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Methodenartikel

Quantifizierung der Erholung nach der Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes unter Verwendung der Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung

148 Ansichten

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DOI:

10.3791/72088

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24. Juli 2026

 ,  ,  , 
1School of Kinesiology, Louisiana State University, 2Department of Orthopedics, University of North Carolina at Chapel Hill, 3Department of Physical Therapy, Louisiana State University Health Sciences Center

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll soll zeigen, wie Kliniker die Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung nach einer Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes bewerten können.

Zusammenfassung

Nach einer vorderen Kreuzbandrekonstruktion (ACLR) zeigen Patienten häufig anhaltende Defizite der Quadrizepsmuskelkraft, die die Lebensqualität verringern und zu langfristigen funktionellen Beeinträchtigungen führen. Historisch gesehen konzentrierten sich postoperative Bewertungen der Muskelfunktion auf das maximale isometrische Drehmoment oder das Spitzendrehmoment bei einer einzigen isokinetischen Geschwindigkeit und vernachlässigten dabei die Vielfalt der Anforderungen an eine Muskelgruppe über Aktivitäten hinweg sowie die Präzision, die zur Steuerung der klinischen Entscheidungsfindung erforderlich ist. Ziel dieser Demonstration ist es, zu veranschaulichen, wie isokinetische Tests bei unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten verwendet werden können, um die Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung nach ACLR zu charakterisieren. Das Protokoll umfasst die Vorbereitung des Teilnehmers, die Einstellung des Dynamometers, die Konfiguration des Bewegungsradius sowie die Ausrichtung der wichtigsten Testkomponenten, einschließlich Sitzposition und Armlänge des Dynamometers. Die Kraftbewertung besteht aus isometrischen Kniestrecktests sowie konzentrischen isokinetischen Kniestreck- und Beugungstests bei 60°/s, 180°/s und 240°/s. Bei der Zwei-Punkt-Methode wird die Drehmomentgeschwindigkeit als Differenz in der normalisierten Drehmomenterzeugung zwischen einer langsamen und einer schnellen Testgeschwindigkeit (z. B. 60°/s und 180°/s) berechnet. Für die vollständige Multi-Velocity-Charakterisierung werden die bei jeder Geschwindigkeit erzielten Spitzendrehmomentwerte in eine Tabelle oder Statistiksoftware exportiert und mit Regressionstechniken analysiert. Frühere Ergebnisse haben gezeigt, dass Patienten nach ACLR eine Kniestrecker-Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung der betroffenen Gliedmaße etwa halb so groß wie die kontralaterale Gliedmaße mit der Zwei-Punkt-Methode und eine geringere Neigung als die kontralaterale Gliedmaße mit Mehrfachgeschwindigkeitscharakterisierung aufweisen. Die Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung kann persistierende Defizite identifizieren, die durch Einzelgeschwindigkeitstests nicht erfasst werden, und kann zur Überwachung der Erholung über die Zeit genutzt werden.

Einleitung

Vordere Kreuzbandverletzungen gehören zu den häufigsten im Sport und verursachen jährlich Milliarden von Dollar an Gesundheitskosten in den USA1. Trotz Fortschritten in chirurgischer Technik und klinischer Versorgung entwickeln Patienten nach der vorderen Kreuzbandrekonstruktion (ACLR) regelmäßig eine anhaltende Quadrizepsmuskelschwäche 2,3. Defizite in der Funktion des Quadrizepsmuskels stehen im Zusammenhang mit einer verminderten Lebensqualität, verminderter Fähigkeit, tägliche Aktivitäten zu erledigen, und einer verminderten Gesamtfunktion 4,5,6,7. Angesichts der Bedeutung der Funktion der Quadrizeps sind Testbatterien, einschließlich objektiver Bewertung der Quadrizeps, ein zentrales Element der multidimensionalen Testbatterien, die bei Entscheidungen zur Rückkehr zum Sportverwendet werden.

