Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 2019; 86(4):249-255 | DOI: 10.55095/achot2019/042

Rotační laxita kolenního kloubu - in vivo NMR studiePůvodní práce

K. NĚMEC1,*, M. PLAJNER2, J. KRÁSENSKÝ3, I. LANDOR4, J. LESENSKÝ1, V. PINSKEROVÁ4
1 Ortopedická klinika 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Nemocnice Na Bulovce, Praha
2 Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, České vysoké učení technické, Praha
3 Radiodiagnostická klinika 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Všeobecné fakultní nemocnice, Praha
4 1. ortopedická klinika 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Fakultní nemocnice v Motole, Praha

PURPOSE OF THE STUDY:
The purpose of the study was to evaluate tibio-femoral rotation during a simulated squat and to investigate the relationship between the rotational position of the femur in full extension and the amount of external rotation of the femur on the tibia during flexion.

MATERIAL AND METHODS:
Part 1: MRIs of volunteers
Data on healthy knees of 10 volunteers were obtained using 2D MRI measurements. The foot and the ankle were fixed to prevent rotation and adduction/abduction movements. Sagittal MRIs of the knees have been performed in 4 positions of flexion. The amount of longitudinal rotation in each position of flexion was calculated.
Part 2: Mathematical model experiment
a) The model of the femur has been positioned in the 3D coordinate system in full extension and at 12.8° of internal rotation and then flexed to 90° without longitudinal rotation. The distance between the centre of the femoral head and the sagittal plane passing through the centre of the knee was then measured.
b) Subsequently, the femur was flexed and rotation allowed to retain femoral head within the sagittal plane. The amount of femoral rotation was then calculated.

RESULTS:
Part 1:
In full extension the femur was on average in 12.8° of IR relative to the tibia. By 90° flexion femur rotated on average 12.2° externally.
Part 2:
a) From full extension to 90° flexion the femoral head moved 93.1 mm laterally from the sagittal plane.
b) Between full extension and 90° flexion the femur rotated 12.8° externally, a degree which corresponds to the amount of initial internal rotation of the femur in full extension.

DISCUSSION:
The most important finding of the presented in vivo study lies in the fact that in normal knees with tibia rotationally fixed flexion is always coupled with femoral external rotation in order to keep the femoral head in the acetabulum. This rotation is obligatory.

CONCLUSIONS:
We have demonstrated that if the tibia is rotationally fixed, the knee flexion is possible only when accompanied by femoral external rotation to keep the femoral head in the acetabulum.
A mathematical description of the experiment has been proposed, the results of which confirm the stated premise. This finding can be explained by initial internal rotation of the femur in full extension of the knee and is allowed by the shape of articulating bones and tension of soft tissues.

Klíčová slova: knee, terminal extension, knee rotation, knee movement, MRI, hip joint

Zveřejněno: 1. srpen 2019  Zobrazit citaci

ACS AIP APA ASA Harvard Chicago Chicago Notes IEEE ISO690 MLA NLM Turabian Vancouver
NĚMEC K, PLAJNER M, KRÁSENSKÝ J, LANDOR I, LESENSKÝ J, PINSKEROVÁ V. Rotační laxita kolenního kloubu - in vivo NMR studie. Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 2019;86(4):249-255. doi: 10.55095/achot2019/042. PubMed PMID: 31524585.
Stáhnout citaci

