Background. Numerosi studi dimostrano che durante gli esercizi di estensione del ginocchio in catena cinetica aperta, la tensione sul legamento crociato anteriore (LCA) può essere ridotta considerevolmente con la co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali, così come, attraverso l’utilizzo di una leg-extension che implementi o una compressione assiale esterna sul ginocchio, o una spostamento controllato del rullo mobile lungo la parte inferiore della gamba durante l’esercizio. Obiettivi. Gli obiettivi principali di questo studio sono: 1) determinare il possibile aumento della co-attivazione dei muscoli femorali causata dalla co-contrazione intenzionale durante esercizi di leg-extension in catena cinetica aperta, e valutare se una co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali può ridurre completamente le forze di taglio tibiofemorali sul LCA durante l’esecuzione di questi esercizi; 2) costruire due prototipi di leg-extension: uno con compressione assiale sul ginocchio e uno con rullo mobile, e valutarne l’effettiva efficacia nel limitare la traslazione anteriore della tibia. Metodi. L’attività elettromiografica dei muscoli semitendinoso (ST), semimembranoso (SM), bicipite femorale (BF), e quadricipite femorale, e la cinematica del ginocchio sono state misurate su 20 soggetti (maschi adulti sani) durante esercizi isotonici di leg-extension con resistenza (R) compresa tra il 10% e l’80% del 1RM (Ripetizione Massimale). Gli stessi esercizi sono stati eseguiti sia sulla macchina standard, mentre i soggetti cercavano di aumentare la co-attivazione dei muscoli femorali attraverso una co-contrazione intenzionale, che sui due prototipi innovativi senza co-contrazione intenzionale. I dati ottenuti sono stati utilizzati come parametri di input di un modello per calcolare le forze tibiofemorali di taglio e di compressione negli esercizi di leg-extension per qualsiasi serie di co-attivazione dei diversi muscoli femorali. La tecnica radiografica è stata utilizzata per valutare se la compressione assiale esterna avesse la capacità di limitare la traslazione anteriore della tibia durante gli esercizi isometrici di leg-extension. Risultati. Con valori R≤40%1RM i livelli massimi di co-attivazione l ottenuti con co-contrazione intenzionale sono stati significativamente maggiori (P<0.001) di quelli l0 ottenuti senza co-contrazione intenzionale. Per ogni muscolo femorale, il livello massimo l è stato raggiunto con R=30%1RM, corrispondenti a 9.2, 10.5, e 24.5% della massima contrazione volontaria isometrica per i muscoli BF, ST, e SM, rispettivamente, dove il rapporto l/l0 ha raggiunto il massimo a R=20%1RM considerando approssimativamente 2, 3, e 4 volte, per BF, SM, e ST rispettivamente. I maggiori livelli l di co-attivazione intenzionale ottenuti per R≤30%1RM annullano completamente la forza tibiofemorale anteriore sviluppata dal quadricipite durante l’esercizio. La co-attivazione dei muscoli femorali non è stata significativamente influenzata né dal rullo mobile né dalla compressione assiale. La compressione assiale esterna sembra avere effetti limitati sulla traslazione anteriore della tibia solo ad alti livelli di compressione. Conclusioni. Negli esercizi di leg-extension con R≤40%1RM, la co-attivazione dei muscoli BF, SM, e ST può essere notevolmente aumentata (fino a 2, 3, e 4 volte, rispettivamente) dalla co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali. I maggiori livelli di co-attivazione ottenuti con R≤30%1RM possono annullare completamente le forze tibiofemorali anteriori sviluppate dal quadricipite durante l’esecuzione dell’esercizio. Rilevanza Clinica. Questo studio suggerisce che gli esercizi di leg-extension con co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali possono fornire un metodo sicuro per il rafforzamento del quadricipite nelle prime fasi dei programmi riabilitativi nei casi di infortunio o intervento chirurgico al LCA. Ulteriori studi, comprendenti trial clinici, sono tuttavia necessari al fine di supportare l’importanza terapeutica di questi esercizi nella pratica clinica.

