Biomechanical investigation of the efficacy and perceived performance of a knee brace

Abstract

The most prevalent joint disease in adults is osteoarthritis. The knee joint is the joint which is the most affected by osteoarthritis, with mechanical overloading being one of the causes. While no cure exists for osteoarthritis, many different treatment options are available. One alternative is to wear a knee brace on the affected leg. This aims to slow down the progression of osteoarthritis to postpone, or remove the need for, more invasive surgical treatments. Several studies reported that knee braces can lower the perceived pain in patients. However, there is no consensus regarding the biomechanical effect of wearing knee braces, both at the level of the affected knee and in terms of overall effects on gait. The aim of this thesis was to see how the knee brace OA Nano (Enovis) affects gait kinematics and the forces associated with gait. Gait analysis was performed on seven healthy subjects when wearing a knee brace, using video recording for retrieving kinematic data and a force plate for kinetic data. In addition, a design investigation was also conducted to evaluate the knee brace and determine any design improvements. Our results indicates that the gait is not affected by the knee brace, as no significant changes was found in neither ground reaction forces nor any of the investigated gait parameters. When wearing a knee brace, the gait speed varied from 0.75 – 1.20 m/s with brace to 0.78-1.21 m/s without brace. The step length differences varied from -8 to +4 cm in both legs when wearing the brace. The range of motion in the brace wearing leg decreased slightly, between 0° and -11° when wearing the brace. The overall appearance of the graph of the knee angle was similar for all subjects and some differences were found, ranging from 4° lower to 8.3° higher during the gait cycle when wearing the brace. The greatest differences in the ground reaction forces were found to range from -11.6% to 13.9% in the peaks when wearing a knee brace. We conclude that the knee brace does not affect the investigated gait parameters in healthy subjects, as all differences either lie within the standard deviations or are of the same magnitude as the error of the measuring systems. As for the design of the knee brace, the overall design was appreciated by the participants. However, the straps were often fastened in the wrong order and more distinct numbering of the straps was suggested in the design.

Popular Abstract (Swedish)

Får du en förändrad gång av din knäortos?

Knäortoser är en vanligt förekommande behandlingsmetod, bland annat för att lindra smärtan och fortskridning av knäartros hos patienter. Men hur påverkas egentligen gången hos användarna?

Artros är den vanligaste ledsjukdomen hos människor över 65 år och över en miljon svenskar lider av den. Dessvärre finns det ingen tydlig behandlingsplan för sjukdomen eftersom inget botemedel existerar. Alla metoder som finns att tillgå handlar därför mer om att minska smärtan hos de drabbade och att minska fortskridningen av sjukdomen. I detta arbete har vi kollat på en specifik behandlingsmetod för knä-artros, nämligen knäortoser. Det finns idag olika typer av knäortoser på marknaden, det som alla har gemensamt är att knä-ortoser är en slags stödstruktur som tas på över knät. Den knäortos som vi har kollat närmare på tas på över knät för att bidra med extern stabilisering med hjälp av en integrerad metallstruktur. Tanken är att knäortosen skall spännas runt knät med kardborreband för att trycka leden i sidled och därmed avlasta den del av knät där man har artros. Knäortosens funktion har dock blivit ifrågasatt eftersom forskarna är oense om vad produkten egentligen åstadkommer. De flesta patienterna är däremot överens om att smärtan minskas. Vi har därför genomfört en utvärdering av en knäortos där vi har kollat på ifall gången påverkas av att man har på sig knäortosen. Eftersom knäortosen vanligen tas av och på flera gånger om dagen har vi utöver detta även genomfört en mindre designstudie där vi undersökte hur användarvänlig produkten är. En användarvänlig och uppskattad produkt är viktigt för att hjälpmedlet skall användas och inte bara ligga hemma i byrålådan. Själva designen på knäortosen var överlag uppskattad hos test-gruppen, vilket visar lovande resultat för att knäortosen faktiskt kommer att användas.

Under arbetet har vi utvecklat och applicerat en ny och lättillgänglig metod för att genomföra en analys av människors gång. Metoden kräver enbart en kamera av något slag, en mobilkamera fungerar utmärkt! Detta möjliggör för fler, snabbare och enklare genomföranden av liknande experiment i framtiden, eftersom ingen specialutrustning krävs.

För att undersöka hur gången påverkas av ortosen fick sju friska personer gå på en gångbräda med och utan knäortos. Gången filmades och analyserades för att se hur ankel, knä och höft rör sig när testpersonen går. Utöver detta användes även en integrerad kraftplatta i gångbrädan för att undersöka hur nedsättningen av foten förändras. Det visade sig att gången hos friska, unga vuxna inte påverkades märkbart när de gick med knäortosen. Vi såg tendenser till att foten inte svingar lika långt bakåt i ett steg som det gjorde när de gick utan knäortos, men även dessa skillnader var ganska små och påverkade inte gången märkbart. Resultatet som vi kom fram till är lovande, eftersom produkten med fördel inte ska överkorrigera eller påverka gången hos friska personer. Det vore intressant att i framtida studier även undersöka ifall knäortosen påverkar gången hos patienter med artros.

• author: Garnheim, Alice and Vernersson, Alvina
• supervisor: Lorenzo Grassi; Cecilie Schmidt; Lars Tunestål
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Undersökning av den biomekaniska inverkan samt den uppfattade förändringen på gången vid användning av en knäortos
• course: BMEM01 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Biomechanical investigation, knee brace, osteoarthritis, design, OA, healthy subjects, gait analysis
• language: English
• additional info: 2023-12
• id: 9132534
• date added to LUP: 2023-08-15 13:56:49
• date last changed: 2023-08-15 13:56:49