Dynamics of motor control recovery after knee anterior cruciate ligament reconstruction

Anterior cruciate ligament (ACL) of the knee joint is the most vulnerable part in the structure of the knee joint (Hertel et al., 2005; Liden et al., 2007; Kessler et al., 2008; Krych et al., 2008; Almqvist et al., 2009). Most frequently, the injury of the knee joint anterior cruciate ligament is experienced by football, basketball, handball or volleyball players and downhill skiers (Risberg et al., 2007). The anterior cruciate ligament is injured 30 times more frequently than the posterior cruciate ligament. An extensive study conducted in New Zealand showed that the rate of torn knee joint ACL is 36.9 cases per 100,000 members of the population. Annually, approximately 50,000 to 65,000 reconstructive operations of ACL are conducted in the USA alone (Griffin et al., 2000; Cimino et al., 2010). Knee joint ACL does not allow the tibia bone to thrust forward towards the femur bone and protects (Waldman, 2006); it also provides mobility to the knee joint (Cimino et al., 2010). In case of a torn knee joint ACL, the forward thrust of the tibia bone is observed; hence, the biceps femoris muscle becomes tense, which obstructs the tension reflex arc and does not allow it to successfully regulate muscle tension, activation of muscle groups, adaptation of movements to the alteration of positions, establishment of “safe limits of movements” and the application of the corresponding force (Thambyah et al., 2004). It has been histologically proven that around the knee joint and inside the anterior cruciate ligament, there are mechanoreceptors sending information to the central nervous system (CNS) (Ogard, 2011) on the alteration of the ligament tension, speed of movement and its direction as well as the position of the knee joint; hence the precise sense of the movement and the joint position (proprioception) is achieved (Borsa et al., 1997; Denti et al., 1994). It is thus essential to the efficient control of movements (Shumway-Cook, Woolacott, 2007). A number of authors (Karasel et al., 2010; Ogard, 2011; Friemert et al., 2006) claim that the damaged knee joint ACL obstructs proprioception as the transmission of somatosensory information to CNS is impeded. The stability of the knee joint depends not only on mechanical stabilization but also on appropriately regulated muscle reactions, from afferent information from the somatosensory system and the efferent information it is regulated by the neuromuscular system control which also affects the accuracy of movements (Bonsfills et al., 2008; Skurvydas, 2008; Skurvydas, 2011). When the knee joint ACL is injured, neuromuscular system control is significantly affected (Ageberg, 2002; Risberg et al., 2004). Neurophysiological alterations after an injury of the knee joint anterior cruciate ligament injury manifest by the variability of movements, their instability and inefficient knee joint stabilization in the neuromuscular system (Solomonow, 2006; Bonsfills et al., 2008). The somatosensory system and the activation of muscles are hampered, the force exerted by muscles decreases, and, if inefficient knee joint stabilization after the knee joint ACL injury pertains, in the future it is likely to result in repeated injuries of the knee joint ACL (Ly, Handelsman, 2002). It is possible to live with a torn anterior cruciate ligament, but the risk of joint arthrosis increases (Lohmander et al., 2007) together with the higher risk of torn meniscus or arthritis (Khan et al., 2010). Sportspersons and other people leading an active lifestyle usually undergo an operation of knee joint ACL reconstruction as in sports and daily activities, powerful and accurately controlled movements are necessary (Myer et al., 2006). The main objective of the reconstruction of knee ligament ACL is the achievement of the functional stability of the knee joint and the alteration of the nervous and muscle response to unexpected obstacles and changes when performing functional and