Die Biomechanik des instabilen Patellofemoralgelenkes und die stabilisierende Wirkung von Orthesen

Kai Heinrich

Die Biomechanik des instabilen Patellofemoralgelenkes und die stabilisierende Wirkung von Orthesen

Kai Heinrich

Institute of Biomechanics and Orthopaedics

Publication: Book/Report › Dissertations

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Abstract

It is generally accepted that during knee extension the patella moves medially whereas an instable patella is characterized by a reduced medial movement. This is related to an increased risk of a patella dislocation and the development of a patellofemoral pain syndrome (PFPS). As small variations in the patellar alignment could lead to PFPS, the purpose of a treatment with patellofemoral orthoses is to realign the patella. While there is little evidence to endorse their use, orthoses are frequently used. Therefore, the aim of the present study was to investigate the basic functionality of patellofemoral orthoses and their biomechanical effects on the patellofemoral and tibiofemoral joint.
The first study examined how the basic biomechanics of the patellofemoral joint is affected by the novel Patella Pro orthosis (PP) (Otto-Bock HealthCare GmbH, 2016) and the conventional Genu Train P3 orthosis (BA) (Bauerfeind AG, 2016) with respect to the alignment of the patella in vitro on cadaveric legs. Each leg underwent 10 flexion-extension cycles through a range of 45° to 0°. It was found that the PP orthosis supports a more medial displacement of the patella during knee extension, whereas the BA orthosis had no effect on the patellar alignment.
The second study analysed the effect of the PP orthosis on the patellofemoral kinematics with the aid of a magnetic resonance imaging system. To achieve this, patients with PFPS and instable patella were tested in static knee flexion situations (0°, 10°, 20°, 30°) with different isometric knee joint loads (5 %, 25 %, 50 % of body weight). The results showed a more medial position and a decreased lateral tilt of the patella close to knee extension during low knee load in the PP condition.
The third study investigated the dynamic biomechanical effect of the PP orthosis on the patellofemoral pain and the tibiofemoral kinematics and kinetics. To do this, patients with PFPS and instable patella had to perform vertical counter-movement-jumps (CMJ) and isokinetic knee extensions (IK) (90°/s, 45° to 0°) with maximal effort. Increased knee extension moments were determined by wearing the PP orthosis during CMJ and IK. Furthermore, an increased jump height and a reduced patellofemoral pain were found during CMJ.
The findings of the present study approved the functionality of the PP orthosis. The results indicate that wearing the PP orthosis can contribute to a realignment of the patella, an increased load tolerance of the knee joint and a relief of patellofemoral pain. Consequently, it is reasonable to consider that the PP orthosis is suitable for the treatment of the patellofemoral pain syndrome.

Original language	German

Place of Publication	Köln
Publisher	Deutsche Sporthochschule Köln
Number of pages	160
Publication status	Published - 2016

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Dissertation_KHeinrich_ZBSport

Citation

@book{ed3853cc1fb345509089d7dea30b3fa8,

title = "Die Biomechanik des instabilen Patellofemoralgelenkes und die stabilisierende Wirkung von Orthesen",

