MECHANICS OF THE SHOULDER COMPLEX AND CLINICAL INVESTIGATION IN SPINAL CORD INJURED INDIVIDUALS - HEIDI RUCKSTUHL-KN USEL
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DISS. ETH NO. 17638
MECHANICS OF THE SHOULDER COMPLEX AND
CLINICAL INVESTIGATION IN SPINAL CORD
INJURED INDIVIDUALS
HEIDI RUCKSTUHL-KNÜSELDISS. ETH NO. 17638
MECHANICS OF THE SHOULDER
COMPLEX AND CLINICAL INVESTIGATION
IN SPINAL CORD INJURED INDIVIDUALS
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
HEIDI RUCKSTUHL-KNÜSEL
Dipl. Natw. ETH Zurich
born 27.11.1979
citizen of Hildisrieden and Neuenkirch, Luzern
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Edgar Stüssi, examiner
Prof. Dr. Robert Riener, co-examiner
Dr. Benedicte Vanwanseele, co-examiner
Dr. Dr. Silvio Lorenzetti, co-examiner
2008Zusammenfassung Ein intaktes Schultergelenk bei Rollstuhlfahrern ist von grosser Bedeutung, da sie zur Bewäl- tigung alltäglicher Aktivitäten auf die Arme angewiesen sind. Eine Verletzung der Schulter kann zu starken Einschränkungen führen. Betrachtet man den Hergang der muskuloskeletalen Funktionseinschränkungen des Schultergelenkes bei Rollstuhlfahrern, so haben muskuläre Dys- balancen Instabilität und Impingement zur Folge, was im späteren Stadium zu makroskopischen Schäden der Rotatorenmanschette sowie zu Arthrose führen kann. Dieser Pathomechanismus der Schulterverletzungen gilt aber nicht nur für Rollstuhlfahrer, sondern allgemein für alle, die ihre Schultern hohen Belastungen aussetzen. Um das Fortschreiten der Schulterbeschwerden zu vermeiden, ist das Wohlergehen der Schultermuskulatur von zentraler Bedeutung. Spezielles Au- genmerk muss dabei auf die Rotatorenmanschette gerichtet sein, denn sie ist verantwortlich für die aktive glenohumerale Führung. Weiter ist bei Rollstuhlfahrern nur wenig über das Auftreten der Omarthrose bekannt und der Einfluss der Belastung auf degenerative Veränderungen im Schultergelenk wird sogar kontrovers diskutiert. In der ersten Studie wurden manuelle Muskeltests, welche in der Orthopädie zur Frühdiagnose muskulärer Probleme verwendet werden, mechanisch und klinisch analysiert. Ein Schultermod- ell wurde entwickelt, um die individuellen Hebelarme und die internen Momente zu berechnen. Ferner wurde die maximale isometrische Kraft der Probanden gemessen, um das externe Moment zu bestimmen. Dies diente sowohl der Validierung der internen Momente als auch der Ermitt- lung der Unterschiede zwischen Paraplegikern und Fussgängern. In der zweiten Studie wurde die Morphologie des humeralen Gelenkknorpels bei Paraplegikern mit hoher Schulterbelastung als auch bei Tetraplegikern mit reduzierter Belastung untersucht und mit einer Kontrollgruppe verglichen. Bei Paraplegikern (n = 9) und einer dem Alter angepassten Kontrollgruppe aus Fussgängern (n = 9) wurde je die maximale isometrische Abduktionskraft mittels IsoBex gemessen und das externe Moment ermittelt, die Integrität der Schulter mittels dem Constant Score und klinis- chen Tests untersucht, sowie ein muskuloskeletales Modell entwickelt, um die individuelle in- termuskuläre Mechanik zu analysieren. Funktionstests des Supraspinatus’ wurden selektioniert, weil der Supraspinatus derjenige Muskel der Rotatorenmanschette ist, der bei Personen mit Rotatorenmanschetten-Pathologien am meisten betroffen ist. Drei Abduktionstests mit dem Arm in neutraler Position (Starter Test), mit dem Arm in 90◦ Scaption, d.h. in 90◦ Abduktion in der Schulterblattebene (Abd90 Test), und mit dem Arm in 90◦ Scaption, aber mit maximaler Innenrotation des Oberarmes (der weitverbreitete Jobe Test), wurden untersucht. Zur Berech- nung der muskulären Hebelarme und der Momente des Supraspinatus’, Infraspinatus’, sowie des mittleren und vorderen Deltamuskels wurden die Schulterstrukturen auf den MR Bildern segmentiert und die Positionen in einem CAD Programm simuliert. Der Kraftangriffspunkt,
