Open Access

Jana Holder

• Gait analysis as a clinical examination method has been increasingly used in recent years. In particular, the external knee adduction moment was often used as a surrogate measure for internal medial knee joint loading, e.g., in elderly individuals with medial knee osteoarthritis. Therefore, the knee adduction moment is also associated with the progression of knee osteoarthritis. Children and adolescents with valgus malalignment have been found to experience a reduced external knee adduction moment, but internal knee joint contact forces, particularly in the lateral compartment, were not previously studied. First, medial and lateral knee joint contact forces were studied using muskulosceletal modeling in young individuals with and without valgus malalignment treated by guided growth. In addition, a systematic literature review was conducted to explore the relationship between external joint moments and internal joint contact forces. Finally, this relationship was investigated in children and adolescents with and without valgus malalignment. Furthermore, we examined whether statistical models could be determined to accurately predict internal knee joint contact forces by commonly used parameters from three-dimensional gait analysis, such as external knee joint moments. It was found that guided growth normalized knee joint contact forces after treatment. In addition, the static radiographic mechanical axis angle correlated better after the treatment when the patients showed a typical limb alignment compared to the correlation before guided growth with the valgus malalignment due to compensating strategies during gait. Furthermore, the systematic review showed that the peak medial knee joint contact force was best predicted by the knee adduction moment and even better together with the knee flexion moment in the first half of stance. However, for the second half of stance of the medial knee joint contact force and the entire stance of the lateral knee joint contact force, only low correlations with knee adduction and/or flexion moment were found. Finally, statistical models could be determined with high accuracy for both medial and lateral knee joint contact force, for both peaks in the first and second half of stance, and for both study groups of children and adolescents with and without valgus malalignment by including knee adduction and flexion moment as predictors. These results demonstrate the importance of examining not only the external knee adduction moment but also the knee flexion moment and, even better, the medial and lateral knee joint contact forces when evaluating knee joint loading. With these statistical models, clinicians can predict the medial and lateral knee joint contact forces without the need to perform musculoskeletal simulations and can therefore use standard three-dimensional gait analysis parameters such as knee adduction and flexion moment. This can improve guided growth treatment in children and adolescents with valgus malalignment with regard to implantation or explantation of the growth restricting plates or to rebound. Instrumented gait analysis could be particularly helpful in borderline cases, as kinematic compensation mechanisms during gait may play a role and the static radiograph alone does not provide information about dynamic joint loads.
• Die Ganganalyse als klinische Untersuchungsmethode hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere das externe Knieadduktionsmoment wird häufig als Maß für die interne mediale Kniegelenkbelastung verwendet, z.B. bei älteren Personen mit medialer Gonarthrose. Daher wird das Knieadduktionsmoment auch mit dem Fortschreiten der Gonarthrose in Verbindung gebracht. Bei Kindern und Jugendlichen mit Valgusfehlstellung wurde ein geringeres externes Knieadduktionsmoment festgestellt, aber die internen Kniekontaktkräfte, insbesondere im lateralen Kompartiment, wurden bisher nicht untersucht. In dieser Arbeit wurden zunächst die medialen und lateralen Kniegelenkkontaktkräfte mittels muskuloskelettaler Modellierung bei jungen Kindern und Jugendlichen mit und ohne Valgusfehlstellung untersucht, die durch eine Wachstumslenkung behandelt wurden. Außerdem korrelierte die röntgenologische mechanische Beinachse nach der Behandlung mit korrigierter Beinachse besser, als vor der Wachstumslenkung mit einer Valgusfehlstellung, da hier Kompensationsstrategien beim Gehen eine größere Rolle spielen. Schließlich wurde dieser Zusammenhang bei Kindern und Jugendlichen mit und ohne Valgusfehlstellung untersucht. Darüber hinaus wurde untersuchten, ob statistische Modelle erstellt werden können, um die internen Kniegelenkkontaktkräfte anhand von häufig verwendeten Parametern aus der dreidimensionalen Ganganalyse, wie z.B. den externen Kniegelenkmomenten, genau vorherzusagen. Es zeigte sich, dass durch die Wachstumslenkung die Kniegelenkkontaktkräfte normalisiert wurden. Darüber hinaus verbesserte sich das Verhältnis zwischen dynamisch gemessenen Kniegelenkkontaktkräfte und statisch gemessener mechanischer Beinachse. Des Weiteren zeigte die systematische Literaturrecherche, dass die maximale mediale Kniegelenkkontaktkraft in der ersten Hälfte der Standphase am besten durch das Knieadduktionsmoment und noch besser zusammen mit dem Knieflexionsmoment vorhergesagt wurde. Für die zweite Hälfte der Standphase der medialen Kniegelenkkontaktkraft und die gesamte Standphase der lateralen Kniegelenkkontaktkraft wurden jedoch nur geringe Korrelationen mit dem Knieadduktionsmoment und/oder dem Knieflexionsmoment gefunden. Schließlich konnten statistische Modelle mit hoher Genauigkeit sowohl für die mediale als auch für die laterale Kniegelenkkontaktkraft, für beide Maxima in der ersten und zweiten Hälfte der Standphase und für beide Studiengruppen von Kindern und Jugendlichen mit und ohne Valgusfehlstellung bestimmt werden, indem Knieadduktionsmoment und Knieflexionsmoment als Prädiktoren einbezogen wurden. Diese Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, bei der Bewertung der Kniegelenkbelastung nicht nur das externe Knieadduktionsmoment, sondern auch das Knieflexionsmoment und noch besser die medialen und lateralen Kniegelenkkontaktkräfte zu untersuchen. Mit diesen statistischen Modellen können Untersucher:innen die medialen und lateralen Kniegelenkkontaktkräfte vorhersagen, ohne muskuloskelettale Simulationen durchführen zu müssen und können daher Standardparameter der dreidimensionalen Ganganalyse wie das Knieadduktionsmoment und Knieflexionsmoment verwenden. Dadurch kann die Wachstumslenkung bei Kindern und Jugendlichen mit Valgusfehlstellung im Hinblick auf die Implantation oder Explantation der wachstumshemmenden Platten oder auf den Rebound verbessert werden. Insbesondere bei Grenzfällen kann die instrumentelle Ganganalyse hilfreich sein, da kinematische Kompensationsmechanismen beim Gehen eine Rolle spielen können und das statische Röntgenbild alleine keine Aussage über die dynamischen Gelenkbelastungen zulässt.