Ambulatory motion analysis in persons with degenerative knee disorders

Abstract

It is assumed that worldwide 250 million people suffer from degenerative knee disorders, which is also known as knee osteoarthritis. KOA is more common in women than in men and its prevalence increases with age. Over the age of 60, 18% of the female and 10% of the male population show symptoms of KOA. In the last decades, the understanding in the pathogenesis of KOA has increased. New insights revealed that KOA should not be considered a wear and tear pathology, but that it is a disease of the whole joint, characterized by structural changes in the articular cartilage, subchondral bone, synovium, menisci, ligaments and periarticular muscles. Together, these structural changes contribute to the onset and progression of degenerative changes in the knee joint and eventually lead to pain and disability. It is shown that primary risk factors for KOA, such as ageing, obesity and joint injury, are associated with biomechanical changes that develop ahead of the symptoms of KOA. Furthermore, several adaptive movement strategies in the joints located proximal and distal to the knee joint are identified in persons with KOA, which can be interpret as strategies to unload the knee joint when the severity of KOA increases. These changes in movement behaviour highlight the added value of instrumented motion analysis for the (early) detection of (mal)adaptive movement strategies related to KOA. This way, specific treatment might be developed to prevent further limitation. While motion analysis is generally performed in a biomechanical motion analysis laboratory, the interest in ambulatory motion analysis based on inertial sensor technology has increased the last decade. Nevertheless, inertial sensor technology is currently only limited used for the assessment of (mal)adaptive movement patterns in trunk, pelvis and lower limb joints in persons with degenerative knee disorders. Therefore, this doctoral thesis will determine the potential of inertial sensor technology to evaluate (mal)adaptive movement patterns of the trunk, pelvis and lower limb joints in persons with KOA. First, it was evaluated to what extend inertial sensor technology was used to measure trunk, pelvis and lower limb joint kinematics and if the assessment protocols were in accordance with the guidelines for KOA. Based on a systematic review described in Chapter 1, it was demonstrated that in healthy persons, trunk, hip, knee and ankle joints were assessed during various functional movement tasks. However, for persons with KOA, only the knee and ankle joints were assessed during walking. Based on the results of the systematic review, a functional movement protocol for the kinematic assessment of persons with knee osteoarthritis was developed. This protocol included functional movement tasks such as walking, forward lunge, sideward lunge, ascending and descending stairs, sit to stance, single leg squat and an unipodal stance task. These tasks were selected as they are demanding and challenging for persons with KOA, are feasible to perform in clinical practice and agree with health domains of the International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF). Secondly, the reliability and agreement of the kinematic measurements of the trunk, pelvis and lower limb joints using inertial sensors were evaluated to determine if the kinematics were measured consistent (reliable) and provided the same outcome (agreement) in case of repeated measures (between multiple sessions and between different operators). Within Chapter 2 it was demonstrated that the joint kinematics recorded during walking, forward lunge and sideward lunge had sufficient reliability and agreement to be used for the identification of kinematic differences between healthy controls and persons with KOA. In contrast, ascending and descending stairs had the lowest reliability and agreement and were therefore considered to be less suitable for clinical use. In Chapter 3 the reliability and agreement of the single leg squat and sit to stand task were evaluated. Results demonstrated that the single leg squat was performed with more movement variability, as the within-session reliability was lower compared to the between-session and between-operator reliability. The lack of a clear endpoint in the single leg squat task most likely caused the high within-session reliability. Therefore, it was concluded that, in a clinical context, it would only be relevant to use the mean joint angles of multiple repetitions of the single leg squat task (since these were used for evaluate the between-session and betweenoperator reliability which were adequate). Thirdly, the discriminant validity of inertial sensor technology to differentiate between joint kinematics of healthy controls and persons with KOA was evaluated. Additionally, we investigated the relationship between discriminating joint kinematics and perceived pain, disability and fear of movement. In Chapter 4, it was demonstrated that the inertial sensor system was able to discriminate for greater trunk lean towards the contralateral leg and increased hip flexion during the unipodal stance, in persons with KOA. In Chapter 5 the discriminant parameters were reduced trunk and pelvis rotation during walking, and less knee range of motion (ROM) during walking, which was related to increased perceived pain. A reduced knee flexion ROM was also found during the forward lunge, sideward lunge, single leg squat and ascending/descending stairs. Additionally, less plantarflexion and a reduced hip abduction ROM were found during the sideward lunge. The latter was furthermore related to increased fear of movement. These results indicate that the inertial sensor system was only able to identify differences for specific sets of joint kinematics between healthy controls and persons with KOA. Finally, the main findings of this work, the limitations and challenges for implementation of inertial sensor technology in clinical practice and future research perspectives regarding the implementation of inertial sensor technology in clinical practice were critically discussed in the general discussion. In conclusion, this doctoral thesis showed that the protocols available at the start of this PhD project for the assessment of persons with KOA were inadequate to measure (mal)adaptive movement patterns. Therefore, a functional movement protocol was developed that included demanding tasks which challenged the persons with KOA. The reliability and agreement of the trunk, pelvis and lower limb joint kinematics were promising to assess joint kinematics. However, the inertial sensor system had only limited ability to discriminate between healthy controls and persons with KOA. As such it was concluded that before the inertial sensor system can be implemented in clinical practice, for the assessment of (mal)adaptive movement strategies, its accuracy should be improved. The results of this doctoral thesis make a unique contribution to the current knowledge as it describes the opportunities and challenges for clinical implementation which shows that it is not straightforward to implement inertial sensor technology into the rehabilitation setting.

