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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.
Zielstellung: Es sollte im Rahmen dieser Arbeit geprüft werden ob (1) ein Zusammenhang zwischen einer radiologischen Beinlängendifferenz und einer veränderten Hüft- bzw. Kniegelenksbelastung bei Coxarthrosepatienten besteht. Des Weiteren galt es zu prüfen (2) ob die radiologisch-anatomische Beinachse bei Coxarthrosepatienten einen Einfluss auf die Gelenksbelastung von Hüfte und Knie habe und (3) ob sich in diesem Zusammenhang Unterschiede zwischen unilateral und bilateral betroffenem Patientenkollektiv darstellen ließe.
Hintergründe: Es konnte bereits gezeigt werden, dass Coxarthrosepatienten ein verändertes Gangbild aufweisen. Diese Veränderungen sind mitverantwortlich für eine veränderete Gelenkbelastung sowohl in Knie als auch Hüfte, sowohl im Vergleich zwischen betroffener und nicht betroffener Seite als auch im Vergleich zu hüftgesunden Normprobanden. Insbesondere bezüglich der Kniegelenksbelastung konnte bei den Betroffenen ein reduziertes Knieadduktionsmoment (KAM) während der Standphase nachgewiesen werden. Dies steht im Einklang mit der Beobachtung, dass Coxarthrosepatienten vermehrt eine laterale Kniearthrose auf der ipsilateralen Seite entwickeln. Coxarthrosepatienten zeigten darüber hinaus eine veränderte Beinachse, mit einer Tendenz hin zu einer Valgusfehlstellung. In wieweit insbesondere die proximale Beinachse einen Einfluss auf die alterierten Gelenkmomente hat, bleibt bislang jedoch offen. Zu bilateralen Patienten sind darüber hinaus nur wenige Daten vorliegend.
Methoden: Um die oben genannten Hypothesen zu prüfen wurden bei insgesamt 29 Patienten, bei welchen die Indikation für eine Hüfttotalendoprothese aufgrund einer fortgeschrittenen Coxarthrose gestellt wurde, eine instrumentelle Bewegungsanalyse sowie eine biplanare EOSRöntgenaufnahme, welche in diesem Zusammenhang die konventionelle präoperative Planungsaufnahme ersetzte, durchgeführt. Anschließend wurden die Daten, die aus der 3D EOS Rekonstruktion über die Beinachse gewonnen wurden, sowie die Ergebnisse der Bewegungsanalyse mit bereits zuvor erhobenen Normdaten sowie untereinander verglichen und statistisch analysiert.
Ergebnisse: Es zeigte sich, dass die Patienten eine bis auf MFA nicht von der Norm abweichende Beinachse hatten. Die bilateralen zeigten eine signifikant größere Beinlängendifferenz als die Norm, die unilateralen Patienten jedoch diesbezüglich keine Abweichung. Insgesamt zeigten die Patienten ein verändertes Gangbild, welches weitgehend den bereits in der Literatur beschriebenen Veränderungen entsprach.
Bezüglich der Gelenkmomente zeigte sich ein im Vergleich zur Norm erniedrigtes KAM 2, die übrigen Gelenkmomente zeigten keine Abweichungen von der Norm.
Es zeigten sich weder für die Beinachse noch für die Gelenkmomente signifikante Unterschiede zwischen unilateralem und bilateralem Patientenkollektiv.
Die unilateralen Patienten als gesamtes zeigten keine Korrelationen mit der absoluten Beinlängendifferenz. In einer unilateralen Subgruppe, in der die betroffene Seite länger war, konnte eine inverse Korrelation mit HAM 1 und HAM 2 gefunden werden.
KAM 1 und KAM 2 korrelierten signifikant mit allen Beinachsenparametern. In einer schrittweisen Regressionsanalyse mit HKA, FO und MFA konnten damit 68% der KAM 1 Alterationen und 57,5 % der Veränderungen von KAM 2 erklärt werden. HAM 1 und HAM 2 zeigten jeweils eine signifikante Korrelation mit MFA.
Schlussfolgerung: Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Beinachse, insbesondere das Offset, einen Teil der Veränderungen der Kniegelenksbelastung erklären. Eine intraoperative Vergrößerung des Offsets und damit eine Varisierung der Beinachse könnte möglicherweise so zu einer Normalisierung der Kniegelenksbelastung führen.
