Movement strategy identification in activities of daily living: a clinical investigation of knee bearings

Abstract

Introduction: Osteoarthritis is one of the leading causes of disability, and the knee joint is the most commonly affected site in the body. The last resort for treatment of end-stage knee osteoarthritis is total knee arthroplasty surgery. Despite the plethora of implant designs, the current evidence on which bearings give the most natural movement and function is still scarce. Aims: the aim of this study was to compare the functional performance of fixed and mobile bearings, with different degrees of congruency. Methods: participants underwent 3D motion capture analysis during two activities of daily living. Patient participants were recorded before, four to six weeks after, and a year after the operation. Pain and satisfaction levels were also surveyed using bespoke questionnaires and the Oxford knee score. Participants’ functional performance was accessed by means of an innovative statistical procedure (i.e. hierarchical clustering), that fruitfully classified movement patterns, and discerned healthy from unhealthy movement behaviours. Results: osteoarthritic participants used different movement strategies compared to healthy individuals. Patient participants’ arm and feet behaviour was often categorised as asymmetrical, indicating the presence of compensation mechanisms due to weakness of the affected join. Post-operational behaviour tends to converge to the controls’ performance. No differences were observed due to knee implant allocation, or anthropometric characteristics. Questionnaire analysis revealed significant improvement post-operatively in the self-assessment of patient participants, but with no eminent correlation between implant design and outcome measures. Conclusion: the proposed hierarchical clustering procedure managed to adequately, rapidly and reliably evaluate changes in the movement habits of patients after total knee arthroplasty, and access their improvement throughout their rehabilitation process.

Εισαγωγή: Η οστεοαρθρίτιδα είναι μια από τις κύριες αιτίες αναπηρίας και η άρθρωση του γόνατος είναι η πιο συχνά προσβεβλημένη περιοχή στο σώμα. Η τελευταία λύση για τη θεραπεία της οστεοαρθρίτιδας του γόνατος τελικού σταδίου είναι η χειρουργική επέμβαση ολικής αρθροπλαστικής γόνατος. Παρά την πληθώρα σχεδίων εμφυτευμάτων, τα τρέχοντα στοιχεία για τα οποία τα μοσχεύματα δίνουν την πιο φυσική κίνηση και λειτουργία είναι ακόμα ελάχιστα. Στόχοι: Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η σύγκριση της λειτουργικής απόδοσης σταθερών και κινητών μοσχευμάτων, με διαφορετικούς βαθμούς συνάφειας. Μέθοδοι: οι συμμετέχοντες εκπαιδεύτηκαν σε τρισδιάστατη ανάλυση καταγραφής κίνησης κατά τη διάρκεια δύο δραστηριοτήτων της καθημερινής ζωής. Οι συμμετέχοντες ασθενείς καταγράφηκαν πριν, τέσσερις έως έξι εβδομάδες μετά και ένα χρόνο μετά την επέμβαση. Τα επίπεδα πόνου και ικανοποίησης ερευνήθηκαν επίσης χρησιμοποιώντας ερωτηματολόγια. Η λειτουργική απόδοση των συμμετεχόντων ήταν προσβάσιμη μέσω μιας καινοτόμου στατιστικής διαδικασίας (ιεραρχικής ομαδοποίησης), που ταξινόμησε γόνιμα τα μοτίβα κίνησης και διέκρινε υγιείς από ανθυγιεινές κινητικές συμπεριφορές. Αποτελέσματα: οι συμμετέχοντες με οστεοαρθρίτιδα χρησιμοποίησαν διαφορετικές στρατηγικές κίνησης σε σύγκριση με υγιή άτομα. Η συμπεριφορά των χεριών και των ποδιών των ασθενών κατηγοριοποιήθηκε συχνά ως ασύμμετρη, υποδεικνύοντας την παρουσία μηχανισμών αντιστάθμισης λόγω αδυναμίας της προσβεβλημένης άρθρωσης. Η μετεγχειρητική συμπεριφορά τείνει να συγκλίνει με την απόδοση των υγειών ατόμων. Δεν παρατηρήθηκαν διαφορές λόγω κατανομής εμφυτεύματος γόνατος ή ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών. Η ανάλυση του ερωτηματολογίου αποκάλυψε σημαντική βελτίωση μετεγχειρητικά στην αυτοαξιολόγηση των συμμετεχόντων ασθενών, αλλά χωρίς σημαντική συσχέτιση μεταξύ του σχεδιασμού του εμφυτεύματος και των μέτρων έκβασης. Συμπέρασμα: η προτεινόμενη διαδικασία ιεραρχικής ομαδοποίησης κατάφερε να αξιολογήσει επαρκώς, γρήγορα και αξιόπιστα τις αλλαγές στις κινητικές συνήθειες των ασθενών μετά από ολική αρθροπλαστική γόνατος και να έχει πρόσβαση στη βελτίωσή τους καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας αποκατάστασής τους.