Een stabiliteitsmaat voor knie artrose

Mensen met knie artrose hebben vaak last van knie instabiliteit. Maar wat is knie instabilteit? En hoe kunnen we het objectief meten? In het Amsterdam UMC hebben we de afgelopen vier jaar onderzoek gedaan naar knie instabiliteit bij mensen met knie artrose. Het hieronder beschreven werk is dan ook het resultaat van het promotie onderzoek van ir. Jim Schrijvers. Dit onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met Reade centrum voor revalidatie en reumatologie in Amsterdam en met subsidie van ReumaNederland.

Knie instabiliteit bij mensen met knie artrose

Ongeveer 700.000 mensen in Nederland hebben de diagnose knie artrose. Een grote groep hiervan, ongeveer 65%, rapporteert last te hebben van knie instabiliteit tijdens dagelijkse activiteiten zoals wandelen of traplopen. Het gevoel dat deze mensen rapporteren tijdens deze activiteiten is het verschuiven of knikken van de knie of het door de knie gaan. Daarnaast hebben ze vaak ook pijn en meer moeite met het uitvoeren van dagelijkse activiteiten dan mensen met knie artrose die een stabiel gevoel hebben in de knie. Hoe dit gevoel van instabiliteit in de knie ontstaat, en wat de rol van knie instabiliteit is in het ontstaan en verergeren van knie artrose, is nog niet bekend.

Een conceptueel model van Blalock et al. 2015 geeft meer inzicht (zie Figuur 1) (Blalock et al., 2015). In dit model wordt ervanuit gegaan dat knie instabiliteit ontstaat door een schade aan structuren van het gewricht, denk bijvoorbeeld aan het scheuren van de voorste kruisbanden of een beschadigde meniscus. Door de knie blessure ontstaan er ongewenste verschuivingen en krachten in de knie. Als gevolg hiervan ontstaat er een onjuiste mechanische belasting van de knie, wat leidt tot overmatige krachten op het kraakbeen. Door deze krachten wordt een biologisch proces gestart van het afbreken van het kraakbeen (gele en oranje blokken in figuur 1) en het remmen van de opbouw, waardoor er na verloop van tijd knie artrose ontstaat. Binnen dit model is het biologische proces al redelijk onderzocht. Maar er blijven nog vragen over wat knie instabiliteit nu precies is en hoe we het objectief kunnen meten. Tevens is de vraag of patiënten die knie instabiliteit ervaren ook hun knie onjuist belasten door bewegingen van de knie, krachten in de knie en / of activatie van de spieren rondom de knie.

In het Amsterdam UMC, bij de afdeling revalidatiegeneeskunde (locatie VUmc) zijn we daarom een onderzoek gestart, genaamd het STability in OsteoArthritis (STOA) onderzoek, naar het objectief meten van knie instabiliteit tijdens het lopen van mensen met knie artrose. Hiermee proberen we inzicht te verkrijgen in hoe het lopen afwijkt van patiënten die knie instabiliteit ervaren ten opzichte van patiënten die geen instabiliteit ervaren en controle proefpersonen zonder knie artrose of instabiliteit. Bij mensen met een afwijkend looppatroon kunnen we behandelingen starten voor vermindering van knie instabiliteit, zoals het vergroten van de spierkracht, door het aanpassen van het individuele looppatroon en kunnen we mensen sneller opsporen die een risico lopen op het ontwikkelen van knie instabiliteit. Om het objectief meten van knie instabiliteit mogelijk te maken hebben we in dit onderzoek gebruik gemaakt van 3D gangbeeldanalyses.

3D gangbeeld analyse

3D gangbeeld analyse wordt al jaren toegepast in het wetenschappelijk onderzoek en de kliniek om het bewegen van mensen met of zonder aandoeningen te bestuderen. Bij 3D gangbeeld analyse wordt er gebruik gemaakt van reflecterende bolletjes die worden geplaatst op vooraf bedachte plaatsen op het lichaam (zie Figuur 2). Deze bolletjes kunnen dan gevolgd worden tijdens het lopen door middel van infrarood camera’s. De gemeten bewegingen van deze bolletjes worden gebruikt om de bewegingen van de knie en andere gewrichten tijdens het lopen van de persoon te berekenen. Vaak wordt er naast het meten van de bewegingen ook gebruik gemaakt van krachtplaten in de grond om de grondreactiekrachten te meten. Met behulp van de grondreactiekrachten kunnen dan ook de krachten in ieder gewricht bepaald worden, die uitgedrukt worden in momenten. Verder wordt ook regelmatig de activatie van spieren tijdens het lopen gemeten met behulp van elektromyografie. Dit wordt gedaan door draadloze elektromyografie kastjes te plaatsen op de spieren die men wilt bestuderen (zie Figuur 3). Door de bewegingen, momenten en spieractivatie van de knie tegelijkertijd te meten tijdens het lopen wordt een beeld geschetst van gewrichtsafwijkingen in mensen met knie artrose ten op zichtte van gezonde mensen.