Aktuelle klinische Bewertungen der Muskelfunktion bewerten maximale Kraft als Maß für die Muskelkapazität, aber die Muskelleistung wird auch von weiteren physiologischen Prinzipienbeeinflusst 8,9,10. Die Kräfte-Geschwindigkeits-Beziehung ist ein grundlegendes physiologisches Prinzip, das durch die umgekehrte Beziehung zwischen Kontraktionsgeschwindigkeit und Kraftproduktiondefiniert ist 11,12. Dieses Modell wurde in einer Reihe verschiedener in-vitro- und in-vivo-Studien sowie im menschlichen ganzen Muskel über die Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung12,13 demonstriert. Die Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung wurde zuvor durch isokinetische Dynamometrie charakterisiert und zeigte sich bei Patienten mit ACLR-Vorgeschichte sowie durch Immobilisierung, Alterung und andere Pathologien verändert (14,15,16,17,18). Angesichts der weit verbreiteten Anwendung von Tests mit ein oder zwei Geschwindigkeiten für den klinischen Einsatz wurde diese Methode entwickelt, um Veränderungen eines zugrunde liegenden physiologischen Muskelprinzips zu überwachen.

Die Verwendung isometrischer und isokinetischer Tests nach ACLR ist weit verbreitet und weit verbreitet19,20. Sich ausschließlich auf die Drehmomenterzeugung bei einer einzigen Geschwindigkeit durch isometrische oder isokinetische Tests bei einer einzigen Geschwindigkeit zu konzentrieren, ist möglicherweise nicht repräsentativ für den Bereich der muskulären Anforderungen während alltäglicher Aktivitäten und sportlicherAktivität 14,21,22. Die Zwei-Punkt-Methode zur Charakterisierung des Drehmoment-Geschwindigkeits-Verhältnisses hat sich als zuverlässig erwiesen und kann klinisch nützlich sein, solange die gewählten Geschwindigkeiten eine Winkelgeschwindigkeitsdifferenz von mindestens 90°/s 15,23 aufweisen. Dieses Protokoll demonstriert zwei Geschwindigkeitsisokinetik-Tests für den klinischen Einsatz sowie die Verwendung mehrerer Geschwindigkeiten, um die Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung detaillierter zu charakterisieren. Während sich dieses Protokoll auf die Analyse der Spitzendrehmomentproduktion konzentriert, ermöglicht der Dynamometer auch den vollständigen Export von Zeitreihendaten für Zeitreihenanalysen. Das Spitzendrehmoment ist ein Maß für maximale Kraft oder Leistungserzeugung, aber Variablen wie Drehmomententwicklung, Zeit bis zum Spitzendrehmoment und Spitzendrehmoment zeigen zusätzliche Methoden zur Bestimmung der Fähigkeit der Teilnehmer, schnell Kraft zu erzeugen und auf unterschiedliche potenzielle Anforderungen zu reagieren 24,25,26,27.

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Protokoll

Alle repräsentativen Daten wurden nach der Genehmigung des Prüfungsausschusses erhoben, und die informierte Zustimmung aller Teilnehmer wurde eingeholt. Das untenstehende Protokoll wurde bei Teilnehmern im Alter von mindestens 12 Jahren und 4 Monaten nach ACLR durchgeführt, ohne Einschränkungen aufgrund des Transplantattyps. Ausschlusskriterien waren Schwangerschaft, schwere Infektion in der Nähe der unteren Gliedmaße, bekannte Muskelauffälligkeiten und eine Vorgeschichte von kardiopulmonaler Erkrankung.

1. Methode 1: Vorbereitung des Teilnehmers und Dynamometer-Aufbau

HINWEIS: Eine konsistente Dynamometer-Konfiguration ist entscheidend, um eine valide, reproduzierbare Drehmomentbewertung zwischen Sitzungen und Teilnehmern sicherzustellen. Wie vom Hersteller empfohlen, sollte der Dynamometer monatlich kalibriert werden. Die Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Positionsdaten in diesem Protokoll wurden bei 100 Hz exportiert, und es wurde keine zusätzliche Glättung oder Filterung über die Signalverarbeitung des Herstellers hinaus angewendet. Dieses Protokoll sollte nicht abgeschlossen werden, bevor ein Patient während der Rehabilitation eine offene Kniestreckung durchgeführt hat.