dynamic tasks (D’Amato, Bach, 2003). After undergoing an ACL reconstructive surgery, in the process of rehabilitation, the necessity to normalize the symmetrical movement of both joints is usually highlighted together with the neuromuscular control, muscle force and functional activity in comparison with the healthy leg (Wilk et al., 2003; Grinsven et al., 2010). One of the key factors helping to restore the knee joint function and its dynamic stability is the exercising of proprioception and the neuromuscular system (Risberg et al., 2007; Henriksson et al., 2001) as it co-activates muscles (agonists and antagonists) (Wilk et al., 2012). If deficiencies of proprioception or the neuromuscular system function persist, the risk of a repeated tear of the knee joint ACL significantly increases (Risberg et al., 2007; Myer et al., 2008). A number of factors are still being discussed by the scholars investigating this area, namely, the type of the research protocol, the period of regeneration, the efficiency of rehabilitation measures, etc. (Ogard, 2011). Some scholars claim that victims of torn knee joint ACL may have their achievements evaluated by the subjective Lysholm Questionnaire (Lysholm, Gillquist, 1982; Risberg et al., 2004; Gustavsson et al., 2006). The author of the present research has found no data on the relationship between the knee function evaluation questionnaire results and the accuracy of movements, the accuracy of the continuous isometric contraction force and the accuracy of the knee position sense. Besides, it is not clear whether the accuracy of the continuous isometric contraction force is related to the accuracy of the sense of movements and the joint position. Analysis of academic research literature in this field has yielded no works which would deal with the accuracy of the sense of the joint position, the accuracy of the movements of the leg and the variability of the accuracy and maximal voluntary force of the knee flexor and extensor muscles in continuous isometric contractions when conventional rehabilitation is applied. Hence, our first hypothesis states that as a result of the positive effect of the conducted ACL surgery and the applied conventional rehabilitation on the accuracy of the sense of knee joint position, the changes in the indices will be dynamic, the accuracy will increase and recover to the levels of the healthy leg. The second hypothesis states that due to the positive effect of the conducted ACL surgery and the applied conventional rehabilitation on the intramuscular coordination, the alteration of the accuracy of movements of the injured leg will be dynamic, their accuracy will increase and the path of movement together with the duration of movement will decrease and reach the levels of the healthy leg. The third hypothesis states that due to the positive effect of the conducted ACL surgery and the applied conventional rehabilitation on the activation of neuromuscular control, the accuracy of the continuous isometric contraction force of the knee extensor and flexor muscles will increase while the variability will decrease and recover to the levels of the healthy leg. The fourth hypothesis states that the results of the knee joint function subjective evaluation questionnaire will be related to the values of the maximal voluntary contraction force, the accuracy of leg movements, the accuracy of the continuous isometric contraction force and the joint position sense and that the accuracy of the continuous isometric contraction force will be related to the accuracy of leg movement and joint position sense. The aim of the research was to establish the changes in motor control after undergoing knee anterior cruciate ligament reconstruction with the application of conventional rehabilitation. The following objectives were set in the course of the research: 1. To investigate the effect of knee anterior cruciate ligament reconstruction when applying conventional rehabilitation on the accuracy and changes in the knee position sense (the dependent variables were as follows: the absolute error change before the surgery and after the surgery) at different angular velocities (the independent variables were: 2o/s vs. 10o/s), and to compare it with the healthy leg. 2. To investigate the effect of the knee anterior cruciate ligament reconstruction when applying conventional rehabilitation on the accuracy, time and path of leg movements (the dependent variables were: change in time, path of movement, absolute error before the surgery and after the surgery) at different task complexity levels (the independent variables were: variable vs. stable task) and to compare it with the healthy leg. 3. To investigate the effect of the knee anterior cruciate ligament reconstruction when applying conventional rehabilitation on the accuracy and variability of continuous isometric contraction force of knee flexor and extensor muscles (the dependent variables were: change in the absolute error coefficient before the surgery and after the surgery) in the framework of different visual feedback (the independent variables were: visual feedback provided vs. not provided) and that of different muscle size and to compare it with the healthy leg. 4. To establish interrelations between a subjective assessment of the knee joint function and the maximal voluntary contraction force moment, the accuracy of continuous isometric contraction force, the accuracy of the knee position sense as well as leg movement accuracy tests, and to identify the relationship between the results of the accuracy of continuous isometric contraction force and knee position sense as well as leg movement accuracy tests. The originality of the research After a conducted reconstruction of the knee joint anterior cruciate ligament with the application of conventional rehabilitation, the dynamics of movement control recovery was established which had not been investigated by other scholars, namely, the knee joint ACL reconstruction and the conventional rehab
Kelio sąnario priekinis kryžminis raištis (PKR) – dažniausiai pažeidžiama kelio sąnario struktūros vieta (Hertel et al., 2005; Liden et al., 2007; Kessler et al., 2008; Krych et al., 2008; Almqvist et al., 2009). Dažniausiai kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio pažaidą patiria futbolininkai, krepšininkai, rankininkai, tinklininkai, kalnų slidininkai (Risberg et al., 2007). Priekinis kryžminis raištis pažeidžiamas 30 kartų dažniau nei užpakalinis. Naujojoje Zelandijoje atliktas tyrimas parodė, kad per metus 100 000 gyventojų tenka 36,9 kelio sąnario PKR plyšimo atvejų (Cimino et al., 2010). Kiekvienais metais JAV atliekama apie 50–65 tūkst. PKR rekonstrukcinių operacijų (Griffin et al., 2000; Cimino et al., 2010). Kelio sąnario PKR neleidžia blauzdikauliui išslysti į priekį link šlaunikaulio, apsaugo nuo per didelio blauzdikaulio ir šlaunikaulio mobilumo vienas kito atžvilgiu (Waldman, 2006), suteikia kelio sąnariui stabilumą (Cimino et al., 2010). Nustatyta, kad plyšus kelio sąnario PKR blauzdikaulis pasislenka į priekį, todėl šlaunies dvigalvis raumuo įsitempia ir tai trukdo tempimo reflekso lankui sėkmingai reguliuoti raumenų įtempimą, aktyvuoti raumenų grupes, judesius pritaikyti prie padėties pokyčių, nustatyti „saugias judesio ribas“, tinkamai pritaikyti jėgą (Thambyah et al., 2004). Histologiškai įrodyta, kad aplink kelio sąnarį bei priekiniame kryžminiame raištyje yra mechanoreceptoriai, kurie siunčia centrinei nervų sistemai (CNS) informaciją (Ogard, 2011) apie raiščio įtampos pokyčius, judesio greitį, judėjimo kryptį ir kelio sąnario padėtį – ji padeda tiksliai jausti judesį ir sąnario padėtį (propriorecepcija) (Borsa et al., 1997; Denti et al., 1994), todėl yra labai svarbi sėkmingam judesių valdymui (Shumway-Cook, Woolacott, 2007). Daugelis autorių (Karasel et al., 2010; Ogard, 2011; Friemert et al., 2006) nurodė, kad pažeistas kelio sąnario PKR sutrikdo propriorecepciją, nes sutrinka somatosensorinės informacijos perdavimas į CNS. Nustatyta, kad kelio sąnario stabilumas