In het Amsterdam UMC hebben we een virtual reality lab dat alle aspecten van de 3D gangbeeld analyse bevat. Daarnaast heeft dit lab ook een geavanceerde loopband en een virtual reality scherm (zie hoofdafbeelding van het artikel of Figuur 5). Met deze loopband kunnen we verstoringen aanbrengen tijdens het lopen om zo het lopen wat uitdagender te maken en meer te laten lijken op het lopen in het dagelijkse leven. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het verschuiven naar links of rechts van de gehele loopband of het vertragen of versnellen van één van de twee banden van de loopband om zo één van de voeten te laten wegslippen. Tijdens het STOA onderzoek hebben we gebruik gemaakt van deze verstoringen om instabiliteit in de knie van de patiënt uit te lokken. Een virtuele bosomgeving werd geprojecteerd op het virtual reality scherm waardoor proefpersonen minder het idee hadden dat ze in een loop laboratorium liepen.

Het STability in OsteoArthritis (STOA) onderzoek

Het STOA onderzoek bestaat uit vijf onderdelen: een literatuurstudie, een pilotstudie, een studie met patiënten tijdens onverstoord lopen, een studie met patiënten tijdens het lopen met verstoringen en een internationale studie samen met een onderzoeksgroep uit Canada.

Allereerst is er gekeken wat er bekend was in de wetenschappelijke literatuur over het meten van knie instabiliteit tijdens het lopen (Schrijvers et al., 2019). Hieruit bleek dat er wel wat onderzocht was, maar dat er nog onduidelijkheid bestond over de definitie van knie stabiliteit tijdens het lopen en of de metingen in de studies wel op dezelfde manier gedaan werden. Om hier duidelijkheid in te scheppen hebben wij daarom een voorstel gedaan voor de definitie van knie stabiliteit tijdens het lopen: “De mogelijkheid om te reageren op een verstoring tijdens het lopen binnen de natuurlijke bewegingsgrenzen van de knie”. Deze omschrijving is ontstaan uit het idee dat mensen pas instabiliteit van de knie ervaren tijdens het lopen als er onverwachte verstoring plaatsvindt, hierbij kunt u denken aan bijvoorbeeld het verschuiven van de voet door een glad wegdek of het uitwijken voor een obstakel.

Aangezien er nog weinig bekend was over de gevolgen van verschillende verstoringen tijdens het lopen, is dit eerst getest ineen pilotstudie bij gezonde jonge mensen. Hierbij werd er gekeken naar de activatie van de spieren rondom de knie tijdens de verschillende verstoringen, omdat de bewegingen van de knie tijdens verschillende verstoringen al in eerdere studies van onze afdeling onderzocht waren (Sloot et al., 2015; van den Noort et al., 2017). In deze studie observeerden we dat gezonde jonge mensen hun spieractivatie verhoogden met het verhogen van de kracht (intensiteit) van de verstoring. Daarnaast zorgden verschillende type verstoringen voor verschillende reacties in de activatie van de spieren rondom de knie. Met deze informatie konden we de vervolgstap maken om de verstoringen tijdens het lopen te gaan testen in patiënten met knie artrose.

Eerst werd het lopen zonder verstoringen bestudeerd in 20 patiënten met knie instabiliteit in vergelijking met 20 patiënten die stabiele knieën rapporteerden en 20 gezonde proefpersonen. Hieruit bleek dat patiënten met knie instabiliteit met meer gebogen knieën liepen en dat er maar weinig verschil was in de spier activatie rondom de knie tussen de 3 groepen. De ernst van de knieartrose (bepaald met röntgenfoto’s) speelde ook een rol, want patiënten met knie instabiliteit en ernstige artrose liepen met nog meer gebogen knieën en hadden afwijkende spieractivatie van de bovenbeen spieren dan patiënten met minder ernstige knie artrose. In totaal had 80% van de patiënten met knie instabiliteit vroeger een knie blessure  gehad.

