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Dissertation: Kai-Daniel Oberlaender


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Dissertation: Kai-Daniel Oberlaender

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Biomechanik und Orthopädie
Oberlaender, Kai-Daniel (2012): Long-term effects of ACL reconstruction on knee joint function Zusammenfassung:
Abstract



It is generally accepted that patients with a history of anterior cruciate ligament (ACL) rupture, in both the ACL-deficient state and following reconstruction, are at high risk of developing knee osteoarthritis (OA). It is assumed that altered knee kinematics and increased knee moments at the involved leg cause a degeneration of the knee. The literature reports demonstrate that patients with a history of ACL rupture reduce their sagittal knee moment output in relation to the functional impairment of the involved knee. From a mechanical point of view, this altered motor strategy potentially counteracts the initiation of knee OA in patients with a history of ACL rupture. However, the mechanism by which patients reduce their external knee flexion moment has not yet been identified; therefore, a potential link between altered locomotion mechanics and the development of knee OA in patients with a history of ACL rupture is missing. The aims of the current thesis were to identify the mechanism responsible for reducing knee joint moment profiles in ACL-deficient patients, as well as the effect of ACL reconstruction on factors recently identified as explaining the early onset of knee OA in patients with a history of ACL-rupture. Patients were investigated in their ACL-deficient state and six and twelve months post-surgery while performing a single-leg hop test over a given distance. It was found that independent of the actual state of the knee (i.e. ACL deficient or ACL reconstructed), patients partly transfer their sagittal joint moments from the knee to the adjacent ankle and hip joints by flexing their trunk, in this way repositioning the ground reaction force vector more anteriorly in relation to the joints of the lower extremity. In doing so, patients diminished their ability to control postural dynamic stability, potentially increasing the risk of further musculoskeletal injuries caused by loss of balance during dynamic motor tasks. In addition, the results show that the differences in external knee flexion moment between legs increased from the ACL-deficient to the ACL-reconstructed state six months post-surgery and came back to the baseline level (the ACL-deficient state) twelve months after ACL reconstruction. At the same time, the differences in ambulatory sagittal knee moments were strongly related to patients' reduced knee extensor muscle strength twelve months after ACL reconstruction.Therefore, the data provides strong evidence that the examined patients did not obtain any clear functional benefit or improvement in ambulatory knee joint mechanics after ACL reconstruction. This is supported by the current findings that independent of the actual state, the patients' involved knee revealed an external rotational offset compared to the uninvolved leg, potentially causing a substantial spatial shift in the load-bearing contact location of the joint to a zone not conditioned to frequent load bearing, and thereby increasing the risk of knee OA.


Zusammenfassung



Es ist allgemein anerkannt, dass Patienten nach vorderer Kreuzband (VKB) Ruptur ein erhöhtes Gonarthroserisiko aufweisen. Veränderte Kniekinematik und erhöhte Kniemomente am betroffenen Bein werden generell als Ursachen von Gelenkdegeneration angesehen. Des Weiteren ist bekannt, dass Patienten nach VKB Ruptur ihre sagittalen Kniemomente in Relation zur funktionellen Einschränkung des betroffenen Beins reduzieren. Mechanisch betrachtet, wirkt dieses Bewegungsverhalten der Gonarthroseentwicklung entgegen. Der Mechanismus, welcher für die reduzierten Kniemomente verantwortlich ist, konnte bislang nicht identifiziert werden. Darüber hinaus ist ein möglicher Einfluss dieser veränderten Bewegungsmechanik der VKB Patienten auf die Gonarthroseentwicklung nicht beschrieben. Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind es, den Mechanismus der reduzierten Kniemomente in VKB Patienten zu identifizieren sowie den Einfluss einer VKB-Ersatzplastik auf mechanische Faktoren, welche die Gonarthroseentwicklung begünstigen, zu untersuchen. Dafür wurden VKB Patienten in defizitärem Zustand, sowie sechs und zwölf Monate nach VKB-Rekonstruktion während eines Einbeinweitsprungs bei gegebener Weite analysiert. Unabhängig vom Untersuchungszeitpunkt zeigten die Patienten eine Umverteilung der Drehmomentengenerierung vom Knie zu den angrenzenden Gelenken auf. Durch eine vermehrte Oberkörpervorlage wurde der Vektor der Bodenreaktionskraft nach anterior verschoben, wodurch sich die Hebelarme der Bodenreaktionskraft in Bezug zu den Gelenkzentren veränderten. Diese veränderte Bewegungsstrategie führte zu einer reduzierten posturalen dynamischen Stabilität bei dynamischen Bewegungen und erhöhte das Risiko für sturzbezogene Verletzungen. Des Weiteren zeigten die Ergebnisse, dass die Asymmetrie zwischen den Beinen bezüglich des externen Knieflexionsmoment sechs Monate post-operativ größer war als prä-operativ und zwölf Monate post-operativ unverändert gegenüber prä-operativ. Zwölf Monate nach VKB-Rekonstruktion konnte ein starker Zusammenhang zwischen den reduzierten Muskelkräften der Knieextensoren und dem externen sagittalen Kniemoment während der Landung gefunden werden. Basierend auf den beschriebenen Ergebnissen gibt es deutliche Hinweise darauf, dass die untersuchten VKB-Patienten keine klare funktionale Verbesserung des betroffenen Kniegelenks innerhalb einer zwölfmonatigen Rehabilitation aufwiesen. Dies wurde unterstützt durch die aktuellen Ergebnisse, die unabhängig vom Untersuchungszeitpunkt veränderte kinematische Größen am betroffenen Knie aufzeigten. Dies verändert potentiell die Kraftübertragung im Kniegelenk und steigert das Risiko einer Gonarthroseentstehung.





30.04.2017 - 03:18