priklauso ne tik nuo mechaninės stabilizacijos, bet ir nuo sureguliuotų raumeninių reakcijų, aferentinės informacijos iš somatosensorinės sistemos ir eferentinės informacijos, valdomos nervų ir raumenų sistemos, kuri veikia ir judesių tikslumą (Bonsfills et al., 2008; Skurvydas, 2008; Skurvydas, 2011). Kelio sąnario PKR sužalojimo metu šis neuroraumeninis atsakas yra smarkiai paveikiamas (Ageberg, 2002; Risberg et al., 2004). Neurofiziologiniai pokyčiai po kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio traumos pasireiškia judesių kaitumu, nepastovumu ir neefektyvia neuroraumenine kelio sąnario stabilizacija (Solomonow, 2006; Bonsfills et al., 2008), sutrinka somatosensorinė sistema ir raumenų aktyvacija, sumažėja raumenų jėga ir jėgos tikslumas, o po kelio sąnario PKR traumos likus neefektyviai neuroraumeninei kelio sąnario stabilizacijai, ateityje galimos pakartotinės kelio sąnario PKR traumos (Ly, Handelsman, 2002). Galima gyventi ir su nutrūkusiu priekiniu kryžminiu raiščiu, bet tuomet didėja sąnario artrozės rizika (Lohmander et al., 2007), galimi meniskų plyšimai, artritai (Khan et al., 2010). Sportininkams ir aktyvų gyvenimą pasirinkusiems žmonėms dažniausiai atliekama kelio sąnario PKR rekonstrukcijos operacija, nes sporto ir kasdienėje veikloje būtini galingi, tiksliai valdomi judesiai (Myer et al., 2006). Kelio sąnario PKR rekonstrukcijos ir reabilitacijos pagrindinis tikslas – pasiekti kelio sąnario funkcinį stabilumą (Kvist, 2004) bei pakeisti nervų ir raumenų sistemos atsaką į netikėtus trikdžius, pokyčius funkcinių ir dinamiškų užduočių metu (D’Amato, Bach, 2003). Po PKR rekonstrukcinės operacijos taikomos reabilitacijos metu paprastai pabrėžiama būtinybė normalizuoti abipusių sąnarių simetrišką judrumą, nervų ir raumenų sistemos valdymą, raumenų jėgą ir funkcinį aktyvumą, kaip ir sveikos kojos (Wilk et al., 2003; Grinsven et al., 2010). Vienas iš svarbiausių veiksnių, padedančių atgauti kelio sąnario funkciją ir dinaminį stabilumą yra propriorecepcijos bei nervų ir raumenų sistemos lavinimas (Risberg et al., 2007; Henriksson et al., 2001), nes tai didina įcentrinių impulsų plitimą iš raumeninių verpsčių ir gerina tarpraumeninę (agonistų ir antagonistų) koordinaciją (Wilk et al., 2012). Likus propriorecepcijos bei nervų ir raumenų sistemos funkcijos trūkumui, labai padidėja rizika patirti pakartotinį kelio sąnario PKR plyšimą (Risberg et al., 2007; Myer et al., 2008). Iki šiol šios srities mokslininkai diskutuoja dėl daugelio veiksnių: tyrimų protokolų tipo, atsigavimo trukmės, reabilitacijos priemonių veiksmingumo ir t. t. (Ogard, 2011). Daugelis mokslininkų teigia, kad žmonių, patyrusių kelio sąnario PKR traumą, rezultatai gali būti vertinami ir subjektyviu Lysholm klausimynu (Risberg et al., 2004; Gustavsson et al., 2006). Nepavyko rasti duomenų apie kelio funkcijos vertinimo klausimyno rezultatų ryšius su judesių, nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos bei sąnario padėties jutimo tikslumu ir ar nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumas yra susijęs su judesių ir sąnario padėties jutimo tikslumu. Nagrinėdami tyrimus šia tema neradome darbų, kad po kelio sąnario PKR rekonstrukcijos taikant įprastinę reabilitaciją būtų užregistruota sąnario padėties jutimo, kojos judesių tikslumo bei blauzdos lenkiamųjų ir tiesiamųjų raumenų maksimaliosios valingos jėgos nepertraukiamų izometrinių susitraukimų jėgos tikslumo bei kaitumo rodiklių kaita. Tad keliame hipotezę, kad dėl PKR operacijos ir taikomos įprastinės reabilitacijos teigiamo poveikio sąnario padėties jutimo tikslumui, rodiklių pokyčiai bus dinamiški, tikslumas didės ir atsigaus kaip sveikos kojos. Keliame antrą hipotezę, kad dėl PKR operacijos ir taikomos įprastinės reabilitacijos teigiamo poveikio tarpraumeninei koordinacijai traumuotos kojos judesių tikslumo pokyčiai bus dinamiški, tikslumas didės, o judesio kelio ilgio, trukmės rodikliai mažės ir atsigaus kaip sveikos kojos. Keliame trečią hipotezę, kad dėl PKR operacijos ir taikomos įprastinės reabilitacijos teigiamo poveikio nervų raumenų valdymo aktyvinimui blauzdos tiesiamųjų ir lenkiamųjų raumenų nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumas didės, kaitumas mažės ir atsigaus kaip sveikos kojos. Ketvirta hipotezė – kelio sąnario funkcijos subjektyvaus vertinimo klausimyno rezultatai bus susiję su maksimaliosios valingos jėgos momento dydžiu, kojos judesių tikslumu, nepertraukiamos izometrinio susitraukimo jėgos bei sąnario padėties jutimo tikslumu, o nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumas siesis su kojos judesių ir sąnario padėties jutimo tikslumu. Darbo tikslas – nustatyti judesių valdymo kaitą po kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio rekonstrukcijos taikant įprastinę reabilitaciją. Uždaviniai: 1. Ištirti kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio rekonstrukcijos, taikant įprastinę reabilitaciją, poveikį kelio sąnario padėties jutimo tikslumui ir kaitai (priklausomi kintamieji: absoliučių klaidų pokytis prieš operaciją ir po jos), kai judesio atlikimo kampinis greitis skirtingas (nepriklausomi kintamieji: 2o/sek. vs 10o/sek.), ir palyginti su sveikos kojos rodikliais. 2. Ištirti kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio rekonstrukcijos, taikant įprastinę reabilitaciją, poveikį kojos judesių tikslumui, trukmei ir judesio kelio ilgiui (priklausomi kintamieji: trukmės, kelio ilgio, absoliučių klaidų pokytis prieš operaciją ir po jos), taikant skirtingą užduoties sudėtingumą (nepriklausomi kintamieji: kintanti užduotis vs stabili), ir palyginti su sveikos kojos rodikliais. 3. Ištirti kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio rekonstrukcijos, taikant įprastinę reabilitaciją, poveikį blauzdos lenkiamųjų ir tiesiamųjų raumenų nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumui ir kaitumui (priklausomi kintamieji: absoliučių klaidų ir kaitumo koeficiento pokytis prieš operaciją ir po jos), kai vaizdinė grįžtamoji informacija skirtinga (nepriklausomi kintamieji: suteikiama grįžtamoji informacija vs nesuteikiama) ir skirtingo raumens dydžio (nepriklausomi kintamieji: didesnė vs mažesnė raumenų grupė), ir palyginti su sveikos kojos rodikliais. 4. Nustatyti kelio sąnario funkcijos subjektyvaus vertinimo tarpusavio ryšius su maksimaliosios valingos jėgos momentu, nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumo, sąnario padėties jutimo ir kojos judesio tikslumo testais bei nustatyti nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumo rezultatų ryšį su sąnario padėties jutimo ir kojos judesio tikslumo testais. Tyrimo originalumas Po kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio rekonstrukcijos, taikant įprastinę reabilitaciją, nustatyta kitų mokslininkų dar netirta judesių valdymo atgavimo dinamika: kelio sąnario PKR rekonstrukcija ir įprastinė reabilitacija didina sąnario padėties jutimo tikslumą, kuris po operacijos praėjus 9 sav. pasiekia lygį, buvusį prieš operaciją, o po 13, 17, 21 sav. tikslumas laipsniškai didėja, bet dar neatsigauna. Tyrimo metu kojos judesių tikslumas įvertintas originaliu stabiliu blauzdos lenkimo testu, kurį atliekant nustatyti tiksliausi kojos judesiai bei mažiausia judesio trukmė. Kojos judesių tikslumas po operacijos praėjus 5, 9, 13 sav. sumažėja, po 17 ir 21 sav. yra panašus kaip prieš operaciją, bet nepasiekia sveikos kojos lygio. Blauzdos tiesiamiesiems raumenims esant didelio ilgio, po operacijos praėjus 13 sav. nepertraukiamo izometrinio susitraukimo jėgos tikslumas sumažėja, kaitumas padidėja, o jėgos tikslumas atsigauna greičiau (po 17 sav.) nei jėgos kaitumas (po 21 sav.). Prieš operaciją ir po kelio sąnario priekinio kryžminio raiščio rekonstrukcinės operacijos praėjus 13, 17, 21 sav. traumuotos ir sveikos kojos blauzdos tiesiamieji ir lenkiamieji raumenys vidutinio ilgio valdomi tiksliau (raumenų jėgos tikslumas didesnis, o kaitumas mažesnis) nei didelio ar mažo ilgio. Praktinė reikšmė Judesių valdymo atsigavimo dinamikos po kelio sąnario priekinių kryžminių raiščių rekonstrukcijos taikant įprastinę reabilitacij