Military Medicine International Journal of amsus raising the bar: extremity trauma care guest editors



Yüklə 2,47 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə12/20
tarix14.01.2017
ölçüsü2,47 Mb.
#5396
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   20

into pathomechanics of knee OA in individuals with limb

amputation. In general,

findings from collected literature sup-

port net overloading of the intact side relative to the prosthetic

side, as well as relative to speed-matched nonamputees. For

example, persons with unilateral transtibial amputation have a

greater intact-limb peak vertical GRF during loading response

relative to nonamputees, by as much as 4 to 10% during

walking


46,47

and 35 to 45% during running.

48

Knee


flexion

angle and external knee extension moments, which are associ-

ated with GRF overloading and elevated axial knee joint com-

pression,

49

have also been found greater in the intact limb of



individuals with unilateral lower limb amputations compared

to nonamputees.

14,47

Such net GRF differences may or may



not lead to differences at each of the proximal joints,

depending on concurrent kinematics and muscle activity. One

study accounting for the latter factors found 23% greater

peaks in axial knee joint total compression force on the intact

limb relative to the prosthetic side, and 9% greater relative to

nonamputee limbs.

11

Prosthetic device mechanical properties have also proven



to have a signi

ficant effect on mechanics of the proximal

intact limb. Brie

fly, findings indicate that prosthetic foot stiff-

ness and energy return properties can effect intact limb early

stance GRFs, with as much as a 7% of body weight increase

in peak vertical GRF when using a solid ankle cushion heel

foot versus an energy storage and return foot.

50,51

Energy


storage and return feet can also reduce intact limb peak KAM

by as much as 13% versus a solid ankle cushion heel foot,

41

while an active prosthetic foot that provides timed, active pro-



pulsion near prosthetic limb push-off can decrease the mag-

nitude of intact limb peak KAM by as much as 26%.

43

Currently, there is a clear need to ascertain whether such



prosthetic advancements are associated with a reduced inci-

dence of knee joint pain and early OA in the intact limb of

patients with unilateral amputation.

MUSCLE WEAKNESS

Lower limb muscle weakness is a hallmark impairment for

primary knee OA in older adults. In general, muscular strength

is critical for maintaining proper dynamic joint function as

muscles aid in shock absorption and proper force transfer

across the joint.

52

To this end, quadriceps muscle weakness



has been suggested as a strong risk factor for primary knee

OA.


6

Several mechanical theories have been previously

suggested for the potential relationship between quadriceps

muscle weakness and structural knee OA development and

progression. For instance, it has been suggested that quadri-

ceps muscle plays a joint protective role as a shock absorber

to dampen the rate of knee loading such as decreasing the

heel strike transient during the loading response phase of

gait.

53

In individuals with lower limb amputation, prior stud-



ies have shown a signi

ficant decrease in quadriceps strength

for the prosthetic limb when compared to the intact limb.

45,54


Quadriceps atrophy has also been noted on the prosthetic side

in comparison to the intact limb.

55

Comparisons of individ-



uals with unilateral transtibial amputations to a control group

have also demonstrated that those with amputations have

weaker quadriceps bilaterally compared to nonamputees, which

were highly correlated with increased rates of vertical impact

loading of the lower limb during gait.

45,54


While the quadriceps remain the major focus of research

efforts examining the role of muscle weakness in pathogenesis

of primary knee OA, a new body of evidence is emerging to

suggest that hip muscle weakness may also be a risk factor

for knee OA.

56,57


As the hip shares a common segment (i.e.,

the femur) with the knee, adequate hip muscle performance

is necessary to provide dynamic proximal stability for

maintaining appropriate knee joint mechanics during weight

bearing.

58

For example, Chang et al



56

reported that a greater

hip abductor strength is associated with a reduced likelihood

of medial compartment knee OA progression. Other studies,

however, have shown that strengthening of the hip muscula-

ture can lead to signi

ficant improvements in pain and function

despite virtually no change in KAM in older adults with pri-

mary knee OA.

59,60


Strength testing in individuals with unilat-

eral transfemoral amputations, traumatic and nontraumatic,

has shown that isometric hip abduction strength of the ampu-

tated limb is 47 to 54% lower compared to the intact limb

and 35 to 65% lower compared to nonamputees.

