Abstract:
Das vordere Kreuzband hat eine wichtige Funktion für die Kniegelenksstabilität. Daher führt ein Riss des vorderen Kreuzbandes zu schwerwiegenden Beeinträchtigungen für den menschlichen Bewegungsapparat dar, insbesondere durch eine starke Reduktion der Kniegelenksstabilität und Kniegelenksfunktionalität. Dies geht einher mit einer potentiellen lang andauernden Reduzierung des Aktivitätsmaßes in alltäglichen und sportlichen Bewegungen führen kann. Im Jahr 2016 lag die Inzidenzrate in Deutschland bei etwa 42 pro 100.000 Einwohner. Weiterhin wurde in den letzten Jahrzehnten eine Zunahme von vorderen Kreuzbandrupturen bei Freizeitsportlern festgestellt.
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Im Verletzungsszenario des vorderen Kreuzbandes können weitere biologische Strukturen des Kniegelenks (Menisken, Seitenbänder, Gelenkknorpel) begleitend verletzt oder stark beeinträchtigt werden. So führen Verletzungen des vorderen Kreuzbandes zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Kniegelenkhomöostase. Diese soll durch die operative Rekonstruktion und die nachfolgende Rehabilitation wiederhergestellt werden. Obwohl sich die Rekonstruktionstechniken in den letzten Jahren stark verbessert haben, kann nicht gewährleistet werden, dass die verletzten Personen wieder einen beschwerdefreien Alltag erlangen und das sportliche Niveau von vor der Verletzung erreichen können. Zusätzlich spielt das lebenszeitlich frühere Auftreten von degenerativen Gelenkerkrankungen, (z.B. Gonarthrose) bei den kreuzbandverletzten Personen eine gewichtige Rolle für die zukünftige Lebensqualität und das prospektive Aktivitätsniveau.
Kreuzbandverletzte Personen erfahren postoperativ ein Rehabilitationsprogramm, das auf die Wiedergewinnung der Kniegelenkstabilität und Kniegelenksfunktionalität abzielt. Bei der Rückkehr auf ein sportliches Aktivitätsniveau bilden derzeit zumeist die Zeitdauer seit der operativen Rekonstruktion und die Kniefunktionalität in klinischen Tests (z.B. Lachman-Test) die entscheidenden Kriterien. Diese Kriterien bergen allerdings das das Risiko, dass die Funktionalität des Kniegelenks nicht umfassend genug gemessen wird, da so kaum Informationen über die Kniegelenksfunktionalität in alltäglichen und sportlichen Bewegungen erhoben werden.
Die Notwendigkeit von aktivitätsspezifischen funktionellen Tests sowie die Kombination verschiedener funktioneller Tests, zur Bestimmung der Kniegelenksfunktionalität wurde hinreichend beschrieben. So hat sich die Bestimmung der dynamischen Funktionalität über Einbeinweitsprünge seit den 1980er Jahren etabliert. Diese Tests werden allerdings nicht standardisiert im klinischen und rehabilitativen Bereich eingesetzt. Obwohl Einbeinweitsprünge eine anspruchsvolle sport-spezifische Bewegung darstellen, scheint es aber auf Basis dieser Tests alleine nicht ausreichend zu sein, eine adäquate funktionale Einschätzung für eine Rückkehr in den Sport zu geben. Die Kniegelenkstabilität und Kniefunktionalität werden durch zahlreiche Faktoren in einem komplexen Gefüge bestimmt. Zudem bestehen vielschichtige Anpassungsmöglichkeiten des Bewegungsapparats auf Grund muskuloskeletaler Einschränkungen. Um diesen komplexen Anforderungen gerecht zu werden, sollte daher eine funktionelle Testbatterie den Anspruch der Ganzheitlichkeit haben und mehrfach über den Rehabilitationsverlauf durchgeführt werden. Einmalige Messungen der Kniegelenksfunktionalität zum Zeitpunkt des potenziellen Wiedereintritts in den Sport erscheint nicht ausreichend. Stattdessen können durch wiederholtes umfassendes funktionelles Testen, wichtige Daten erhoben werden, die ein breiteres Bild über den Status der Kniegelenksfunktionalität liefern. In Bezug zu den erhobenen funktionellen Defiziten, kann dann das Rehabilitationsprogramm spezifisch angepasst werden. So kann der frühzeitigen Manifestierung muskuloskeletaler Dysbalancen entgegengewirkt und die Personen besser auf die Rückkehr in den Sport vorbereitet werden.