  1. Beginnen Sie alle Eingriffe mit dem nicht betroffenen Gliedmaß.
  2. Lassen Sie den Teilnehmer ein standardisiertes Aufwärmen absolvieren, das etwa 5 Minuten Laufbandgang mit einem standardisierten Tempo von 3,0 mph umfasst.
  3. Schalte den Dynamometer ein und befestige den Dynamometerarm.
  4. Positionieren Sie den Stuhl in einem Rückenwinkel von 85° und stellen Sie die Drehung des Dynamometers entsprechend den Herstellerstandards auf 40° ein.
  5. Setzen Sie den Teilnehmer mit etwa 85° gewinkelten Hüften und weisen Sie ihn an, eine aufrechte Haltung zu halten und während des Tests nicht an den Griffen des Dynamometers zu greifen.
  6. Stellen Sie die Rückenverschiebung so an, dass die Poplitealgrube etwa 3–4 cm vor dem Sitzrand liegt.
  7. Stellen Sie die Sitzposition und die Ausrichtung des Dynamometerarms an, bis die mechanische Achse mit dem lateralen Femurkondylus ausgerichtet ist.
  8. Positioniere das Widerstandspolster des Dynamometerarms etwa 5 cm proximal zum lateralen Malleolus am vorderen Teil des Unterschenkels28,29.
  9. Befestigen Sie das Testarm am Dynamometerarm. Stellen Sie sicher, dass der Schaft neutral bleibt, um eine Drehung zu vermeiden, wenn Sie ihn mit einem Gurt am Dynamometerarm befestigen. Stabilisieren Sie den Teilnehmer mit Gurten über Rumpf und Becken.
  10. Sichern Sie den Testoberschenkel mit einem Gurt, um Hüftbeugung zu verhindern, und sichern Sie die gegenseitliche Gliedmaße mit der verfügbaren Fesselung. Zusätzlich zu Fesseln müssen die Patienten angewiesen werden, während des gesamten Tests nur zu versuchen, die getestete Gliedmaße zu strecken und zu beugen.
  11. Bewegen Sie die Gliedmaße passiv durch einen vollständigen Bewegungsbogen, um sicherzustellen, dass keine zusätzlichen Anpassungen nötig sind. Zeichnen Sie die Position des Stuhls, die Position des Dynamometers und die Armlänge für die zukünftige Beurteilung auf.

2. Methode 2: Bewegungsumfang einstellen

HINWEIS: Verwenden Sie softwarebasierte Register und manuelle Register.

  1. Setze anatomische Null auf 180°/volle Kniestreckung. Wenn der Teilnehmer keine vollständige Kniestreckung hat, verwenden Sie die Dynamometer-Offset-Funktion, um die Einschränkung auszugleichen. Geben Sie die Differenz von der aktuellen Gliedmaßenposition bis zu den anatomischen null Grad in den Dynamometer-Offset ein. Bewegungsbeschränkungen können die Wellenformanalyse und den Spitzendrehmomentwinkel verändern.
  2. Setze die Dynamometer-Streckgrenze auf 175° (5° Kniebeugung von anatomischer Null oder maximaler verfügbarer Kniestreckung).
  3. Setze die Dynamometerbeugungsgrenze auf 70° (110° Kniebeugung ab anatomischem Nullpunkt oder maximal verfügbare Knieflexion, wenn 110° nicht erreicht werden kann).
  4. Stellen Sie die manuellen Stopps entsprechend ein.
  5. Das Gewicht der Gliedmaßen sollte so nah wie möglich an der maximalen Kniestreckung gemessen werden, ohne den Komfort der Teilnehmer zu beeinträchtigen und nicht zu weit zu überschreiten. Weisen Sie den Patienten an, sich zu entspannen und das Gliedmaß 3–4 Mal in schneller Folge zu wiegen, bis das Gewicht stabil erscheint.
    HINWEIS: Wenn das Gliedmaßengewicht weniger als 1,5 Nm schwankt, betrachtet man das Gewicht als stabil. Sobald das Gewicht akzeptiert wird, wendet die Software automatisch eine Schwerkraftkorrektur an. Korrigierte Werte sollten für alle Analysen verwendet werden.

3. Methode 3: Stärkebewertung

HINWEIS: Konsistenz bei Hinweisen und Anweisungen ist entscheidend. Weisen Sie Patienten an, so fest und schnell wie möglich zu treten. Geben Sie verbale Ermutigung.

  1. Beginnen Sie mit dem nicht betroffenen Glied zu testen
  2. Geben Sie standardisierte mündliche Anweisungen wie: "Tritt so hart und schnell wie möglich", "Zieh dein Bein so fest und schnell wie möglich wieder nach unten" und "Du bewegst die Maschine immer, und sie bewegt dich nicht."
  3. Geben Sie während aller Prüfungen starke verbale Ermutigung.

