نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

2 استادیار، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

3 استاد، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

4 دانشیار، گروه ارگونومی، دانشگاه علوم بهزیستی و توان بخشی، تهران، ایران

5 استادیار، گروه ارتوپدی، دانشگاه علوم پزشکی ایران، تهران، ایران

6 استادیار، گروه توان‌بخشی و سلامت، دانشکده فیزیوتراپی، دانشگاه اتاگو، نیوزیلند

10.22041/ijbme.2016.15855

چکیده

افراد با ناکارآمدی لیگامان صلیبی قدامی زانو برای حفظ پایداری خود در غیاب لیگامان از یک سری مکانیزم­های جبرانی حرکتی در حین انجام فعالیت­های مختلف بهره می­گیرند. هدف از انجام این مطالعه، بررسی تفاوت­های درون­گروهی سینماتیکی و نقاط اوج نیروی عکس­العمل زمین هنگام بالارفتن از پله در این گروه افراد می­باشد. در این مطالعه، 8 فرد با آسیب یک­طرفه­ی لیگامان صلیبی قدامی شرکت کردند. پای سالم افراد آسیب دیده به عنوان گروه کنترل در نظر گرفته شد و تمامی مقایسه­ها بین پای سالم و پای آسیب ­دیده انجام گرفت. سیستم آنالیز حرکت VICON به همراه دو صفحه­ی نیرو برای ثبت فعالیت حرکتی افراد هنگام بالارفتن از پله با دو ارتفاع متفاوت به کار گرفته شد. محاسبات سینماتیکی تیبیافمورال با تکنیک جدید OSSCA انجام شد که ترکیبی از رویکرد SARA برای تعیین محور فانکشنال زانو، SCoRE برای تعیین مرکز مفصل ران و OCST برای کاهش آرتیفکت­های حرکتی مارکرها می­باشد. براساس نتایج این مطالعه، افراد با آسیب لیگامان صلیبی برای دو ارتفاع 17 و 20 سانتی­متری پله مکانیزم­های انطباقی سینماتیکی و نقطه­ی اوج نیرویی متفاوتی داشتند. در ارتفاع 17 سانتی­متری و در ابتدای فاز یا مرحله­ی گردشی پای آسیب دیده زاویه­ی واروس کمتر، چرخش محوری خارجی بیشتر و نقطه­ی اوج ضربه­ی کمتری (p<0.05) را نسبت به پای سالم تجربه کرد. در ارتفاع 20 سانتی­متری پای آسیب دیده زاویه­ی اکستنشن بیشتر، والگوس بیشتر و چرخش محوری خارجی بیشتری (p<0.05) را در فاز اکستنشن نهایی ایستایش نسبت به پای سالم داشت. در هر دو ارتفاع پله، تقدم رسیدن به نقطه­ی اوج اکستنشن در پای آسیب دیده نسبت به پای سالم مشاهده شد. نتایج این مطالعه تایید می­کند که افراد با آسیب لیگامان قدامی، درجات آزادی چرخشی تیبیافمورال و نیروی عکس­العمل متفاوتی نسبت به پای سالم خود دارند. این مکانیزم­های جبرانی در نهایت به تغییر بارگذاری زانو، فرسایش غضروف و ابتلا به آرتروز زودرس این افراد منجر می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Kinematic Differences in Participants with ACL-deficient Knees during Stair Ascending with Different Height

نویسندگان [English]

  • Maryam Hajizade 1
  • Alireza Hashemi Oskouei 2
  • Farzan Ghalichi 3
  • Farhad Tabatabai Ghomshe 4
  • Mohammad Razi 5
  • Gisela Solo 6

1 MSc, Biomechanics Division, Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

2 Assistant Professor, Biomechanics Division, Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

3 Professor, Biomechanics Division, Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

4 Associate Professor, Ergonomy Group, University of Social Welfare and Rehabilitation Sciences, Tehran, Iran

5 Assistant Professor, Orthopaedic Group, School of Medicine, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran

6 Senior Lecturer, Center for Health, Activity and Rehabilitation Research, School of Physiotherapy, University of Otago, New Zealand

