Biomechanical Analysis of Anterior Cruciate Ligament Injury Mechanisms
Author
Schmidt, Maja Rose
Term
4. term
Education
Publication year
2008
Pages
61
Abstract
Det forreste korsbånd (ACL) er det ledbånd i knæet, der oftest bliver skadet, typisk under sport. Skaden påvirker livskvaliteten og rammer især unge, og følgerne kan være langvarige. På trods af de mange skader er selve skademekanismerne stadig uklare. En bedre forståelse kan styrke forebyggelse og genoptræning. Formålet med projektet var at finde ud af, hvilke bevægelsesmekanismer der kan briste ACL, ved at måle ledbåndets udspænding (strain) under både frivillige og påtvungne bevægelser. En skade kan opstå som et komplekst samspil mellem indre og ydre risikofaktorer, men denne undersøgelse fokuserede på den udløsende begivenhed – selve skademekanismen. Skademekanismerne blev analyseret med fire muskuloskeletale computermodeller udviklet i AnyBody Modelling System (baseret på invers dynamik). Invers dynamik estimerer de indre kræfter ud fra kendte bevægelser, og fordi flere muskler kan skabe samme bevægelse, bruges optimering til at fordele muskelarbejdet. Modellerne gjorde det muligt at beregne knæets skærkræfter og undersøge ACL’s forlængelse under naturlige og påtvungne bevægelser. Under et fremfald (forward lunge) blev en model med intakt ACL sammenlignet med en model uden ACL. Mod forventning var der ingen forskel i muskelaktivitet eller ledreaktioner mellem modellerne; ledreaktionen trak den øverste del af skinnebenet fremad, og ACL blev ikke spændt. En analyse af en mandlig løber viste, at sprint belaster ACL, men den målte skærkraft lå langt under ledbåndets bristestyrke. Da sprint sandsynligvis er en af de mest intensive bevægelser i det sagittale plan (frem/tilbage), tyder det på, at frivillig muskelkontraktion ikke er tilstrækkelig til at skade et sundt ACL. Yderligere analyser af forskellige realistiske sagittale bevægelser antydede, at mekanismer i dette plan sjældent kan briste ACL. I lunge-, løbe- og sagittalmodellerne blev knæet først antaget at fungere som et ideelt hængsel, men knæets relative bevægelser er mere komplekse og afhænger af samspillet mellem muskler, ledbånd og knogler. Den avancerede knæmodel gjorde det muligt at undersøge ACL’s forlængelse ved forskellige knæpositioner, herunder hyperextension, valgus/varus (knæet presses indad/udad), øget indad/udad-rotation og fremad/bagud-glidning af skinnebenet. Analysen viste, at ACL belastes mest ved 5–25° knæfleksion. Fremadglidning (anterior translation) af skinnebenet øger belastningen markant. Valgus og især varus kan øge belastningen betydeligt, og ledbåndet er derfor mere tilbøjeligt til at briste, hvis knæet tvinges i disse positioner. Rotation omkring skinnebenets længdeakse giver kun mindre belastning og synes usandsynlig som briste-mekanisme. Desuden er visuel analyse af skadessituationer utilstrækkelig til at vurdere belastningsniveauet i ACL ved brist.
The anterior cruciate ligament (ACL) is the knee ligament most often injured, typically during sports. These injuries affect quality of life and mostly involve young people, with long-term consequences. Despite the high number of cases, the exact injury mechanisms remain unclear. Better understanding could improve prevention and rehabilitation. This project aimed to identify which movement mechanisms can tear the ACL by measuring the ligament’s strain during both voluntary and forced movements. While injuries can result from a complex interaction of internal and external risk factors, this study focused on the inciting event—the injury mechanism itself. ACL injury mechanisms were analyzed using four musculoskeletal computer models built in the AnyBody Modelling System (based on inverse dynamics). Inverse dynamics estimates internal forces from known motion, and because multiple muscles can produce similar movements, the software uses optimization to resolve muscle recruitment. The models enabled calculation of knee shear forces and exploration of ACL elongation during natural and forced movements. During a forward lunge, a model with an intact ACL was compared with a model without the ligament. Contrary to expectations, there were no differences in muscle activity or joint reactions; the joint reaction pulled the proximal tibia forward, and the ACL remained unstrained. An analysis of a male runner showed that sprinting does strain the ACL, but the knee shear force used to assess strain was well below the ligament’s ultimate tensile strength (the force at which it would tear). Since sprinting is likely one of the most intense movements in the sagittal plane (forward–backward), voluntary muscle contraction appears insufficient to injure a healthy ACL. Additional analyses of feasible sagittal plane movements likewise suggested these mechanisms are unlikely to rupture the ACL. In the lunge, runner, and sagittal models, the knee was initially approximated as an ideal hinge, but real knee motion is more complex and depends on the interplay of muscles, ligaments, and bones. An advanced knee model was therefore used to examine ACL elongation across different positions, including hyperextension, valgus/varus (knee collapsing inward/outward), increased internal/external rotation, and anterior/posterior translation of the tibia. The analysis showed that ACL strain is greatest at 5–25° of knee flexion. Anterior translation of the tibia markedly increases strain. Valgus and especially varus positions can substantially raise strain, making a tear more likely if the knee is forced into these positions. Rotation about the tibia’s long axis produces only minor strain and seems implausible as a tearing mechanism. Visual inspection of injury events does not provide sufficient information to assess ACL strain at failure.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents