Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2827
Main Title: The Role of Static and Dynamic Frontal Plane and Rotational Alignment, Quadriceps, and Lower Limb Kinematics as Key Factors in Patello-femoral Instability
Translated Title: Die Rolle der statischen und dynamischen Frontalebene und der Rotation im Achsenverhältnis, Quadrizeps und in der Beinkinematik als Hauptfaktoren in der Patello-femoralen Instabilität
Author(s): Kornaropoulos, Evgenios
Advisor(s): Kraft, Marc
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Der Q-Winkel beschreibt die Kraftwirkungsrichtung des Quadrizepts, mit welcher der Muskel an der Patella angreift. Dieser beeinflusst die Biomechanik des patello-femoralen Gelenks durch eine Lateralisierung des Kraftvektors und erhöht somit das Risko einer Patella Luxation und einer Überlastung der lateralen Kontaktfläche des tibio-femoralen, als auch des patello-femoralen Gelenks. Der Q-Winkel wird beeinflusst durch statisch anatomische Parameter, wie z.B. der Ausrichtung der Frontal Ebene und der Rotationsachse, durch Muskelaktivität und der Kinematik der Gelenke, wie z.B. das dynamische Rotationsverhalten und die Abduktion des Kniegelenks. Das übergeordnete Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Rolle von pathologischer Ausrichtung (anatomisch sowie dynamisch) der Frontalebene, sowie der Rotationsachse in Patienten mit patello-femoraler Instabilität. Ein MRT Protokoll wurde entwickelt, um die 3D Geometrie der unteren Extremitäten zuverlässig und nicht-invasiv zu erfassen und den Winkel zwischen Femur und Tibia, sowie die Neigung (Knieversion) des Kniegelenkes zu quantifizieren, um die statische Ausrichtung der Frontalebene, sowie der Rotationsachse zu charakterisieren. Zur verlässlichen Analyse des funktionellen Status der Gliedmaßen wurde ein funktioneller Ansatz zur kinematischen Beurteilung der unteren Extremitäten entwickelt. Dieser Ansatz, der auf der Erfassung von Bewegungsdaten beruht, wurde in dieser Arbeit verifiziert und etabliert. Die Gütekriterien dieser Methoden erwiesen sich im Verlaufe der Arbeit bestehender Methoden deutlich überlegen. Durch die Anwendung dieses Verfahrens konnte im Rahmen einer Bewegungsanalyse an Patienten die dynamische interne/externe Rotation und die Ab.- bzw Adduktion des Kniegelenks während alltäglicher Bewegungen quantifiziert werden. Das Ergebnis der Analyse von 15 Patienten mit patello-femoraler Instabilität ergab, dass die Patienten, im Vergleich zu 15 gesunden Probanden, eine signifikante valgus Deformation und eine signifikante Erhöhung der Knieneigung hatten. Die erhöhte Neigung des Knies war auf die femorale Deformation zurückzuführen. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Vastus Lateralis deutlich kräftiger war als der Vastus Medialis, was zu einer weiteren Lateralisierung der Kraftwirkungsrichtung auf die Patella führte. Die dynamische Untersuchung von 13 Patienten mit patello-femoraler Instabilität ergab, dass die interne Rotation, sowie der dynamische Valguswinkel des Knies deutlich höher in Patienten war, als bei vergleichsweise gesunden Probanden. Zudem konnten weitere Erkenntnis erlangt werden, die in deutlicher Beziehung zu den zuvor genannten funktionellen und anatomischen Defiziten stehen. Die Ergebnisse der anatomischen Analyse zeigten, dass die pathologischen und dynamischen Erscheinungen an den unteren Extremitäten der Patienten mit patello-femoraler Instabilität zu einer Erhöhung des statischen Q-Winkels führen und somit das Risiko einer Luxation und die langfristige Degeneration des Gelenks erhöhen. Die Quantifizierung der Funktion des Kniegelenks, mittels des eigens entwickelten funktionellen Ansatzes ergab, dass das oben genannte Problem nur während der sekundären Bewegung des Knies zur Geltung kommt und damit zu einer dynamischen Erhöhung des Q-Winkels führt. Die Behandlung von Patienten mit patello-femoraler Instabilität sollte somit auf die Korrektur der patello- femoralen Defizite ausgerichtet werden und außerdem die Festigung physiologischer Kinematik durch die Anwendung spezieller Rehabilitationsverfahren, Bewegungstraining oder die Anwendung von Knieorthesen zur Führung der Kniebewegung beinhalten. Die Kombination dieser Behandlungsverfahren, zusammen mit traditionellen, therapeutischen Strategien, würde nicht nur zu einer erfolgreichen Behandlung patello-femoraler Instabilität führen, sondern auch langfristige Schädigungen, wie z.B. OA und Gelenksschmerz bei Patienten mit patello-femoraler Instabilität mindern. Dies sind Erfolge, die direkt mit einer erhöhten Lebensqualität des Patienten assoziiert werden können.