61,62


Con-

versely, Nadollek et al

63

found no difference in elderly indi-



viduals with unilateral transtibial amputations between the

prosthetic and intact limbs; however, comparisons to hip

strength in a control group were not made. Additional

research is needed to provide a clearer picture of the preva-

lence and extent of lower limb muscle weakness and its

potential relationship with development and progression of

knee OA after traumatic lower limb amputation.

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

41

Development of Knee Osteoarthritis After Unilateral Lower Limb Amputation



PREVIOUS KNEE INJURY OR TRAUMA

High-impact loading knee injuries such as tears of the

meniscus, ligaments, or capsule; joint dislocations; and intra-

articular fractures in young individuals has been previously

linked with a 5.2-fold increased relative risk of developing

subsequent knee OA.

22

The energy initially absorbed by the



joint surfaces at the time of injury has been suggested as an

important predictor of development of knee post-traumatic

OA (PTOA).

64

This PTOA has fundamentally different etiol-



ogy than the primary degenerative OA discussed previously

in this review. The emerging hypothesis related to PTOA is

that the severity of the initial trauma and the subsequent cas-

cade of pathophysiological events such as in

flammation and

chondrocyte senescence, along with any residual joint insta-

bility, incongruity, or alteration in biomechanics, contribute

substantially to the onset and progression of knee OA.

65

The risk of knee PTOA is most likely even higher in



young military Service Members due to the high-energy

nature of most battle

field injuries. In fact, in a recent report

in combat-injured warriors who could not return to duty,

injuries to the knee resulted in post-traumatic knee OA in

every case at an average of 19 ± 10 months after injury.

66

This trajectory of knee PTOA development after combat



injuries appears to be much steeper than the 10 to 15 year

rate previously reported after anterior cruciate ligament rup-

tures or meniscal damage in the general population.

67

–69



Given that most combat-related injuries resulting from high-

energy explosions involve multiple limbs and joints,

66

it is


likely that the concurrent injury to the knee of the intact

limb along with altered joint biomechanics after amputation

could lead to a greater risk of developing PTOA in individ-

uals with traumatic unilateral lower limb amputation. Addi-

tional research to better understand the involvement of

multiple joint tissues and the critical cellular and molecular

events after trauma and injury is needed to develop strate-

gies (e.g., surgical, pharmaceutical, rehabilitative, etc.) to

slow or halt the onset or progression of knee PTOA after

lower limb amputation.

PHYSICAL ACTIVITY LEVEL

Previous


findings concerning the association between exer-

cise, sports participation, and risk of knee OA have been

somewhat perplexing. For instance, regular exercise has

been suggested as a favorable option for maintaining articu-

lar cartilage health.

35

Experimental studies in animals have



also shown that loading of healthy joints through moderate

bouts of running is associated with increased articular carti-

lage thickness, proteoglycan content, and mechanical stiff-

ness of the tissue.

23,24

In addition, recreational- or even



elite-athlete level long-distance running have shown to be

unrelated to accelerated incidence or severity of radiographic

knee OA in the absence of underlying joint disease.

70,71


In

contrast, other studies have associated participation in spe-

ci

fic sports that involve running, jumping, and heavy lifting



with higher incidents of knee OA and an increased rate of

disease progression.

72,73

In general, individuals with unilateral transtibial amputa-



tion, regardless of traumatic or nontraumatic origin of the

initial injury, demonstrate decreased activity levels when

compared to nonamputees.

74

In previous literature, it has



been reported that individuals with lower limb amputation

on average take 1,540 to 3,163 steps per day,

75,76

as com-


pared to healthy adults who ambulate anywhere between

4,000 and 18,000 steps per day.

77

Given that mechanical



loading of the knee joint is inherently linked to mainte-

nance of the articular cartilage, adequate levels of mechani-

cal stimulation are essential for maintaining articular

cartilage tissue homeostasis through balancing solid matrix

synthesis and degeneration.