Background. A number of research studies provide evidence that, during open kinetic-chain knee-extension exercises, the strain-force on the anterior cruciate ligament (ACL) can be considerably reduced by hamstring co-contraction, as well as by the use of leg extension equipment that implements either an external axial knee compression or a controlled radial displacement of the resistance pad along the lower-leg during the movement. Purpose. The purposes of this study were: 1) to determine the possible increase of hamstrings co-activation caused by a intentional co-contraction effort during open kinetic-chain leg-extension exercises, and to assess whether an intentional hamstring co-contraction can completely suppress the ACL-loading tibiofemoral (TF) shear force during these exercises; 2) to built two leg extension prototypes with knee axial compression and movable resistance pad, respectively, and to assess their effectiveness in limiting the anterior tibial translation. Methods. The electromyographic activity of semitendinosus (ST), semimembranosus (SM), biceps femoris (BF), and quadriceps femoris, and knee kinematics were measured in twenty healthy male subjects during isotonic leg-extension exercises with resistance (R) ranging from 10% to 80% 1RM (Repetition Maximum). The same exercises were also performed with the standard equipment while the subjects attempted to enhance hamstring co-activation through a intentional co-contraction effort, and with two innovative prototypes in absence of intentional co-contraction. The data served as input parameters for a model to calculate the shear and compressive TF forces in leg-extension exercises for any set of co-activation patterns of the different hamstring muscles. X-ray imaging was applied to assess whether the external axial compression has the potential to limit the anterior tibial translation during isometric leg-extension efforts. Results. For R≤40%1RM the peak co-activation levels l obtained with intentional co-contraction were significantly higher (P<0.001) than those l0 obtained without intentional co-contraction. For each hamstring muscle, the level l reached its maximum at R=30%1RM, corresponding to 9.2, 10.5, and 24.5% MVIC (maximum voluntary isometric contraction) for BF, ST, and SM, respectively, whereas the ratios l/l0 reached their maximum at R=20%1RM given approximately by 2, 3, and 4, for BF, SM, and ST respectively. The intentional enhanced co-activation levels l obtained for R≤30%1RM completely suppressed the anterior TF force developed by the quadriceps during the exercise. Hamstring co-activation was not significantly affected by movable pad and axial compression. The external axial compression seems to have an effect in limiting the anterior tibial translation only at high compression levels. Conclusions. In leg-extension exercises with resistances R≤40%1RM co-activation of the BF, SM, and ST can be significantly enhanced (up to 2, 3, and 4 times, respectively) by a intentional hamstring co-contraction effort. The enhanced co-activations levels obtained for R≤30%1RM can completely suppress the anterior TF force developed by the quadriceps during the exercise. Clinical Relevance. This study suggests that leg-extension exercise with intentional hamstring co-contraction may have the potential to be a safe and effective quadriceps strengthening intervention in the early stages of rehabilitation programs for ACL injury or reconstruction recovery. Further studies, including clinical trials, are needed to investigate the relevance of this therapeutic exercise in clinical practice.

Innovative equipment and exercise modalities for anterior cruciate ligament rehabilitation

