Μυϊκή λειτουργία και μηχανική της άρθρωσης του γονάτου σε άτομα με οστεοαρθρίτιδα

Abstract

The aim of this thesis was to examine the differences in electromyography (EMG), architectural and mechanical characteristics between individuals with medial tibio-femoral knee Osteoarthritis (OA) and individuals without OA. A total of 26 subjects were included in the study, 14 women with knee OA grade II and III (age 63.07 ± 3.42 yrs) and 12 asymptomatic subjects (age 60.16 ± 5.52 yrs). The work was completed in four experimental studies.The first study investigated the differences in moment and agonist activation of vastus lateralis (VL), vastus medialis (VM), biceps femoris (BF) and semitendinosus (SΤ) during isometric contraction between subjects with knee OA and asymptomatic subjects in different levels of force effort. The subjects performed maximal ramping efforts of the knee extensors and flexors at different angular positions (0, 45 and 90°). The resultant joint moment and the EMG characteristics of BF and ST, VL and VM muscles were recorded. Analysis of variance designs showed that women with knee OA demonstrated a lower isometric moment and muscle activation (p < 0.05), mainly during maximal levels of effort. Moreover, this study showed that women with knee OA demonstrated a lower muscle activation of VM and VL, but the opposite was found for the BF and ST (p < 0.05). Finally, women with knee OA showed higher muscle activation imbalance of the VM versus VL. Altered EMG activation of the quadriceps muscles might be a contributor to a lower moment during maximal but not in submaximal efforts. Therefore, the factors which are responsible for the reduced moment in people with knee OA may vary depending on the level of effort. The originality of this study lies in the following: A lower functional capacity in people with knee OA is related with reduced moment capacity and a lower muscle activation. On the other hand, it is known that daily functional activities rarely require high levels of muscle effort. Therefore, based on the present study, the reduced ability of people with OA to perform daily activities might not be due to lower muscle activation; instead, other factors might be activated when people with OA perform submaximal muscular efforts. Moreover, it is the first study which makes clear that differences in muscle activation between individuals with OA and asymptomatic individuals depend on which muscle is examined (hamstrings or quadriceps). The activation of hamstrings might increases the muscle balance and protects the joint by increasing stability and finally decreasing the loads on the medial tibio-femoral joint.The second study investigated the differences in antagonist moment and antagonist muscle activation between women with knee OA and asymptomatic women. The subjects performed maximal and submaximal isometric efforts in three different angular positions, while the moment and antagonist characteristics during knee flexion (VM and VL) and extension (BF and ST) were recorded. Analysis of variance showed that women with knee OA demonstrated lower resultant joint (p < 0.05), agonist (p < 0.05) and antagonist (p < 0.05) isometric moments and similar antagonist muscle activation than controls. Moreover, OA women showed a higher antagonist VL activation at 90° of knee flexion compared to controls (p < 0.05). The originality of this study lies in the fact that this is the first time where