Elektrogoniometrische Messungen der Gelenkkinetik an Kindern mit juveniler idiopathischer Arthritis - Erstellung eines biomechanischen Modells, Vergleich verschiedener Methoden zur Bestimmung der Muskelkraft

Abstract

Bei Kindern mit juveniler idiopathischer Arthritis (JIA) entstehen durch die chronische Arthritis Schädigungen der Gelenke und deren Funktion. Im Rahmen der Arthritis, sowie der damit verbundenen Schonung kann es zu einer Abnahme der Muskelkraft kommen. Im Verlauf kann die Knochendichte abnehmen und eine sekundäre Osteoporose auftreten. Eine Kontrolle der Gelenkfunktion ist für die Beurteilung des Krankheitsverlaufes und Therapieerfolges bei Kindern mit JIA wünschenswert und wichtig. Die Elektrogoniometrie stellt ein einfaches, kostengünstiges Verfahren zur Beurteilung des Bewegungsumfanges von Gelenken dar. Sie erlaubt die Berechnung der Gelenkgeschwindigkeit und der Beschleunigung sowie der Muskeldrehmomente. Diese lassen Rückschlüsse auf die Kraft und indirekt auf die Knochenfestigkeit zu. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit der elektrogoniometrischen Messung der Muskeldrehmomente zur Beurteilung der Gelenkfunktion bei Kindern mit JIA. Zuerst werden Verfahren zur Erhebung der Extremitätenmassen überprüft, welche notwendig zur Berechnung von kinetischen Parametern sind. Das normale Wachstum von Kindern beeinflußt die Körperproportionen und die äußere Form der Segmente. Zusätzlich erschweren krankheitsbedingte Wachstumsverzögerungen und Deformitäten bei Kindern mit JIA die Bestimmung der Massen, welche zur Berechnung der Muskeldrehmomente erforderlich sind. Das entwickelte Zylinder-Quader-Modell (ZQM) ist ein geometrisches Verfahren, das Hände und Füße als Quader, Unterarme und Unterschenkel als Zylinder darstellt. Anhand weniger direkt erhobener Parameter erfolgt die Berechnung der Segmentmassen. In zwei Veröffentlichungen von Jensen [78, 79] zur Berechnung der Segmentmassen werden die Ergebnisse mittels Regressionsgleichungen (RG) dargestellt. Diese drei Berechnungsverfahren werden mit der Wasserverdrängungsmethode (WVM) bei 121 gesunden Kindern zwischen 4 und 14 Jahren verglichen. Es zeigt sich eine deutliche Zunahme der Segmentmassen innerhalb der gemessenen Altersspanne, für die Hände von 0,11 kg auf 0,55 kg, die Füße von 0,98 kg auf 1,32 kg, die Arme von 0,38 kg auf 1,64 kg und die Beine von 0,95 kg auf 4,13 kg. Die mittlere prozentuale Abweichung zwischen den Berechnungsverfahren und der WVM ist für das ZQM deutlich niedriger als für die RG. Der Unterschied zwischen dem ZQM und den RG ist mit Ausnahme des Beines signifikant. Der zweite Teil der Arbeit befaßt sich mit der Beurteilung der Muskeldrehmomente mittels schienenfixierter Elektrogoniometrie (SEG). Mit einem standardisierten Meßablauf werden bei verschiedenen Fragestellungen insgesamt 73 Kinder, 44 Mädchen und 29 Jungen, mit rheumatologischen Erkrankungen vermessen. Die Segmentmassen der Kinder werden mit dem im ersten Teil der Arbeit evaluierten ZQM erfaßt. Anhand der Meßdaten der SEG erfolgt die Berechnung und Beurteilung der in den Gelenken auftretenden Muskeldrehmomente. Bei einigen Kindern werden der Unterschenkel, bzw. der Unterarm mit der peripheren quantitativen Computertomographie (pQCT) vermessen. Damit können die Querschnittsflächen der Kortikalis und die der Muskulatur ausgemessen werden. Beim Vergleich der Muskeldrehmomente der Flexions- und Extensions-bewegung mit den im pQCT gemessenen Parametern Muskel- und Kortikalisfläche zeigen sich Korrelationen zwischen 0,55 und 0,91 bei Ellenbogen- und Kniegelenken. Die Untersuchung gesunder Gelenke offenbart einen Einfluß des Lebensalters, des Gewichtes und des Geschlechtes der Kinder und einen Einfluß der Seitendominanz der Gelenke auf die Muskeldrehmomente. Die Muskeldrehmomente erkrankter Gelenke verringern sich mit zunehmender Erkrankungsdauer. Dagegen zeigen Erkrankungsart oder Medikamenteneinnahme keinen Einfluß auf die Muskeldrehmomente. Ein Vergleich zwischen gesunden und arthritischen Gelenken ergibt niedrigere Muskeldrehmomente für erkrankte Gelenke. Bei den Kniegelenken erfolgt ein direkter Vergleich bei insgesamt acht Kindern, die zum Meßzeitpunkt einseitig ein arthritisches Gelenk haben. Die Beträge der Mediane der Muskeldrehmomente erkrankter Gelenke sind niedriger als die gesunder Gelenke. Die Mediane betragen 17,15 Nm während der Flexion in gesunden und 17,05 Nm in arthritischen Gelenken, während der Extension betragen sie -20,85 Nm in gesunden und -11,75 Nm in erkrankten Kniegelenken. Dieser Unterschied zwischen den Drehmomenten der gesunden und arthritischen Kniegelenke ist signifikant. Die Fallbeispiele lassen exemplarisch erkennen, daß sich bei unterschiedlichen Erkrankungsverläufen die gemessenen Muskeldrehmomente konvergent zur Klinik verhalten. Eine schnelle Remission der Arthritis und eine Normalisierung der Muskeldrehmomente der betroffenen Gelenke stellen wichtige Faktoren zur Erhaltung der Gelenkbeweglichkeit und damit zur Prävention der Osteoporose bei Kindern mit JIA dar. In der vorliegenden Arbeit erweist sich die SEG in Verbindung mit der ZQM als eine hierfür objektive, schnelle und kostengünstige Methode.

