Främre korsbandets biomekanik under rehabilitering

Transkript

1 Främre korsbandets biomekanik under rehabilitering Främre korsbandsskador fortsätter att fascinera idrottsortopeder över hela världen och detta har resulterat i omfattande forskning av det främre korsbandet genom åren. Forskningen har främst studerat kirurgiska problem medan forskningen om rehabilitering har varit begränsad. Detta håller på att förändras inte minst pga. svårigheterna att få fram ett väl fungerande behandlingsprogram och att man fortfarande ej är helt klar över hur knäleden fungerar biomekaniskt under aktivitet. Per Renström i samarbete med Braden Fleming, Glenn Peura, Bruce Beynnon, Claude Nichols, Robert J Johnson, Department of Orthopedics and Rehabilitation, University of Vermont, USA, samt Tönu Saartok, Björn Engström, Göran Ohlen Karolinska Institutet, institutionen för kirurgisk vetenskap Sektionen för idrottsmedicin De flesta är överens om att ett främre korsbandsgraft (en nytt korsband av t.ex. en sena) utsätts för uttöjning (strain) vid viktsbelastning, muskelaktivitet och ledrörelser. Trots detta finns det ingen konsensus om hur dessa faktorer påverkar biomekaniken av ett nytt korsbandsgraft och hur detta i sin tur påverkar läkningen. Ett oklart problem i behandlingen av korsbandsskador är hur mycket man kan belasta det nya korsbandet dvs graftet efter en rekonstruktion. Detta nya graft kan i regel inte utsättas för mycket höga belastningar eftersom man då kan skada graftet eller dess infästning. För mycket belastning kan hämma läkningen speciellt om det föreligger flera ledbandsskador. Samtidigt är det visat att viss kontrollerad belastning behövs och kan förbättra kvaliteten och graden av läkning av det nya korsbandsgraftet. Sambandet mellan belastning och läkning är rent kvantitativt ej väl känt d.v.s. det är oklart hur mycket belastning som å ena sidan bäst stimulerar läkningen utan att å andra sidan påverka graftet negativt. Det gäller därför att hitta en rätt avvägd nivå för belastningen på ledbandet. Författarna till denna artikel har därför i en rad olika studier försökt fastställa hur man kan genomföra en Bild 1. Forskningsgruppen vid ortopedkliniken vid Universitet of Vermont, USA. effektiv rehabilitering utan att riskera att negativt påverkar läkningen av ett nytt graft. En grupp forskare vid ortopedkliniken vid universitetssjukhuset i Vermont (bild 1) har tagit fram en metod att studera uttöjningsgraden (strain) av den främre mediala delen av ett normalt främre korsband genom att en minimal trådtöjningsgivare (bild 3) har placerats där varefter olika testaktiviteter utförts. Målsättningen har varit att beskriva effekten på främre korsbandets uttöjningsgrad av viktsbelastning, olika muskelkrafter och varierande knäledspositioner Metoden innebär att friska människor som ska genomgå en artroskopisk operation med partiellt borttagande av en meniskskada eller utjämning av 31

2 Bild 2. Trådtöjningsgivaren DVRT Differential Variable Reluctance Transducer, Microstrain Inc, Burlington, Vermont, USA) Bild 4. Trådtöjningsgivaren på främre inre delen av främre korsbandet Bild 3. Trådtöjningsgivaren på främre inre delen av främre korsbandet Bild 5. Kurva med uttöjning som funktion av sträckning (extension) till böjning (flexion) Bild 6. Experiment med mätning av uttöjning i relation knäledsortoser med viktsbelastning mindre broskskador i lokal anestesi har medverkat i studierna. Alla dessa patienter har haft normala korsbandsfunktioner i samband med undersökningen innan operationen. Efter att den rutinmässiga kirurgiska proceduren har genomförts t ex borttagande av en skadad meniskdel så har en s.k. DVRT trådtöjninggivare (Differential Variable Reluctance Transducer) introducerats på det främre inre (mediala) delen