T. Pelzer1, J. Raab1, J. Stening1 und B. Ullrich2

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1 T. Pelzer1, J. Raab1, J. Stening1 und B. Ullrich2
Biomechanische Funktionskapazitäten bei Patienten mit Kniegelenkoberflächenprothese 10 Jahre post-OP T. Pelzer1, J. Raab1, J. Stening1 und B. Ullrich2 1 Sportmedizinisches Untersuchungszentrum kreuznacher Diakonie, Bad Kreuznach 2 Olympiastützpunkt Rheinland-Pfalz/Saarland, Abt. Biomechanik/Trainingswissenschaft, Bad Kreuznach Problemstellung Fallspezifisch wird bei der Implantation einer Kniegelenkoberflächenprothese zwischen Implantaten mit mobilem oder fixierten Polyethylen-Inlay unterschieden (1). Die in der Literatur diskutierten mechanischen Vorteile von Prothesen mit mobilem Inlay konnten in biomechanischen und ganganalytischen Patientenstudien jedoch nicht eindeutig nachgewiesen werden (2). Die kniewinkelabhängige neuromuskuläre Kapazität der Knieextensoren und Knieflexoren sowie ein biomechanisch funktionelles Gangbild stellen zentrale Eigenschaften zur Alltagsbewältigung dar (3). Ziel dieser Arbeit ist es, einen möglichen Einfluss der Kniegelenkoberflächenprothese (mobiles vs. fixiertes Inlay) auf die (I) Moment-Kniewinkel-Relation der Knieextensoren und Knieflexoren (II) die EMG-Kniewinkel-Relation des M. vastus medialis (VM) und M. vastus lateralis (VL) und (III) biomechanische Parameter der Gangbewegung 10 Jahre post OP zu analysieren. Methodik Probandinnen mit mobilem (n= 10, Ø Alter: 69,3,Gewicht: 89,1 kg) und fixiertem (n=5, Ø Alter: 74,7, Gewicht: 76,3 kg) Inlay (Gemini, Firma Link®) bei Kniegelenkoberflächenprothese sowie eine alters- und geschlechtsnormierte Kontrollgruppe (n=10, Ø Alter: 67,3, Gewicht: 67,6 kg) nahmen an der Untersuchung teil. An einem Biodex-Dynamometer (Biodex 2 Medical Systems Inc., New York) mit synchronisierter Oberflächenelektromyographie (Noraxon, Tele Myo G2, Velamed GmbH, Köln) wurden die isometrischen Moment-Kniewinkelrelationen der Knieextensoren und -flexoren sowie die kniewinkelabhängige maximale willkürliche EMG- Aktivität der Knieextensoren analysiert. Dazu vollzogen alle Probandinnen unilaterale isometrische MVC-Knieextensionen und -flexionen in jeweils vier Kniewinkelstellungen (Extension: 90°, 75°,60°,45°/ Flexion: 25°,40°,55°,70°). Die maximale willkürliche EMG-Aktivität des VL und VM wurde am MVC-Plateau aller Knieextensionen aufgezeichnet (Abb.1). Die Sagittalebenen- Kinematik in Hüft- und Kniegelenk während der Gangbewegung wurde mit einem Infrarotmarkersystem (Lukotronic-Gaitlab AS 200, Steinbichler Austria GmbH, Innsbruck) bei konstanter Geschwindigkeit von 2 km/h auf einem Laufband erhoben. Dabei wurden aktive LED-Marker mit einer Messfrequenz von 150 Hz auf beiden Körperseiten an beschriebenen anatomischen Positionen platziert (Abb. 1). Nach 5 min. Eingewöhnungszeit erfolgte die Datenaufzeichnung in 3 verschiedenen Gangserien über jeweils 1 min. Zusätzlich zur Laufbandanalyse wurde mit allen Probandinnen eine Druckverteilungsanalyse bei selbstgewählter Gang-Geschwindigkeit auf einer zebris- Druckmessplatte (zebris- FDM, zebris Medical GmbH, Isny) absolviert. Abb. 1. Bestimmung der isometrischen Moment-Kniewinkel Relationen (links), EMG-Kniewinkel Relationen des VL und VM (mitte) und Vorbereitung zur Lucotronic-Ganganalyse (rechts). Datenanalyse und Statistik Die absoluten [Nm] isometrischen Knieextensions- und Knieflexionsmomente wurden für jeden Kniewinkel als Mittelwert über ein Zeitfenster von 1000ms am MVC-Plateau bestimmt. Die maximale willkürliche EMG-Aktivität des VM und VL wurde durch den Root-Mean-Square (RMS) über ein Zeitfenster von 1000ms am MVC-Plateau der Knieextensionen in allen vier Kniewinkelpositionen berechnet. Die Momente und EMG-RMS- Werte jeder Probandin wurden zudem auf den individuellen Maximalwert in einer beliebigen Kniewinkelposition normalisiert [% Max.]