78

Therefore, lower frequency



of knee joint loading due to diminished activity levels can

lead to the reduction in cartilage tissue resiliency

35

needed


to meet the requirements of higher demanding activities,

such as sports participation or returning to active duty

that may be desired by young Service Members with lower

limb amputations.

It has been suggested that individuals with amputations

who participate in sports and/or regular physical activity report

signi

ficant benefits both physically and psychologically, such



as improved strength, endurance, balance, and improved self-

esteem and QOL.

79

Previous studies have shown that 32 to



60% of individuals with lower limb amputation participate in

some form of sports, whether recreationally or competi-

tively.

80

Currently, whether sports participation in individuals



with lower limb amputation could be a risk factor for onset

and progression of knee OA remains unknown. In a small

study, Melzer et al

1

found no differences in the intact limb



knee OA incidence between individuals with amputations

who did and did not play volleyball. Additional longitudinal

data are needed to better understand how early return to high-

demanding sports activities may contribute to the onset and

progression of knee OA. Additionally, Service Members are

anticipated to perform physical activities beyond level walk-

ing and running, which warrants further investigation of

such activities.

CONCLUSIONS

Available scienti

fic evidence to date supports that young

military Service Members with traumatic, unilateral lower

limb amputations may be at increased risk for developing

knee OA compared to nonamputees. Given the high life

expectancy of young injured military Service Members, devel-

opment of effective rehabilitative programs to prevent or delay

knee OA through early risk factor identi

fication and modifica-

tion is a crucial step in optimizing long-term function and

QOL after traumatic, unilateral limb amputations. Future

development of such programs should span a comprehensive

range. Components should include screening of the intact limb

for prior high-energy trauma and joint pain, managing body

weight, further study of intact side knee joint mechanics, and

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

42

Development of Knee Osteoarthritis After Unilateral Lower Limb Amputation



addressing lower limb muscle weakness. In retraining undesir-

able biomechanics, technological advancements to guide

real-time feedback and adjustments in movement strategies

may be useful.

81,82

Continued future research and clinical



programs that address nonsystemic knee OA risk factors are

anticipated to increase long-term preservation of intact limb

function and overall QOL in young Service Members after

unilateral lower limb amputation.

REFERENCES

1. Melzer I, Yekutiel M, Sukenik S: Comparative study of osteoarthritis of

the contralateral knee joint of male amputees who do and do not play

volleyball. J Rheumatol 2001; 28(1): 169

–72.

2. Hungerford D, Cockin J: Fate of the retained lower limb joints in Second



World War amputees. J Bone Joint Surg 1975; 57(1): 111.

3. Norvell DC, Czerniecki JM, Reiber GE, Maynard C, Pecoraro JA,

Weiss NS: The prevalence of knee pain and symptomatic knee osteo-

arthritis among Veteran Traumatic amputees and nonamputees. Arch

Phys Med Rehabil 2005; 86(3): 487

–93.


4. Struyf PA, van Heugten CM, Hitters MW, Smeets RJ: The prevalence

of osteoarthritis of the intact hip and knee among traumatic leg amputees.

Arch Phys Med Rehabil 2009; 90(3): 440

–6.


5. Murphy L, Schwartz TA, Helmick CG, et al: Lifetime risk of symptomatic

knee osteoarthritis. Arthritis Rheum 2008; 59(9): 1207

–13.

6. Felson DT, Lawrence RC, Dieppe PA, et al: Osteoarthritis: new



insights. Part 1: the disease and its risk factors. Ann Intern Med 2000;

133(8): 635

–46.

7. Felson DT: Osteoarthritis as a disease of mechanics. Osteoarthritis



Cartilage 2013; 21(1): 10

–5.


8. Spector TD, MacGregor AJ: Risk factors for osteoarthritis: genetics.

Osteoarthritis Cartilage 2004; 12(Suppl A): S39

–S44.

9. Vincent KR, Conrad BP, Fregly BJ, Vincent HK: The pathophysiology



of osteoarthritis: a mechanical perspective on the knee joint. PM R

2012; 4(5 Suppl): S3

–S9.

10. Verzijl N, Bank RA, TeKoppele JM, DeGroot J: Ageing and osteoarthri-



tis: a different perspective. Curr Opin Rheumatol 2003; 15(5): 616

–22.


11. Silverman AK, Neptune RR: Three-dimensional knee joint contact

forces during walking in unilateral transtibial amputees. J Biomech

2014; 47: 2556

–62.


12. Fey N, Neptune RR: 3D intersegmental knee loading in below-knee

amputees across steady-state walking speeds. Clin Biomechan (Bristol,

Avon) 2012; 27: 409

–14.


13. Rueda FM, Diego IM, Sánchez AM, Tejada M, Montero F, Page JC:

Knee and hip internal moments and upper-body kinematics in the frontal

plane in unilateral transtibial amputees. Gait Posture 2013; 37(3): 436

–9.


14. Russell Esposito E, Wilken JM: Biomechanical risk factors for knee

osteoarthritis when using passive and powered ankle-foot prostheses.

Clin Biomech (Bristol, Avon) 2014; 29(10): 1186

–92.


15. Lee JH, Fitzgerald JB, DiMicco MA, Grodzinsky AJ: Mechanical

injury of cartilage explants causes speci

fic time-dependent changes in

chondrocyte gene expression. Arthritis Rheum 2005; 52(8): 2386

–95.

16. Valdes AM, Spector TD: Genetic epidemiology of hip and knee osteo-



arthritis. Nat Rev Rheumat 2011; 7(1): 23

–32.


17. Hensor EM, Dube B, Kingsbury SR, Tennant A, Conaghan PG:

Toward a clinical de

finition of early osteoarthritis: onset of patient-

reported knee pain begins on stairs. Data from the osteoarthritis initia-

tive. Arthritis Care Res (Hoboken) 2015; 67(1): 40

–7.


18. Case R, Thomas E, Clarke E, Peat G: Prodromal symptoms in knee

osteoarthritis: a nested case

–control study using data from the osteo-

arthritis initiative. Osteoarthritis Cartilage 2015; 23(7): 1083

–9.

19. Gelber AC, Hochberg MC, Mead LA, Wang N-Y, Wigley FM, Klag



MJ: Body mass index in young men and the risk of subsequent knee

and hip osteoarthritis. Am J Med 1999; 107(6): 542

–8.

20. Reijman M, Pols HA, Bergink AP, et al: Body mass index associated



with onset and progression of osteoarthritis of the knee but not of the

hip: the Rotterdam study. Ann Rheum Dis 2007; 66(2): 158

–62.

21. Hinman RS, Hunt MA, Creaby MW, Wrigley TV, McManus FJ,



Bennell KL: Hip muscle weakness in individuals with medial knee

osteoarthritis. Arthritis Care Res (Hoboken) 2010; 62(8): 1190

–3.

22. Gelber AC, Hochberg MC, Mead LA, Wang N-Y, Wigley FM, Klag



MJ: Joint injury in young adults and risk for subsequent knee and hip

osteoarthritis. Annals of internal medicine 2000; 133(5): 321

–8.

23. Jurvelin J, Kiviranta I, Tammi M, Helminen HJ: Effect of physical



exercise on indentation stiffness of articular cartilage in the canine knee.

Int J Sports Med 1986; 7(2): 106

–10.

24. Kiviranta I, Tammi M, Jurvelin J, Saamanen AM, Helminen HJ: Mod-



erate running exercise augments glycosaminoglycans and thickness of

articular cartilage in the knee joint of young beagle dogs. J Orthop Res

1988; 6(2): 188

–95.


25. Guermazi A, Niu J, Hayashi D, et al: Prevalence of abnormalities in

knees detected by MRI in adults without knee osteoarthritis: population

based observational study (Framingham osteoarthritis study). BMJ 2012;

345. Available at http://www.bmj.com/content/345/bmj.e5339; accessed

August 23, 2016.

26. Thorstensson CA, Andersson ML, Jonsson H, Saxne T, Petersson IF:

Natural course of knee osteoarthritis in middle-aged subjects with knee

pain: 12-year follow-up using clinical and radiographic criteria. Ann

Rheum Dis 2009; 68(12): 1890

–3.