Die gesamte Dissertation umfasst neun Hauptkapitel. Kapitel 1 enthält ein Vorwort sowie einen Überblick der Dissertation. In Kapitel 2 ist der gesamte theoretische Hintergrund der Dissertation durch die Aufarbeitung des gegenwärtigen Forschungsstandes dargestellt. Darin sind alle wichtigen anatomischen Zusammenhänge sowie die weitreichenden Konsequenzen, die durch vordere Kreuzbandverletzungen entstehen können, beschrieben. Weiterhin, sind der gegenwärtige Stand des funktionellen Testens sowie gängige Konzepte zur Rückkehr in den Sport nach vorderen Kreuzbandverletzungen kurz beschrieben. Aus den abgeleiteten Forschungslücken, wird in Kapitel das Ziel dieser Dissertation motiviert und spezifisch dargestellt. Darin werden die Hauptforschungsfragen in die Synthese der theoretischen Grundlagen aus Kapitel 2 eingebettet. In Kapitel 3 wird abschließend durch eine Darstellung aller Studien, die durchgeführt wurden, um das Ziel der Dissertation zu erreichen, nämlich die Kniegelenksfunktionalität von kreuzbandverletzten Probanden über den Rehabilitationsverlauf zu analysieren.
Das folgende Kapitel 4 beinhaltet die gesamte Methodik dieser Haupt-Studie. In dieser Haupt-Studie wurde mit kreuzbandverletzten Probanden eine umfassende funktionelle Testbatterie an vier Testzeitpunkten durchgeführt. T1 wurde vor der Rekonstruktion durchgeführt. T2 sieben Wochen, T3 drei Monate und T4 sechs Monate nach der Rekonstruktion. Um den Anspruch der Ganzheitlichkeit der Testbatterie zu gewährleisten wurde die Kniegelenksfunktionalität bei klinischen Tests (passives Bewegungsausmaß in Knieflexion und Knieextension, Umfangsmessungen am Bein), bei Alltagsbewegungen (Gehen in der Ebene, Gehen mit Unebenheiten, Treppen Gehen und Kurven Gehen) und bei sport-spezifischen Tests (unilaterale und bilaterale Sprungtests, isometrische Krafttests) gemessen und analysiert. Neben kinematischen und kinetischen Parametern, lag ein besonderes Augenmerk bei der Untersuchung der Kniegelenksfunktionalität auf dem Seitigkeitsverhältnis der Beine (Bein-Symmetrie-Index). Zudem wurden standardisierte Fragebögen/Scores eingesetzt (Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score und Tegner Activity Score), um die selbsteingeschätzte Funktionalität und den Einfluss der Kniegelenkverletzung auf den Alltag und die Lebensqualität der Probanden sowie das gegenwärtige Aktivitätsniveau zu erfassen.
Auf Basis der erhobenen Parameter der Testbatterie wurde die Funktionalität des Kniegelenks in intraindividuellen Analysen über den Untersuchungszeitraum bis sechs Monate nach der Kreuzbandrekonstruktion analysiert. Zusätzlich wurden die Ergebnisse der kreuzbandverletzten Probanden an T4 mit anthropometrisch gemachten Kontrollprobanden verglichen.
Da die Reproduzierbarkeit des Kurven Gehens bisher noch nicht in der Literatur beschrieben war, wurde dies in einer methodischen Vorstudie, die Teil dieser Arbeit ist (Kapitel 5), überprüft. Darin konnte, an Hand der Faktoren Lokomotionsstrategie, Bodenkontaktzeiten und medio-lateraler sowie vertikaler Bodenreaktionskraft, bestätigt werden, dass die Lokomotion des Kurven Gehens bei Gesunden über den Tagesverlauf reproduzierbar ausgeführt wird. Auf Grund dieser Ergebnisse wurde das Kurvengehen als weitere zu untersuchende Alltagsbewegung in die Testbatterie der Haupt-Studie eingeschlossen.
Ausgewählte Ergebnisse der Haupt-Studie, die Einklang in diese Dissertation fanden, sind in Kapitel 6 und 7 beschrieben und dargestellt.