Naar schatting hebben wereldwijd ongeveer 250 miljoen mensen last van degeneratieve knie aandoeningen, ook wel knie artrose genoemd. Knieartrose komt vaker voor bij vrouwen dan bij mannen en de prevalentie neemt toe met de leeftijd. Boven de leeftijd van 60 jaar vertoont 18% van de vrouwen en 10% van de mannen symptomen van knieartrose. De afgelopen jaren zijn de inzichten in de pathogenese van knieartrose toegenomen. Hierdoor wordt knieartrose niet meer enkel beschouwd als het gevolg van slijtage, maar als een aandoening van het gehele gewricht. Knieartrose wordt gekenmerkt door structurele veranderingen van het kraakbeen, het subchondrale bot, het synovium, de menisci, de ligamenten en de peri-articulaire spieren. Deze veranderingen dragen bij aan het ontstaan en de progressie van de degeneratieve veranderingen in de knie, welke zich uiteindelijk uiten in de ontwikkeling van pijn en beperkingen. De behandeling van knieartrose wordt doorgaans pas gestart wanneer uitgesproken symptomen aanwezig zijn. Echter, uit voorgaand onderzoek blijkt dat de primaire risicofactoren zoals veroudering, obesitas en gewrichtsletsels geassocieerd zijn met biomechanische veranderingen in de knie die ontwikkelen voordat de symptomen van knieartrose zich uiten. Daarnaast is aangetoond dat naarmate de ernst van knieartrose toeneemt, het beweegpatroon wordt aangepast om de knie te ontlasten. Deze veranderingen in beweegpatronen, ook wel (mal)adaptieve bewegingsstrategieën genoemd, kunnen zowel ter hoogte van de knie zelf als in gewrichten boven en onder de knie plaatsvinden. Deze aanpassingen in het beweegpatroon pleiten voor het gebruik van instrumentele bewegingsanalyse, in functie van (vroegtijdige) detectie van (mal)adaptieve bewegingsstrategieën, om zo specifieke behandelingen te ontwikkelen en verdere beperkingen te voorkomen. Bewegingsanalyse wordt over het algemeen uitgevoerd in een bewegingslaboratorium, maar de laatste jaren is de interesse in ambulante systemen op basis van zogenaamde inertial sensors (bewegingssensoren) toegenomen. Echter, deze inertial sensor systemen worden tot op heden slechts beperkt gebruikt voor het meten van adaptieve bewegingsstrategieën in de romp, het bekken en de onderste ledenmaten bij personen met degeneratieve knie aandoeningen. Het doel van deze doctoraatsthesis is om het potentieel van inertial sensor systemen voor de detectie van (mal)adaptieve bewegingsstrategieën van de romp, het bekken en de onderste ledenmaten te bepalen bij personen met degeneratieve knie aandoeningen. Eerst hebben we onderzocht in hoeverre inertial sensor technologie in voorgaande studies werd gebruikt voor het meten van de kinematica (gewrichtshoeken) van de romp, het bekken en onderste ledenmaten en of de gebruikte protocollen waren opgesteld volgens de internationale richtlijnen. In deze literatuurstudie, beschreven in hoofdstuk 1, hebben we aangetoond dat in metingen bij gezonde personen zowel romp, heup, knie en enkel kinematica werden gemeten tijdens verschillende functionele bewegingen. Echter, bij personen met KOA werden alleen de knie en enkel kinematica gemeten tijdens wandelen. Op basis van deze literatuurstudie is vervolgens een meetprotocol ontwikkeld voor de beoordeling van adaptieve bewegingsstrategieën bij personen met knieartrose. Het opgestelde protocol bevatte functionele bewegingstaken zoals wandelen, een voorwaartse uitvalspas, een zijwaartse uitvalspas, het op en afgaan van de trap, een zit-totstand beweging, een squat op 1 been en het staan op 1 been (unipodale stand taak). Deze taken werden geselecteerd omdat ze uitdagend zijn, uitgevoerd kunnen worden in de kliniek en overeenkomen met de internationale richtlijnen, de International Classification of Functioning, disability and health (ICF). Ten tweede werden de betrouwbaarheid en agreement (meetfout) van de kinematische metingen van de romp, het bekken en de onderste ledematen geëvalueerd. Hiermee werd bepaald of de kinematica consistent (betrouwbaar) werd gemeten en dezelfde uitkomst gaf (agreement) in geval van herhaalde metingen (binnen een sessie, tussen sessies en tussen operators). In hoofdstuk 2 werd aangetoond dat de kinematica tijdens wandelen, de