Quantifying internal shoulder loading

QC 261105

Abstract

Kvantifiering av interna ledbelastningar kan bidra till att förklara ledöverbelastning, särskilt hos sårbara grupper som rullstolsanvändare. De är i hög grad beroende av överkroppen för repetitiva och mekaniskt krävande uppgifter som framdrivning och förflyttningar och löper därför hög risk för överbelastning. Direkt mätning av interna ledbelastningar kräver invasiv instrumentering, vilket försvårar experimentella mätningar. Muskuloskeletala simuleringar erbjuder ett alternativ, men valideringen mot in vivo-mätningar är begränsad, och modellerna förenklar ofta ryggradens ledrörlighet. Därmed går information om överkroppens koordinerade rörelser förlorad, särskilt vid övningar i sittande position. Avhandlingen syftade till att utveckla ett heltäckande ramverk för invers muskuloskeletal simulering för att kvantifiera intern axelbelastning hos personer med och utan fysiska funktionsnedsättningar.

Studie A undersökte vilken grad av glenohumeral stabilitet som krävs för att rimligt skatta ledkontaktkrafter jämfört med in vivo-mätningar. Stabilitetsformuleringar som antingen begränsade kontaktkraftens riktning till stabilitetsområde av olika form eller bestraffade avvikelser från ledskålens (cavitas glenoidalis) centrum utvärderades. Alla formuleringar utom den mest restriktiva, som tvingade kraften rakt mot ledskålens centrum, överensstämde med kraftens storlek in vivo. Hårda bivillkor och villkorade straffunktioner tenderade att driva kraftvektorerna mot stabilitetsområdets gränser, medan kontinuerliga straffunktioner gav mer realistiska kraftriktningar inom ledskålen och därmed representerade stabiliteten rimligare.

För att bedöma hur hållning påverkar axelns biomekanik introducerade studie B den ryggradsintegrerade thorakoskapulära modellen (SITS) med cervikala och lumbala leder, kombinerad med en lösare för muskelredundans med straffunktionen från studie A. Tio vuxna utan funktionsnedsättning utförde hantellyft med 2 kg i upprätt och sjunken hållning. Jämfört med låst ryggrad återgav den olåsta modellen ryggradens kinematik mer korrekt och förändrade skulderbladets elevation signifikant, men inte den glenohumerala kontaktkraften, vilket tyder på att en låst modell kan räcka när denna kraft är utfallsmåttet. Den olåsta modellen synliggjorde dock hållningsinducerad bålkompensation: sjunken hållning begränsade den nåbara arbetsytan och krävde bakåtlutning av bålen, främst genom lumbal snarare än pelvisk rörelse, sannolikt för att bibehålla sittbalansen. Sjunken hållning ökade även uppgiftens krav, med signifikant högre maximala ledkontaktkrafter, särskilt vid sidolyft och framåtlyft.

Rullstolsförflyttning är en vanlig och belastande daglig aktivitet som är nödvändig för mobiliteten. Studie C tillämpade ramverket för att kvantifiera intern axelbelastning vid förflyttningar till olika höjder hos manuella rullstolsanvändare med kronisk, motoriskt komplett thorakal ryggmärgsskada. De skattade krafterna var högre i den efterföljande armen än i den ledande. Subscapularis och supraspinatus skattades stabilisera leden, medan pectoralis major skattades driva rörelsen. Förflyttningshöjden påverkade inte ledkontaktkrafterna signifikant, men väl enskilda muskelkrafter, och muskler i den ledande armen hade ofta lägre krafter vid förflyttning nedåt än uppåt. Ändrad höjd på förflyttningsytan och byte av förflyttningsriktning kan därför modulera de skattade belastningskraven på axlarna.

Framåtlutning av bålen rekommenderas ofta kliniskt vid rullstolsförflyttningar för att öka bäckenhöjningen, men hur tekniken påverkar axelns inre mekanik är inte fastställt. Studie D undersökte, med samma metod och studiepopulation som studie C, hur en muntlig instruktion att luta sig så långt framåt som möjligt påverkar axelbelastningen vid förflyttningar på samma nivå, jämfört med deltagarnas föredragna teknik. Instruktionen ökade den maximala bäckenhöjningen signifikant. De skattade krafterna ökade signifikant i flera muskler, särskilt i biceps långa huvud i den efterföljande armen och främre deltoideus i den ledande armen, men minskade signifikant i andra, mest påtagligt i nedre subscapularis i båda armarna. De glenohumerala kontaktkrafterna skilde sig inte signifikant mellan förhållandena. Framåtlutning kan därför öka bäckenhöjningen utan påvisbar förändring av kontaktkrafterna, samtidigt som belastningen omfördelas mellan axelns muskler.

Resultaten visar att simuleringsramverket är ett lovande verktyg för att kvantifiera intern axelbelastning, upptäcka förändringar mellan förhållanden och ge kvantitativa mått för hypotesprövning hos personer med och utan fysiska funktionsnedsättningar. Noggrann validering mot exakta belastningsmätningar krävs dock innan kliniska rekommendationer kan ges.

Link to DiVA