4. Methode 4: Isometrische Tests

  1. Führen Sie isometrische Kniestreckungstests bei einem Gelenkwinkel von 90 Grad Kniebeugung durch.
  2. Beginnen Sie mit drei Vertrautmachungswiederholungen. Weisen Sie den Teilnehmer an, auszutreten und eine Wehe bei 25 % des wahrgenommenen Maximums aufrechtzuerhalten, gefolgt von 50 % und 75 %, mit 30 Sekunden Ruhe zwischen den Wehen. Dieses Ruheintervall stimmt mit anderen Untersuchungen überein, die isokinetische und isometrische Dynamometrie 24,26 verwenden.
  3. Weisen Sie den Teilnehmer an, so hart und schnell wie möglich auszutreten und die Wehe 3–5 Sekunden aufrechtzuerhalten.
  4. Führen Sie 2–3 maximale Versuche mit 30 Sekunden Ruhe zwischen den Versuchen durch.

5. Methode 5: Isokinetische Tests

  1. Führen Sie konzentrische isokinetische Kniestreckungs- und Beugungstests mit folgenden Geschwindigkeiten durch: 60°/s, 180°/s, 240°/s.
    HINWEIS: Dynamometereinstellungen koppeln standardmäßig Agonisten- und Antagonistenbewegungen während konzentrischer isokinetischer Tests, wobei sich diese Ergebnisse auf die Kniestrecker konzentrieren, da dort frühere Defizite festgestellt wurden.
  2. Bei jeder Geschwindigkeit,
    1. Führe 4 aufeinanderfolgende submaximale Übungswiederholungen durch, wobei du von niedrigem bis nahezu maximalem Aufwand (25–75 %) aufsteigst.
    2. Führe 8 Wiederholungen mit maximaler Anstrengung aus.
    3. Bieten Sie Echtzeit-visuelles Feedback, das die Drehmoment-Zeit- oder Drehmoment-Positionskurven anzeigt, sowie konsequente mündliche Ermutigung.
    4. Zwischen den Tests sollten bei jeder neuen Geschwindigkeit 30–60 Sekunden Ruhe eingeplant werden. Dieses Ruheintervall stimmt mit anderen Untersuchungen überein, die isokinetische und isometrische Dynamometrie 24,26 verwenden. Single-Velocity-Tests verwenden oft Rasteintervalle von 30 Sekunden, aber Untersuchungen mit multiplen Geschwindigkeitstests haben gezeigt, dass Ruheintervalle von 60 Sekunden ausreichen, um die potenziellen Auswirkungen von Ermüdung 24,30,31 zu verringern. Wenn die Teilnehmer Anzeichen von übermäßiger Müdigkeit zeigen, sollten die ortsspezifischen Verlängerungen der Ruhezeit in Betracht gezogen werden.
  3. Wiederhole das gesamte Protokoll am ACLR-Gliedmaß.
  4. Weisen Sie die Teilnehmer an, die Tests abzubrechen, wenn sie stechende Schmerzen oder Unbehagen verspüren.

6. Methode 6: Datenverarbeitung und Ergebnismaße

HINWEIS: Für den klinischen Gebrauch sollte die Symmetrie der Spitzendrehmomentproduktion über alle Geschwindigkeiten hinweg bewertet werden und Abnahmen des Drehmoments mit zunehmender Kontraktionsgeschwindigkeit bestätigt werden. Wenn der Variationskoeffizient zwischen Studien für eine isokinetische Geschwindigkeit 10 % übersteigt, wird erneut getestet, wenn die Zeit es erlaubt, es sei denn, der Patient berichtet von Schmerzen.

  1. Identifizieren Sie das Spitzendrehmoment (der höchste momentane Drehmomentwert) für jede Geschwindigkeit und jeden Kontraktionstyp anhand der Wiederholung, die das höchste Spitzendrehmoment erzeugt hat.
  2. Normalisiere Drehmomentwerte auf die Körpermasse (Nm/kg).
  3. Identifizieren Sie einen primären Satz von zwei Geschwindigkeiten für die Berechnung des Drehmoments mit der Zwei-Punkt-Methode (z. B. 60°/s und 180°/s). Für Zweipunktberechnungen wird die Drehmomentgeschwindigkeit als Differenz der normalisierten Drehmomentproduktion bei langsamen und schnellen Geschwindigkeiten berechnet.