Tijdens het lopen met verstoringen observeerden we dat de patiënten met knie instabiliteit nog steeds met meer gebogen knieën liepen dan de andere groepen en dat zelfs de patiënten met knie instabiliteit en matige artrose dit meer gingen doen als reactie op de moeilijkste verstoring. Daarnaast bleek dat de mensen met knie instabiliteit en ernstige artrose al hun bovenbeen spieren tegelijkertijd aanspanden (co-contractie) als reactie op de verstoringen. Deze specifieke reacties van de patiënten met knie instabiliteit op de verstoringen konden gebruikt worden in een beslisschema om objectief te kunnen beoordelen of een patiënt een instabiele knie heeft of niet. Met dit objectieve beslisschema kon 85% van de patiënten juist gedefinieerd worden als instabiel of stabiel gebaseerd op de eerder bepaalde groepen op basis van het gevoel van knie instabiliteit. Dit beslisschema is te vinden in het wetenschappelijk artikel Schrijvers et al. 2021 gepubliceerd in het Journal of Biomechanics (Schrijvers, van den Noort, et al., 2021). Een voorbeeld van een gemeten reactie van een patiënt op een verstoring tijdens het lopen is te zien in figuur 4.

Om te beoordelen of deze manier van objectief meten de juiste meting is van knie instabiliteit zal deze manier van meten getest moeten worden in een groter aantal patiënten en in verschillende looplaboratoria. Aangezien uit de literatuurstudie kwam dat er nogal wat onduidelijkheid is of laboratoria op dezelfde manier het lopen meten hebben we een onderzoek gestart samen met onze collega’s van Dalhousie University in Canada. Hieruit bleek dat de manier van meten van invloed was op de resultaten (Schrijvers, Rutherford, et al., 2021). Daarom hebben we een eerste stap gemaakt om het meten van het lopen te harmoniseren tussen de laboratoria. In de toekomst kan dan het beslisschema op beide locaties op de juiste manier getest worden.

Conclusie en toekomstvisie

Concluderend, door middel van het gebruik van 3D gangbeeldanalyse en verstoringen tijdens het lopen zijn we erachter gekomen dat patiënten met knie instabiliteit op een andere manier lopen dan patiënten met stabiele knieën en gezonde controle proefpersonen. Patiënten met het gevoel van instabiliteit in de knie lopen met meer gebogen knieën tijdens onverstoord en verstoord lopen. Daarnaast reageerden patiënten met knie instabiliteit en ernstige artrose met een verhoogde co-contractie van de spieren rondom de knie op de verstoringen. Gebaseerd op deze manier van lopen is een beslisschema ontwikkeld om objectief te bepalen of een patiënt instabiliteit in de knie heeft of niet. Hiermee werd 85% van de patiënten met knie artrose juist gedefinieerd als instabiel of stabiel op basis van de van tevoren bepaalde groepen van het gevoel van knie instabiliteit. Meer (internationaal) onderzoek met een grotere groep mensen is nodig om te bevestigen dat de afwijkingen tijdens het lopen echt specifiek zijn voor patiënten met het gevoel van knie instabiliteit. Hiermee kunnen de behandelingen voor knie instabiliteit meer op maat gemaakt worden voor de patiënt. Daarnaast kan met meer onderzoek het beslisschema verder getest, verbeterd en gevalideerd worden, zodat deze in de toekomst gebruikt kan worden om knie instabiliteit in vroeg stadium van artrose vast te stellen bij mensen die een verhoogd risico hebben op artrose of progressie van artrose (bijv. na een knie blessure) en als objectieve maat gebruikt kan worden naast het gevoel van knie instabiliteit dat patiënten rapporteren.