av det främre korsbandet. (Se bild 2,3,4). Efter att denna placering av trådtöjningsgivaren har skett på korsbandet har kablar från givaren gått ut genom artroskopi portalen i huden och kopplats till en dator med speciellt anpassade program. Därefter har ingenjörerna kommit in i operationssalen och försöken har genomförts på olika sätt allt efter de frågeställningar, som har ställts. Effekt av olika muskelaktiviteter Följande slutsatser kan göras av vår tidiga biomekaniska forskning vad gäller effekten av muskelaktiviteter på en främre korsbandrekonstruktion: Sträckningsmuskulaturen (quadriceps) belastar främre korsbandet med knäleden i rörelse mot full sträckning med start vid ungefär 60 graders böjning.(bild 5). Hamstringsmuskulaturen tenderar att avlasta främre korsbandet under hela knäledens 32 rörelseomfång. Simultan kontraktion av lårmuskulaturens sträckare (quadriceps) och böjare (hamstrings) vid 15 grader av knäböjning orsakar en ökning av främre korsbandets uttöjningsgrad medan korsbandet förblir oförändrat vid 30, 60 och 90 grader av knäböjning. Aktiviteter som görs med knäleden böjd mellan grader belastar inte ett väl placerat korsbandsgraft. Följaktligen är tidig rörelse i detta rörelseomfång av godo och kan således rekommenderas vid rehabiliteringen efter främre korsbandskirurgi, liksom att hamstringsaktiviteter bör startas tidigt. Man bör emellertid vara mer försiktig med träning med knäleden mer sträckt. Effekt av viktbelastning och yttre belastning En kraftbalans mellan ligament, ledytor, muskler och kroppsvikt säkerställer knäledens stabilitet. Det är sålunda viktigt att studera främre korsbandets biomekanik på människor under viktsbelastande omständigheter. Vi har jämfört uttöjningsgraden på främre korsbandet under viktsbelastning och icke-viktsbelastning och i kombination med tre yttre pålagda belastningar: framåt och bakåt riktade skjuvkrafter, inre och yttre vridmoment samt belastning som för underbenet inåt och utåt. (Bild 6) Efter att en trådtöjningsgivare inplanterats på främre korsbandet på friska försökspersoner på sedvanligt sätt på Karolinska sjukhuset belastades knäleden i 20 graders böjning. En signifikant ökning i uttöjninggrad av främre korsbandet observerades då icke viktsbelastning övergick till viktsbelastning. Dessa studier har klinisk värde eftersom viktsbelastning tidigare ansetts ha en skyddande mekanism på ett läkande korsbandsgraft. Studier av denna typ är verkligen ett lagarbete. Closed kinetic chain versus open kinetic chain-aktiviteter dvs sluten jämfört med open kinetisk kedjeaktivitet. Under läkning av ett främre korsbandsgraft har closed chain aktiviteter framhållits som övningar som den skadade bör starta att utföra tidigt i sin rehabilitering. Closed chain aktiviteter medför samtidig kontraktion av muskulaturen och är viktsbelastande övningar vilket är välgörande eftersom den sammanpressning av knäleden som produceras av kroppsvikten tvingar ledytorna mot varandra och skyddar därmed det läkande korsbandsgraftet som ovan nämnts. Exempel på closed chain aktivitet är huksittande, benpress och cykling. En prospektiv klinisk studie av Bynum 1995 tyder på att closed chain också har en stimulerande effekt för graftets läkning. I en studie mättes korsbandets