abstract = "Die Patella verbindet die Quadrizepsmuskulatur mit dem Unterschenkel und besitzt dadurch einen bestimmenden Einfluss auf die Knieextension und die menschliche Fortbewegung. Menschen mit einem patellofemoralen Schmerzsyndrom tolerieren oft nur geringe Belastungen am verletzten Kniegelenk. Betroffene Personen neigen meist dazu ihre k{\"o}rperliche Aktivit{\"a}t zu reduzieren, was mit einer Einschr{\"a}nkung der Aktivit{\"a}ten des t{\"a}glichen Lebens einhergeht. Es wurde bereits gezeigt, dass retropatellare Schmerzen in einem Zusammenhang mit einer patellaren Fehlf{\"u}hrung zu sehen sind. W{\"a}hrend sich die gesunde Patella bei einer Extension des Kniegelenkes physiologisch zun{\"a}chst nach medial und in den letzten 30° bis zur Kniestreckung nach lateral entlang der medio-lateralen Achse des Kniegelenkes verlagert, ist eine patellare Fehlf{\"u}hrung mit einer reduzierten Medialisierung der Patella charakterisiert. Patellofemorale Schmerzen entstehen sukzessive mit der Zunahme der patellaren Fehlf{\"u}hrung, der damit verbundenen Reduktion der retropatellaren Kontaktfl{\"a}che und der daraus resultierenden Erh{\"o}hung der patellofemoralen Druckspitzen. Aus diesen Gr{\"u}nden ist eine effektive Behandlung des patellofemoralen Schmerzsyndroms (PFSS) notwendig. Als eine erste konservative Behandlungsmethode werden oft patellofemorale Orthesen eingesetzt. Diese werden daf{\"u}r konstruiert, der {\"u}berm{\"a}{\ss}igen Lateralisierung der instabilen patellaren F{\"u}hrung entgegen zu wirken, welches in einem Zusammenhang mit der Reduktion patellofemoraler Schmerzen gesehen wird. Allerdings lassen sich in der Literatur nur wenige Nachweise {\"u}ber die biomechanische Wirksamkeit von patellofemoralen Orthesen ableiten. Obwohl unklar ist, ob solche Orthesen f{\"u}r die Therapie des PFSS geeignet sind, ist eine konservative Behandlung mit patellofemoralen Orthesen weit verbreitet. Aufgrund des Mangels an Evidenz, liegt ein starker Bedarf an Studien vor, die potentiell den Effekt von Orthesen auf das Patellofemoralgelenk und das PFSS zeigen k{\"o}nnen. Aus diesen Gr{\"u}nden befasste sich die vorliegende Arbeit zun{\"a}chst mit der grunds{\"a}tzlichen Funktionsweise und anschlie{\ss}end mit der biomechanischen Wirksamkeit patellofemoraler Orthesen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teilstudien. Die erste Studie {\"u}berpr{\"u}fte die grundlegenden Biomechanik des Patellofemoralgelenkes und den Effekt der neuartigen Patella Pro (Otto-Bock HealthCare GmbH, 2016) und der konventionellen Genu Train P3 Bandage (Bauerfeind AG, 2016) auf die Kinematik des Patellofemoralgelenkes in vitro am Humanpr{\"a}parat. Dazu wurde der Effekt der Orthesen auf die Kinematik des Patellofemoralgelenkes bei passiven Kniestreckbewegungen zwischen 45° und 0° untersucht. Die Quadrizepsmuskulatur