Instrumented gait analysis in osteoarthritis: From lab towards ambulatory systems

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-04-10
Issue Year
2019
Authors
Kluge, Felix
Editor
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-179-9
Abstract

Knee osteoarthritis (OA) is a progressive disease characterized by the degeneration of articular cartilage of the knee joint. Symptoms include pain, functional limitations and specifically gait dysfunction, all of which severely affect quality of life. In order to understand the causes and effects of pathological gait symptoms and to optimize intervention management, refined methods for the assessment of gait and its impairment are necessary. However, objective functional gait measures are commonly not assessed in clinical practice, but rather subjective patient reported outcome measures are used for clinical evaluation and intervention assessment. The first main goal of this thesis was to apply state-of-the-art methods of human gait analysis using infrared cinematography to the following biomechanical gait analysis questions. The identification of sub phases of the gait cycle has previously been suggested in literature as they contain important biomechanical information. However, the corresponding gait sub phase model has so far only been static as it included no gait speed dependency. This model was extended in this thesis, allowing the interpretability regarding gait speed changes. It was applied to gait data of OA patients undergoing total knee arthroplasty (TKA) and compared to gait of healthy subjects. Normalizing dependencies of gait phase durations on speed after surgery were found. Furthermore, biomechanical analysis was applied to clarify potentially confounding factors regarding laterally wedged insoles which can be used as a non-invasive intervention in early OA stages. Although cinematography is considered the gold standard in movement analysis, its use for gait assessment in clinical routine is limited due to high costs and operational efforts. Recently, mobile sensor-based systems have been introduced as a promising tool for the efficient acquisition of movement characteristics and gait limitations in various diseases including OA. They have the potential to be better applicable in clinical routine use and for real world gait assessment. The second main goal of this thesis was therefore the validation and clinical application of such a foot-worn sensor-based system. First, concurrent validity and test--retest reliability was assessed regarding commonly used gait parameters. Very good agreement with an optical motion capture reference system and high reliability was achieved. Second, this system was applied to a clinical population of OA patients undergoing TKA. Discriminative ability of the sensor-based system comparable to laboratory systems was observed. Due to the diverse inter-individual functional responses after surgery, no global effects of TKA on gait parameters were present. However, separating the patient group into positively and negatively responding patients allowed a highly accurate prediction of whether patients' gait improved or aggravated after surgery based on pre-operative gait parameters. This underpins the sensitivity of mobile body-worn systems to detect small treatment effects without the use of extensive laboratory systems.
In summary, the main contributions of this thesis are the extension of the gait phase model, the evaluation of non-invasive interventions regarding confounding factors, as well as the validity evaluation and clinical application of a mobile gait analysis system. The findings are beneficial for the domain of OA intervention research and for the integration of objective and ambulatory gait analysis into clinical practice.

Abstract

Kniegelenksarthrose ist eine sehr häufig auftretende fortschreitende Erkrankung des Bewegungsapparats, die durch Abnutzung des Gelenkknorpels und Schädigung darunter liegender Strukturen gekennzeichnet ist. Symptome sind unter anderem Schmerzen, funktionelle Einschränkungen und insbesondere Gangstörungen, die die Lebensqualität stark beeinträchtigen. Um die Ursachen und Auswirkungen dieser Gangstörungen zu verstehen, sind akkurate Methoden zur Gangbeurteilung notwendig. In der Regel werden objektive funktionelle Gangmessungen in der klinischen Praxis allerdings nicht eingesetzt, sondern es kommen eher subjektive, vom Patienten berichtete, Ergebnisparameter zum Einsatz. Bezüglich objektiver Ganganalyse war das erste Ziel dieser Arbeit die Anwendung von Infrarotkinematographie auf die folgenden Fragestellungen. Die Extraktion von Subphasen des Gangzyklus wurde bereits in der Literatur vorgeschlagen, da sie relevante biomechanische Informationen enthalten. Das bisher statische Phasenmodell berücksichtigte jedoch nicht die Ganggeschwindigkeit. Das Modell wurde zur besseren Interpretierbarkeit in Bezug auf variable Geschwindigkeiten erweitert. Das erweiterte Modell wurde auf Arthrosepatienten vor und nach einer Totalendoprothesen-Operation angewendet und mit dem Gang gesunder Probanden verglichen. Darüber hinaus wurde eine biomechanische Analyse durchgeführt, um konfundierende Variablen bei lateral erhöhten Einlagen, die in frühen Arthrosestadien eingesetzt werden können, zu identifizieren. Obwohl die Infrarotkinematographie ein Referenzsystem in der Bewegungsanalyse ist, wird sie in klinischen Routinen aufgrund der hohen Kosten und des hohen Aufwands nur wenig eingesetzt. Mobile sensorgestützte Systeme dagegen werden als vielversprechende Instrumente zur effizienten Erfassung von Bewegung und Gangeinschränkungen angesehen und könnten in der klinischen Routine potentiell besser eingesetzt werden. Das zweite Ziel dieser Arbeit war daher die Validierung und klinische Anwendung eines solchen sensorgestützten Systems. Zunächst wurde die Validität und Test-Retest-Reliabilität bezüglich der extrahierten Gangparameter bewertet. Dann wurde das System bei Totalendoprothesen-Patienten evaluiert. Das sensorgestützte System unterschied gesunde und pathologische Gangmuster mit vergleichbarer Genauigkeit wie laborbasierte Systeme. Aufgrund der unterschiedlichen interindividuellen Ergebnisparameter nach der Operation waren jedoch keine globalen Unterschiede zu präoperativem Gang messbar. Basierend auf präoperativen Gangparametern wurde dagegen sehr präzise vorhergesagt, ob sich die Gangparameter von Patienten nach der Operation verbessern oder verschlechtern würden. Dies zeigt, dass mobile, am Körper getragene Systeme ausreichend empfindlich sind auch kleine Behandlungseffekte ohne den Einsatz komplexer Laborsysteme zu erfassen. Zusammenfassend sind die Beiträge dieser Arbeit die Erweiterung des biomechanischen Gangphasenmodells, die Analyse nicht-invasiver Interventionen hinsichtlich konfundierender Faktoren sowie die Validierung und klinische Anwendung eines mobilen Ganganalysesystems. Die Ergebnisse sind für den Bereich der Interventionsforschung bei Arthrose und für die Integration einer objektiven und ambulanten Ganganalyse in die klinische Praxis von Bedeutung

Series
FAU Studien aus der Informatik
Series Nr.
7
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-178-2
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