3 Bild 8. Undersökning av öppen kedja (open kinetic chain) Bild 7. Undersökningar med trådtöjningsvgivare på människa är ett lagarabete uttöjningsgrad under huk sittande och aktiv böjning/sträckning. Aktiv sträckning av benet (Bild 8) resulterade i genomsnittlig främre korsbandsuttöjningsgrad av 2.8 % medan den huk sittande aktiviteten gav ett medelvärde på 3,4 %. Inga signifikanta skillnader förelåg mellan dessa två aktiviteter. Tilläggandet av ett gummiband till den huk sittande aktiviteten ökade den sammanpressande belastningen på leden. (Bild 9) En ökad sammandragning av lårets sträckarmuskulatur ökade inte statistiskt främre korsbandets uttöjningsgrad med avseende på huk sittande. Tilläggandet av 45 Newton viktsbelastning till foten där extension ökade signifikant den maximala uttöjningsgraden till 3,8 % jämfört med ett icke viktbärande tillstånd. Detta tyder på att de maximala värdena på främre korsbandets uttöjningsgrad inte var signifikant skilda mellan de olika kinetiska kedjeaktiviteterna. En ökning i motstånd under den slutna kinetiska kedjeövningen påverkade troligen inte maximal uttöjningsgrad på korsbandet medan en ökning av motståndet under den öppna kinetiska aktiviteten något ökade de maximala uttöjningsvärdena på korsbandet. Sannolikt är closed chain att föredra framför open chain i den tidiga rehabiliteringsfasen efter främre korsbandskirurgi. Open chain bör emellertid också inkluderas i rehabiliteringen i ett senare skede för att återfå full muskelstyrka. Betydelsen av att lägga till open chain under rehabiliteringen har visats i andra studier på vår sektion av Mikkelsen och Werner (2000). Exakt när open chain-aktivitet skall starta håller på att studeras av Annette Heijne på vår sektion. Lite är känt om effekterna av den belastning som produceras av muskelkontraktion och viktsbelastning på knäledens mekanik. Även om det finns bevis enligt ovan som antyder att belastningsgraden på främre korsbandet av open chain-aktiviteter är liknande i storleksgrad så har inte belastningsvillkoren för dessa övningar systematiskt utvärderats. Målsättningen med en annan studie var att jämföra quadricepsövningar med hamstringsövningar utförda mot olika motstånd både med och utan kompressionsbelastning mot knäleden i form av closed och open chain aktivitet. Efter att trådtöjningsgivaren hade inopererats på främre korsbandet så sattes patienterna på en speciell testbänk som medgav att de kunde utföra sträcknings och böjningsövningar mot konstanta motstånd. Vikter medförde att en kompressionsbelastning motsvarande 40 % av kroppsvikten mot foten kunde påläggas. Övningarna utfördes med och utan kompressionsbelastning. Bild 9. Undersökning av sluten kedja (closed kinetic chain) Resultaten visade att uttöjningsgraden på främre korsbandet var beroende av aktivitetstyp. Sträckningsövningar av benet både med och utan en kompressionsbelastning producerade högre uttöjningsvärden jämfört med jämförande böjningsövningar. Dessa resultat skulle kunna förväntas eftersom lårets sträckmuskulatur är antagonistisk mot 33

4 Tabell 1. Rangordning av uttöjningsgraden (strain) på främre korsbandet mätt med trådtöjningsgivare av typ DVRT. Rehabiliteringsövning Maximal uttöjning Isometriska kontraktioner med knäleden sträckt mer än 15 grader 4,4 % Huksittande med gummislang (sport cord) 4,0% Aktiv sträckning från böjning med 45 Newton (N) belastning på foten 3,8 % Lachmans test (150 N, 30 grader böjning) 3,7% Huksittande 3,6 % Aktiv böjning-sträckning av knäleden 2,8 % Samtidig kontraktion av knäledens sträckare (quadriceps) och böjare (hamstrings) 2,8% Isometrisk kontraktion av knäledens sträckare (quadriceps ) vid 30 grader (30 N) 2,7 % Främre draglåda (150 N, 90 grader) 1,8 % Stationär cykling 1,7 % Isometrisk kontraktion av knäledens böjare (hamstrings) i 15 grader 0,6 % Passiv böjning-sträckning av knäleden 0.1 % Kontraktion av sträckare och böjare över 60 graders böjning av knäleden 0 % Bild 10. Mätning av uttöjning på främre korsbandet vid cykling Bild 11. Mätning av uttöjning på främre korsbandet vid användande av en stair climber främre korsbandet och är dominant. Denna studie verifierar att uttöjningsgraden producerade under open kinetic chain and closed kinetic chain-övningar 34 är av liknande storleksgrad. Uttöjningsgrad