the antagonist moment computed during isometric efforts in people with knee OA, rather than muscle activation. Despite previous studies and the initial hypothesis of this study, the results showed that the antagonist moment was not different between groups The aim of the third study was to reconstruct the knee joint in three dimensions, from a series of magnetic resonance tomography (MRI), in women with knee OA and controls. The Cross sectional area of the knee extensors (VM and VL), the flexors (BF, ST and semimembranosus (SM) and the geometric elements of the knee joint, between the groups were evaluated. From the axial MRI scans, the boundaries (bone, patellar tendon, VL, VM, ST and SM) were outlined manually, through that established the three-dimensional model. Based on these digital files, cross sectional area of extensors, flexors muscles of knee joint and of joint geometry elements were compared between the two groups. Student t-tests showed that women with knee OA demonstrated decreased cross sectional area of extensor muscles (p < 0.05). On the other hand, no differences were found between groups in cross sectional area of the flexors muscles (p > 0.05). Finally, women with knee OA demonstrated decreased angle between tibial plateau and patella tendon (p < 0.05) and decreased distance between tibia and femur, than the control group (p < 0.05). The novelty of this study is dual: a) the atrophy of knee muscles in people with knee OA mainly affects the extensors rather than the flexors. The atrophy of quadriceps increase the loads of the knee joint in sagittal plane and changes the levels of loads in the joint, and b) the changes in the mechanics of the tibio-femoral joint might affect the compressive and shear forces. If a person with OA shows the same extension moment value as that displayed by a person without symptoms, the person with OA may experience completely different joint forces with adverse long-term effects.Finally, the purpose of the fourth study was to compare the moment-arm of the patella tendon and flexor muscles between women with knee OA and asymptomatic women. Based on the thee-dimensional model of the previous study the moment arms were measured. In order to find the center of the knee joint into three dimensions, the geometric center of femoral condyles (GCFC) was used, which is used to measure the moment arms of patella tendon, BF, ST and SM. Student’s t-tests found that women with knee OA demonstrated decreased moment arms of patella tendon than the control group (p < 0.05). Additionally, decreased moment arms of ST and SM have been found (p < 0.05), but no differences were found in the moment arm of BF in women with knee OA (p > 0.05). The novelty is that people with knee OA have reduced advantage of extensors and (partially) flexors muscles of tibiofemoral joint when compared to asymptomatic subjects. This might explain why some people with knee OA demonstrated reduced moment capacity, they did not exhibit reduced muscle activation compared with controls. On the other hand, it has been found that two people might exhibit the same output moment (“force”) but the individual with knee OA produce higher muscular strength (and thus require more energy expenditure) than the asymptomatic individual. conclusion, people with knee OA demonstrated lower moment capacity during knee extension and flexion. Τhe results of this study showed that decreased neuromuscular ability of quadriceps, decreased cross sectional area and lower moment arms were attributed in ability of OA people to produce moment. However, the antagonist neuromuscular activation is not the factor which contributes to the inability of decreased moment. The decreased ability of the flexors muscles is mainly affecting moment arms due to the displacement of the center of the knee joint and the different contribution to the moment.