Kapitel 6 beinhaltet dabei die Aufarbeitung der klinischen Tests, der sport-spezifischen Tests sowie die Ergebnisse der Fragebögen/Scores. Darin zeigte sich bei den meisten analysierten Parametern der sport-spezifischen Tests ein einheitliches Muster der Kniegelenksfunktionalität über den Untersuchungszeitraum. Zunächst wurde eine starke Reduktion der Funktionalität von T1, vor der Rekonstruktion, zu T2, sieben Wochen nach der Rekonstruktion, festgestellt. Daraufhin verbesserte sich die Funktionalität in den meisten Parametern bis sechs Monate (T4) nach der Kreuzbandrekonstruktion. Jedoch wurde im Mittel das Funktionalitätsniveau der gesunden Kontrollgruppe nicht erreicht. Dieser Verlauf der Funktionalität zeigte sich auch in den klinischen Tests, in der selbsteingeschätzten Kniegelenksfunktion und im Aktivitätsniveau. Aus diesen Ergebnissen wurde geschlossen, dass die kreuzbandverletzten Personen dieser Studie das Niveau der gemachten Kontrollgruppe nicht erreichten und demnach auch nicht ihr Vorverletzungsniveau. Zusätzlich wurde eine große Varianz der Ergebnisse festgestellt, was zusätzlich für einen sehr individuellen Heilungs- und Rehabilitationsprozess spricht.
Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Analyse der funktionellen Tests wurden durch die deskriptive Analyse des Kurvengehens gestützt (Kapitel 7). Darin wurden in der Hälfte der Kurvengehbedingungen, Tendenzen kinematischer und kinetischer Anpassungen festgestellt. Die kinematischen Anpassungen prägten sich hauptsächlich durch eine erhöhte Knieflexion über die Standphase aus. Die kinetischen Anpassungen zeigten uneinheitlich, eine Über- oder Unterbelastung des verletzten und nicht verletzten Beines, sowohl frühzeitig nach der Rekonstruktion (T2), als auch mittel- (T3) und längerfristig (T4), im Vergleich zu der gesunden Kontrollgruppe.
Die Ergebnisse dieser Studien werden in einer allgemeinen Diskussion (Kapitel 8) zusammengeführt und vor dem Hintergrund der vollen Wiederherstellung der Kniegelenksfunktion, des Rückkehrs in den Sport auf das Vorverletzungsniveau und möglicher Manifestationen jener Anpassung- und Kompensationsmechanismen diskutiert. Darin wurde geschlossen, dass die durchgeführten Analysen bestätigten, dass kreuzbandverletzte Personen ein breit gefächertes Defizit der Kniegelenksfunktionalität auch noch sechs Monate nach der Rekonstruktion zeigen. Dies prägte sich auf mehreren Ebenen aus, da neben biomechanischen Defiziten in Alltags- und Sportbewegungen auch persönliche Defizite gefunden wurden, manifestiert in einer reduzierten Lebensqualität. Diese Diskussion führt schließlich zu den Schlussfolgerungen und praktischen Implikationen dieser Dissertation. Darin wurde festgehalten, dass auf Grund der Komplexität der reduzierten Funktionalität, eine generelle Freigabe von Personen mit vorderen Kreuzbandverletzungen in den Sport nach sechs Monaten nicht generalisiert empfohlen werden sollte. Aus diesem Grund gilt es, Rehabilitationsprogramme stets weiter zu verbessern. Durch die standardisierte Erhebung der Kniegelenksfunktionalität über den Rehabilitationsverlauf, könnten daher wichtige Erkenntnisse gewonnen werden und so die Rehabilitationsprogramme, entsprechend individueller funktioneller Defizite, adaptiert werden. Zusätzlich kann auf Basis von Funktionalitätstests ein besseres Maß für den Wiedereintritt in den Sport gefunden werden. Abschließend könnten frühzeitig Manifestationen funktioneller Adaptationen, die zu muskuloskeletalen Dysbalancen führen können, erkannt und behandelt werden. Dies könnte helfen dem lebenszeitlich früheren Beginn degenerativer Gelenkerkrankungen frühzeitig entgegenzuarbeiten.