Reference

  1. Asano T, Akagi M, Tanaka K, Tamura J, Nakamura T. In vivo three-dimensional knee kinematics using a biplanar image-matching technique. Clin Orthop Relat Res. 2001;388:157-166. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  2. Banks SA, Hodge WA. Accurate measurement of three-dimensional knee replacement kinematics using single-plane fluoroscopy. IEEE Trans Biomed Eng. 1996;43:638-649. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  3. Banks SA, Markovich GD, Hodge WA. In vivo kinematics of cruciate-retaining and -substituting knee arthroplasties. J Arthroplasty. 1997;12:297-303. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  4. Biden E, O Connor J, Goodfellow J. Tibial rotation in the cadaver knee. Orthopaedic Research Society 30th Annual Meeting, Atlanta, 1984.
  5. Blaha J. The rationale for a total knee implant that confers anteroposterior stability throughout range of motion. J Arthroplasty. 2004;1:22-26. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  6. Brantigan O, Voshell A. The mechanics of the ligaments and menisci of the knee joint. J Bone Joint Surg Am. 1941;23:44-66.
  7. Braune W, Fischer O. Die Bewegungen des Kniegelenks nach einer neuen Methode am lebenden Menschen gemessen. Hirtzel, Leipzig, 1981.
  8. Bugnion E. Le Mécanisme du Genou. Ch Viret-Genton, Lausanne, 1892.
  9. Chen, B, Lambrou, T, Offiah, AC, Teixeira, PAG, Fry, M, Todd-Prokopek, A. An in vivo subject-specific 3D functional knee joint model using combined MR imaging. Int J Comput Assist Radiol Surg. 2013;8:741-750. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  10. Chinzei N, Ishida K, Tsumura N, Matsumoto T, Kitagawa A, Iguchi T, Nishida K, Akisue T, Kuroda R, Kurosaka M. Satisfactory results at 8 years mean follow-up after ADVANCE® medial-pivot total knee arthroplasty. Knee. 2014;21:387-390. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  11. Chung JH, Ryu KJ, Lee DH, Yoon KH, Park YW, Kim HJ, Kim JH. An analysis of normative data on the knee rotatory profile and the usefulness of the Rotatometer, a new instrument for measuring tibiofemoral rotation: the reliability of the knee Rotatometer. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2015;23:2727-2733. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  12. DeFrate LE, Gill TJ, Guoan L. In vivo function of the posterior cruciate ligament during weightbearing knee flexion. Am J Sports Med. 2004;32:1-6. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  13. Dennis DA, Komistek RD, Mahfouz MR. In vivo fluoroscopic analysis of fixed-bearing total knee replacements. Clin Orthop Relat Res. 2003;410:114-121. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  14. Dennis DA, Komistek RD, Stiehl JB, Walker SA, Dennis KN. Range of motion after total knee arthroplasty: the effect of implant design and weight-bearing conditions. J Arthroplasty. 1998;13:748-752. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  15. Freeman MAR, Pinskerova V. The movement of the normal tibio-femoral joint. J Biomech. 2005;38:197-208. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  16. Fuss FK. Anatomy of the cruciate ligaments and their function in extension and flexion of the human knee joint. Am J Anat. 1989;184:165-176. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  17. Grood ES, Suntay WJ. A joint coordinate system for the clinical desription of three-dimensional motions: application to the knee. J Biomech Eng. 1983;105(2):136-44 Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  18. Haughom BD, Souza R, Schairer WW, Li X, Ma CB. Evaluating rotational kinematics of the knee in ACL-ruptured and healthy patients using 3.0 Tesla magnetic resonance imaging. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2012;20:663-670. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  19. Heyse TJ, Slane J, Peersman G, Dirckx M, van de Vyver A, Dworschak P, Fuchs-Winkelmann S, Scheys L. Kinematics of a bicruciate-retaining total knee arthroplasty. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2017;25:1784-1791. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  20. Hill PF, Vedi V, Williams A, Iwaki H, Pinskerova V, Freeman MAR. Tibiofemoral movement 2: the loaded and unloaded living knee studied by MRI. J Bone Joint Surg Br. 2000; 82:1196-1198. Přejít k původnímu zdroji...
  21. Iwaki H, Pinskerova V, Freeman MAR. Tibiofemoral movement 1: the shapes and relative movements of the femur and tibia in the unloaded cadaver knee. J Bone Joint Surg Br 2000;82:1189-1195. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  22. Johal P, Williams A, Wragg P, Hunt D, Gedroyc W. Tibio-femoral movement in the living knee. A study of weight bearing and non-weight bearing knee kinematics using 'interventional' MRI. J Biomech. 2005;38:269-276. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  23. Karachalios T. A mid-term clinical outcome study of the ADVANCE® Medial-Pivot Knee arthroplasty. Knee. 2009;16:484-488. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  24. Karrholm J, Bransson S, Freeman MAR. Tibiofemoral movement 4: changes of axial tibial rotation caused by forced rotation at the weight-bearing knee studied by RSA. J Bone Joint Surg Br. 2000;82:1201-1203. Přejít k původnímu zdroji...
  25. Lafortune MA, Cavanagh PR, Sommer HJ, Kalenak A. Three-dimansional kinematics of the human knee during walking. J Biomech. 1992;25:347-357. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  26. Martelli S, Pinskerova V. Shapes of the tibio-femoral articular surfaces in relation to tibiofemoral movement. J Bone Joint Surg Br. 2002;84:607-613. Přejít k původnímu zdroji...