die Kraftrichtung und das Drehzentrum wurden zur Berechnung des Hebelarmes ermittelt. Zur Bestimmung der maximalen isometrischen Muskelkraft wurde die Querschnittsfläche der Sehne mit der spezifischen Spannung bei maximaler Muskelkraft multipliziert, wobei die Kraft-Längen Funktion des Muskels ebenfalls berücksichtigt wurde. Der Fehler des berechneten Hebels und Momentes nach der Methode nach Gauss betrug weniger als 15%. Die externen Abduktionsmomente waren bei der Paraplegiker-Gruppe nicht grösser als bei den Fussgängern, obwohl die Schultermuskeln bei Rollstuhlfahrern starken Belastungen ausge- setzt sind. Dies lässt vermuten, dass zusätzliche Faktoren das Resultat beeinflusst haben. In der Gruppe der Paraplegiker wurden im Vergleich zur Kontrollgruppe vermehrt Schulterprobleme festgestellt: Der Constant Score war tiefer (88% vs. 98%) und bei 7 von 9 Paraplegikern wurden Pathologien in der Schulter klinisch nachgewiesen, welche mit dem schmerzhaften Bogen assozi- iert sind (Schmerzen während aktiver Abduktion zwischen 60◦ und 120◦ ). Die Kombination solcher Faktoren, d.h. muskuläre Probleme und Schmerzen sowie als weiterer Faktor eine un- genügende Fixierung des Oberkörpers bei Paraplegikern könnte die maximale Kraftentwicklung bei der Gruppe der Rollstuhlfahrer beeinträchtigt haben. Dass Pathologien die Kraftenwick- lung hemmen können, wird ferner durch Resultate des Schultermodells unterstützt. Bei den Paraplegikern waren im Vergleich zur Kontrollgruppe die internen Momente in den abduzierten Positionen höher als die externen Momente - der Unterschied war jedoch statistisch nicht sig- nifikant. Da die Hebelarme in der Schulter stark von der Armposition abhängig sind, konnte bezüglich Hebel und Moment der ideale Supraspinatus Test ermittelt werden; dies in der Starter Position. In jener Position waren es vor allem der Supraspinatus und der mittlere Deltamuskel, welche am Abduktionsmoment beteiligt waren, währenddem in den abduzierten Positionen der Einfluss des Infraspinatus’ und vorderen Deltamuskels zunahm. Bei der Betrachtung des internen und externen Momentes wurde ferner eine Diskrepanz in den Abd90 und Jobe Positionen festgestellt. In diesen beiden Positionen war das interne Moment grösser, das externe Moment jedoch kleiner als in der Starter Position. Dieser Unterschied ist vor allem darauf zurückzuführen, dass im Modell die Aktivität als maximal angenommen wurde. Es wird jedoch vermutet, dass die neu- rale Aktivierung in den abduzierten Positionen geringer ist als in der Starter Position. Ferner könnte die seitliche Oberkörperstabilisierung bei Krafttests in abduzierten Armpositionen die maximale Momententwicklung beeinträchtigen. Zur Prävention von Arthrose sollten Schäden am Gelenkknorpel frühzeitig diagnostiziert werden. Der humerale Knorpel wurde deshalb bei Paraplegikern mit hoher Schulterbelastung (n = 11) als auch bei Tetraplegikern mit reduzierter Belastung (n = 8) untersucht und mit einer Kon- trollgruppe (n = 9) verglichen. Basierend auf MRI Daten konnte die Knorpeldicke beim drei- dimensional rekonstruierten Knorpel berechnet werden. Um lokale Unterschiede zu analysieren, wurde der Knorpel in Segmente aufgeteilt. Die Reproduzierbarkeit der Segmentation war mit einem Variationskoeffizient von weniger als 1% ausgezeichnet.
Unabhängig von der Belastungssituation wurde keine Dickenabnahme festgestellt. Dieses Ergebnis unterstreicht den beschriebenen Pathomechanismus, der besagt, dass Arthrosen bei Patienten mit traumatischen Schulterbeschwerden vor allem im Endstadion auftreten. Dass Arthrosen nicht das primäre Problem sind, bestätigen weiter die Resultate der lokalen Dick- enänderungen. Bei Paraplegikern war der kraniale Knorpel dicker, was vermuten lässt, dass der Knorpelschwund, welcher im Alter beobachtet wurde, reduziert war, da der Knorpel stark belastet wurde. Folgernd kann gesagt werden, dass muskuloskeletale Beschwerden der Schulter bei Rollstuhlfah- rern primär die Muskulatur betreffen, was die maximale Kraftentwicklung verringert, und dass der Knorpel selten beeinträchtig ist. Die neu entwickelte Methode zur Berechnung des Hebels und Momentes eignet sich, um beobachtete Phänomene mechanisch zu analysieren. Die Methode basiert auf MRI Daten und CAD Simulationen und kann für jede beliebige Gelenkskonfiguration verwendet werden.
