Biomechanische Analyse der Achillessehnenentlastung durch Unterschenkelorthetik
Biomechanical analysis of Achilles tendon unloading by transtibial orthotics
von Robert Hermann Förster
Datum der mündl. Prüfung:2023-01-24
Erschienen:2023-01-17
Betreuer:Prof. Dr. Arndt Schilling
Gutachter:PD Dr. Henning Dathe
Gutachter:Prof. Dr. Philipp Meyer-Marcotty
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9636
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Name:Dissertation_Biomechanische_Analyse_eDiss_20221216.pdf
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Zusammenfassung
Englisch
With an increasing incidence of approximately 25 per 100,000 person-years, Achilles tendon rupture is one of the most common tendon injuries in humans. The etiology of the rupture is multifactorial and includes both cumulative tendon degeneration and sudden, excessive loading, usually in the setting of indirect trauma. Regardless of whether surgical therapy is superior to conservative treatment, the treatment results of therapy have not been satisfactory to date. Re-ruptures, tendon elongations, and functional deficits are common. During rehabilitation, controlled ankle motion (CAM) walker boots are used to immobilize the ankle joint at predefined plantar flexion angles. To date, rehabilitation protocols have not been standardized, due to a lack of data on the musculoskeletal effects of CAM walker boots. The aim of this work was to investigate the effects of different plantarflexion angles in the CAMWalker boot on Achilles tendon force. Therefore, eight healthy subjects underwent biomechanical gait analysis with motion capture, ground reaction force measurement, and electromyography. Subjects walked a short distance in the gait lab at any speed either with sports shoes on both feet (control) or with a CAMWalker boot in 0°, 15°, or 30° plantarflexion on the right foot. The data served as input for musculoskeletal modeling using OpenSim simulation software. The subjects’ movements were transferred to a scaled model using inverse kinematics on which the kinematics and kinetics of the joints and muscles were calculated using additional algorithms. Analysis of variance and rank correlation were calculated to investigate the differences between the experimental conditions. A negative correlation was found between Achilles tendon force and plantarflexion angle in the CAM walker boot. Achilles tendon force decreased from 3.51 BW in the sports shoe to 2.02 BW with 30° plantarflexion. No difference in Achilles tendon force was noted between the sports shoe condition and 0° plantarflexion in the CAM walker boot. There were individual differences between subjects regarding the effects of the experimental condition on Achilles tendon force. The simulation was validated against several parameters including consistency between calculated muscle activations and electromyography, kinematics, and joint kinetics. The main limitations of the study include the small number of subjects, the selection of subjects without Achilles tendon pathologies, a lack of external validation of the absolute force values, and various simplifications of the model. Although this work demonstrated the efficacy of Achilles tendon unloading using a CAM walker boot, it remains to be seen whether this unloading is sufficient for optimal tendon healing. Further studies should follow to investigate Achilles tendon unloading in patients with tendon rupture as well and to optimize rehabilitation protocols for these patients.
Keywords: Achilles tendon force; musculoskeletal simulation; OpenSim; controlled ankle walker boot; EMG
Deutsch
Mit einer steigenden Inzidenz von etwa 25 pro 100.000 Personenjahren gehört die Achillessehnenruptur zu den häufigsten Sehnenverletzungen des Menschen. Die Ätiologie der Ruptur ist multifaktoriell und beruht insbesondere auf einer kumulativen Sehnendegeneration sowie plötzlicher, exzessiver Belastung, meist im Rahmen eines indirekten Traumas. Unabhängig von der bisher ungeklärten Frage, ob eine operative Therapie dem konservativen Vorgehen überlegen ist, sind die Therapieergebnisse bisher nicht zufriedenstellend. Rerupturen, Sehnenelongationen und funktionelle Defizite sind häufig. Während der Rehabilitationsphase werden Controlled-Ankle-Motion(CAM)-Walker-Boots verwendet, mit denen das Sprunggelenk in vorgegebenen Plantarflexionswinkeln immobilisiert werden kann. Bisher ist die Ausgestaltung der Rehabilitationsprotokolle nicht einheitlich, was u. a. auf die fehlende Datenlage zu den Effekten der CAM-Walker-Boots auf den Bewegungsapparat zurückzuführen ist. Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen unterschiedlicher Plantarflexionswinkel im CAMWalker-Boot auf die Achillessehnenkraft zu untersuchen. Dazu wurde bei acht gesunden Probanden eine biomechanische Ganganalyse mit Bewegungserfassung, Messung von Bodenreaktionskräften und Elektromyographie durchgeführt. Die Probanden liefen in beliebiger Geschwindigkeit entweder mit Sportschuhen an beiden Füßen (Kontrolle) oder mit einem CAMWalker-Boot in 0°, 15° oder 30° Plantarflexion am rechten Fuß eine kurze Strecke im Ganglabor. Die Daten wurden als Input für eine muskuloskelettale Modellierung mit der Simulationssoftware OpenSim verwendet. Dabei wurden die Bewegungen der Probanden mittels inverser Kinematik auf ein skaliertes Modell übertragen, an dem mit weiteren Algorithmen die Kinematik und Kinetik der Gelenke und Muskeln berechnet wurde. Mittels Varianzanalyse und Rangkorrelation wurden die Unterschiede zwischen den Versuchsbedingungen statistisch untersucht. Es zeigte sich eine negative Korrelation zwischen der Achillessehnenkraft und dem Plantarflexionswinkel im CAM-Walker-Boot. Die Achillessehnenkraft sank von 3,51 BW im Sportschuh auf 2,02 BW mit 30° Plantarflexion. Zwischen der „Sportschuh“-Bedingung und 0° Plantarflexion im CAM-Walker-Boot fand sich kein Unterschied in der Achillessehnenkraft. Zwischen den Probanden waren individuelle Unterschiede bezüglich der Effekte der Versuchsbedingung auf die Achillessehnenkraft festzustellen. Die Simulation wurde anhand mehrerer Parameter (u. a. der Übereinstimmung von berechneten Muskelaktivierungen und Elektromyographie, Kinematik und Kinetik der Gelenke) validiert. Zu den wichtigsten Limitationen der Studie gehören die geringe Probandenanzahl, die Auswahl von Probanden ohne Achillessehnenpathologien, eine fehlende externe Validierung der absoluten Kraftwerte und diverse Vereinfachungen des Modells. Auch wenn in dieser Arbeit die Effektivität der Achillessehnenentlastung durch einen CAM-Walker-Boot gezeigt werden konnte, bleibt offen, ob diese Entlastung für eine optimale Sehnenheilung ausreicht. Weitere Studien sollten folgen, um die Achillessehnenentlastung auch bei Patienten mit Sehnenruptur zu untersuchen und die Rehabilitationsprotokolle für Achillessehnenrupturen zu optimieren.
Schlagwörter: EMG; Achillessehnenkraft; Muskuloskelettale Simulation; OpenSim; Sprunggelenksorthese