< Terug naar vorige pagina

Project

Ontwikkeling, validatie en toepassing van een nieuw voet-enkel model om ligament gedrag te evalueren in patiënten met enkel instabiliteit

Een enkelverstuiking is een van de meest voorkomende kwetsuren aan het onderlichaam, wat vaak leidt tot het gedeeltelijk of volledig scheuren van de enkelligamenten. Dertig tot vijftig procent van de patiënten ontwikkelt chronische enkelinstabiliteit (CAI) na een enkelverstuiking, dat zich uit in aanhoudende klachten van pijn, zwelling, een onstabiel gevoel in de enkel in combinatie met terugkerende enkelverstuikingen. CAI kan veroorzaakt worden door mechanische (MAI) of functionele enkelinstabiliteit (FAI) of een combinatie van beide. MAI is het resultaat van factoren die de mechanica van een of meer gewrichten van het voet-enkel complex veranderen (bijvoorbeeld een gescheurd ligament) en FAI wordt veroorzaakt door onvoldoende proprioceptie, neuromusculaire controle, houdingscontrole of kracht. De voorste schuiflade test en de talaire kanteltest worden vaak gebruikt om MAI te evalueren op basis van de hoeveelheid voorwaartse en zijwaartse verplaatsing van de talus. Momenteel is er echter geen methode om het geïsoleerde effect van ligament letsels op de beweging van de enkel en het subtalaire gewricht in vivo te analyseren. Voor de evaluatie van FAI wordt in klinische studies vaak gebruikt gemaakt van de AOFAS-vragenlijst om de pijn, het gevoel van instabiliteit en de achtervoet functie tijdens het gaan te evalueren. In de context van onderzoek zijn proprioceptie en spierkracht gekwantificeerd met behulp van verschillende methodes. Daarnaast is het effect van CAI op de voet-enkel functie geanalyseerd tijdens verschillende bewegingen op het niveau van gewrichtshoeken, gewrichtsmomenten en/of spieractiviteit met behulp van 3D bewegingsanalyse. Studies die naar het ligament gedrag kijken, meer specifiek naar ligament rek of krachten, zijn daarentegen nog steeds beperkt tot de evaluatie van ligament rek tijdens analytische enkelposities in vitro. Aangezien de laterale ligamenten een belangrijke rol spelen in enkelstabiliteit, is er nood aan een betere documentatie van de rol van de verschillende ligamenten op de controle van de voet-enkel beweging en van het effect van ligament kwetsuren op de algemene voet-enkel functie tijdens dynamische bewegingen.

Het doel van dit doctoraat was dan ook om in vivo methodes te ontwikkelen en te evalueren die toelaten om de biomechanische gevolgen van mechanische en functionele enkelinstabiliteit en hun effect op de voet-enkel functie tijdens verschillende bewegingen (representatief voor het dagelijkse leven en sportactiviteiten) objectief te evalueren bij gezonde deelnemers en bij patiënten die lijden aan CAI. Om dit algemene doel te bereiken, werd het werk verdeel in drie hoofddoelstellingen: (1) In vitro evaluatie van de dynamische rol van de individuele laterale ligamenten op de controle van de voet-enkel bewegingen tijdens een gesimuleerde beweging van de stand fase van het gaan (studie 1), (2) methodeontwikkeling voor dynamische evaluatie van de biomechanische gevolgen van mechanische en functionele enkelinstabiliteit in vivo (studie 2, 3 en 4) en (3) in vivo evaluatie van mechanische en functionele enkelinstabiliteit en hun effect op het dynamische ligament gedrag, de spier- en skeletfunctie en de gewrichtsbelasting tijdens dynamische bewegingen bij CAI patiënten (studie 5).

Ten eerste werd de individuele rol van de laterale ligamenten in de controle van de voet-enkel beweging geëvalueerd tijdens een gesimuleerde stand fase van het gaan in vitro (studie 1). De beweging in vijf verschillende voetgewrichten werd vergeleken tijdens een stand fase van het gaan opgelegd door de gangsimulator tijdens vijf verschillende condities: een intacte voet, een voet met een geïsoleerde anterieure talofibulaire ligament (ATFL) ruptuur, voet met gecombineerde ATFL en calcaneofibulaire ligament (CFL) ruptuur, voet met een gecombineerde reconstructie van ATFL en CFL met gebruik van een hechtingsdraad en een voet met een geïsoleerde reconstructie van ATFL met gebruik van een hechtingsdraad. De ligament rupturen veranderden vooral de beweging in de gewrichten in de achtervoet, maar wel in alle bewegingsrichtingen (inversie/eversie, inwendige/uitwendige rotatie en plantair/dorsiflexie), maar er werden ook extra veranderingen in de beweging van de gewrichten in de middenvoet waargenomen. Over het algemeen herstelde de gecombineerde ATFL-CFL reconstructie de beweging in de achter- en middenvoet gewrichten (voornamelijk in de richting van inversie/eversie) direct na de operatie beter dan de geïsoleerde ATFL reconstructie. Ondanks dit positieve effect wordt de reconstructie van CFL niet altijd overwogen, gezien de ligging onder de spierpezen en dicht bij een hoofdzenuw. Over het algemeen heeft deze studie informatie opgeleverd over de unieke bijdrage van de ATFL en de CFL aan de controle van de beweging van de achter- en middenvoet gewrichten tijdens een gesimuleerde stand fase in vitro.