7. Methode 7: Multi-Geschwindigkeits-Drehmoment-Geschwindigkeits-Charakterisierung (optional)

  1. Exportieren Sie Spitzendrehmomentwerte für jeden getesteten Zustand, einschließlich isometrischer (0°/s) und aller isokinetischen Geschwindigkeiten (60°/s, 180°/s, 240°/s).
  2. Geben Sie die Daten in die Microsoft Excel-Tabellensoftware ein:
    1. Spalte A: Winkelgeschwindigkeit
    2. Spalte B: Maximaldrehmoment (Nm)
    3. Spalte C: Maximales Drehmoment nicht beteiligt (Nm)
      HINWEIS: Rohe und normalisierte Drehmomentwerte erzeugen innerhalb eines einzelnen Teilnehmers proportionale Steigungen. Zum Vergleich zwischen den Teilnehmern können Körpermasse und andere individuelle Faktoren als Kovariaten in statistische Modelle aufgenommen werden.
  3. Erstellen Sie eine zusätzliche Zeile mit der SLAPE-Funktion in der Tabellenkalkulationssoftware mit =SLOPE(torque_values, velocity_values)
  4. Erstellen Sie eine zusätzliche Zeile zur Analyse der Symmetrie mit =(involved_limb_slope/uninvolved_limb_slope)*100 (Abbildung 1).
  5. Notieren Sie den resultierenden Steigungswert
  6. Exportieren Sie bei Bedarf die vollständigen Daten aus Drehmoment, Position, Geschwindigkeit und Zeitreihen zur späteren Analyse. Exportierte Daten können verwendet werden, um zusätzliche Variablen zu berechnen, wie die Drehmomententwicklungsrate (Änderung des Drehmoments über die Zeit) und andere Drehmomentzeit-Eigenschaften26,32.

figure-protocol-1
Abbildung 1. Vereinfachter repräsentativer Drehmomentgeschwindigkeitsdatensatz und schneller Analyse-Workflow. Die Spitzendrehmomentwerte wurden in Tabellenkalkulationssoftware exportiert und mit einer linearen Regressionslinie gegen die Winkelgeschwindigkeit dargestellt. Dies stellt eine vereinfachte Dateneingabe für einen einzelnen Teilnehmer dar und sollte mit zusätzlichen Spalten für jeden Teilnehmer und jede Testsitzung für die Längsbeurteilung erweitert werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

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Ergebnisse

Ein erfolgreicher Abschluss dieses Protokolls sollte zu der höchsten Drehmomentabgabe bei null Geschwindigkeit (isometrisch) und einem fortschreitenden Rückgang des Drehmoments mit zunehmenden isokinetischen Kontraktionsgeschwindigkeitenvon 12 führen. In einer früheren Kohorte war bei der Untersuchung von Patienten mit ACLR-Vorgeschichte dieser fortschreitende Rückgang bei nicht betroffenen Gliedmaßen stärker als bei ACLR-Gliedmaßen14. Einz...

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Diskussion

Dieses Protokoll beschreibt eine klinisch praktikable Methode zur Bewertung der Quadrizeps-Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung mittels multimodaler Dynamometrie nach ACLR. Anhaltende Quadrizeps-Schwäche ist in verschiedenen Altersgruppen und ACLR-Graft-Typen36,37 häufig. Traditionelle Testbatterien für Patienten, die nach der Operation zum Sport zurückkehren, konzentrieren sich jedoch auf maximale Kraft, können aber die Funktio...

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Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte oder Offenlegungen zu melden.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Computer-ArbeitsplatzJeder kommerzielle HerstellerN/AZum Bedienen von Dynamometer-Software und Exportieren von Daten
Digitaler NeigungsmesserJeder kommerzielle HerstellerN/AZum Überprüfen der anatomischen Nullposition, falls gewünscht
HUMAC NORM Test- und RehabilitationssystemCSMi Solutionshttps://csmisolutions.com/Computergesteuertes Multimodus-Dynamometer für isometrische und isokinetische Kniekrafttests
TabellenkalkulationssoftwareMicrosoftExcel (versionsabhängig)Zum Eingeben und Verarbeiten von Drehmomentdaten
LaufbandJeder kommerzielle HerstellerN/AZum standardisierten Aufwärmen vor dem Test

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Quantifizierung der Erholung nach der Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes unter Verwendung der Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung
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