Biomechanical risk factors for ACL injury: Development of analysis methods specific to injury mechanism

Haraldur Björn Sigurðsson

Research output: Types of ThesisPh.D. Thesis

Abstract

Aims: The aim of the doctoral project was to develop and assess data extraction and analysis methods specific to the anterior cruciate ligament injury mechanism. The aim of paper I was to evaluate differences in the timing of the peak knee valgus moment in the first 100 ms of a cutting maneuver between boys and girls. The aim of paper II was to explore the feasibility of using a cluster analysis protocol developed for this project to categorize the waveforms of the early stance phase knee valgus moment. The aim of paper III was to test associations between kinematics observed during anterior cruciate ligament injury, and the early peak knee valgus moment waveform extracted with the cluster analysis protocol. Methods: All papers used motion analysis data of subjects recruited from local handball and soccer clubs tested at 9-12 years old (phase I) and/or 14- 18 years old (phase II). Subjects performed 5 cutting maneuvers on each leg, before and after an exercise intervention at each visit (phase I and phase II). Reflective markers and force plates were used to calculate kinematic and kinetic data. For paper I, marker trajectories were low pass filtered at 6 Hz and force plate data at 20 Hz. For papers II & III, raw marker trajectories and force plate data were used to calculate kinematics and kinetics, and the calculated signal low pass filtered at 6 Hz. All hypothesis testing used an alpha of 0.05. Paper III used a Bonferroni adjustment for multiple comparisons. Paper I used a generalized mixed linear model for hypothesis testing. Papers II & III used a two-step cluster analysis process; knee valgus moment data was transformed into signed differences, which were clustered using the Ward.d2 method on Euclidean distances. The clusters were then merged according to visual appearance (six categories for paper II, two categories for paper III) and then then sub-clusters representing the knee valgus moment magnitude created using non-transformed signals and the Ward.d2 method and Euclidean distances. Paper III extracted data for kinematics which have been previously reported from analysis of anterior cruciate ligament injuries. A heel strike landing posture was a binary variable. For continuous kinematic data, a ROC curve was calculated and the Youden’s index used to select a cut-off value which was then used for hypothesis testing. v Paper II tested the frequency distribution of the early peak cluster between sex and phase using McNemar’s test. Paper III tested the association between the early peak cluster and kinematics above / below the cut-off using the Fisher’s exact test. Results: In paper I girls had a later mean knee valgus moment peak (P < 0.001) which resulted in a lower mean time between peak knee valgus moment and peak knee internal rotation moments (0 ms for girls, 5 ms for boys, P < 0.001), as well as a lower mean time between peak knee valgus moment and peak vertical ground reaction force (1 ms for girls vs 7 ms for boys, P < 0.001). In paper II the knee valgus moment waveforms could be categorized into six discrete shapes; early peak, early trough, peak, trough, upslope, and downslope. There was a difference in relative frequencies (P < 0.001) between boys and girls in phase I where boys had more frequent early peaks (575 observed, 464 expected) compared with girls (642 observed, 768 expected). In phase II, however, girls had more frequent early peaks (178 observed, 129 expected) compared with boys (78 observed, 112 expected). In paper III, there was an association between the early peak knee valgus moment, and a heel strike landing posture (Odds ration (OR) 1.5, P = 0.01), medio-lateral distance between trunk and foot center of mass (OR 3.7, P < 0.01), knee flexion excursion (OR 1.9, P < 0.01), knee flexion at initial contact (OR 2.2, P < 0.01), and knee abduction excursion (OR 2.2, P < 0.01). Conclusions: Timing of peak forces during the early stance phase is different between boys and girls in the expected direction (less time between peaks for girls), however not every trial has a peak value and extacting those peaks will therefore not be a complete dataset. Cluster analysis of early stance phase knee valgus moment waveforms produces discrete categories one of which (the early peak) is consistent with the injury mechanism. The early peak is more frequent for adolescent females and is associated with multiple kinematics reported from analysis of ACL injuries. The clusters produced by cluster analysis should be validated against the end-point of ACL injury. The results support strategies to promote forefoot landing postures with more knee flexion to prevent the early peak knee valgus moment waveform.