Children with juvenile idiopathic arthritis (JIA) often develop joint damage and loose joint function due to their chronic arthritis. A reduction of muscle power can occur as a result of the arthritis, as well as the associated joint immobility. In this process the bone density can decrease and a secondary osteoporosis can occur. Control of the joint function is desirable and important for the evaluation of the disease process and therapy success in children with JIA. The SEG represents an economical procedure for the evaluation of the range of motion of joints, which can be handled easily. It permits the calculation of the joint speed, the acceleration as well as the muscle torques. The evaluation of muscle torque allows conclusions of the muscle strength and indirectly on bone strength. The presented work researches the possibility of the SEG measurement of the muscle torques for the evaluation of the joint function in children with JIA. Procedures for the exact collection of the extremity masses are examined, which are necessary for the computation of kinetic parameters. The normal growth of children affects the body proportions and the outside form of the segments. Additionally illness-conditioned growth delays and deformities make the determination of the extremity masses of children with JIA more difficult. The individual determination of the masses is necessary for the computation of the muscle torques. The developed cylinder brick model (CBM) is a geometrical procedure, which represents hands and feet as bricks and lower arms and lower legs as cylinders. On the basis of a few directly raised parameters the computation of the extremity segment masses takes place. In two publications of Jensen [78, 79] about the computation of the segment masses the results are represented by means of regression equations (RE), which permit the computation of segment masses for other children. In the presented work these three computation methods are compared to the water displacement method with 121 healthy children between 4 and 14 years participating. The comparison shows a clear increase of the segment masses within the measured age span, for the hands from 0.11 kg to 0.55 kg, the feet from 0.98 kg to 1.32 kg, the arms from 0.38 kg to 1.64 kg, and the legs from 0.95 kg to 4.13 kg. The mean proportional deviation between the computation methods and the water displacement method is clearly lower for the CBM than for the RE. The difference between the CBM and the RE is significant with exception of the leg. This work also deals with the evaluation of the muscle torques by splint-fixed electrogoniometry (SEG). Upon a standardized measuring process with different questions altogether 73 children, 44 girls and 29 boys, with rheumatologic diseases were measured. The segment masses of the children are calculated with the CBM, which was described in the first part of the work. On the basis of the results of the SEG measurements the computation and evaluation of the muscle torques in the joints take place. With some children the lower legs, and/or the lower arms are measured with the peripheral quantitative computer tomography (pQCT) measure. The cross sectional areas of the corticle bone and the muscles can be measured by pQCT. The comparison of the muscle torques of the flexion and extension movements with the muscle and cortical areas measured by pQCT show correlations between 0.55 and 0.91 at the elbow and knee joints. The investigation of healthy joints reveals an influence of the age, the weight, and the sex of the children and an influence of the side dominance of the joints on the muscle torques. The muscle torques of arthritic joints decrease with the extended illness duration. On the other hand the type of disease or medication does not demonstrate influence on the muscle torques. A comparison between healthy and arthritic joints almost shows lower muscle torque in arthritic joints. A direct comparison can take place with in total eight children, which have at the time of measurement an arthritic and a healthy knee joint. The median of the muscle torques of arthritic joints are lower than those of the healthy joints. The median during flexion is 17.15 Nm in healthy and 17.05 Nm in arthritic joints, during the extension it is -20.85 Nm in healthy and -11.75 Nm in arthritic knee joints. This difference between the torques of healthy and arthritic knee joints is significant. The case examples show exemplary that with different disease processes the measured muscle torques behave convergent to the clinic. A fast remission of the arthritis and a normalization of the muscle torques of the joints represent important factors for the protection of the joint mobility and thus for the prevention of osteoporosis in children with JIA. The presented work proofs the SEG in connection with the CBM as an objective, fast and economical method for the evaluation of the muscle torques in children with JIA.