wurde mithilfe einer Halterung unter Zugspannung gebracht. Es konnte festgestellt werden, dass die neuartige Orthese zu einer Medialisierung der Patella beitr{\"a}gt. Dagegen konnte bei der konventionellen Orthese kein Effekt auf die medio-laterale Verlagerung nachgewiesen werden, daraufhin wurde diese Orthese nicht weiter untersucht.Die zweite Studie untersuchte die Ver{\"a}nderung der patellofemoralen Kinematik durch die Patella Pro Orthese mithilfe einer Magnetresonanztomografie in vivo an patellofemoral instabilen Patienten mit PFSS. Dazu wurden statische Kniewinkel (0°, 10°, 20°, 30°) unter unterschiedlichen kontrollierten isometrischen Kniegelenksbelastungen (5 %, 25 %, 50 % des K{\"o}rpergewichtes) analysiert. Die Ergebnisse zeigten eine positive Beeinflussung der Patella durch die Orthese. Die Orthese konnte die Patella bei geringer Belastung der Kniestreckmuskulatur nahe der Kniestreckung medialisieren und den lateralen patellaren Tilt bei Kniestreckung vermindern. Allerdings konnte kein Einfluss der Orthese auf die Kinematik der Patella bei erh{\"o}hter isometrischer Belastung der Kniestreckmuskulatur ermittelt werden. In der dritten Studie wurde abschlie{\ss}end die dynamische biomechanische Wirksamkeit der Patella Pro Orthese auf den patellofemoralen Schmerz und die tibiofemorale Kinematik und Kinetik unter den kniebelastenden Aktivit{\"a}ten Counter-Movement-Spr{\"u}nge und isokinetische Knieextensionen an Probanden mit instabilem Patellofemoralgelenk und PFSS untersucht. Die Spr{\"u}nge wurden mit maximaler Sprungh{\"o}he und die isokinetischen Knieextensionen (90°/s) zwischen 45° und 0° mit maximal generierbarem Extensionsmoment ausgef{\"u}hrt. Durch das Tragen der Orthese konnte eine Erh{\"o}hung der Knieextensionsmomente bei den Spr{\"u}ngen und bei den isokinetischen Knieextensionen festgestellt werden. Weiterhin konnte bei den Spr{\"u}ngen eine Erh{\"o}hung der Sprungh{\"o}he und eine Reduktion des empfundenen patellofemoralen Schmerzes gefunden werden. Die Funktionsweise der neuartigen Orthese konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Orthese in der Lage ist, die Fehlf{\"u}hrung der Patella zu korrigieren und das patellofemorale Schmerzsyndrom zu lindern. Obwohl der Einfluss der Orthese auf die Kinematik der Patella bei erh{\"o}hten Belastungen der Kniestreckmuskulatur statistisch nicht nachgewiesen werden konnte, wurde dennoch gezeigt, dass das Tragen der Orthese die Toleranz von hohen Belastungen des Kniegelenkes erh{\"o}ht. Durch das Tragen der Orthese kann betroffenen Personen erm{\"o}glicht werden, Kr{\"a}ftigungs{\"u}bungen der Kniestreckmuskulatur auszu{\"u}ben und Aktivit{\"a}ten des t{\"a}glichen Lebens wiederaufzunehmen. Folglich kann die neuartige Orthese f{\"u}r die Behandlung des patellofemoralen Schmerzsyndroms empfohlen werden.",