Ten tweede werd het gebruik van 4D CT scans in combinatie met een voetmanipulator gevalideerd. Deze methode werd gebruikt om in vivo het geïsoleerde effect van laterale ligament kwetsuren op de beweging van de voet-enkel te evalueren (studie 2). Daarna werd het gebruik van deze methode om klinisch relevante veranderingen in gewrichtsbeweging op te sporen bij CAI patiënten geëvalueerd. De voet van de deelnemer werd geplaatst tegen een voetbed waarvan de positie werd gecontroleerd door de voet manipulator. Het voetbed legde een combinatie van een inversie/eversie en plantair/dorsiflexie beweging op aan de voet terwijl de 4D CT scanner de beweging opmeet. Eerst werd een kadaverexperiment uitgevoerd om de gevoeligheid van de beweging in achter- en middenvoet aan verschillende opgelegde groottes van belasting te valideren, waaruit bleek dat een verschillende grootte van belasting geen invloed had op de beweging in de achter- en middenvoet. Vervolgens werd een in vivo studie uitgevoerd om te kijken of de gesimuleerde stand fase met de voetmanipulator overeenkomt met het normale gewicht dragende wandelen door de opgemeten bewegingen tijdens de 4D CT scan te gaan vergelijken met opgemeten beweging van gezonde vrijwilligers tijdens normaal wandelen met gebruik van botpinnen. Deze resultaten bevestigden dat de voetmanipulator het mogelijk maakte om een stand fase te simuleren. Tot slot werden veranderingen in de achter- en middenvoet beweging bij CAI patiënten gedocumenteerd, waarbij het geïsoleerde effect van ligament kwetsuren in vivo werd aangetoond. Een ATFL ruptuur resulteerde in een hogere enkelinversie en uitwendige rotatie in de enkel en in een toegenomen inwendige rotatie in het subtalaire gewricht. Deze studie resulteerde in een gevalideerde setup die het toelaat om de beweging van de individuele voetbotjes te evalueren tijdens een simulatie van de stand fase in vivo. Dit kan gebruikt worden om de unieke bijdrage van de ligamenten aan de controle van de voetbeweging te evalueren in vivo.

Ten derde werd de prestatie van een nieuw voet-enkel musculoskeletaal model geëvalueerd, waarbij gebruik werd gemaakt van de combinatie van musculoskeletaal modelleren en 3D bewegingsanalyse om het ligament gedrag te gaan evalueren tijdens dynamische bewegingen. Meer specifiek werd het effect van de integratie van de laterale ligamenten en de integratie van een extra vrijheidsgraad in het subtalaire gewricht (naast diegene in het enkelgewricht) op de berekende spierkrachtverdeling, de gewrichtsbelasting en de validiteit van de berekende spieractiviteit geëvalueerd (studie 3). Eerst zijn de ligament krachten berekend tijdens de verschillende bewegingen en deze waren in lijn met de gerapporteerde krachten in de literatuur. Bovendien resulteerde het integreren van de extra vrijheidsgraad en de laterale ligamenten in een verhoogde maximale gewrichtsbelasting doordat het toevoegen van de ligamenten zorgde voor een verminderde bijdrage van de m. peroneus longus, m. soleus, m. gastrocnemius lateralis en medialis, maar een verhoogde bijdrage van de m. tibialis posterior. Deze veranderingen zijn ook in lijn met de functie van de laterale ligamenten. Ten slotte werd de validiteit van de berekende spierkracht geëvalueerd door vergelijking met de gemeten spieractiviteit met behulp van elektromyografie. Deze vergelijking toonde kleine maar niet consistente verschillen (soms een verbeterde inschatting van spieractiviteit, soms een verslechterde) met toegenomen complexiteit van het musculoskeletale model tijdens de meeste bewegingen. Toekomstige studies kunnen het model met twee vrijheidsgraden en de ligamenten gebruiken om het gedrag van de laterale ligamenten bij patiënten met CAI te evalueren, aangezien de tweede vrijheidsgraad cruciaal is om accuraat de rek en kracht in de CFL op te meten (door de ligging rond het enkel en subtalaire gewricht).