Markmið: Markmið doktorsverkefnis var að þróa og meta aðferðir til að vinna úr gögnum sértækt fyrir slit á fremra krossbandi. Markmið vísindagreinar I var að meta mun á tímasetningum krafta sem verka á fremra krossband, milli drengja og stúlkna. Markmið vísindagreinar II var að kanna hagkvæmni þess að nota aðferð til klasagreiningar sem þróuð var fyrir verkefnið til að flokka bylgjuform kiðvægis í hné. Markmið vísindagreinar III var að kanna tengsl milli bylgjulögunar með snemmbúinn tind, og hreyfinga sem sem eiga sér stað fyrir eða við slit á fremra krossbandi. Aðferðir: Allar vísindagreinarnar nota gögn úr hreyfigreiningu þátttakenda sem fengnir voru úr handbolta- og fótboltafélögum á höfuðborgarsvæði og framkvæmdar ýmist við 9-12 ára (fyrsti fasi) og/eða 14-18 ára (seinni fasi) aldur. Viðföng framkvæmdu við hvort tilefnið 5 endurtekningar á hvorum fæti af gabbhreyfingu, fyrir og eftir æfingarinngrip. Endurskinsmerki voru notuð til að fylgja hreyfingum líkamshluta, kraftplötur mældu gagnkraft jarðar, og hreyfingar og kraftvægi um liðamót voru síðan reiknuð út. Fyrir vísindagrein I voru gögn endurskinsmerkja síuð með lágpassasíu með 6 Hz tíðnimörk, en kraftplötugögn síuð með lágpassasíu með 20 Hz tíðnimörk. Fyrir vísindagrein II og III voru hrágögn notuð til að reikna liðhreyfingar og kraftvægi, sem voru því næst síuð með 6 Hz lágpassasíu. Tilgátuprófanir voru gerðar með marktektarmörk sett á 0,05. Vísindagrein III notaði Bonferroni leiðréttingu fyrir endurtekna samanburði. Vísindagrein I notaði blandaða línulega aðhvarfsgreiningu fyrir endurteknar mælingar. Vísindagreinar II og III notuðu tveggja þrepa klasagreiningu þar sem gögnum var fyrst umbreytt í formerki diffraðs merkis og myndaðir klasar með Ward.d2 aðferð byggðri á fjarlægðum Euclids. Þeir klasar sem mynduðust voru aftur klasagreindir með upprunalega merki innan hvers klasa og myndaðir undirklasar sem aðskildir voru á magni kraftvægis, einnig með Ward.d2 aðferð og fjarlægðum Euclids. Í vísindagrein III voru gögn fyrir hreyfingar sem rannsóknir hafa sýnt að eigi sér stað við áverka á fremra krossbandi dregin út. Hvort fyrsta snerting við jörð var með hæl eða ekki var tvíþátta breyta, en fyrir samfelldar breytur voru reiknuð ROC gröf og hágildi stuðuls Youden notaður til að velja þröskuld sem breytur voru flokkaðar eftir sem tvíþátta í tilgátuprófanir. Vísindagreinar II og III prófuðu tilgátur varðandi tíðnidreifingu á snemmbúnum toppum eftir kyni og aldri (vísindagrein II, próf McNemar) eða liðferlum (vísindagrein III, próf Fisher). Niðurstöður: Í vísindagrein I var munur eftir kyni, en stúlkur höfðu seinni tind í kiðvægi en strákar (P < 0,001) sem skilaði sér í minni meðaltíma milli tinda kiðvægis og innsnúningsvægis (0 ms hjá stúlkum, 5 ms hjá drengjum, P < 0,001), og milli kiðvægis og lóðrétts gagnkrafts jarðar (1 ms hjá stúlkum, 5 ms hjá drengjum, P < 0,001). Í vísindagrein II var mögulegt að flokka bylgjugerð kiðvægis í sex flokka; snemmbúna tinda, snemmbúna dali, tinda, dali, brekku upp, og brekku niður. Það var tíðnimunur eftir kyni (P < 0,001) þar sem drengir í fasa I höfðu tíðari snemmabúna tinda (575 sáust, von á 464) heldur en stúlkur (642 sáust, von á 768). Í fasa II höfðu stúlkur tíðari snemmbúna toppa (178 sáust, von á 129) heldur en drengir (78 sáust, von á 112). Í vísindagrein III fundust tengsl milli snemmbúna tinda kiðvægis og fyrstu snertingu við jörð með hæl (Áhættuhlutfall (ÁH) 1,5; P = 0,01), fjarlægðar milli þungamiðju bols og fótar í breiðskurði (ÁH 3,7; P < 0,01), hné beygju eftir lending (ÁH 1,9; P < 0,01), hné beygju við fyrstu snertingu (ÁH 2,2; P < 0,01), og fráfærslu í hné eftir lending (ÁH 2,2; P < 0,01). Ályktanir: Tímasetning krafttinda í upphafi stöðufasa er mismunandi milli drengja og stúlkna í þá átt sem við er búist (minni tími milli tinda hjá stúlkum), en ekki er mögulegt að staðsetja tind í öllum mælingum og því gefa gögnin ekki rétta mynd af atburðarrás snemma í stöðufasa. Klasagreining bylgjulögunar leiddi af sér flokkun á kiðvægi við upphaf stöðufasa, og amk einum flokki (snemmbúnum tindum) ber saman við það ferli sem veldur áverkum á fremra krossbandi. Snemmbúnir tindar eru tíðari hjá táningsstúlkum, og hafa tengsl við þær hreyfingar sem sést hafa við greiningu á áverkum á fremra krossband. Flokkanir úr klasagreiningu ættu að vera sannreyndar á tíðni krossbandaslita. Niðurstöðurnar styðja notkun inngripa sem hvetja íþróttamenn til að lenda á tábergi í stað hæls með fótinn nálægt bol og meiri beygju í hné til að koma í veg fyrir snemmbúna tinda kiðvægis.
Original languageEnglish
QualificationDoctor
Supervisors/Advisors
  • Briem, Kristín, Supervisor
Publisher
Print ISBNs978-9935-9516-0-1
Publication statusPublished - 2019

Other keywords

  • Anterior cruciate ligament
  • Injury prevention
  • Cluster analysis
  • Biomechanics
  • Motion analysis
  • Risk factors
  • Adolescent
  • Fremra krossband
  • Liðbönd
  • Lífaflfræði
  • Hreyfigreining
  • Áhættuþættir
  • Læknisfræði
  • Doktorsritgerðir

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Biomechanical risk factors for ACL injury: Development of analysis methods specific to injury mechanism'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this