27. Ebrahimzadeh MH, Fattahi AS: Long-term clinical outcomes of Iranian

veterans with unilateral transfemoral Amputation. Disability and reha-

bilitation 2009; 31(22): 1873

–7.


28. Ebrahimzadeh MH, Hariri S: Long-term outcomes of unilateral trans-

tibial Amputations. Mil Med 2009; 174(6): 593

–7.

29. Burke MJ, Roman V, Wright V: Bone and joint changes in lower limb



Amputees. Ann Rheum Dis 1978; 37: 252

–4.


30. Hart DJ, Doyle DV, Spector TD: Association between metabolic factors

and knee osteoarthritis in women: the chingford study. J Rheumatol

1995; 22(6): 1118

–23.


31. Sowers MR, Karvonen-Gutierrez CA: The evolving role of obesity in

knee osteoarthritis. Curr Opin Rheumatol 2010; 22(5): 533

–7.

32. Messier SP, Gutekunst DJ, Davis C, DeVita P: Weight loss reduces



kneejoint loads in overweight and obese older adults with knee osteo-

arthritis. Arthritis and Rheumatism 2005; 52: 2026

–32.

33. Martin K, Lethbridge-Cejku M, Muller DC, et al: Metabolic corre-



lates of obesity and radiographic features of knee osteoarthritis: data

from the baltimore longitudinal study of aging. J Rheumatol 1997;

24(4): 702

–7.


34. Kurdibaylo SF: Obesity and metabolic disorders in adults with lower

limb amputation. Journal of Rehabilitation Research and Development

1996; 33(4): 387

–94.


35. Carter DR, Beaupré GS, Wong M, Smith RL, Andriacchi TP,

Schurman DJ: The mechanobiology of articular cartilage development

and degeneration. Clin Orthop Relat Res 2004; (427 Suppl): S69

–S77.


36. Farrokhi S, Voycheck Ca, Tashman S, Fitzgerald GK: A biomechanical

perspective on physical therapy management of knee osteoarthritis.

J Orthop Sports Phys Ther 2013; 43: 600

–19.


37. Andriacchi TP, Koo S, Scanlan SF: Gait mechanics in

fluence healthy

cartilage morphology and osteoarthritis of the knee. J Bone Joint Surg

Am 2009; 91(Suppl 1): 95

–101.

38. Gailey R, Allen K, Castles J, Kucharik J, Roeder M: Review of secondary



physical conditions associated with lower-limb amputation and long-term

prosthesis use. J Rehabil Res Dev 2008; 45: 15

–30.

39. Morgenroth DC, Gellhorn AC, Suri P: Osteoarthritis in the disabled



population: a mechanical perspective. PM and R 2012; 4: S20

–S27.


40. Miyazaki T, Wada M, Kawahara H, Sato M, Baba H, Shimada S: Dynamic

load at baseline can predict radiographic disease progression in medial

compartment knee osteoarthritis. Ann Rheum Dis 2002; 61(7): 617

–22.


41. Underwood HA, Tokuno CD, Eng JJ: A comparison of two prosthetic

feet on the multi-joint and multi-plane kinetic Gait compensations in

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

43

Development of Knee Osteoarthritis After Unilateral Lower Limb Amputation



individuals with a unilateral trans-tibial Amputation. Clin Biomech

(Bristol, Avon) 2004; 19(6): 609

–16.

42. Royer TD, Wasilewski CA: Hip and knee frontal plane moments in persons



with unilateral, trans-tibial Amputation. Gait Posture 2006; 23(3): 303

–6.


43. Morgenroth DC, Segal AD, Zelik KE, et al: The effect of prosthetic

foot push-off on mechanical loading associated with knee osteoarthritis

in lower extremity Amputees. Gait Posture 2011; 34: 502

–7.


44. Royer T, Koenig M: Joint loading and bone mineral density in persons

with unilateral, trans-tibial amputation. Clin Biomech (Bristol, Avon)

2005; 20(10): 1119

–25.


45. Lloyd CH, Stanhope SJ, Davis IS, Royer TD: Strength asymmetry and

osteoarthritis risk factors in unilateral trans-tibial, Amputee Gait. Gait

Posture 2010; 32(3): 296

–300.


Yüklə 2,47 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   20




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin