Biomechanics analysis of motion-gait in patients subjected in two different types of total knee arthroplasty 1. Medial Pivot and 2. Rotating platform posterior stabilized with posterior cruciate ligament sacrifice: kinetics data comparison 2 to 3 years postoperatively

Abstract

In physics the magnitude of forces, moments and ranges of motion are fundamental inputs for the biomechanical study of motion and gait in patients subjected to total knee arthroplasty (TKA). The detailed examination of kinetic and kinematic parameters the gait cycle is divided to primarily to eight phases. Five phases correspond to stance phase while three phases correspond to swing phase. Every time instant during gait, the human joints are subjected to particular moment in particular ranges of motion. Thus the normal gait pattern is created.Any deviation from the normal gait pattern constitutes pathological gait of specific etiology and pathology. Typical example is the gait pattern of patients suffers from knee osteoarthritis. Depending on the stage of disease they show reduced velocity, cadence and stride length. The phases of single and double support are increased compared to the swing phase. The maximum range knee extension and flexion of motion is reduced as well as the maximum knee adduction and extension moment respectively.Another typical example of pathological gait is the pattern of patients subjected to total knee arthroplasty. Many studies concluded that the subjects walk with a substantial deviation compared to the normal values of normal parameters. Two recent studies summarize the characteristics of their gait pattern primarily to reduced velocity and stride length as well as to reduced single support phase. The kinetic parameters at the sagittal plane show reduced maximum knee extension and flexion moment during support phase. It is worth to mention that different types of TKA’s show deviations to these parameters.The study of arthrokinematics of the normal knee joint is important for the development of total knee implant designs. Biomechanists try to imitate the normal flexion and extension, anteroposterior translation as well as the rest of the motion in axial and frontal plane in TKA implants. They intend always to deal with the issues of the implant functionality, longevity and wear.Studies to these direction developed two types of TKA’s that show good results to the above paremeters: the medial pivot and the rotating platform posterior stabilized implants.Each of these designs show particular kinematic characteristics so as to compensate to many factor that could cause failure of the arthroplasty. One such main factor is the wear of the polyethylene insert. Most of the researchers try to approach wear by studying primarily the sagittal and secondly the frontal plane biomechanics. Nevertheless transverse plane biomechanics are equally important for the study of wear even if the main motion does not occur at this plane. Moreover the International Standardization Organization suggests the study of range of motion and forces (and as a result moments) in all three planes important for the study of wear.The research of this PhD thesis concentrated to the study of the knee moment and overall range of motion in transverse plane of patients subjected in two different types of total knee arthroplasty: the medial pivot and the rotating platform posterior stabilized implants. For the measurement of the parameters there was used eight optoelectronic cameras and two force plates at the biomechanics laboratory “Sylvia Ioannou” of the 1st department of Orthopaidics, N.K.U.A. the aim of the study was to examine the rotational behavior of these TKA’s and their effect on polyethylene wear.In this study no statistical significant differences were found between two groups at the examined parameters. Both implants show similar biomechanical behavior during gait. Nevertheless kinematic gait pattern differences were observed between two groups. These differences may reflect the different pattern of motion of the two implant designs. Several studies maintain that even small differences of transverse plane range of motion could have substantial effect on polyethylene wear. Thus our results should combined with several input waveforms as well as functional gait analysis at the transverse plane so as to identify the actual effect of gait on TKA wear.

Τα φυσικά μεγέθη της δύναμης και ροπής δύναμης, καθώς και τροχιάς κίνησης αποτελούν θεμελιώδης παραμέτρους για την εμβιομηχανική μελέτη της κίνησης και της βάδισης ασθενών που έχουνε υποβληθεί σε ολική αρθροπλαστική γόνατος (ΟΑΓ). Για την λεπτομερή κινητική και κινηματική εξέταση αυτών των παραμέτρων ο κύκλος της βάδισης διακρίνεται κυρίως σε οκτώ φάσεις, πέντε εκ των οποίων αντιστοιχούν στη φάση στήριξης και τρεις στην φάση αιώρησης. Σε κάθε χρονική στιγμή και φάση του κύκλου βάδισης αναπτύσσονται στις αρθρώσεις του ανθρώπινου σώματος αντίστοιχες ροπές που αντιστοιχούν και σε συγκεκριμένη τροχιά κίνησης δημιουργώντας έτσι το φυσιολογικό πρότυπο βάδισης του ανθρώπου. Κάθε παρέκκλιση από το συγκεκριμένο μοτίβο κίνησης αποτελεί παθολογική βάδιση λόγω συγκεκριμένης αιτιολογίας-παθολογίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το πρότυπο βάδισης ασθενών με οστεοαρθρίτιδα γόνατος. Ανάλογα με το στάδιο της νόσου οι ασθενείς παρουσιάζουν μειωμένη ταχύτητα και μειωμένο ρυθμό και μήκος βήματος. Επίσης η φάση διπλής και μονοποδικής στήριξης είναι αυξημένη σε σχέση με την φάση αιώρησης. Η μέγιστη τροχιά κίνησης κατά την έκταση και κάμψη του γόνατος είναι μειωμένη καθώς επίσης και η μέγιστη ροπή έκτασης και προσαγωγής του γόνατος κατά την φάση στήριξης είναι αντίστοιχα μειωμένη. Χαρακτηριστικό επίσης είναι το πρότυπο βάδισης ασθενών που έχουνε υποβληθεί σε ΟΑΓ. Πολλές έρευνες έχουνε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι αυτοί οι ασθενείς βαδίζουνε με σημαντική παρέκκλιση από τις φυσιολογικές παραμέτρους. Δύο πρόσφατες μελέτες συνοψίζουν τα χαρακτηριστικά της παθολογικής αυτής βάδισης κυρίως στην μειωμένη ταχύτητα και μήκος βήματος και μειωμένη φάση μονοποδικής στήριξης. Οι κινητικές παράμετροι στο οβελιαίο επίπεδο δείχνουν μειωμένη μέγιστη ροπή έκτασης και κάμψης του γόνατος κατά τη φάση στήριξης. Αξίζει να σημειωθεί ότι διαφορετικοί τύποι ΟΑΓ παρουσιάζουνε σημαντικές διαφορές σε αυτές τις παραμέτρους. Η μελέτη της αρθροκινηματικής της φυσιολογικής άρθρωσης του γόνατος είναι σημαντική για την ανάπτυξη και σχεδιασμό των εμφυτευμάτων ΟΑΓ. Οι επιστήμονες που ασχολούνται με αυτόν τον τομέα της εμβιομηχανικής προσπαθούν να προσομοιώσουν την κάμψη και έκταση καθώς επίσης και την κύλιση και ολίσθηση και της μετωπιαίες και εγκάρσιες μικροκινήσεις του φυσιολογικού γόνατος στα εμφυτεύματα. Ο στόχος των ερευνητών είναι πάντα η καλή λειτουργικότητα της αρθροπλαστικής, η επιμήκυνση του χρόνου επιβίωσης, η μείωση της φθοράς των υλικών κλπ. Οι έρευνες των επιστημόνων προς αυτές τις κατευθύνσεις έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη, εκτός των άλλων, δύο τύπων ΟΑΓ που παρουσιάζουν ικανοποιητικά μακροχρόνια αποτελέσματα στις προαναφερθείσες παραμέτρους: της medial pivot και της rotating platform posterior stabilized αρθροπλαστικής. Ο κάθε τύπος των παραπάνω αρθροπλαστικών γόνατος έχει συγκεκριμένα κινηματικά χαρακτηριστικά έτσι ώστε το εμφύτευμα να μπορεί να ανταπεξέλθει ικανοποιητικά σε αρκετούς παράγοντες ένας σημαντικός εκ των οποίων είναι η τριβή (wear) του πολυαιθυλαινίου τμήματος που μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή της ΟΑΓ. Οι περισσότεροι ερευνητές προσπαθούνε να προσεγγίσουνε αυτήν την παράμετρο εξετάζοντας μεγέθη που μπορεί να την επηρεάσουνε κυρίως στο οβελιαίο επίπεδο και κατά δεύτερων στο μετωπιαίο επίπεδο. Η εμβιομηχανική μελέτη του εγκάρσιου επιπέδου είναι εξίσου σημαντική για την ολοκληρωμένη προσέγγιση του παράγοντα τριβή στις ΟΑΓ παρόλο που η κίνηση της άρθρωσης δεν συμβαίνει κύρια σε αυτό το επίπεδο. Εξάλλου ο Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης (ISO) έχει εισάγει ως παραμέτρους για την μελέτη της τριβής στις ΟΑΓ, την τροχιά κίνησης και την δράση δυνάμεων (και κατ΄ επέκταση ροπών) και στα τρία επίπεδα ως εξίσου σημαντικά.Κατά την έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν στο εγκάρσιο επίπεδο οι μέγιστες ροπές και συνολική τροχιά κίνησης που παρατηρείται σε ασθενείς που έχουν υποβληθεί σε δύο τύπους ΟΑΓ: medial pivot και rotating platform posterior stabilized. Για την μελέτη των παραμέτρων χρησιμοποιήθηκαν 2 πλατφόρμες δύναμης και 8 οπτοηλεκτρονικές κάμερες στο εργαστήριο εμβιομηχανικής «Σύλβια Ιωαννόυ» της 1ης ορθοπαιδικης κλινικής Ε.Κ.Π.Α. Σκοπός της έρευνας ήτανε να μελετηθεί η στροφική συμπεριφορά των ΟΑΓ και ο βαθμός που επηρεάζει των παράγοντα τριβή η εμβιομηχανική του συγκεκριμένου επιπέδου.Στην παρούσα έρευνα δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των δυο ΟΑΓ όσον αφορά τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Και οι δύο τύποι αρθροπλαστικών παρουσίασαν πανομοιότυπη εμβιομηχανική συμπεριφορά κατά την βάδιση. Παρόλα αυτά διαφορετικά κινηματικά πρότυπα βάδισης παρατηρήθηκαν μεταξύ των δύο ομάδων κάτι που μπορεί να αποδοθεί στο διαφορετικό μοτίβο κινητικότητας μεταξύ των δύο τύπων αρθροπλαστικής. Έρευνες υποστηρίζουν ότι ακόμη και μικρές διαφορές στην τροχιά κίνησης στο εγκάρσιο επίπεδο έχουν σημαντικό αντίκτυπο στον παράγοντα τριβή (wear). Για τον λόγο αυτό τα αποτελέσματα θα πρέπει να συνδυαστούν με ποικίλα δεδομένα μελετών αντοχής των υλικών (input waveforms) και λειτουργική ανάλυση βάδισης στο εγκάρσιο επίπεδο για να προσδιοριστούν οι πραγματικές επιπτώσεις της βάδισης στη φθορά του πολυαιθυλενίου.