Ten vierde werden de maximale rek in de ligamenten en een nieuwe belasting index berekend tijdens bewegingen die representatief zijn voor het dagelijkse leven en sportactiviteiten (meer specifiek: wandelen, lopen, op één been staan met en zonder visuele feedback, trap afdalen en opstijgen, voorwaartse en zijwaartse sprongen op één been, voorwaartse en zijwaartse uitval passen en hoogtesprongen na landing vanop een box) bij gezonde vrijwilligers (studie 4) om te onderzoeken in welke mate de laterale ligamenten worden belast tijdens deze bewegingen. De maximale rek en de belasting index werden berekend met de hulp van musculoskeletaal modelleren in combinatie met 3D bewegingsanalyse. De belasting index combineert de informatie over de grootte van de rek en duur van rek op de ligamenten en de externe belasting op het enkel en subtalaire gewricht in één parameter. Beide factoren werden mee opgenomen zodat we niet alleen rekening houden met een risicovolle positie van het enkelgewricht (weergegeven in ligament rek), maar ook rekening houden met de externe belasting van het enkelgewricht, aangezien er in de literatuur aangetoond wordt dat een enkelverstuiking vaak het gevolg van beide factoren is. Alle drie de ligamenten hadden de hoogste belasting index tijdens de hoogtesprongen na landing vanop een box, zijwaartse sprongen op één been en lopen. Daarnaast was de belasting index hoog voor ATFL tijdens het afdalen van de trap, voor CFL tijdens het staan op één been zonder visuele feedback en voor de PTFL tijdens de voorwaartse sprongen op één been. De maximale rek in de ligamenten was het hoogst tijdens de hoogtesprongen na landing vanop een box, zijwaartse uitval passen, het afdalen van de trap en lopen. Op basis van deze resultaten werden de activiteiten geclassificeerd volgens de grootte van de belasting index en op basis van de maximale rek, waardoor objectieve data werd verkregen voor de preventie van enkelverstuikingen.

Tot slot werden MAI, FAI en het effect van beide op de voet-enkel functie geëvalueerd in een groep van CAI patiënten en vergeleken met de resultaten van gezonde vrijwilligers (studie 5) met behulp van de methoden die in studie 2, 3 en 4 zijn ontwikkeld. Het ligament gedrag en de gewrichtsbelasting in de enkel werden geëvalueerd tijdens verschillende bewegingen als indicatie voor het risico op nieuwe enkelverstuikingen en de ontwikkeling van artrose in het enkelgewricht. De CAI patiënten vertoonden een lagere ligament- en enkelgewrichtsbelasting tijdens explosieve bewegingen, wat voornamelijk veroorzaakt werd door een combinatie van een lagere rek op de ligamenten en een lagere externe belasting op het enkel en subtalaire gewricht. Voor de andere bewegingen werden er geen verschillen in ligament- en enkelgewrichtsbelasting waargenomen. Verder werden er geen bewegingsafhankelijke verschillen gevonden in de gewrichtsbeweging van de CAI patiënten tijdens de explosieve bewegingen, maar wel enkele veranderingen over alle bewegingen heen: de patiënten hadden een hogere rompbuiging richting het gekwetste been en een hogere uitwendige rotatie en abductie in het heupgewricht. Daarnaast werden ook verschillen gevonden voor de patiënten op niveau van de gewrichtsmomenten: de patiënten vertoonden een hoger inwendig heup rotatie moment en een hoger enkel plantairflexie moment. Ondanks dat er enkele algemene verschillen werden aangetoond tussen patiënten en gezonde vrijwilligers, werden er ook grote verschillen tussen patiënten gevonden voor de evaluatie van MAI, FAI en de voet-enkel functie tijdens de dynamische bewegingen. Toch resulteerden deze verschillen tussen de patiënten in een lagere belasting van de ligamenten en het enkelgewricht tijdens explosieve bewegingen, wat het risico op terugkerende enkelverstuikingen tijdens deze bewegingen vermindert.

Dit doctoraat heeft over het algemeen bijgedragen aan een objectieve evaluatie van het gedrag van de laterale ligamenten in vivo tijdens dynamische bewegingen. De unieke bijdrage van de laterale ligamenten tot de controle van de bewegingen in de achter- en middenvoet tijdens de stand fase werd in vitro en in vivo geëvalueerd. Daarnaast werd het gedrag van de ligamenten en de enkelgewrichtsbelasting geanalyseerd tijdens dynamische bewegingen in vivo. Om dit te bereiken werden twee nieuwe methodes gevalideerd (4D CT scan in combinatie met de voetmanipulator en het uitgebreide voet-enkel musculoskeletaal model met laterale ligamenten), om unieke inzichten te verschaffen voor de (pre- en postoperatieve) evaluatie en optimalisatie van de behandeling van achtervoet pathologieën in vivo.

Datum:21 sep 2015 →  31 dec 2020
Trefwoorden:Biomechanical, ankle-foot
Disciplines:Orthopedie, Humane bewegings- en sportwetenschappen, Revalidatiewetenschappen
Project type:PhD project