Daher liefert diese Dissertation umfassende Erkenntnisse über den Verlauf der Kniegelenksfunktionalität über den Rehabilitationszeitraum und damit einen wichtigen Beitrag zur generellen Verbesserung von Rehabilitationsprogrammen nach Kreuzbandrupturen und deren operativen Rekonstruktionen.
Abstract (englisch):
The anterior cruciate ligament (ACL) has an important function for the knee joint stability. Therefore, tearing of the ACL leads to a severe impairment of the human locomotor system, including a reduction of knee joint stability and knee joint functionality. Accompanied by a potentially long-lasting reduction of the activity level in locomotion tasks of daily life and sports. The incidence of ACL tears reached 42 per 100,000 inhabitants in German hospitals in 2016. Furthermore, an increasing amount of ACL tears was determined in recreational athletes in recent decades.
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In the ACL tearing scenario further biological structures of the knee joint (i.e. menisci, collateral ligaments, and joint cartilage) can get concomitantly injured. Therefore, tears of the ACL can negatively impair the knee joint homeostasis to a high extent. This impaired joint homeostasis shall get restored by the surgical reconstruction of the ACL and the subsequent rehabilitation program. Although reconstruction techniques improved in recent years, there is no guarantee that the injured and reconstructed individuals achieve a symptom-free daily life and the pre-injury sports level. Additionally, the earlier onset of degenerative joint diseases (i.e. knee osteoarthritis) in ACL reconstructed individuals represents a challenging field for the prospective quality of life and activity level.
ACL injured and reconstructed individuals receive a post-surgical rehabilitation program, which aims to recover the knee joint stability and functionality. Current criteria for return-to-sports recommendations represent the time-period since the reconstruction of the ACL and the knee joint functionality in clinical physical examination (i.e. Lachman test). However, these criteria bear the risk that knee joint functionality is not determined comprehensively enough, as hardly any information about knee joint functionality in locomotion tasks of daily life and sports are detected.
The necessity of activity-specific functional tests as well as the combination of various functional tests to determine knee joint functionality was widely described and discussed. Accordingly, for assessment of dynamic functionality one-legged jumps for distance have established since the 1980s. However, these tests are not applied standardized in the clinical and rehabilitative field. Although one-legged jumps for distance represent a high-demanding locomotion task, it seems not sufficient to rely on the results of these tests alone, to give an adequate rating of functionality for the return to pre-injury sports. Knee joint stability and functionality is determined by numerous factors in a complex framework. Furthermore, the locomotor system has various strategies of functional adaptations, depending on the musculoskeletal impairments. To meet these requirements in functional testing, a test battery should have the claim of a comprehensive approach and should be applied repetitively over the rehabilitation cycle. Singular measurement of the knee joint functionality at the time point of potential return-to-sports seems not to be adequate. By repetitive comprehensive functional testing, important data can be collected, which provide a broader picture of the state of the knee joint functionality. According to the detected functional deficiencies, the rehabilitation program can be specifically adapted. This could benefit to counteract the early manifestation of musculoskeletal imbalances and to better prepare the individuals for the return to sports.
The whole thesis comprises eight main chapters. In Chapter 1 the preface and the outline of the thesis are depicted. In Chapter 2 the entire theoretical background of the thesis is described by the elaboration of the state of research, including all anatomical fundamentals and the wide range of consequences that can occur due to ACL tears. Furthermore, the current state of functional testing and common return-to-sports concepts after ACL reconstructions are briefly described. Out of the deduced research gaps, the purpose of the thesis is motivated and specifically depicted in Chapter 3. Therein, the main research questions of this thesis are embedded in the synthesis of the theoretical findings of Chapter 2. Chapter 3 is finalized by the summarized illustration of the conducted studies, which were conducted to reach the purpose of the thesis, which was to analyze the knee joint functionality in ACL reconstructed subjects comprehensively over the rehabilitation cycle.