چکیده [English]

Patients with ACL deficiency (ACLD) have to use different compensatory mechanisms to maintain their stability during daily activities. The aim of this study is to determine the differences in 3D kinematics and peak ground reaction forces (GRF) between ACL deficient legs and healthy contralateral legs during stair ascent. Eight subjects with unilateral ACL deficiency participated in this study. Healthy contralateral legs were considered as control group for further comparisons to ACL deficient legs. A six camera VICON motion analysis system and 2 portable force plates were used to record the locomotion while walking up custom-made stairs with two different step heights. Advanced OSSCA technique was used to assess tibiofemoral knee kinematics, a combination of symmetrical axis of rotation (SARA), symmetrical center of rotation estimation (SCoRE) and optimal common shape technique (OCST). The results of this study show that participants with ACLD experienced different kinematics and peak GRFs in different step heights (p<0.05).  During ascending stairs with 17cm height, legs with ACLD exhibited less varus, more external rotation and less impact peak in pre-swing stance and early swing phase compared to contralateral healthy leg (p<0.05). The other stair height, 20 cm, resulted in more extension, more valgus and more external tibia rotation in injured leg compared to contralateral leg during terminal extension of stance phase (p<0.05). In both step heights, injured leg reached it maximum extension peak at an earlier time. The results of this study imply that participants with ACLD make use of different 3D rotational tiobiofemoral kinematics and different GRF compared to healthy contralateral leg. These compensatory mechanisms would finally bring about different knee joint loading, which provides the potential of cartilage degeneration and early osteoarthritis. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Anterior cruciate ligament
  • Kinematics
  • GRF
  • Stair ascent
  • Gait analysis

[1]           B. Gao, M.L. Cordova, N. Zheng, Three-dimensional joint kinematics of ACL-deficient and ACL-reconstructed knees during stair ascent and descent. Human Movement Science, 2012. 31(1): p. 222-235.

[2]           L.Y. Griffin et al., Understanding and Preventing Noncontact Anterior Cruciate Ligament Injuries A Review of the Hunt Valley II Meeting, January 2005. The American journal of sports medicine, 2006. 34(9): p. 1512-1532.

[3]           S. Karmani, T. Ember, The anterior cruciate ligament—1. Current Orthopaedics, 2003. 17(5): p. 369-377.

[4]           T.P. Andriacchi, C.O. Dyrby, Interactions between kinematics and loading during walking for the normal and ACL deficient knee. J Biomech, 2005. 38(2): p. 293-8.

[5]           A. Thambyah, P. Thiagarajan, J. Goh Cho Hong, Knee joint moments during stair climbing of patients with anterior cruciate ligament deficiency. Clin Biomech (Bristol, Avon), 2004. 19(5): p. 489-96.

[6]           J. Gillquist, K. Messner, Anterior cruciate ligament reconstruction and the long term incidence of gonarthrosis. Sports Medicine, 1999. 27(3): p. 143-156.

[7]           M. Hall, C.A. Stevermer, J.C. Gillette, Gait analysis post anterior cruciate ligament reconstruction: knee osteoarthritis perspective. Gait Posture, 2012. 36(1): p. 56-60.

[8]           M.E. Zabala et al., Three-dimensional knee moments of ACL reconstructed and control subjects during gait, stair ascent, and stair descent. J Biomech, 2013. 46(3): p. 515-20.

[9]           M. Berchuck et al., Gait adaptations by patients who have a deficient anterior cruciate ligament. Journal of Bone and Joint Surgery - Series A, 1990. 72(6): p. 871-877.

[10]         P. Bulgheroni et al., Walking in anterior cruciate ligament injuries. Knee, 1997. 4(3): p. 159-165.

[11]         T.P. Andriacchi, Functional analysis of pre and post-knee surgery: total knee arthroplasty and ACL reconstruction. J Biomech Eng, 1993. 115(4B): p. 575-81.