  27. Markolf KL, Mensch JS, Amstutz HC. Stiffness and laxity of the knee - the contributions of the supporting structures. A quantitative in-vitro study. J Bone Joint Surg Am. 1976;58:583-593. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  28. Massin P, Gournay A. Optimization of the posterior condylar offset, tibial slope, and condylar roll-back in total knee arthroplasty. J Arthroplasty. 2006;21:889-896. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  29. McPherson A, Kärrholm J, Pinskerova V, Sosna A, Martelli S. Imaging knee position using MRI, RSA/CT and 3D digitisation. J Biomech. 2005;38:263-268. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  30. Meyer H. Die Mechanik des Kniegelenks. Archiv Anat Physiol Wiss Med. 1853;497-547.
  31. Most E. Femoral rollback after cruciate-retaining and -stabilizing total knee arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 2003;410:101-113. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  32. Nakagawa S, Johal P, Pinskerova V, Komatsu T, Sosna A, Williams A, Freeman MAR. The posterior cruciate ligament during flexion of the normal knee. J Bone Joint Surg Br. 2004;86:450-456. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  33. Patel VV, Hall K, Ries M, Lotz J, Ozhinsky E, Lindsey C, Lu Y, Sharmila Majumdar S. A three-dimensional MRI analysis of knee kinematics. J Orthop Res. 2004;22:283-292. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  34. Pinskerova V, Iwaki A, Freeman MAR.The shapes and relative movements of the femur and tibia in the cadaveric knee: a study using MRI and an anatomical tool. In: Insall J, Scott WN (eds.). Surgery of the Knee. 3rd ed., W. B. Saunders, Philadelphia, 2000. Přejít k původnímu zdroji...
  35. Ramsey DK, Wretenberg PF, Benoit DL, Lamontagne M, Németh G. Methodological concerns using intra-cortical pins to measure tibiofemoral kinematics. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2003;11:344-349. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  36. Reinschmidt C, van den Bogert AJ, Nigg BM, Lundberg A, Murphy N. Effect of skin movement on the analysis of skeletal knee jointmotion during running. J Biomech. 1997;30:729-732. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  37. Schmidt R, Komistek RD, Blaha JD, Penenberg BL, Maloney WJ. Fluoroscopic analyses of cruciate-retaining and medial-pivot knee implants. Clin Orthop Relat Res. 2003;410:139-147. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  38. Scott, G, Imam, MA, Eifert, A, Freeman, MAR, Pinskerova, V, Field, RE, Skinner, J, Banks, SA. Can a total knee arthroplasty be both rotationally unconstrained and anteroposteriorly stabilised? Bone Joint Res. 2016;5:80-86. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  39. Shapeero LG, Dye SF, Lipton MJ, Gould RG, Galvin EG, Genant HK. Functional dynamics of the knee joint by ultrafast, cine-CT. Invest Radiol. 1988;23:118-123. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  40. Shimmin A, Martinez-Martos S, Owens J, Iorgulescu AD, Banks S. Fluoroscopic motion study confirming the stability of a medial pivot design total knee arthroplasty. Knee. 2015;22:522-526. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  41. Shoemaker SC, Adams D, Daniel DM, Woo SL. Quadriceps/anterior cruciate graft interaction: An in vitro study of joint kinematics and anterior cruciate ligament graft tension. Clin Orthop Relat Res. 1993;294:379-390. Přejít k původnímu zdroji...
  42. Steinbruck, A, Schroder, C, Woiczinski, M, Fottner, A, Pinskerova, V, Miller, PE, Jansson, V. Femorotibial kinematics and load patterns after total knee arthroplasty: An in vitro comparison of posterior-stabilized versus medial-stabilized design. Clin Biomech. 2016;33:42-48. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  43. Steindler A. Kinesiology of the human body under normal and pathological conditions. Charles C. Thomas, Springfield, 1955.
  44. Tanifuji O, Sato, T, Kobayashi K, Mochizuki T, Koga Y, Yamagiwa H, Omori G, Endo N. Three-dimensional in vivo motion analysis of normal knees employing transepicondylar axis as an evaluation parameter. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2013;21:2301-2308. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  45. Tokuhara, Y, Kadoya Y, Kanekasu K, Kondo M, Kobayashi A, Takaoka K. Evaluation of the flexion gap by axial radiography of the distal femur. J Bone Joint Surg Br. 2006;88:1327-1330. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  46. Trent PS, Walker PS, Wolf B. Ligament length patterns, strength and rotational axes of the knee joint. Clin Orthop Relat Res. 1976;117:263-270. Přejít k původnímu zdroji...
  47. Uvehammer J. In vivo kinematics of total knee arthroplasty: concave vs. posteriorstabilized tibial joint surface. J Bone Joint Surg Br. 2000;82:499-505. Přejít k původnímu zdroji...
  48. Uvehammer J. In vivo kinematics of total knee arthroplasty: flat compared with concave tibial joint surface. J Orthop Res. 2000;18:856-864. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  49. Victor J, Van Glabbeek F, Vander Sloten J, Parizel PM, Somville J, Bellemans J. An Experimental Model for Kinematic Analysis of the Knee. J Bone Joint Surg Am. 2009;91:150-163. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
  50. Weber WE, Weber E. Mechanics of the human walking apparatus (transl. Maquet P, Furlong R). Springer-Verlag, Berlin, 1992.
  51. Wilson DR, Feikes JD, Zavatsky AB, O Connor JJ. The components of passive knee movement are coupled to flexion angle. J Biomech. 2000;33:465-473. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...