Objectives: The functional status of the periarticular musculature is pivotal for the long-term surgical outcome of total knee arthroplasty (TKA). Increasing rates of TKA implantations in younger, active patients emphasize the importance of implant longevity and postoperative muscle function. Skeletal muscle contractions are considered to affect the loads acting in the knee joint. Synchronized data of in vivo knee joint loads and electromyography (EMG) have not been available so far. The aim of this thesis was to analyze the interrelationship between periarticular muscle status, muscle activation patterns and in vivo knee joint loads after TKA. Methods: The retrospective analysis included eight patients (3w, 5m; 69 years [60-75], BMI 29.7 kg/m2 [25-36]) with knee osteoarthritis, who received an instrumented implant [1] in unilateral TKA. All patients underwent computed tomography (CT) and clinical examinations prior to surgery and at a mean follow-up of 30 months (range: 8-48). In vivo knee joint loads were measured in all patients at a mean of 26 months (range: 8-45) postoperatively. Surface EMG was recorded synchronously in six patients. Distal femoral muscle volume, cross-sectional area (CSA) and fatty infiltration of periarticular muscles was analyzed by manual segmentation of axial CT-scans using Amira-Avizo and ImageJ software. EMG of the medial and lateral vastus (VM, VL), hamstring (HM, HL) and gastrocnemius (GM, GL) muscles was monitored during activities of daily living. Electromechanical delay (EMD) was quantified using a cross-correlation method. Results: The average peak knee joint loads were highest during stair descent (3.41 times body weight [BW]), compared to stair ascent (3.05 BW), walking (2.67 BW), sit-to-stand (2.75 BW), stand-to-sit (2.64 BW) and one-legged-stance (2.89 BW). The intramuscular fat ratio of the quadriceps (–2.8±2.9%CSA, p<0.05) and hamstrings (-4.1±3.2%CSA, p<0.01) decreased after TKA. Distal quadriceps volume decreased by –9.6±5.7% (p<0.01). Fatty infiltration of the hamstrings (r=0.77, p<0.05) and VL (r=0.75, p<0.05) correlated with increased knee joint loads during walking. VM (23-30% load cycle) and GM (64-73% load cycle) muscle activity contributed to the peak knee joint loads during walking (r=0.94, p<0.01) and stair ascent (r=0.87, p<0.05), respectively. The mean EMD of VM and VL ranged from 33.7 to 137.4 ms during the ADLs. VL fatty infiltration correlated with lower peak activity levels (r=–0.92, p<0.01) and joint loading rates (r=–0.83, p<0.05) during stair climbing. Conclusion: The results suggest that fatty infiltration of the joint stabilizing musculature increases the magnitude and rate of knee joint loads. The EMG data indicate that phasic muscle activity patterns are associated with the generation of peak knee joint loads. Improvements in periarticular muscle status and inter-muscular coordination could contribute to reduced knee joint loads and thus to improved long-term outcomes after TKA. [1] Heinlein B, et al., J Biomech, 40 Suppl 1: S4-10, 2007
Fragestellung: Der periartikuläre Muskelstatus ist entscheidend für das Langzeitergebnis nach Knie-Totalendoprothesen (K-TEP) Implantation. Durch die steigende Zahl implantierter K-TEPs bei jüngeren, aktiven Patientinnen und Patienten werden Implantatbelastbarkeit und postoperative Muskelfunktion zunehmend wichtiger. Es wird angenommen, dass Muskelkontraktionen die Belastung im Kniegelenk beeinflussen. Bisher waren synchronisierte Daten der in vivo Kniebelastung und Elektromyographie (EMG) nicht verfügbar. Ziel dieser Arbeit war es den Zusammenhang zwischen periartikulärem Muskelstatus, Muskelaktiviät und in vivo Kniebelastung nach K-TEP zu analysieren. Methodik: Die retrospektive Analyse umfasste acht Arthrose-Patienten (3w, 5m; 69 Jahre [60-75], BMI 29,7 kg/m2 [25-36]), die eine instrumentierte K-TEP [1] erhielten. Bei allen Patienten wurde präoperativ und 30 Monate (Spanne: 8-48) eine klinische Untersuchung und Computertomografie (CT) durchgeführt. In vivo Belastungen im Kniegelenk wurden bei allen Patienten 26 Monate (Spanne: 8-45) postoperativ gemessen. Das EMG wurde synchron bei sechs Patienten erfasst. Distal femorales Volumen, Querschnittsfläche (CSA) und fettige Infiltration der periartikulären Muskeln wurde durch manuelle Segmentierung axialer CT-Schichten mit Amira-Avizo und ImageJ-Software analysiert. Das EMG des medialen und lateralen M. vastus (VM, VL), ischiokruraler Muskulatur (HM, HL) und M. gastrocnemius (GM, GL) wurde bei Alltagsaktivitäten gemessen. Die elektromechanische Verzögerung (EMD) wurde mit einer Kreuzkorrelationsmethode quantifiziert. Ergebnisse: Am höchsten war die Kniebelastung beim Treppabgehen (3,41-faches Körpergewicht [KG]), im Vergleich zum Treppaufgehen (3,05 KG), Gehen (2,67 KG), Aufstehen (2,75 KG), Hinsetzen (2,64 KG) und Einbeinstand (2,89 KG). Der intramuskuläre Fettgehalt des M. quadriceps femoris (–2,8±2,9%CSA; p<0,05), HM und HL (–4,1±3,2%CSA; p<0,01) nahm postoperativ ab. Das distale Quadrizepsvolumen nahm um –9,6±5,7% (p<0,01) ab. Der intramuskuläre Fettgehalt des VL (r=0,75; p<0,05), HM und HL (r=0,77; p<0,05) korrelierte mit höheren Belastungen beim Gehen. Die Aktivität des VM (23-30% Lastzyklus) und GM (64-73% Lastzyklus) beeinflusste die Spitzenbelastung entsprechend beim Gehen (r=0,94; p<0,01) und Treppaufgehen (r=0,87; p<0,05). Das mittlere EMD des VM und VL betrug 33,7 bis 137,4 ms bei den Aktivitäten. Fettige Infiltration des VL führte zu reduzierten Spitzenaktivitäten (r=–0,92; p<0,01) und beschleunigten Lastentwicklungen (r=–0,83; p<0,05) beim Treppensteigen. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine fettige Infiltration der gelenkstabilisierenden Muskulatur Belastungen im Knie erhöht. Die EMG Daten weisen einen Zusammenhang zwischen phasischer Muskelaktivität und Spitzenbelastung auf. Eine Verbesserung von periartikulärem Muskelstatus und inter-muskulärer Koordination könnte zu reduzierten Kniebelastungen und einem verbesserten Langzeitergebnis nach K-TEP beitragen. [1] Heinlein B, et al., J Biomech, 40 Suppl 1: S4-10, 2007