[12]         E.S. Grood et al., Biomechanics of the knee-extension exercise. Effect of cutting the anterior cruciate ligament. The Journal of Bone & Joint Surgery, 1984. 66(5): p. 725-734.

[13]         D.M. Hooper et al., Gait analysis 6 and 12 months after anterior cruciate ligament reconstruction surgery. Clin Orthop Relat Res, 2002(403): p. 168-78.

[14]         D.L. Kowalk et al., Anterior cruciate ligament reconstruction and joint dynamics during stair climbing. Med Sci Sports Exerc, 1997. 29(11): p. 1406-13.

[15]         A.D. Georgoulis et al., Three-dimensional tibiofemoral kinematics of the anterior cruciate ligament-deficient and reconstructed knee during walking. Am J Sports Med, 2003. 31(1): p. 75-9.

[16]         S.F. Scanlan et al., Differences in tibial rotation during walking in ACL reconstructed and healthy contralateral knees. J Biomech, 2010. 43(9): p. 1817-22.

[17]         S. Tashman et al., Dynamic function of the ACL-reconstructed knee during running. Clinical orthopaedics and related research, 2007. 454: p. 66-73.

[18]         K. Takeda et al., Kinematic motion of the anterior cruciate ligament deficient knee during functionally high and low demanding tasks. Journal of biomechanics, 2014. 47(10): p. 2526-2530.

[19]         T.P. Andriacchi et al., Rotational changes at the knee after ACL injury cause cartilage thinning. Clin Orthop Relat Res, 2006. 442: p. 39-44.

[20]         J. Morrison, Function of the knee joint in various activities. Biomedical engineering, 1969. 4(12): p. 573.

[21]         G.P. Ernst et al., Lower-extremity compensations following anterior cruciate ligament reconstruction. Physical Therapy, 2000. 80(3): p. 251-260.

[22]         J. Irrgang, Modern trends in anterior cruciate ligament rehabilitation: nonoperative and postoperative management. Clinics in sports medicine, 1993. 12(4): p. 797-813.

[23]         G.R. Scuderi et al., The new Knee Society knee scoring system. Clinical Orthopaedics and Related Research®, 2012. 470(1): p. 3-19

[24]         B. Dai et al., Using ground reaction force to predict knee kinetic asymmetry following anterior cruciate ligament reconstruction. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 2014. 24(6): p. 974-981.

[25]         J.E. Tibone et al., Functional analysis of anterior cruciate ligament instability. The American journal of sports medicine, 1986. 14(4): p. 276-284.

[26]         W. Taylor et al., Repeatability and reproducibility of OSSCA, a functional approach for assessing the           kinematics of the lower limb. Gait & posture, 2010. 32(2): p. 231-236.

[27]         W.R. Taylor et al., On the influence of soft tissue coverage in the determination of bone kinematics using skin markers. Journal of Orthopaedic Research, 2005. 23(4): p. 726-734.

[28]         R.M. Ehrig et al., A survey of formal methods for determining functional joint axes. Journal of biomechanics, 2007. 40(10): p. 2150-2157.

[29]         R.M. Ehrig et al., The SCoRE residual: a quality index to assess the accuracy of joint estimations. Journal of biomechanics, 2011. 44(7): p. 1400-1404.

[30]         E.S. Grood, W.J. Suntay, A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motions: application to the knee. Journal of biomechanical engineering, 1983. 105(2): p. 136-144.

[31]         C.M. O’Connor et al., Automatic detection of gait events using kinematic data. Gait & posture, 2007. 25(3): p. 469-474.

[32]         B. Gao, N.N. Zheng, Alterations in three-dimensional joint kinematics of anterior cruciate ligament-deficient and -reconstructed knees during walking. Clin Biomech (Bristol, Avon), 2010. 25(3): p. 222-9.

[33]         T.P. Andriacchi, A. Mündermann, The role of ambulatory mechanics in the initiation and progression of knee osteoarthritis. Current opinion in rheumatology, 2006. 18(5): p. 514-518.