Het STOA onderzoek heeft ook meer inzicht gegeven in het conceptuele model van Blalock et al. 2015 dat in de introductie is beschreven (Blalock et al., 2015). Allereerst bleek dat 80% van de geïncludeerde patiënten die het gevoel van instabiliteit rapporteerden vroeger een blessure aan de knie heeft gehad, wat dus in lijn is met het conceptuele model. Verder observeerden we dat patiënten met het gevoel van instabiliteit met meer gebogen knieën liepen en dat naarmate de artrose erger werd er ook veranderingen in de spieractivatie ontstonden (i.e. hogere co-contractie). Vanuit de wetenschappelijke literatuur weten we dat het met meer gebogen knieën lopen er voor kan zorgen dat het kraakbeen tussen de knieën op andere locaties belast wordt (Koo et al., 2011). Eén studie heeft dan ook laten zien dat de kraakbeendikte verminderde over tijd bij mensen met knie artrose die met gebogen knieën liepen (Favre et al., 2016). Wat betreft de verhoogde co-contractie bij patiënten met knie instabiliteit en ernstige artrose, weten we dat het een ineffectieve strategie kan zijn om de knie te stabiliseren om zo bijvoorbeeld een verstoring tijdens het lopen tegen te gaan (Schmitt & Rudolph, 2008). Daarnaast heeft één studie laten zien dat als de verhoging van de co-contractie langdurig aanhoudt tijdens het lopen het kan leiden tot kraakbeenschade over de tijd bij mensen met knie artrose (Hodges et al., 2016). Een verklaring hiervoor kan zijn dat door het verhogen van de co-contractie van de spieren rondom de knie er hogere interne krachten ontstaan in de knie. Dit leidt weer tot hogere krachten die inwerken op het kraakbeen wat het biologische proces van afbraaken opbouw van het kraakbeen (zoals beschreven in de introductie) verstoort. Echter is er  meer onderzoek nodig om dit soort mechanismes verder te bestuderen en daarmee de rol van knie instabiliteit in het ontstaan en verergeren van knie artrose duidelijker te begrijpen.

Met dank aan

Alle deelnemers die meegedaan hebben aan het onderzoek, ReumaNederland, alle co-auteurs van de artikelen, promotor Prof. Dr. Ir. Jaap Harlaar en copromotoren Dr. Ir. Josien van den Noort en Dr. Martin van der Esch.

Voor meer informatie over het STOA onderzoek verwijzen we u graag naar onderstaande literatuur met auteur Schrijvers et al.

Referenties

• Blalock, D., Miller, A., Tilley, M., & Wang, J. (2015). Joint Instability and Osteoarthritis. Clinical Medicine Insights. Arthritis and Musculoskeletal Disorders, 8, 15–23. https://doi.org/10.4137/CMAMD.S22147
• Favre, J., Erhart-Hledik, J. C., Chehab, E. F., & Andriacchi, T. P. (2016). Baseline ambulatory knee kinematics are associated with changes in cartilage thickness in osteoarthritic patients over 5 years. Journal of Biomechanics, 49(9), 1859–1864. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.04.029
• Hodges, P. W., van den Hoorn, W., Wrigley, T. V., Hinman, R. S., Bowles, K.-A., Cicuttini, F., Wang, Y., & Bennell, K. (2016). Increased duration of co-contraction of medial knee muscles is associated with greater progression of knee osteoarthritis. Manual Therapy, 21, 151–158. sph.
• Koo, S., Rylander, J. H., & Andriacchi, T. P. (2011). Knee joint kinematics during walking influences the spatial cartilage thickness distribution in the knee. Journal of Biomechanics, 44(7), 1405–1409. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2010.11.020
• Schmitt, L. C., & Rudolph, K. S. (2008). Muscle stabilization strategies in people with medial knee osteoarthritis: the effect of instability. Journal of Orthopaedic Research : Official Publication of the Orthopaedic Research Society, 26(9), 1180–1185. https://doi.org/10.1002/jor.20619
• Schrijvers, J. C., Rutherford, D., Richards, R., Noort, J. C. van den, Esch, M. van der, & Harlaar, J. (2021). Inter-laboratory comparison of knee biomechanics and muscle activation patterns during gait in patients with knee osteoarthritis. The Knee, 29, 500–509. https://doi.org/10.1016/j.knee.2021.03.001
• Schrijvers, J. C., van den Noort, J. C., van der Esch, M., Dekker, J., & Harlaar, J. (2019). Objective parameters to measure (in)stability of the knee joint during gait: A review of literature. Gait & Posture, 70, 235–253. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2019.03.016
• Schrijvers, J. C., van den Noort, J. C., van der Esch, M., & Harlaar, J. (2021). Neuromechanical assessment of knee joint instability during perturbed gait in patients with knee osteoarthritis. Journal of Biomechanics, 118, 110325. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2021.110325
• Sloot, L. H., Noort, J. C. van den, Krogt, M. M. van der, Bruijn, S. M., & Harlaar, J. (2015). Can Treadmill Perturbations Evoke Stretch Reflexes in the Calf Muscles? PLOS ONE, 10(12), e0144815. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144815
• van den Noort, J. C., Sloot, L. H., Bruijn, S. M., & Harlaar, J. (2017). How to measure responses of the knee to lateral perturbations during gait? A proof-of-principle for quantification of knee instability. Journal of Biomechanics, 61(Supplement C), 111–122. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2017.07.004