Reliability and Validity of Lumbopelvic Kinematics Related to Nonspecific Low Back Pain

Abstract

Alaselkäkivun elinikäinen ilmaantuvuus on 80-85 %, joka luo merkittävän haasteen terveydenhuollolle ja yhteiskunnalle. Arvioiden mukaan 80-90 % selkäoireisista on epäspesifistä alaselkäkivusta johtuvaa, jossa nykytiedon mukaan katsotaan löytyvän useita alaryhmiä. Eri hoitomuotojen valinnoissa epäspesifin alaselkäkivun alaryhmien tunnistaminen on oleellisen tärkeää ja tähän soveltuvat uudet validit ja objektiiviset arviointimenetelmät mahdollistaisivat kohdennetumman ja tuloksiltaan paremman hoidon. Kliinisessä selkäpotilaan tutkimisessa lannerangan kinematiikan silmämääräiset arviot luovat perustan epäspesifin alaselkäkivun alaryhmien tunnistamiseen, johon kaivataan kipeästi objektiivisia valideja menetelmiä. Tässä väitöstyössä tutkittiin uuden langattoman inertiaalisen mittausmenetelmän (Inertial Measument Unit, IMU) ja siihen liittyvien lineaaristen ja epälineaaristen analyysimenetelmien validiteettia epäspesifin alaselkäkivun liikekontrollihäiriön tunnistamisessa ja kuntoutuksen edistymisen seurannassa.

Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena oli selvittää inertiaalisella mittausmenetelmällä arvioidun lannerangan kinematiikan (lineaariset ja epälineaariset parametrit) samanaikaisvaliditeettia (Tutkimus I), reliabiliteettia (Tutkimus II), yhteyttä alaselkäkivun intensiteettiin (Tutkimus III), yhteyttä lannerangan lihasten väsymiseen alaselkäkipuisilla ja terveillä (Tutkimus IV), ja validiteettia arvioimaan aktiivisen liikunnallisen kuntoutuksen aikaansaamia lannerangan kinematiikan muutoksia alaselkäkipupotilailla (Tutkimus V).

Tutkimukset I-IV toteutettiin laboratorio olosuhteissa. Terveet ja alaselkäkipuiset koehenkilöt suorittivat selän liikekontrollihäiriöiden tunnistamiseen käytettyjä liikesarjoja. Inertiaalisella mittauslaitteella lineaarisia ja epälineaarisia parametrejä käyttäen arvioitiin objektiivisesti lannerangan kinematiikkaa. Samanaikaisvaliditeetti määritettiin vertaamalla inertiaalisen ja optoelektrisen mittausmenetelmien tuloksia keskenään. Inertiaalisen mittausmenetelmän toistettavuus määritettiin vertaamalla perättäisinä päivinä saatuja tuloksia keskenään. Kivun intensiteetin ja lannerangan kinematiikan assosiaatio määritettiin alaselkäkipuisilla koehenkilöillä. Selkälihasten väsyvyyden vaikutus lannerangan kinematiikkaan määritettiin alaselkäkipuisilla koehenkilöillä vertaamalla mittaustuloksia ennen ja jälkeen maksimaalista vakioitua selän lihasväsytystestiä. Aktiivisen liikunnallisen kuntoutuksen vaikutuksia uudella inertiaalisella mittausmenetelmällä arvioituun lannerangan kinematiikkaan tutkittiin satunnaistetussa kontrolloidussa tutkimuksessa. Alaselkäkipupotilaiden satunnaistamisen jälkeen aktiivinen liikunnallinen kuntoutusryhmä harjoitteli kahdesti viikossa puolen vuoden ajan ja kontrolliryhmä osallistui ainoastaan mittauksiin. Lannerangan kinematiikan mittaukset suoritettiin kuntoutusjaksoa edeltävästi ja jakson jälkeen, sekä vuoden seurannassa.

Tulosten perusteella inertiaalinen mittausmenetelmä todettiin validiksi menetelmäksi mittaamaan lannerangan kinematiikkaa primaarissa liikesuunnassa, mutta heikommaksi muissa liikesuunnissa. Inertiaalisella mittausmenetelmällä määritetty rangan liikelaajuus, liikkeen monimuotoisuus ja liikkeen kompleksisuus ovat toistettavampia kuin silmämääräisesti arvioidut liikekontrollihäiriön toteamiseen käytetyt menetelmät. Alaselkäkivun intensiteetin lisääntyminen todettiin johtavan monimuotoisempaan ja vähemmän ennustettavaan lannerangan liikemalliin. Alaselän lihasten väsyminen johtaa erilaiseen liikemalliin terveillä verrokeilla kuin alaselkäkipuisilla. Terveillä verrokeilla lihasten väsyminen johtaa kompleksisempaan ja vähemmän ennustettavaan lannerangan liikemalliin, joka on rangan rakenteiden kuormitusta vähentävä ja suojaava liikestrategia. Inertiaalista mittausmenetelmää käyttäen ja liikkeen monimuotoisuutta arvioiden, kuuden kuukauden aktiivinen liikunnallinen kuntoutus vähentää lumbopelvistä liikekontrollihäiriötä. Samaa ilmiötä ei havaittu passiivisessa kontrolliryhmässä.