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να εξετάσει τις διαφορές στα ηλεκτρομυογραφικά (ΗΜΓ), αρχιτεκτονικά και μηχανικά χαρακτηριστικά της άρθρωσης του γονάτου μεταξύ ατόμων με Οστεοαρθρίτιδα (ΟΑ) στην έσω πλευρά της κνημο-μηριαίας άρθρωσης και ατόμων χωρίς ΟΑ. Συνολικά εξετάστηκαν 26 γυναίκες, 14 γυναίκες με συμπτώματα ΟΑ δευτέρου και τρίτου βαθμού (ηλικίας 63.07 ± 3.42 έτη) και 12 γυναίκες χωρίς συμπτώματα ΟΑ (ηλικίας 60.16 ± 5.52 έτη). Η εργασία ολοκληρώθηκε σε τέσσερις πειραματικές μελέτες.Η πρώτη μελέτη εξέτασε τις διαφορές ανάμεσα στις δυο προαναφερθείσες ομάδες στη ροπή γύρω από την άρθρωση του γονάτου και στην αγωνιστική δραστηριότητα του έσω (ΕΣΠ) και του έξω (ΕΞΠ) πλατύ, του δικεφάλου μηριαίου (ΔΜ) και του ημιτενοντώδη (ΗΜΤ) μυός σε διάφορα επίπεδα δύναμης. Οι συμμετέχοντες πραγματοποίησαν μέγιστες και υπομέγιστες ισομετρικές προσπάθειες, αυξανόμενης προσπάθειας, σε τρεις διαφορετικές γωνιακές θέσεις (0, 45 και 90°) κατά την κάμψη και έκταση του γονάτου. Κατά την κάμψη, υπολογίστηκε η συνολική ροπή γύρω από την άρθρωση του γονάτου και των ΗΜΓ χαρακτηριστικών των ΔΜ και ΗΜΤ, ενώ κατά την έκταση η ροπή και η ΗΜΓ δραστηριότητα των ΕΣΠ και ΕΞΠ. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση διακύμανσης για τις διαφορές των δύο ομάδων στα 10 επίπεδα της μέγιστης εκούσιας προσπάθειας (ανά 10 % της μέγιστης εκούσιας ροπής) για τη ροπή και για την ΗΜΓ δραστηριότητα των μυών (ΕΣΠ, ΕΞΠ, ΗΜΤ και ΔΜ). Η ανάλυση διακύμανσης έδειξε πως τα άτομα με ΟΑ εμφανίζουν μειωμένη ισομετρική ροπή κάμψης και έκτασης του γονάτου. Επίσης παρατηρήθηκε μειωμένη μυϊκή δραστηριότητα των ΕΣΠ και ΕΞΠ κυρίως στις μέγιστες εντάσεις (90 και 100%) (p < 0.05). Αντίθετα, αυξημένη ΗΜΓ δραστηριότητα παρατηρήθηκε για τους οπίσθιους μηριαίους (p < 0.05). Τέλος, τα άτομα με ΟΑ εμφανίζουν μεγαλύτερη ανισορροπία στη δραστηριότητα ανάμεσα στον ΕΣΠ και ΕΞΠ σε σχέση με τα άτομα χωρίς ΟΑ. Η μειωμένη ΗΜΓ δραστηριότητα του τετρακέφαλου είναι πιθανότατα ένας παράγοντας που συντελεί στη μειωμένη παραγωγή ροπής κατά τη μέγιστη προσπάθεια, όχι όμως και κατά την υπομέγιστη. Επομένως, οι παράγοντες που ευθύνονται για τη μειωμένη ικανότητα δύναμης σε άτομα με ΟΑ διαφέρουν ανάλογα με το επίπεδο της έντασης της προσπάθειας.Η πρωτοτυπία αυτής της μελέτης έγκειται στο εξής: Πολλές φορές η μειωμένη λειτουργική ικανότητα των ατόμων με ΟΑ αποδίδεται στη μειωμένη ικανότητα δύναμης και χαμηλότερη μυϊκή ενεργοποίηση. Από την άλλη πλευρά, γνωρίζουμε ότι για τις καθημερινές λειτουργικές κινήσεις σπάνια απαιτείται υψηλή παραγωγή δύναμης. Συνεπώς, με βάση τα αποτελέσματα της μελέτης, η μειωμένη ικανότητα εκτέλεσης καθημερινών δραστηριοτήτων από τα άτομα με ΟΑ ίσως να μην οφείλεται σε μειωμένη ενεργοποίηση, αλλά σε άλλους παράγοντες που ενεργοποιούνται σε υπομέγιστες και όχι σε μέγιστες προσπάθειες. Επιπλέον, για πρώτη φορά καθίσταται σαφές ότι η ΟΑ επηρεάζει διαφορετικά την ενεργοποίηση των οπίσθιων μηριαίων (σε σχέση με τους πρόσθιους μηριαίους), αφού παρατηρείται μια γενική αύξηση, ίσως για να βελτιώσει τη μυϊκή ισορροπία, δίνοντας στην άρθρωση μεγαλύτερη σταθερότητα και τέλος μείωση στις επιβαρύνσεις στην έσω πλευρά της κνημο-μηριαίας άρθρωσης.