på främre korsbandet under cykling Stationär cykling är ofta föreskrivet efter främre korsbandsrekonstruktion men uttöjningsgraden och effekterna på ledbanden har varit okända (Bild 10) Resultaten av denna studie visade att uttöjningsgraden varierade mellan 1,2 % och 2,1 % med ett medelvärdet på 1,7 % dvs ett värde som är relativt lågt jämfört med andra rehabiliteringsaktiviteter som tidigare har testats. Inga signifikanta skillnader förelåg vid förändringar i kraftnivå eller hastighet. Dessa data tyder klart på att knärehabiliteringsprogram kan designas så att de inkluderar olika kraft- och hastighetsnivåer vid stationär cykling utan att dessa signifikant förändrar uttöjningsvärdena. Sålunda kan sägas att stationär cykling är en rehabiliteringsövning som tillåter patienterna att öka muskelaktiviteten genom att öka kraftnivån och minska hastigheten utan att detta påverkar ligamenten eller en läkande korsbandsgraft till högre uttöjningsvärden. Uttöjningsgraden på korsbandet vid gång i trappor på en stair claimber Gång i trappor är en closed chain övning som man tror är funktionell efter en främre korsbandsrekonstruktion. Målet med denna studie var att mäta den uttöjningsgrad som producerades på främre korsbandet under trappgång på en stair climber på människa. (Bild 11) Två olika trappgångshastigheter utvärderades 80 och 112 steg per minut. Liksom vid våra tidigare studier av främre korsbandets biomekanik så ökade uttöjningsvärdena när knäleden gick från flektion till extenderat läge. Medelvärdet av uttöjningsgraden för 80 och 112 steg per minut var 2,69 % (+- 2,89 %) och 2,76 (+- 2,68 %). Dessa värden var inte signifikant skilda. Jämfört med andra rehabiliteringsaktiviteter som tidigare har testats på samma sätt är värden som producerades under trappgång mycket variabla över deltagarna. Höga värden observerades på några patienter men inte på andra. Rangordning av rehabiliteringsövningar grundade på dessa studier Ovanstående studier kan sammanställas till en tabell grundat på det största uttöjningsvärdet under respektive aktivitet. Denna kan utgöra en ranking av olika vanliga rehabiliteringsaktiviteter och deras påverkan på uttöjningsgraden av ett inopererat främre korsbandsgraft. (Se tabell 1) Sammanfattning Nyckeln till framgång efter korsbandskirurgi är att säkerställa att kirurgin är tekniskt riktig, att tidig rörlighet används, att smärta och svullnad elimineras tidigt för att förhindra hämning (inhibition) och att full extension föreligger. Smärta och hämning medför att muskulaturen ej kan tränas effektivt. Ovanstående studier är en del i ett batteri av studier som utförts vid University i Vermont och under de senaste åren i samarbete med vår sektion på

5 Karolinska Institutet och sjukhuset. Det är viktigt att påpeka att gränserna för den uttöjningsgrad som är säker dvs ej påverkar ett skadat ledband eller ett läkande nytt korsband negativt är ej kända. Data från ovanstående studier kan dock användas i prospektiva (följa framåt) randomiserade (slumpmässigt utvalda) studier för att vidare studera vilka övningar som är säkra och vilka som är skadliga. De studier som har utförts om läkning av korsband är djurstudier, som visar att läkande korsband minskar i styrka och att den skadade knäleden under läkningsfasen har en ökad främre laxitet (töjningsgrad). Det bör påpekas att man måste vara försiktig att dra allt för långtgående slutsatser av dessa djurstudier eftersom knäleder hos djur är skilda från människans och att det är svårt att kontrollera rehabiliteringen hos djur. Biomekaniska studier på knäledens korsband är viktiga då de utgör en grund att stå på då rehabilitering efter en korsbandskirurgi planeras. En framgångsrik rehabilitering kräver ett välplanerat träningsprogram som är baserat på