voorwaartse uitvalspas en de zijwaartse uitvalspas voldoende betrouwbaar is en genoeg agreement heeft om te gebruiken voor het identificeren van kinematische verschillen tussen gezonde personen en personen met knie artrose. De betrouwbaarheid en overeenstemming van de taak waarin de trap op en af werd gegaan was het laagst en is daarom minder geschikt om gebruikt te worden in de klinische praktijk. In hoofdstuk 3 werd de reproduceerbaarheid van de squat op een been en de zit-tot-stand taak geëvalueerd. De squat op een been resulteerde in meer variabiliteit in beweging, in vergelijking met de zit-tot-stand taak. Hierdoor was de betrouwbaarheid binnen een sessie lager dan de betrouwbaarheid tussen sessies en tussen operators. Deze bevinding is mogelijk te verklaren door het feit dat er werd gevraagd om een maximale knie flexie uit te voeren, zonder dat er een eindpunt werd gedefinieerd, zoals bijvoorbeeld de krukhoogte bij de zit tot stand taak. Daarom werd geconcludeerd dat, in een klinische context, de squat op een been enkel relevant is als de gemiddelde hoeken van meerdere herhalingen gebruikt worden, aangezien deze ook gebruikt zijn voor de evaluatie van de betrouwbaarheid tussen sessies en tussen operators Ten derde werd de discriminerende validiteit van het inertial sensor systeem onderzocht, om te bepalen of op basis van de kinematica gedifferentieerd kon worden tussen gezonde personen van personen met knieartrose. Daarnaast is de relatie tussen de discriminerende kinematica en de door de patiënten ervaren pijn, beperkingen en bewegingsangst geëvalueerd. De resultaten in hoofdstuk 4 laten zien dat het inertial sensor systeem in staat was om voor een grotere romp beweging naar het contralaterale been en een grotere heup flexie tijdens de unipodale stand taak te differentiëren tussen gezonde controles en personen met knieartrose. In hoofdstuk 5 wordt de discriminerende validiteit van de andere taken beschreven. Tijdens wandelen discrimineerde de rotatie van de romp en het bekken tussen gezonde controles en personen met knie artrose. Daarnaast was het bewegingsbereik van knie flexie bij mensen met knieartrose kleiner tijdens wandelen, en werd een verband vastgesteld met de ervaren pijn. De afname in knie flexie werd ook waargenomen tijdens de voorwaartse uitvalspas, de zijwaartse uitvalspas en tijdens trap op en afgaan. Als laatste was het bewegingsbereik van enkel plantaire flexie en heup abductie, tijdens de zijwaartse uitvalspas kleiner, wat daarbij ook gerelateerd was aan bewegingsangst. Uit deze resultaten werd geconcludeerd dat het inertial sensor systeem enkel voor een specifieke set van gewrichtshoeken kon differentiëren tussen gezonde controles en personen met knieartrose. Ten slotte zijn de belangrijkste bevindingen van deze thesis bediscussieerd in de algemene discussie, waarna de beperkingen en uitdagingen voor implementatie in de klinische praktijk en toekomstige onderzoeksmogelijkheden voor het gebruik van inertial sensor systemen werden besproken. In deze thesis werd aangetoond dat de protocollen die beschikbaar waren aan de start van dit promotie traject onvolledig en niet geschikt waren voor het meten van (mal)adaptieve bewegingsstrategieën bij personen met knieartrose. Op basis daarvan werd een functioneel bewegingsprotocol ontwikkeld dat uitdagend genoeg was om adaptieve kinematische patronen in kaart te brengen voor personen met knieartrose. Vervolgens werd aangetoond dat betrouwbaarheid en agreement van de kinematica van romp, bekken en onderste ledenmaten veelbelovend was tijdens het uitvoeren van functionele bewegingen. Echter had het inertial sensor systeem maar een beperkt vermogen om gezonde controles van personen met knieartrose te onderscheiden. Hierdoor werd besloten dat het inertial sensor systeem eerst verbeterd moet worden voordat het ingezet kan worden in de kliniek voor het meten van adaptieve bewegingsstrategieën. De resultaten van deze thesis leveren een unieke bijdrage aan de huidige kennis doordat zowel de mogelijkheden, als ook de uitdagingen voor implementatie worden weergegeven, waaruit blijkt dat het niet eenvoudig is om inertial sensor technologie te implementeren in de klinische praktijk.