Η δεύτερη μελέτη εξέτασε τις διαφορές στην ανταγωνιστική ροπή και στην ανταγωνιστική δραστηριότητα των μυών μεταξύ γυναικών με ΟΑ και τυπικού πληθυσμού. Πραγματοποιήθηκε όμοιο πρωτόκολλο με την προηγούμενη εργασία με τη ταυτόχρονη καταγραφή της ροπής γύρω από την άρθρωση του γονάτου, κατά την κάμψη και έκταση και των ΕΣΠ, ΕΞΠ, ΗΜΤ και ΔΜ. Έπειτα, μέσω ενός μοντέλου πρόβλεψης υπολογίστηκε η ανταγωνιστική και αγωνιστική ροπή των μέγιστων προσπαθειών. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση διακύμανσης για τις διαφορές μεταξύ των δύο ομάδων στην ανταγωνιστική ροπή (2 x 10, ομάδα x επίπεδα μέγιστης εκούσιας προσπάθειας) και για τις μέγιστες ροπής (καταγεγραμμένη, αγωνιστική και ανταγωνιστική) με πειραματικό σχεδιασμό 2 x 3 (ομάδα x γωνιακή θέση). Η ανάλυση διακύμανσης έδειξε πως τα άτομα με ΟΑ εμφάνισαν χαμηλότερη καταγεγραμμένη (p < 0.05), αγωνιστική (p < 0.05) και ανταγωνιστική (p < 0.05) ισομετρική ροπή κατά την κάμψη και έκταση του γονάτου. Παρόμοια ανταγωνιστική δραστηριότητα στα επίπεδα της μέγιστης εκούσιας προσπάθειας παρατηρήθηκαν (p > 0.05), με μία εξαίρεση στις 90° κάμψης, όπου η ομάδα με ΟΑ εμφάνισε μεγαλύτερη ανταγωνιστική δραστηριότητα του ΕΞΠ στις σε σχέση με την ομάδα ελέγχου (p < 0.05).Η πρωτοτυπία αυτής της εργασίας έγκειται στο γεγονός ότι για πρώτη φορά έγινε αξιολόγηση της ανταγωνιστικής ικανότητας των ατόμων με ΟΑ μέσω της ανταγωνιστικής ροπής κατά την εκτέλεση μέγιστων προσπαθειών και όχι μέσω της μυϊκής δραστηριότητας. Επομένως, παρά τις προηγούμενες μελέτες και την αρχική υπόθεση της εργασίας μας, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ανταγωνιστική δραστηριότητα δεν είναι παράγοντας αυξημένης ανταγωνιστικής ροπής στα άτομα με ΟΑ. Συνεπώς, φάνηκε ότι η γενικότερη αίσθηση που κυριαρχεί στη διεθνή βιβλιογραφία και στην κλινική πράξη ότι η μειωμένη παραγωγή δύναμης σε άτομα με ΟΑ οφείλεται σε αυξημένη ανταγωνιστική δραστηριότητα, μάλλον είναι εσφαλμένη.Σκοπός της τρίτης εργασίας ήταν να αναπαραστήσει την άρθρωση του γονάτου ψηφιακά χρησιμοποιώντας τρισδιάστατη μοντελοποίηση της άρθρωσης μέσω μαγνητικών τομογραφιών (MRI) και στις δυο ομάδες της εργασίας. Επιμέρους σκοπός ήταν να συγκριθούν οι εγκάρσιες επιφάνειες των εκτεινόνων (ΕΣΠ και ΕΞΠ) και καμπτήρων μυών του γονάτου (ΔΜ, ΗΜΤ και ημιμεμβρανώδης (ΗΜΜ) και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της άρθρωσης (γωνία μεταξύ κνημιαίο πλατώ και επιγονατιδικού τένοντα και απόσταση μεταξύ κνήμης και μηρού) μεταξύ των δύο ομάδων. Μέσω της χρήσης του μαγνητικού τομογράφου πραγματοποιήθηκε η λήψη τομών σε εγκάρσιο, στεφανιαίο και οβελιαίο επίπεδο. Η επιφάνεια που καταγράφηκε ήταν από το ύψος του χήνιου πόδα και 22 εκατοστά πάνω από αυτό. Από τις εγκάρσιες τομές έγινε χειροκίνητη οριοθέτηση των στοιχείων (οστό, τένοντας επιγονατίδας, ΕΣΠ, ΕΞΠ, ΔΜ, ΗΜΤ και ΗΜΜ) μέσω των οποίων συγκροτήθηκε το τρισδιάστατο μοντέλο. Με βάση τα ψηφιακά αυτά αρχεία αξιολογήθηκε η εγκάρσια επιφάνεια των εκτεινόντων και καμπτήρων μυών της άρθρωσης του γονάτου, από τη στεφανιαία τομή η γωνία μεταξύ επιγονατιδικού τένοντα και κνημιαίο πλατώ, ενώ από την οβελιαία η απόσταση μεταξύ κνήμης και μηρού. Η ανάλυση ανεξάρτητων ομάδων (student’s t-test) έδειξε πως τα άτομα με ΟΑ εμφάνισαν μικρότερη εγκάρσια επιφάνεια των εκτεινόντων μυών του γονάτου σε σχέση με τα άτομα χωρίς ΟΑ. Αντίθετα, δεν παρουσιάστηκαν διαφορές μεταξύ των ομάδων στην εγκάρσια επιφάνεια των καμπτήρων μυών του γονάτου (p > 0.05). Τέλος, τα άτομα με ΟΑ εμφάνισαν μικρότερη γωνία του κνημιαίου πλατώ με τον επιγονατιδικό τένοντα (p < 0.05), ενώ η ανάλυση διακύμανσης έδειξε ότι υπήρξε στατιστικά σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ της απόστασης κνήμης-μηρού της κνημομηριαίας άρθρωσης και της ομάδας, όπου τα άτομα με ΟΑ εμφάνισαν μικρότερη απόσταση στην έσω πλευρά σε σχέση με την ομάδα ελέγχου (p < 0.05).