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Kinetic and kinematic characteristics of natural velocity gait in anterior cruciate ligament-deficient patients

Żuka-Nowak, Katarzynaa; Ogrodzka, Katarzynab; Chwała, Wiesławc; Niedźwiedzki, Łukaszd; Niedźwiedzki, Tadeuszd

International Journal of Rehabilitation Research: June 2013 - Volume 36 - Issue 2 - p 152–161
doi: 10.1097/MRR.0b013e32835c79c5
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This study evaluates changes in the knee following anterior cruciate ligament (ACL) injuries by presenting the kinematic characteristics of the ankle and hip joints and the pelvis, and assessing the dynamic forces applied by knee joint muscles under isokinetic conditions to identify compensatory mechanisms. Seventeen ACL-deficient males, 16–47 years of age, participated in the study, and measurements were taken an average of 24.4 months after their injuries occurred. Vicon, a three-dimensional motion analysis system, was used to examine the participants’ locomotive characteristics. Isokinetic tests were carried out using Easytech Genu 3 at two velocities 60 and 180°/s. We found that deviations from normal gait were most common in the ACL-deficient knee, and that there was also a noticeable impact on the functioning of other joints in the same limb. However, even chronic knee joint laxity did not result in a considerable change in a participant’s gait stereotype. Measurements showed a reduction in muscular strength in knee joint extensors and flexors in isokinetic contraction in the developed joint moments of the muscle groups under research compared with the healthy limb.

Im Rahmen der vorliegenden Studie werden Veränderungen am Knie nach Verletzungen des vorderen Kreuzbands (ACL) evaluiert, indem die kinematischen Eigenschaften der Knöchel- und Hüftgelenke sowie des Beckens präsentiert werden und die dynamischen, von der Kniegelenksmuskulatur ausgehenden Kräfte unter isokinetischen Bedingungen beurteilt werden, um Ausgleichsmechanismen zu ermitteln. An der Studie nahmen 17 ACL-defizitäre Männer im Alter von 16–47 Jahren teil, die Messungen fanden im Durchschnitt 24.4 Monate nach der Verletzung statt. Mit Vicon, einem System, das Bewegung dreidimensional darstellt, wurden die lokomotorischen Bewegungseigenschaften der Studienteilnehmer ausgewertet. Mit Easytech Genu 3 wurden isokinetische Tests mit zwei Geschwindigkeiten von 60 und 180°/s durchgeführt. Dabei stellten wir fest, dass Anomalien ggü. dem Normalgang beim ACL-defizitären Knie am häufigsten waren und dass sich diese deutlich auf die Funktion anderer Gelenke in der gleichen Extremität auswirkten. Dennoch führte selbst eine chronische Laxheit des Kniegelenks nicht zu erheblichen Veränderungen im Gang-Stereotyp des Teilnehmers. Messungen zufolge wurde - verglichen mit der gesunden Extremität - eine Abnahme der Muskelkraft bei den Extensoren und Flexoren des Kniegelenks bei der isokinetischen Kontraktion in den untersuchten entwickelten Gelenkmomenten der Muskelgruppen beobachtet.

Este estudio evalúa los cambios producidos en la rodilla tras sufrir una lesión del ligamento cruzado anterior (LCA) mediante el análisis de las características cinemáticas de la pelvis y las articulaciones del tobillo y la cadera, así como de las fuerzas dinámicas que ejercen los músculos de la rodilla bajo condiciones isocinéticas, con el fin de identificar una serie de mecanismos compensatorios. En el estudio participaron 17 sujetos de sexo masculino con LCA, de edad comprendida entre los 16 y los 47 años, y las mediciones fueron tomadas 24.4 meses después de producirse la lesión. Se utilizó Vicon, un sistema tridimensional de análisis del movimiento, para examinar las características locomotivas de los participantes. Para las pruebas isocinéticas se utilizó Easytech Genu 3 a dos velocidades (60 y 180°/s). Se observó que las desviaciones de la marcha normal eran más comunes en la rodilla con LCA y que esto tenía un impacto considerable en el funcionamiento de otras articulaciones del mismo miembro. Sin embargo, la laxitud crónica de la articulación de la rodilla no produjo ningún cambio importante en el tipo de marcha de los participantes. Las mediciones mostraron una disminución de la fuerza muscular en los extensores y los flexores de la rodilla durante la contracción isocinética de los momentos de la articulación producidos en los grupos musculares sometidos a las pruebas, en comparación con el miembro sano.

Cette étude évalue les changements dans le genou résultant de blessures du ligament croisé antérieur (LCA) en présentant les caractéristiques cinématiques de la cheville et des articulations de la hanche et du bassin, et en évaluant les forces dynamiques appliquées par les muscles de l'articulation du genou dans des conditions isocinétiques, en vue d’identifier les mécanismes compensatoires. Dix-sept hommes de 16 à 47 ans présentant des déficiences du LCA ont participé à l'étude, et des mesures ont été prises en moyenne 24.4 mois après la blessure. Un système tridimensionnel d’analyse du mouvement, Vicon, a été utilisé pour examiner les caractéristiques de locomotion des participants. Les tests isocinétiques ont été réalisées à l'aide d’Easytech Genu 3 à deux vitesses: 60 et 180 °/s. Nous avons constaté que les déviations de la marche normale étaient plus fréquentes au niveau du genou déficient du LCA, et qu'un impact notable s’observait également sur le fonctionnement des autres articulations du même membre. Cependant, un laxisme même chronique du genou n'entraînait pas de changement considérable dans la démarche stéréotype du participant. Les mesures ont montré une diminution de la force musculaire des extenseurs et fléchisseurs de l’articulation du genou lors de la contraction isocinétique dans les moments de l’articulation développés par les groupes musculaires étudiés par rapport au membre sain.

aARTROMED Orthopaedic and Rehabilitation Centre

bDepartment of Clinical Rehabilitation, Section of Rehabilitation in Traumatology

cDepartment of Anthropomotorics, Section of Biomechanics, University School of Physical Education

dClinic of Orthopaedics and Traumatology of the Musculoskeletal System, Jagiellonian University Medical College, Krakow, Poland

Correspondence to Katarzyna Ogrodzka, PhD, Department of Clinical Rehabilitation, Section of Rehabilitation in Traumatology, University School of Physical Education, Al Jana Pawla II 78 Krakow, Poland Tel: +48 126 831 065; e-mail: katarzynaogrodzka@wp.pl

Received December 7, 2011

Accepted October 18, 2012

© 2013 Wolters Kluwer Health | Lippincott Williams & Wilkins