. Die sagittalen Gelenkwinkelverläufe von Hüft-und Kniegelenk wurden für jede Probandin in der Origin-Software (OriginLab Corp., Northampton, MA, USA) in 2%-Intervallen des gesamten Gangzyklus berechnet. Das Bewegungsausmaß (ROM) von Hüft-und Kniegelenk innerhalb des gesamten Gangzyklus sowie der Sagittalebenenverlauf in der Stand- und Schwungphase wurde ebenfalls in Origin analysiert. Aus der zebris-Analyse wurden u.a. der vertikale Bodenreaktionskraftverlauf sowie die Schrittweite, Schrittlänge und Dauer von Einbein-und Doppelstandphase ausgewertet. Anhand des H-Tests nach Kruskal & Wallis wurde überprüft, ob statistische Unterschiede in den Parametern zwischen den Probandengruppen bestehen. Anschließend erfolgten paarweise Gruppenvergleiche mittels Mann-Whitney-U-Test. Literatur (1) Mazoochian, F., Glaser, C., Fottner, A., Hauprmann, S.M., Triantafyllou, M., von Schulze Pellengahr, C. et al. (2006) Die prä- und postoperative radiologische Evaluation der Kniegelenkendoprothese. Aus der Sicht des Orthopäden. Radiologie 46, (2) Tibesku, C.O., Daniilisis, K., Skwara, A., Dierkes, T., Rosenbaum, D., Fuchs-Winkelmann, S. (2011) Gait analysis and electromyography in fixed- and mobile-bearing total knee replacement: a prospective, comparative study. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy, 19, (3) Krishnan, C., Allen, E.J., Williams, G.N. (2011) Effect of knee position on quadriceps muscle force steadiness and activation strategies. Muscle and nerve, 43, Ergebnisse Moment-Kniewinkelrelationen; EMG-Kniewinkelrelationen: Beide Prothesengruppen weisen in allen Kniewinkelpositionen gegenüber der Kontrollgruppe sig. (P < 0.05) Reduktionen in der absoluten [Nm] und körpergewichtsbezogenen [Nm/kg] Moment- Kniewinkelrelation der Knieextensoren und -flexoren auf (Abb. 2). Zwischen den beiden Prothesengruppen werden hingegen keine sig. Unterschiede in den Moment-Kniewinkelrelationen gefunden. Die normalisierte [% Max.] Moment- Kniewinkelrelation der Knieextensoren und -flexoren verläuft ohne sig. Unterschiede zwischen allen drei Studiengruppen. Weiterhin werden keine sig. Gruppenunterschiede in der normalisierten [% Max.] EMG-Kniewinkelrelation des VL und VM beschrieben (Abb. 2). Abb.2: Absolute [Nm], körpergewichtsbezogene [Nm/kg] und normalisierte [% Max] isometrische Moment-Kniewinkelrelation der Knieextensoren (links) und Knieflexoren (mitte) sowie normalisierte [% Max] EMG-Kniewinkelrelation des M. vastus lateralis und M. vastus medialis (rechts) in allen drei Untersuchungsgruppen. Ganganalysen: Die maximale Hüftextension in der terminalen Standphase ist in beiden Prothesengruppen gegenüber der Kontrollgruppe sig. (P< 0.05) reduziert. Zwischen beiden Prothesengruppen werden hingegen keine sig. Unterschiede hinsichtlich der maximalen Hüftextension gefunden. Die Knieextension zeigt im Verlauf der Standphase in beiden Prothesengruppen gegenüber der Kontrollgruppe sig. (P< 0.05) Reduktionen. Auch die Knieflexion in der Schwungphase weist in beiden Prothesengruppen sig. (P< 0.05) Reduktionen gegenüber der Kontrollgruppe auf. Der gesamte Kniegelenks- ROM ist in beiden Prothesengruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe sig. (P< 0.05) reduziert. Die Patientinnen mit fixiertem Inlay weisen zudem eine deutliche Phasenverschiebung der sagittalen Kniegelenkskinematik im gesamten Gangzyklus auf (Abb. 3). Zwischen den Prothesengruppen bestehen keine sig. Differenzen in den Parametern der zebris-Ganganalyse (Tab. 1). Hingegen zeigen beide Prothesengruppen sig. (P< 0.05) Unterschiede gegenüber der Kontrollgruppe in Parametern wie Ganggeschwindigkeit, Doppelstandphase und Spurbreite. Abb. 3: Mittelwertskurven und Standardfehler (SE) der Sagittalebenenkinematik in Hüftgelenk (links) und Kniegelenk (rechts) während der Lukotronic-Ganganalyse auf dem Laufband bei 2km/h in allen drei Untersuchungsgruppen. Tab. 1: Parameter der zebris-Ganganalyse bei selbstgewählter Geschwindigkeit. Diskussion Die Studie liefert Hinweise, dass der Inlay-Typ bei Knieoberflächenprothesen in Bezug auf langfristige biomechanisch-funktionelle Kapazitäten eine eher nachgeordnete Bedeutung zu haben scheint. Jedoch zeigen Prothesenpatienten 10 Jahre post OP gegenüber altersnormierten Kontrollpersonen deutliche Reduktionen in der maximalen willkürlichen neuromuskulären Kapazität der Knieextensoren und Knieflexoren. Der Aufbau neuromuskulärer Kapazitäten der Beinachsenstabilisatoren sowie der Gangsymmetrie stellen somit zentrale postoperative Ziele dar.