Η πρωτοτυπία της μελέτης είναι διττή: α) η ατροφία των μυών στα άτομα με ΟΑ εστιάζεται στην εκτείνοντες μύες του γονάτου και όχι στους καμπτήρες μυς του γονάτου. Η ατροφία του τετρακεφάλου αυξάνει τις δυνάμεις του γονάτου στο μετωπιαίο επίπεδο και αλλάζει τα επίπεδα φόρτισης στην άρθρωση και β) οι αλλαγές στη γεωμετρία της κνημο-μηριαίας άρθρωσης πιθανότατα να μεταβάλουν τις διατμητικές και θλιπτικές δυνάμεις στην εν λόγω άρθρωση. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και εάν ένα άτομο με ΟΑ εμφανίζει την ίδια ροπή έκτασης με ένα άτομο χωρίς συμπτώματα, το άτομο με ΟΑ μπορεί να δέχεται εντελώς διαφορετικές φορτίσεις ενδο-αρθρικά με δυσμενείς μακροχρόνιες επιδράσεις.Τέλος, σκοπός της τέταρτης μελέτης ήταν να συγκρίνει το μήκος του μοχλοβραχίονα της επιγονατίδας και των οπισθίων μηριαίων μυών μεταξύ των δυο ομάδων. Με βάση το τρισδιάστατο μοντέλο της προηγούμενης εργασίας υπολογίστηκαν οι μοχλοβραχίονες των μυών της άρθρωσης. Για την εύρεση του κέντρου της άρθρωσης σε τρεις διαστάσεις χρησιμοποιήθηκε το γεωμετρικό κέντρο των μηριαίων κονδύλων (GCFC) και με βάση αυτό υπολογίστηκαν οι μοχλοβραχίονες της επιγονατίδας, του ΔΜ, ΗΜΤ και ΗΜΜ μυ. Η ανάλυση μεταξύ δυο ανεξάρτητων ομάδων (student’s t-test) έδειξε πως τα άτομα με ΟΑ παρουσίασαν μικρότερο μήκος του μοχλοβραχίονα της επιγονατίδας σε σχέση με τα άτομα της ομάδας ελέγχου (p < 0.05). Ακόμη, τα άτομα με ΟΑ παρουσίασαν μικρότερο μοχλοβραχίονα του ΗΜΤ και ΗΜΜ μυός (p < 0.05), ενώ αντίθετα ο μοχλοβραχίονας του ΔΜ δεν διέφερε με την ομάδα ελέγχου (p > 0.05).Η πρωτοτυπία της συγκεκριμένης μελέτης έγκειται στο ότι αποδείχθηκε ότι τα άτομα με ΟΑ διαθέτουν μειωμένο μηχανικό πλεονέκτημα των εκτεινόντων αλλά και (μερικώς) των καμπτήρων μυών της κνημο-μηριαίας άρθρωσης σε σχέση με ασυμπτωματικά άτομα. Αυτό ίσως εξηγεί γιατί ορισμένα άτομα με ΟΑ ενώ έχουν μειωμένη ικανότητα παραγωγής ροπής, εντούτοις δεν εμφανίζουν μειωμένη μυϊκή ενεργοποίηση σε σχέση με άτομα χωρίς συμπτώματα. Από την άλλη πλευρά, για πρώτη φορά φαίνεται ότι μπορεί δυο άτομα να εμφανίζουν την ίδια παραγόμενη ροπή («δύναμη»), αλλά το άτομο με ΟΑ να παράγει υψηλότερη μυϊκή δύναμη (και άρα να δαπανά μεγαλύτερη ενέργεια) σε σχέση με το ασυμπτωματικό άτομο.Συμπερασματικά, τα άτομα με ΟΑ παρουσιάζουν μειωμένη ικανότητα παραγωγής ροπής τόσο κατά την έκταση όσο και κατά την κάμψη του γονάτου. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας έδειξαν ότι η μειωμένη νευρομυϊκή ικανότητα των εκτεινόντων μυών του γονάτου, η μικρότερη εγκάρσια επιφάνεια και οι μικρότερες τιμές του μήκων των μοχλοβραχιόνων συντελούν στη μειωμένη ικανότητα παραγωγής δύναμης από τα άτομα με ΟΑ. Αντίθετα, η ανταγωνιστική νευρομυϊκή δραστηριότητα των μυών δεν είναι παράγοντας που συνεισφέρει στη μειωμένη ικανότητα παραγωγής ροπής. Για τους καμπτήρες μύες του γονάτου η μειωμένη ικανότητα παραγωγής ροπής εστιάζεται μερικώς στο μήκος των μοχλοβραχιόνων λόγω της μεταφοράς του κέντρου της άρθρωσης και στη διαφορετική συνεισφορά τους στη συνολική ροπή