Johtopäätöksenä uusi inertiaalinen mittausmenetelmä todettiin validiksi ja toistettavaksi mittausmenetelmäksi arvioimaan lannerangan kinematiikkaa epäspesifistä alaselkäkivusta kärsivillä koehenkilöillä. Selän kivun intensiteetin, selän lihasväsymisen ja liikunnallisen kuntoutuksen aikaansaamien muutosten yhteys lannerangan kinematiikkaan näyttäisi olevan kaksisuuntainen. Kivuttomilla koehenkilöillä rangan liikkeet ovat monotonisempia, mutta muuttuvat lihasväsymisen seurauksena kompleksisemmiksi kuin alaselkäkipusilla. Alaselkäkipuisten kuuden viikon liikunnallinen kuntoutus johtaa monimuotoisemman, kompleksisemman ja rangan rakenteita vähemmän kuormittavan liikestrategian lisääntymiseen. Näin ollen lannerangan liikkeen vaihtelevuus ja kompleksisuus assosioituu epälineaarisesti tai U-käyrän muotoisesti selän terveyteen.

Jatkotutkimuksissa tulisi keskittyä inertiaalisen liikemittausmenetelmän validiteetin parantamiseen. Tavoitteellista olisi tunnistaa ja löytää optimaalinen rangan liikemalli, joka olisi prediktiivinen selän terveyteen liittyen niin preventiossa kuin kuntoutuksen seurannassa.

Low back pain (LBP) poses substantial challenges for clinical management. In 80-90% of all LBP patients, symptoms are attributed as nonspecific LBP (NSLBP). Attempts to identify effective interventions for people with NSLBP have often been unsuccessful. Past studies often treated NSLBP as a homogenous entity, although many clinicians notice distinguishable subgroups in daily practice. Valid classification systems are needed and are priority for primary care of LBP patients. A basic component of many contemporary LBP classification systems is the examination of lumbopelvic and postural kinematics. This examination is problematic because simple measurement systems such as visual observation or goniometers lack accuracy, reliability, validity, comprehensiveness, and practicality. To overcome these limitations this doctoral thesis introduces a novel, wireless movement-analysis system based on inertial measurement units (IMUs).

In using the novel IMU system, the aims of the studies conducted in this thesis were to assess: The concurrent validity of lumbopelvic kinematics (Study I), the reliability of lumbopelvic kinematics (Study II), the associations between NSLBP intensity and lumbopelvic kinematics (Study III), the associations between fatigue and NSLBP with non-linear lumbopelvic kinematics (Study IV), and the effect of exercise therapy on non-linear lumbopelvic kinematics (Study V).

Studies I-IV were conducted at a movement laboratory. Asymptomatic controls and subjects with nonspecific LBP performed a series of lumbar movement tests, from which indices of lumbopelvic kinematics (e.g. range of motion, movement variability and complexity) were calculated. The concurrent validity of the IMU-system was tested against an optoelectronic system. The reliability of lumbopelvic kinematics was analysed by comparing repeated measures over two days. To analyse the association between NSLBP intensity and lumbopelvic kinematics participants with different levels of NSLBP intensity performed movement tests. To investigate the effect of fatigue and NSLBP participants performed a movement test prior and after fatiguing of the lumbar musculature. The effect of exercise therapy was investigated in a randomized controlled trial in study V: After randomization, the intervention group was treated twice a week for six months while the control group only attended the measurement sessions. Follow-up measurements were taken at post treatment and at twelve months follow-up.

The IMU system is concurrently valid to measure lumbopelvic kinematics in the primary movement direction. However, the system appears less valid for assessing movements in non-primary directions. On average, measures of lumbar range of motion, movement variability and complexity are more reliable compared to measures of movement control impairments and reposition error. NSLBP intensity affects lumbopelvic kinematics, so that participants with higher intensity NSLBP showed more variable and less predictable lumbar movement. Fatigue affects lumbopelvic kinematics, and this effect depends on the presence of NSLBP. The painfree participants showed more complex and less predictable lumbar movement after an isometric endurance test than participants suffering from LBP. Painfree people might adjust to fatigue by reducing load on fatigued tissues while preserving task performance. Exercise therapy affects lumbopelvic kinematics, and when compared to no intervention it may reverse or reduce deterioration of lumbar movement control, by increasing or preserving the degree of movement variability. As a conclusion, this thesis identified concurrently valid and reliable indices of lumbopelvic kinematics related to nonspecific NSLBP. The association between 1) lumbopelvic kinematics and 2) NSLBP intensity, fatigue, and exercise therapy appears to be bidirectional: Painfree subjects show less variable lumbar movement than people with NSLBP, but they exhibit more complex and variable movement as a response to fatigue. Six months exercise therapy resulted in preserved, more variable and complex movement strategy. Therefore, a nonlinear or U-shaped relationship between movement complexity and variability with disease was identified.

Future research should address questions such as improvements of the IMU system’s validity and define the optimal lumbar movement strategy that would be predictive for low back health in prevention and also in follow up of active physical rehabilitation.