The Q-angle, describes the angle with which the quadriceps force vector is applied on the patella. Hence, it influences the biomechanical environment of the patello-femoral joint by lateralizing the resultant quadriceps force vector. The latter increases the risk for lateral patellar dislocation and overload of the lateral part of both the tibio-femoral and patello- femoral joint. The Q-angle is influenced by static anatomical parameters such as the frontal plane and rotational alignment, active soft tissues (quadriceps muscle), and knee kinematics, especially the dynamic rotation and abduction of the knee. In this study major goal was to explore the role of frontal plane and rotational malalignment both anatomically but also dynamically in patients with patello-femoral instability. An MRI protocol has been developed to reliably and non-invasively analyze the 3D geometry of the lower extremity. Goal was to quantify parameters such as the mechanical femoral-tibial angle and the knee version, thereby characterizing the static frontal plane and rotational alignment of the knee joint. For the reliable analysis of the lower limb function, a functional approach for assessing the kinematics of the lower extremity based on motion-capture data was developed, tested, and established. This approach was shown to be repeatable and reproducible, as well as accurate when assessing the dynamic motion of the lower limb joints. By measuring patients in the gait lab, through this approach it was possible to reliably quantify the knee dynamic internal-external rotation and ab-adduction during activities of the daily living. The results of the MRI analysis of fifteen patients with patello-femoral instability, suggested that they had a significantly increased knee valgus, and significantly increased knee version when compared with fifteen healthy adults. The increased knee version has been additionally linked to femoral deformities. Furthermore, evidence was found that the vastus lateralis is stronger than the vastus medialis, further increasing the lateral force applied on the patella. Additionally, the functional analysis of thirteen patients suggested that the dynamic internal rotation and functional valgus of the knee are significantly increased in patients with patello-femoral instability when compared to fifteen healthy adults. Additional evidence strongly linked both the aforementioned functional as well as anatomical deficits. The results presented in this study suggest that the patho-anatomic and dynamic features of the lower limb of patients with patello-femoral instability act to increase the Q-angle increasing the risk for dislocation and long term joint degeneration. When the function of the patients was quantified using a reliable functional approach for the analysis of the lower limb kinematics, it was observed that this problem is only magnified during dynamic activities with the secondary knee motion acting to dynamically increase the functional Q- angle. Treatment for patients with patello-femoral instability should therefore focus not only on correcting these patho-anatomic characteristics, but also re-instating normal lower limb kinematics. Whether the latter can be achieved by applying specific rehabilitation protocols, gait retraining, use of knee braces that act as constraints for the knee, or even further surgical intervention remains to be investigated. A combination of these treatments, together with other more traditional therapeutic interventions, might not only increase the success rates of the direct surgical treatment of patello-femoral instability, but also reduce the long term effects such as OA and pain observed in patients with patello-femoral instability, which can severely affect the patient future quality of living.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-30484
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3124
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2827
Exam Date: 3-May-2011
Issue Date: 12-May-2011
Date Available: 12-May-2011
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Achsenverhältnis
Ganganalyse
MRT
Patello-femoralen Instabilität
Alignment
Gait Analysis
MRT
Patello-femoral Instability
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