author = "Kai Heinrich",

year = "2016",

language = "Deutsch",

publisher = "Deutsche Sporthochschule K{\"o}ln",

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TY - BOOK

T1 - Die Biomechanik des instabilen Patellofemoralgelenkes und die stabilisierende Wirkung von Orthesen

AU - Heinrich, Kai

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Die Patella verbindet die Quadrizepsmuskulatur mit dem Unterschenkel und besitzt dadurch einen bestimmenden Einfluss auf die Knieextension und die menschliche Fortbewegung. Menschen mit einem patellofemoralen Schmerzsyndrom tolerieren oft nur geringe Belastungen am verletzten Kniegelenk. Betroffene Personen neigen meist dazu ihre körperliche Aktivität zu reduzieren, was mit einer Einschränkung der Aktivitäten des täglichen Lebens einhergeht. Es wurde bereits gezeigt, dass retropatellare Schmerzen in einem Zusammenhang mit einer patellaren Fehlführung zu sehen sind. Während sich die gesunde Patella bei einer Extension des Kniegelenkes physiologisch zunächst nach medial und in den letzten 30° bis zur Kniestreckung nach lateral entlang der medio-lateralen Achse des Kniegelenkes verlagert, ist eine patellare Fehlführung mit einer reduzierten Medialisierung der Patella charakterisiert. Patellofemorale Schmerzen entstehen sukzessive mit der Zunahme der patellaren Fehlführung, der damit verbundenen Reduktion der retropatellaren Kontaktfläche und der daraus resultierenden Erhöhung der patellofemoralen Druckspitzen. Aus diesen Gründen ist eine effektive Behandlung des patellofemoralen Schmerzsyndroms (PFSS) notwendig. Als eine erste konservative Behandlungsmethode werden oft patellofemorale Orthesen eingesetzt. Diese werden dafür konstruiert, der übermäßigen Lateralisierung der instabilen patellaren Führung entgegen zu wirken, welches in einem Zusammenhang mit der Reduktion patellofemoraler Schmerzen gesehen wird. Allerdings lassen sich in der Literatur nur wenige Nachweise über die biomechanische Wirksamkeit von patellofemoralen Orthesen ableiten. Obwohl unklar ist, ob solche Orthesen für die Therapie des PFSS geeignet sind, ist eine konservative Behandlung mit patellofemoralen Orthesen weit verbreitet. Aufgrund des Mangels an Evidenz, liegt ein starker Bedarf an Studien vor, die potentiell den Effekt von Orthesen auf das Patellofemoralgelenk und das PFSS zeigen können. Aus diesen Gründen befasste sich die vorliegende Arbeit zunächst mit der grundsätzlichen Funktionsweise und anschließend mit der biomechanischen Wirksamkeit patellofemoraler Orthesen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teilstudien. Die erste Studie überprüfte die grundlegenden Biomechanik des Patellofemoralgelenkes und den Effekt der neuartigen Patella Pro (Otto-Bock HealthCare GmbH, 2016) und der konventionellen Genu Train P3 Bandage (Bauerfeind AG, 2016) auf die Kinematik des Patellofemoralgelenkes in vitro am Humanpräparat. Dazu wurde der Effekt der Orthesen auf die Kinematik des Patellofemoralgelenkes bei passiven Kniestreckbewegungen zwischen 45° und 0° untersucht. Die Quadrizepsmuskulatur wurde mithilfe einer Halterung unter Zugspannung gebracht. Es konnte festgestellt werden, dass die neuartige Orthese zu einer Medialisierung der Patella beiträgt. Dagegen konnte bei der konventionellen Orthese kein Effekt auf die medio-laterale Verlagerung nachgewiesen werden, daraufhin wurde diese Orthese nicht weiter untersucht.Die zweite Studie untersuchte die Veränderung der patellofemoralen Kinematik durch die Patella Pro Orthese mithilfe einer Magnetresonanztomografie in vivo an patellofemoral instabilen Patienten mit PFSS. Dazu wurden statische Kniewinkel (0°, 10°, 20°, 30°) unter unterschiedlichen kontrollierten isometrischen Kniegelenksbelastungen (5 %, 25 %, 50 % des Körpergewichtes) analysiert. Die Ergebnisse zeigten eine positive Beeinflussung der Patella durch die Orthese. Die Orthese konnte die Patella bei geringer Belastung der Kniestreckmuskulatur nahe der Kniestreckung medialisieren und den lateralen patellaren Tilt bei Kniestreckung vermindern. Allerdings konnte kein Einfluss der Orthese auf die Kinematik der Patella bei erhöhter isometrischer Belastung der Kniestreckmuskulatur ermittelt werden. In der dritten Studie wurde abschließend die dynamische biomechanische Wirksamkeit der Patella Pro Orthese auf den patellofemoralen Schmerz und die tibiofemorale Kinematik und Kinetik unter den kniebelastenden Aktivitäten Counter-Movement-Sprünge und isokinetische Knieextensionen an Probanden mit instabilem Patellofemoralgelenk und PFSS untersucht. Die Sprünge wurden mit maximaler Sprunghöhe und die isokinetischen Knieextensionen (90°/s) zwischen 45° und 0° mit maximal generierbarem Extensionsmoment ausgeführt. Durch das Tragen der Orthese konnte eine Erhöhung der Knieextensionsmomente bei den Sprüngen und bei den isokinetischen Knieextensionen festgestellt werden. Weiterhin konnte bei den Sprüngen eine Erhöhung der Sprunghöhe und eine Reduktion des empfundenen patellofemoralen Schmerzes gefunden werden. Die Funktionsweise der neuartigen Orthese konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Orthese in der Lage ist, die Fehlführung der Patella zu korrigieren und das patellofemorale Schmerzsyndrom zu lindern. Obwohl der Einfluss der Orthese auf die Kinematik der Patella bei erhöhten Belastungen der Kniestreckmuskulatur statistisch nicht nachgewiesen werden konnte, wurde dennoch gezeigt, dass das Tragen der Orthese die Toleranz von hohen Belastungen des Kniegelenkes erhöht. Durch das Tragen der Orthese kann betroffenen Personen ermöglicht werden, Kräftigungsübungen der Kniestreckmuskulatur auszuüben und Aktivitäten des täglichen Lebens wiederaufzunehmen. Folglich kann die neuartige Orthese für die Behandlung des patellofemoralen Schmerzsyndroms empfohlen werden.

