt und behandelt werden. Dies könnte helfen dem lebenszeitlich früheren Beginn degenerativer Gelenkerkrankungen frühzeitig entgegenzuarbeiten. Daher liefert diese Dissertation umfassende Erkenntnisse über den Verlauf der Kniegelenksfunktionalität über den Rehabilitationszeitraum und damit einen wichtigen Beitrag zur generellen Verbesserung von Rehabilitationsprogrammen nach Kreuzbandrupturen und deren operativen Rekonstruktionen

WHY IS THE LEFT KNEE RATHER PRONE TO INJURY DURING TEAM HANDBALL-SPECIFIC SIDE-CUTTING MANEUVERS TO THE RIGHT?

The purpose of this study was the biomechanical inter-leg evaluation in three team handball-specific side-cutting maneuvers. This should help to gain a better understanding how different movement executions potentially produce harmful demands to one or both knee joints. Therefore, eight competitive handball player performed the three most common side-cutting maneuvers to the right side (side-cutting maneuver was performed with alternating or simultaneous steps) in a game-like setting in a movement laboratory. Movement data were collected with a 3D motion capture system and two linked 3D force plates. The analysis of the side-cutting maneuvers revealed increased vertical and medio-lateral ground reaction force components on the left leg, which initiated the side-cutting maneuver. The peak knee abduction moments in the weight acceptance phase did not differ between the left and the right leg in all three side-cutting maneuvers. However, higher peak knee valgus angles occurred at the left leg, which increased with increasing stance time. The results of this study indicate that during the performance of handball-specific side-cutting maneuvers to the right, the left knee joint has a greater risk to get injured. Consequently, athletes and coaches should place special focus on the movement execution of the cutting initiating leg to reduce the risk of knee injuries. Furthermore, leg explosive strength and core stability should be in major focus in training exercises to prepare the athlete for the demands in such high intensity movements

IDENTIFICATION OF FATIGUE-RELATED KINEMATIC CHANGES IN ELITE RUNNERS USING A SUPPORT VECTOR MACHINE APPROACH

Understanding the kinematic changes underlying fatigue is essential in running biomechanics. The aim of this study was to identify fatigue-related kinematic changes in elite runners using a support vector machine approach. Full-body kinematics of thirteen trained runners were recorded in a non-fatigued and a fatigued state during treadmill running at their individual fatigue-speed. A support vector machine was trained and used to identify kinematic differences between the non-fatigued and fatigued state based on principal component scores. Strides during non-fatigued and fatigued running could be separated with 99.4% classification accuracy. Four upper limb (two shoulder and two elbow), four lower limb (one ankle, two knee and one hip) and two trunk (one thoracic and one lumbar spine) principal component scores were identified as most discriminative kinematic features between non-fatigued and fatigued running. The findings of the study suggest the feasibility of a support vector machine approach to identify subtle fatigue-related kinematic changes in elite runners

Rollator usage lets young individuals switch movement strategies in sit-to-stand and stand-to-sit tasks

The transitions between sitting and standing have a high physical and coordination demand, frequently causing falls in older individuals. Rollators, or four-wheeled walkers, are often prescribed to reduce lower-limb load and to improve balance but have been found a fall risk. This study investigated how rollator support affects sit-to-stand and stand-to-sit movements. Twenty young participants stood up and sat down under three handle support conditions (unassisted, light touch, and full support). As increasing task demands may affect coordination, a challenging floor condition (balance pads) was included. Full-body kinematics and ground reaction forces were recorded, reduced in dimensionality by principal component analyses, and clustered by k-means into movement strategies. Rollator support caused the participants to switch strategies, especially when their balance was challenged, but did not lead to support-specific strategies, i.e., clusters that only comprise light touch or full support trials. Three strategies for sit-to-stand were found: forward leaning, hybrid, and vertical rise; two in the challenging condition (exaggerated forward and forward leaning). For stand-to-sit, three strategies were found: backward lowering, hybrid, and vertical lowering; two in the challenging condition (exaggerated forward and forward leaning). Hence, young individuals adjust their strategy selection to different conditions. Future studies may apply this methodology to older individuals to recommend safe strategies and ultimately reduce falls

Estimation of Knee Joint Forces in Sport Movements Using Wearable Sensors and Machine Learning

Knee joint forces (KJF) are biomechanical measures used to infer the load on knee joint structures. The purpose of this study is to develop an artificial neural network (ANN) that estimates KJF during sport movements, based on data obtained by wearable sensors. Thirteen participants were equipped with two inertial measurement units (IMUs) located on the right leg. Participants performed a variety of movements, including linear motions, changes of direction, and jumps. Biomechanical modelling was carried out to determine KJF. An ANN was trained to model the association between the IMU signals and the KJF time series. The ANN-predicted KJF yielded correlation coefficients that ranged from 0.60 to 0.94 (vertical KJF), 0.64 to 0.90 (anterior–posterior KJF) and 0.25 to 0.60 (medial–lateral KJF). The vertical KJF for moderate running showed the highest correlation (0.94 ± 0.33). The summed vertical KJF and peak vertical KJF differed between calculated and predicted KJF across all movements by an average of 5.7% ± 5.9% and 17.0% ± 13.6%, respectively. The vertical and anterior–posterior KJF values showed good agreement between ANN-predicted outcomes and reference KJF across most movements. This study supports the use of wearable sensors in combination with ANN for estimating joint reactions in sports applications