vetenskap och beprövad erfarenhet. Referenser Beynnon BD, Uh BS, Johnson RJ, Fleming BC, Renström PA, Nichols CE. The elongation behavior of the anterior cruciate ligament graft in vivo. A long-term follow-up study. Am J of Sports Med, 2001 Fleming BC, Renström PA, Ohlén G, Johnson RJ, Peura GD, Beynnon, Badger, GJ. The gastronemious muscle is an antagonist of the anterior cruciate ligament. J Orthop Res, Nov; 19(6): , 2001 Fleming BC, Renstrom PA, Beynnon BD, Engström B, Peura GD, Badger GJ, Johnson RJ. The effect of weightbearing and external loading on anterior cruciate ligament strain. J Biomech Feb;34(2):163-70, 2001 Beynnon BD, Uh BS, Johnson RJ, Fleming BC, Renstrom PA, Nichols CE. The ellongation behavior of the anterior cruciate ligament graft in vivo. A long term follow-up study. Am J Sports Med,Mar-Apr;29(2): Fleming BC, Renstrom PA, Beynnon BD, Engstrom B, Peura G. The influence of functional knee bracing on the anterior cruciate ligament strain biomechanics in weightbearing and nonweightbearing knees. Am J Sports Med. Nov-Dec;28(6):815-24, 2000 Fleming BC, Beynnon BD, Renstrom PA, Johnson RJ, Nichols CE, Peura GD, Uh BS. The strain behavior of the anterior cruciate ligament during stair climbing: an in vivo study. Arthroscopy, Mar;15(2): Beynnon BD, Ryder SH, Konradsen L, Johnson RJ, Johnson K, Renstrom PA. The effect of anterior cruciate ligament trauma and bracing on knee proprioception. Am J Sports Med. Mar-Apr;27(2): Fleming B, Beynnon B, Renström P, Peura G, Nichols C, Johnson R: The strain behavior of the anterior cruciate ligament during bicycling: An in vivo study. The International Society of the Knee Trillat Award. Amer J Sports Med 26(1): , 1998 Beynnon B, Johnson R, Fleming B, Stankewich C, Renström P, Nichols C: The Strain Behavior of the Anterior Cruciate Ligament During Squatting and Active Flexion-Extension: A Comparison of Open and Closed Kinetic Chain Exercises. Winner of the 1996 AOSSM O Donoghue Sports Injury Research Award. Amer J Sports Med, 25(6): , 1997 Beynnon BD, Johnson RJ, Fleming BC, Peura GD, Renstrom PA, Nichols CE, Pope MH. The effect of functional knee bracing on the anterior cruciate ligament in the weightbearing and non-weightbearing knee. Am J Sports Med 25: , 1997 Tohyama H, Beynnon B, Johnson R, Renström P, Arms S: The effect of anterior cruciate ligament graft elongation at the time of implantation on the biomechanical behavior of the graft and knee. Amer J Sports Med, 24(5): , 1996 Beynnon B, Johnson RJ, Fleming B, Pope M, Renström P, Nichols C: Anterior cruciate ligament strain behavior during rehabilitation exercises in-vivo. The International Society of the Knee Trillat Award. Amer J Sports Med 23(1):24-34, 1995 Beynnon B, Johnson R, Fleming B, Renström P, Nichols C, Pope M, Haugh L: The measurement of anterior cruciate ligament graft biomechanics in-vivo. J Bone Joint Surg, 76A(4) , 1994 Beynnon B, Johnson R, Toyama H, Renström P, Arms S, Fischer R, Pope M: The relationship between anterior-posterior knee laxity and the structural properties of the patella tendon graft: A study in canines. The Am J of Sports Med, 22(6): , 1994 Beynnon BD, Johnson RJ, Fleming BC, Renstrom PA, Nichols CE, Pope MH, Haugh LD. The measurement of elongation of anterior cruciate-ligament grafts in vivo. J Bone Joint Surg Am Apr;76(4): Fleming B, Beynnon B, Nichols C, Renström P, Johnson R, Pope M: An in-vivo comparison between intraoperative isometric measurement and local elongation of the graft after reconstruction of the anterior cruciate ligament. J Bone Joint Surg 76A(4): , Fleming B, Beynnon B, Tohyama H, Johnson R, Nichols C, Renström P, Pope M: The determination of a zero strain reference for the anteromedial band of the anterior cruciate ligament. J Orthop Res 12(6): ,