Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5477
Main Title: Adaptations in the muscle-tendon unit with rehabilitative training following unilateral Achilles tendon injury
Translated Title: Anpassungen der Muskel-Sehnen-Einheit mit Rehabilitation nach einer unilateralen Achillessehnenruptur
Author(s): Agres, Alison Nicole
Advisor(s): Duda, Georg N.
Arampatzis, Adamantios
Taylor, William R.
Referee(s): Kraft, Marc
Duda, Georg N.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The Achilles tendon (AT) is connected in series to the triceps surae muscles to form a muscle-tendon unit (MTU), which is the primary actuator of foot plantarflexion during forward movement. The capability of humans to control and perform this movement is a significant indicator of independent mobility, due to its integral role during the stance phase of the gait cycle. The unique mechanical properties of the AT allow for the MTU to operate efficiently, since the AT can both store and release elastic energy during the gait cycle and allow for the triceps surae muscles to contract almost isometrically. Achilles tendon rupture (ATR) and subsequent healing has been shown to lead to significant changes in tissue composition, suggesting inherent changes in mechanical properties and in vivo function. Two gaps of knowledge remain unaddressed in the literature. First, the biomechanical status and structure of the injured and contralateral MTU after ATR remains unclear. Second, the beneficial effect of more aggressive rehabilitative techniques, such as early weightbearing, remain unverified in their ability to enhance and accelerate the restoration of biomechanical function in post-ATR rehabilitation. In order to address these gaps in knowledge, the biomechanical status of both the MTU and its function were assessed in long-term and short-term follow-up measurements in ATR patients. These investigations determined that injured MTUs continually exhibit significantly longer ATs compared to the contralateral side after ATR, in addition to continued deficits in single-limb strength. Bilateral gait analysis showed augmented ankle kinematics on the injured limb, but limited side-to-side differences in ankle moment production. Early weightbearing rehabilitation was found to allow for faster gains in single-limb strength between 8 and 12 weeks compared to standards. Furthermore, this early intervention also led to patients attaining symmetry in gait parameters at an earlier time point. No differences in absolute values of AT rest length and single-limb strength were found between rehabilitation groups. Comparison of these patient data to a control cohort highlighted a significant deviation in MTU length changes and ankle kinematics during gait. The MTU appears to exhibit higher levels of lengthening and limited shortening that are concurrent with lower plantarflexion and higher dorsiflexion. Furthermore, the frontal plane displayed significantly higher mobility than in control subjects. A striking observation in many of these bipedal assessments was that not only did the injured limbs exhibit significant deviations from the controls, but the contralateral limbs did as well. This unexpected result suggests that contralateral limb function may adapt to the injured limb with time, though its MTU structure is unchanged and uninjured. The results from this dissertation suggest that contralateral limbs may not serve as a true comparative indicator of uninjured function. Furthermore, the knowledge of post-ATR changes in MTU function gained from this body of work offers a foundation for future investigations into concurrent muscle and tendon adaptations in the MTU after unilateral tendinous injury.
Die Achillessehne (Achilles tendon = AT) bildet zusammen mit dem Trizeps Surae Muskel eine Muskel-Sehnen-Einheit (muscle-tendon unit = MTU), welche den primären Plantarflexor während der Vorwärtsbewegung bildet. Aufgrund dieser wichtigen Rolle in der Standphase des Gangzyklus ist die Fähigkeit des Menschen, diese Sprunggelenk-Bewegung zu kontrollieren und durchzuführen, ein wichtiger Indikator für unabhängige Mobilität. Eine besondere mechanische Eigenschaft der AT ist die Fähigkeit, elastische Energie während des Gangzyklus zu speichern und wieder freizugeben, wodurch eine effiziente Arbeitsfähigkeit der AT ermöglicht wird. Des Weiteren bewirkt die AT eine isometrische Kontraktion des Triceps Surae Muskels beim Gehen. Achillessehnenrupturen (Achilles tendon rupture = ATR) und die anschließende Heilungsphase führen nachweislich zu wesentlichen Änderungen in der Gewebezusammensetzung, die wahrscheinlich mit Veränderungen der mechanischen Eigenschaften und der in vivo-Funktion einhergehen. Allerdings konnte bis heute nicht gezeigt werden, wie 1.) der biomechanische Status und die Struktur der verletzten und kontralateralen MTU nach dem ATR adaptiert und 2.) unterschiedliche Protokolle zur Rehabilitation sich auf die biomechanische Funktionsweise der ATR auswirken. Um diese Wissenslücken zu füllen, wurden der biomechanische Status und die Funktion der MTU in lang- und kurzfristigen Messungen bei ATR-Patienten untersucht. In diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass nach der ATR die verletzte MTU eine deutliche längere AT im Vergleich zu der unverletzten aufweist. Außerdem konnten anhaltende Defizite in der einbeinigen Kraft detektiert werden. Eine bilaterale Ganganalyse zeigte eine vermehrte Kinematik im Sprunggelenk des verletzten Beins, wohingegen das Moment des Sprunggelenkes keinen Seitenunterschied aufgewiesen hat. Eine Rehabilitation unter frühzeitigem Einbezug des Körpergewichts ermöglicht einen schnelleren Anstieg an einseitiger Kraft zwischen 8 und 12 Wochen im Vergleich zu einer Standard-Rehabilitation. Darüber hinaus führte eine frühe Intervention auch zu einer früheren Symmetrie der Gangparameter. Zwischen den Rehabilitationsgruppen wurden keine Unterschiede hinsichtlich der absoluten Werte der Ruhelänge der AT und der einseitigen Kraft gefunden. Der Vergleich zwischen Patientendaten mit einer gesunden Kontrollgruppe zeigte eine signifikante Abweichung in der MTU Längenänderung und der Sprunggelenks-Kinematik beim Gehen. Die MTU der Patienten wies eine vermehrte Verlängerung und begrenzte Verkürzung auf, die gleichzeitig mit einer überhöhten Dorsalflexion und begrenzten Plantarflexion übereinstimmt. Darüber hinaus zeigten die Patienten in der Frontalebene eine deutlich höhere Mobilität als die Kontrollgruppe. Hingegen der Erwartungen konnte gezeigt werden, dass nicht nur das verletzte Bein sich signifikant von der Kontrollgruppe unterscheidet, sondern auch das nicht-verletzte, kontralaterale Bein. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass sich die Funktion des gesunden kontralateralen Beins der des verletzten Beins anpasst, ohne jegliche Änderung der MTU-Struktur. Die Ergebnisse dieser Arbeit implizieren, dass die kontralaterale Extremität nicht ohne weiteres als Vergleichswert für eine unverletzte Funktion dient. Weiterhin bilden die aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse über die Veränderungen der MTU-Funktion nach einer ATR eine wichtige Grundlage für zukünftige Untersuchungen zur gleichzeitigen Muskel- und Sehnen-Anpassungen in der MTU nach Sehnenverletzungen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5881
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5477
Exam Date: 20-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 9-Sep-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Achilles tendon rupture
biomechanics
rehabilitation
gait analysis
ultrasound
Achillessehnenruptur
Biomechanik
Rehabilitation
Ganganalyse
Ultraschall
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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