BENVENUTI, Paolo
2014-01-01

Abstract

Background. A number of research studies provide evidence that, during open kinetic-chain knee-extension exercises, the strain-force on the anterior cruciate ligament (ACL) can be considerably reduced by hamstring co-contraction, as well as by the use of leg extension equipment that implements either an external axial knee compression or a controlled radial displacement of the resistance pad along the lower-leg during the movement. Purpose. The purposes of this study were: 1) to determine the possible increase of hamstrings co-activation caused by a intentional co-contraction effort during open kinetic-chain leg-extension exercises, and to assess whether an intentional hamstring co-contraction can completely suppress the ACL-loading tibiofemoral (TF) shear force during these exercises; 2) to built two leg extension prototypes with knee axial compression and movable resistance pad, respectively, and to assess their effectiveness in limiting the anterior tibial translation. Methods. The electromyographic activity of semitendinosus (ST), semimembranosus (SM), biceps femoris (BF), and quadriceps femoris, and knee kinematics were measured in twenty healthy male subjects during isotonic leg-extension exercises with resistance (R) ranging from 10% to 80% 1RM (Repetition Maximum). The same exercises were also performed with the standard equipment while the subjects attempted to enhance hamstring co-activation through a intentional co-contraction effort, and with two innovative prototypes in absence of intentional co-contraction. The data served as input parameters for a model to calculate the shear and compressive TF forces in leg-extension exercises for any set of co-activation patterns of the different hamstring muscles. X-ray imaging was applied to assess whether the external axial compression has the potential to limit the anterior tibial translation during isometric leg-extension efforts. Results. For R≤40%1RM the peak co-activation levels l obtained with intentional co-contraction were significantly higher (P<0.001) than those l0 obtained without intentional co-contraction. For each hamstring muscle, the level l reached its maximum at R=30%1RM, corresponding to 9.2, 10.5, and 24.5% MVIC (maximum voluntary isometric contraction) for BF, ST, and SM, respectively, whereas the ratios l/l0 reached their maximum at R=20%1RM given approximately by 2, 3, and 4, for BF, SM, and ST respectively. The intentional enhanced co-activation levels l obtained for R≤30%1RM completely suppressed the anterior TF force developed by the quadriceps during the exercise. Hamstring co-activation was not significantly affected by movable pad and axial compression. The external axial compression seems to have an effect in limiting the anterior tibial translation only at high compression levels. Conclusions. In leg-extension exercises with resistances R≤40%1RM co-activation of the BF, SM, and ST can be significantly enhanced (up to 2, 3, and 4 times, respectively) by a intentional hamstring co-contraction effort. The enhanced co-activations levels obtained for R≤30%1RM can completely suppress the anterior TF force developed by the quadriceps during the exercise. Clinical Relevance. This study suggests that leg-extension exercise with intentional hamstring co-contraction may have the potential to be a safe and effective quadriceps strengthening intervention in the early stages of rehabilitation programs for ACL injury or reconstruction recovery. Further studies, including clinical trials, are needed to investigate the relevance of this therapeutic exercise in clinical practice.
2014
ACL; Biomechanics; Hamstring coactivation; Joint load; Knee; Leg extension; Rehabilitation
Background. Numerosi studi dimostrano che durante gli esercizi di estensione del ginocchio in catena cinetica aperta, la tensione sul legamento crociato anteriore (LCA) può essere ridotta considerevolmente con la co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali, così come, attraverso l’utilizzo di una leg-extension che implementi o una compressione assiale esterna sul ginocchio, o una spostamento controllato del rullo mobile lungo la parte inferiore della gamba durante l’esercizio. Obiettivi. Gli obiettivi principali di questo studio sono: 1) determinare il possibile aumento della co-attivazione dei muscoli femorali causata dalla co-contrazione intenzionale durante esercizi di leg-extension in catena cinetica aperta, e valutare se una co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali può ridurre completamente le forze di taglio tibiofemorali sul LCA durante l’esecuzione di questi esercizi; 2) costruire due prototipi di leg-extension: uno con compressione assiale sul ginocchio e uno con rullo mobile, e valutarne l’effettiva efficacia nel limitare la traslazione anteriore della tibia. Metodi. L’attività elettromiografica dei muscoli semitendinoso (ST), semimembranoso (SM), bicipite femorale (BF), e quadricipite femorale, e la cinematica del ginocchio sono state misurate su 20 soggetti (maschi adulti sani) durante esercizi isotonici di leg-extension con resistenza (R) compresa tra il 10% e l’80% del 1RM (Ripetizione Massimale). Gli stessi esercizi sono stati eseguiti sia sulla macchina standard, mentre i soggetti cercavano di aumentare la co-attivazione dei muscoli femorali attraverso una co-contrazione intenzionale, che sui due prototipi innovativi senza co-contrazione intenzionale. I dati ottenuti sono stati utilizzati come parametri di input di un modello per calcolare le forze tibiofemorali di taglio e di compressione negli esercizi di leg-extension per qualsiasi serie di co-attivazione dei diversi muscoli femorali. La tecnica radiografica è stata utilizzata per valutare se la compressione assiale esterna avesse la capacità di limitare la traslazione anteriore della tibia durante gli esercizi isometrici di leg-extension. Risultati. Con valori R≤40%1RM i livelli massimi di co-attivazione l ottenuti con co-contrazione intenzionale sono stati significativamente maggiori (P<0.001) di quelli l0 ottenuti senza co-contrazione intenzionale. Per ogni muscolo femorale, il livello massimo l è stato raggiunto con R=30%1RM, corrispondenti a 9.2, 10.5, e 24.5% della massima contrazione volontaria isometrica per i muscoli BF, ST, e SM, rispettivamente, dove il rapporto l/l0 ha raggiunto il massimo a R=20%1RM considerando approssimativamente 2, 3, e 4 volte, per BF, SM, e ST rispettivamente. I maggiori livelli l di co-attivazione intenzionale ottenuti per R≤30%1RM annullano completamente la forza tibiofemorale anteriore sviluppata dal quadricipite durante l’esercizio. La co-attivazione dei muscoli femorali non è stata significativamente influenzata né dal rullo mobile né dalla compressione assiale. La compressione assiale esterna sembra avere effetti limitati sulla traslazione anteriore della tibia solo ad alti livelli di compressione. Conclusioni. Negli esercizi di leg-extension con R≤40%1RM, la co-attivazione dei muscoli BF, SM, e ST può essere notevolmente aumentata (fino a 2, 3, e 4 volte, rispettivamente) dalla co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali. I maggiori livelli di co-attivazione ottenuti con R≤30%1RM possono annullare completamente le forze tibiofemorali anteriori sviluppate dal quadricipite durante l’esecuzione dell’esercizio. Rilevanza Clinica. Questo studio suggerisce che gli esercizi di leg-extension con co-contrazione intenzionale dei muscoli femorali possono fornire un metodo sicuro per il rafforzamento del quadricipite nelle prime fasi dei programmi riabilitativi nei casi di infortunio o intervento chirurgico al LCA. Ulteriori studi, comprendenti trial clinici, sono tuttavia necessari al fine di supportare l’importanza terapeutica di questi esercizi nella pratica clinica.
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