The following Chapter 4 contains the general methodology of the main study. In this main study, a comprehensive test battery was applied to ACL injured and reconstructed subjects at four test sessions. T1 was before the reconstruction; T2 seven weeks, T3 three months, and T4 four months after the ACL reconstruction. To meet the requirement of a comprehensive approach, knee joint functionality was assessed and analyzed in functional clinical tests (passive range of motion in knee flexion and knee extension, leg circumference measurements), in activities of daily living (straight gait over flat ground, straight gait over uneven ground, walking up and downstairs, and walking turns), and in sport-specific functional performance tests (unilateral and bilateral jumping tests, isometric force tests). Besides kinematic and kinetic parameters, special attention lied on the side-to-side relationship of the legs (leg symmetry index) in the examination of the knee joint functionality. Additionally, standardized questionnaires/scores were applied (Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score and Tegner Activity Score), to determine self-evaluated knee joint functionality and psychometric properties, as the influence of the knee joint injury on the quality of life, and the current activity level. After data acquisition, knee joint functionality was analyzed intra-individually over the investigation period up to six months after ACL reconstruction. Furthermore, the results of the ACL reconstructed subjects at T4 were compared to anthropometrically-matched healthy control subjects.
Because the reproducibility of turning gait locomotion was recently not described in literature, this topic was examined in a methodological pre-study, which is also part of this thesis (Chapter 5). Therein, in relation to the parameters general locomotion strategy, ground contact times, medio-lateral, and vertical ground reaction forces, it could get shown that turning locomotion was performed reproducible at different testing times at different days. Due to these findings, turning tasks were determined valid for inclusion into the main study as additional daily locomotion task.
Selected results of the main study, which were included in this thesis, are depicted in Chapter 6 and 7.
Chapter 6 comprises the analyses of the functional clinical tests, the sport-specific functional performance tests, and the results of the questionnaires/scores. Therein, a general pattern of the knee joint functionality over the investigation period was found in the majority of the analyzed parameters. Initially, a strong reduction of the functionality was found from T1, before the reconstruction, up to T2, seven weeks after the reconstruction. Afterwards the functionality increased in the majority of the parameters up to six months after ACL reconstruction. However, in average, the level of functionality of the healthy control group could not get reached. This course of functionality emerged as well in the functional clinical tests, the self-evaluated knee joint functionality and the activity level. Out of this results and findings, it was concluded that the ACL injured and reconstructed subjects of this study did not reach the level of the matched control group and, thus, did not achieve their pre-injury activity level. Additionally, strong variances of the results were found. This gave indication for a very individual healing and rehabilitation process.
The results, findings, and conclusions of the analyses of these functional tests were supported by the descriptive analyses of the turning gait locomotion (Chapter 7). Therein, in the half of all analyzed turning locomotion conditions tendencies of kinematic and kinetic adaptations were detected. Kinematic adaptations mainly occurred in increased knee joint flexion over the entire stance phase. Tendencies of kinetic adaptations emerged inconsistent, with overloading and underloading of the injured/reconstructed and the non-injured leg, short- (T2), mid- (T3), and long-term (T4) after the reconstruction compared to the healthy control group.
The findings of the studies are summarized in the general discussion (Chapter 8) and discussed according to the recovery of full knee joint stability and functionality, the return to pre-injury sports, and the potential manifestations of the respective adaptation and compensation mechanisms. Therein, it could get concluded that the analyses and findings confirmed that ACL injured and reconstructed showed wide-spread deficiencies of the knee joint functionality even six months after the reconstruction. These deficiencies emerged on various levels, as besides deficits in biomechanical parameters in daily living and sports locomotion tasks, psychological constraints were found, manifested in a reduced quality of life at six months after reconstruction. The general discussion leads to the conclusions and practical implications of this thesis. Therein, it was stated that due to the complexity of the reduced functionality, a general release in sports of reconstructed ACL individuals is not recommended. For this reason, it is indicated to enhance rehabilitation programs. By a standardized assessment of the knee joint functionality over the rehabilitation cycle, essential knowledge can be acquired and, thus, rehabilitation programs can be adapted more specifically, according to the detected individual functional deficits. Additionally, in relation to the results of the functional tests a better time-point for the return to pre-injury sports can be determined. Finally, potential manifestations of functional adaptations, which can lead to musculoskeletal imbalances and disorders, can be detected and treated earlier. Thus, this could help to counteract the earlier onset of degenerative joint diseases.
Therefore, this thesis provides comprehensive knowledge about the course of knee joint functionality over the rehabilitation cycle and, hence, important findings and contributions for a general enhancement of rehabilitation programs after ACL tear and surgical reconstruction.