AB - Die Patella verbindet die Quadrizepsmuskulatur mit dem Unterschenkel und besitzt dadurch einen bestimmenden Einfluss auf die Knieextension und die menschliche Fortbewegung. Menschen mit einem patellofemoralen Schmerzsyndrom tolerieren oft nur geringe Belastungen am verletzten Kniegelenk. Betroffene Personen neigen meist dazu ihre körperliche Aktivität zu reduzieren, was mit einer Einschränkung der Aktivitäten des täglichen Lebens einhergeht. Es wurde bereits gezeigt, dass retropatellare Schmerzen in einem Zusammenhang mit einer patellaren Fehlführung zu sehen sind. Während sich die gesunde Patella bei einer Extension des Kniegelenkes physiologisch zunächst nach medial und in den letzten 30° bis zur Kniestreckung nach lateral entlang der medio-lateralen Achse des Kniegelenkes verlagert, ist eine patellare Fehlführung mit einer reduzierten Medialisierung der Patella charakterisiert. Patellofemorale Schmerzen entstehen sukzessive mit der Zunahme der patellaren Fehlführung, der damit verbundenen Reduktion der retropatellaren Kontaktfläche und der daraus resultierenden Erhöhung der patellofemoralen Druckspitzen. Aus diesen Gründen ist eine effektive Behandlung des patellofemoralen Schmerzsyndroms (PFSS) notwendig. Als eine erste konservative Behandlungsmethode werden oft patellofemorale Orthesen eingesetzt. Diese werden dafür konstruiert, der übermäßigen Lateralisierung der instabilen patellaren Führung entgegen zu wirken, welches in einem Zusammenhang mit der Reduktion patellofemoraler Schmerzen gesehen wird. Allerdings lassen sich in der Literatur nur wenige Nachweise über die biomechanische Wirksamkeit von patellofemoralen Orthesen ableiten. Obwohl unklar ist, ob solche Orthesen für die Therapie des PFSS geeignet sind, ist eine konservative Behandlung mit patellofemoralen Orthesen weit verbreitet. Aufgrund des Mangels an Evidenz, liegt ein starker Bedarf an Studien vor, die potentiell den Effekt von Orthesen auf das Patellofemoralgelenk und das PFSS zeigen können. Aus diesen Gründen befasste sich die vorliegende Arbeit zunächst mit der grundsätzlichen Funktionsweise und anschließend mit der biomechanischen Wirksamkeit patellofemoraler Orthesen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teilstudien. Die erste Studie überprüfte die grundlegenden Biomechanik des Patellofemoralgelenkes und den Effekt der neuartigen Patella Pro (Otto-Bock HealthCare GmbH, 2016) und der konventionellen Genu Train P3 Bandage (Bauerfeind AG, 2016) auf die Kinematik des Patellofemoralgelenkes in vitro am Humanpräparat. Dazu wurde der Effekt der Orthesen auf die Kinematik des Patellofemoralgelenkes bei passiven Kniestreckbewegungen zwischen 45° und 0° untersucht. Die Quadrizepsmuskulatur wurde mithilfe einer Halterung unter Zugspannung gebracht. Es konnte festgestellt werden, dass die neuartige Orthese zu einer Medialisierung der Patella beiträgt. Dagegen konnte bei der konventionellen Orthese kein Effekt auf die medio-laterale Verlagerung nachgewiesen werden, daraufhin wurde diese Orthese nicht weiter untersucht.Die zweite Studie untersuchte die Veränderung der patellofemoralen Kinematik durch die Patella Pro Orthese mithilfe einer Magnetresonanztomografie in vivo an patellofemoral instabilen Patienten mit PFSS. Dazu wurden statische Kniewinkel (0°, 10°, 20°, 30°) unter unterschiedlichen kontrollierten isometrischen Kniegelenksbelastungen (5 %, 25 %, 50 % des Körpergewichtes) analysiert. Die Ergebnisse zeigten eine positive Beeinflussung der Patella durch die Orthese. Die Orthese konnte die Patella bei geringer Belastung der Kniestreckmuskulatur nahe der Kniestreckung medialisieren und den lateralen patellaren Tilt bei Kniestreckung vermindern. Allerdings konnte kein Einfluss der Orthese auf die Kinematik der Patella bei erhöhter isometrischer Belastung der Kniestreckmuskulatur ermittelt werden. In der dritten Studie wurde abschließend die dynamische biomechanische Wirksamkeit der Patella Pro Orthese auf den patellofemoralen Schmerz und die tibiofemorale Kinematik und Kinetik unter den kniebelastenden Aktivitäten Counter-Movement-Sprünge und isokinetische Knieextensionen an Probanden mit instabilem Patellofemoralgelenk und PFSS untersucht. Die Sprünge wurden mit maximaler Sprunghöhe und die isokinetischen Knieextensionen (90°/s) zwischen 45° und 0° mit maximal generierbarem Extensionsmoment ausgeführt. Durch das Tragen der Orthese konnte eine Erhöhung der Knieextensionsmomente bei den Sprüngen und bei den isokinetischen Knieextensionen festgestellt werden. Weiterhin konnte bei den Sprüngen eine Erhöhung der Sprunghöhe und eine Reduktion des empfundenen patellofemoralen Schmerzes gefunden werden. Die Funktionsweise der neuartigen Orthese konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Orthese in der Lage ist, die Fehlführung der Patella zu korrigieren und das patellofemorale Schmerzsyndrom zu lindern. Obwohl der Einfluss der Orthese auf die Kinematik der Patella bei erhöhten Belastungen der Kniestreckmuskulatur statistisch nicht nachgewiesen werden konnte, wurde dennoch gezeigt, dass das Tragen der Orthese die Toleranz von hohen Belastungen des Kniegelenkes erhöht. Durch das Tragen der Orthese kann betroffenen Personen ermöglicht werden, Kräftigungsübungen der Kniestreckmuskulatur auszuüben und Aktivitäten des täglichen Lebens wiederaufzunehmen. Folglich kann die neuartige Orthese für die Behandlung des patellofemoralen Schmerzsyndroms empfohlen werden.

M3 - Dissertationsschrift

BT - Die Biomechanik des instabilen Patellofemoralgelenkes und die stabilisierende Wirkung von Orthesen

PB - Deutsche Sporthochschule Köln

CY - Köln

ER -