Abstract The shoulder joint in spinal cord injured individuals plays a crucial role in providing indepen- dence for everyday life. Therefore, any damage or injury to structures of the shoulder should be avoided. Considering musculoskeletal disorders of the shoulder joint in wheelchair users, the pathomechanism begins with a muscular imbalance, that leads to glenohumeral instability, impingement disease, rotator cuff tears, and finally osteoarthritis. This pathomechanism is not just true for wheelchair users, but also for highly loaded shoulders in general, e.g. for throwing athletes. Therefore, well-being of the shoulder girdle musculature - and especially of the rotator cuff which is responsible for the active glenohumeral guidance - is the most important factor for avoiding the progression of shoulder complaints. Furthermore, only little is known about the incidence of osteoarthritis in the shoulders of wheelchair users and the impact of loading on degenerative changes in the shoulder joint is a controversial debate. The first study mechanically and clinically analyzed manual muscle tests which are used in or- thopedics to test the integrity of the muscles. A shoulder model was developed to determine the muscular moment arms and internal moments. Furthermore, the maximal isometric force was measured individually to determine the external moment. This moment was compared to the model’s results and differences between paraplegic individuals and unimpaired controls were detectable. In the second study, the influence of different loading situations (paraplegic vs. quadriplegic individuals) on the morphology of the humeral articular cartilage were determined. To analyze the moment-generating capacity of the shoulder complex between paraplegic individ- uals (n = 9) and a control group (n = 9), maximum isometric shoulder strength was measured with IsoBex and the corresponding moment was determined, the shoulder integrity was analyzed using the Constant score and clinical tests, and a musculoskeletal model was built for each sub- ject in order to discuss individual intermuscular mechanics. Tests which attempt to isolate the function of the m. supraspinatus were used, as it is the supraspinatus which is most frequently compromised in persons with rotator cuff pathology. Three abduction tests were analyzed with the arm in the neutral position (named Starter test), at 90◦ of scaption, i.e. at 90◦ of scapular abduction (Abd90 test), and at 90◦ of scaption and full internal humeral rotation (the com- monly used Jobe test). To compute muscular moment arms and corresponding moments of the supraspinatus, infraspinatus, as well as of the middle and anterior deltoid, MRI shoulder data were segmented and incorporated into a CAD environment for simulation. Using information of muscular contact point, direction of force and center of rotation, moment arms were calculable. The maximum isometric force was computed by implementing tendon properties (cross-sectional area and specific tension at maximum muscular activity) as well as the force-length function of the muscle. Estimation of the error was performed to determine the accuracy of the internal moment arm and moment using the Gaussian error propagation with relative errors smaller than
15%. It was found that manual wheelchair users were not stronger in abduction, although their shoulder muscles are generally more highly loaded. This finding allows the assumption that other factors influenced the result. More shoulder complaints in a randomly selected group of manual wheelchair users than in age-matched controls were observed: the Constant score was lower (88% compared to 98%) and in 7 out of 9 paraplegic subjects shoulder pathologies were clinically diagnosed which are associated with the painful arc (pain during active abduction between 60◦ and 120◦ ). Therefore, it is speculated that muscular disorders and pain as well as an insufficient fixation in wheelchair users due to their decreased trunk stability reduce the ability to exert a force resulting in a reduced moment. This hypothesis is supported by the model’s results. A trend of higher internal but reduced external moments was found in wheelchair users compared to unimpaired controls in the abducted positions. As moment arms of shoulder muscles were highly dependent on arm position, a best-test- situation for isolated supraspinatus testing considering muscular moment arms and the inter- nal moments was achieved in the Starter position. It was in this position, where mainly the supraspinatus and middle deltoid contributed to the moment, whereas the influence of the in- fraspinatus and anterior deltoid became relevant when the arm was abducted. A discrepancy between the model’s calculation and the external moment was observed in the Abd90 and Jobe positions. Whereas the internal moment was higher in the abducted positions than in the Starter position, the external moment was not. This difference might be mainly due to the neural acti- vation pattern which was assumed to be maximal in each position. However, activation might decrease with the arm in 90◦ of scaption. Furthermore, the lateral stabilization of the upper body might play a crucial role in order to exert maximal abduction moments if the arm is placed in an abducted position. In the prevention of osteoarthritis, early detection of structural damage to the articular cartilage is necessary. The different level of loading on humeral cartilage thickness was investigated in paraplegic subjects with high loading (n = 11) and in quadriplegic individuals with reduced shoulder loading (n = 8) and compared to unimpaired controls (n = 9). Based on segmented MR images, cartilage thickness was derived from the three-dimensional reconstructed cartilage. For regional evaluation, the reconstructed cartilage was divided into sectors. Re-segmentation reproducibility was excellent with a mean coefficient of variation of 1%. No humeral articular cartilage thinning in any group was detected suggesting that wheelchair users are not predisposed to shoulder cartilage loss. This finding supports the proposed path- omechanism where omarthrosis is not the primary problem in patients with shoulder disorders. Even more, in paraplegic subjects thicker cartilage in the superior region of the humeral head was found, suggesting that cartilage thinning with age is locally reduced in the presence of in- creased loading.
To conclude: musculoskeletal disorders of the shoulder joint in spinal cord injured individuals are primarily related to muscular disorders impeding maximum force exertion, whereas articular cartilage is less affected. The new method for calculation of moment arms and moments using MRI data and a CAD tool for simulation is suitable for any desired shoulder joint configuration and it can easy be transferred to other joints.
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