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Z Orthop Unfall
DOI: 10.1055/a-2577-7304
Original Article

Plantar Sensation and Muscle Activity During a Step on Various Textured Unstable Surfaces in Patients with Anterior Cruciate Ligament Reconstruction – Comparison with Healthy Controls

Plantare Sensibilität und Muskelaktivität während eines Schrittes auf unterschiedlich strukturierte, instabile Oberflächen bei Patienten nach vorderer Kreuzbandrekonstruktion
Martin Alfuth 
1   Faculty of Health Care, Therapeutic Sciences, Niederrhein University of Applied Sciences, Krefeld, Germany (Ringgold ID: RIN38909)
,
Nina Plücken
1   Faculty of Health Care, Therapeutic Sciences, Niederrhein University of Applied Sciences, Krefeld, Germany (Ringgold ID: RIN38909)
,
Jonas Klemp
1   Faculty of Health Care, Therapeutic Sciences, Niederrhein University of Applied Sciences, Krefeld, Germany (Ringgold ID: RIN38909)
,
Wilhelm Bloch
2   Institute of Cardiovascular Research and Sport Medicine, Department of Molecular and Cellular Sport Medicine, German Sport University Cologne, Cologne, Germany (Ringgold ID: RIN14926)
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Abstract

Background

After anterior cruciate ligament reconstruction (ACLR), patients have been found to have reduced plantar sensation, which may result in reduced afferent input to the central nervous system and thus contribute to motor deficits. Textured surfaces are thought to have a beneficial neurosensory effect. The aim of this cross-sectional study was to compare plantar sensation and leg muscle activity while stepping on different textured surfaces between patients after ACLR and healthy controls.

Methods

Plantar cutaneous thresholds to light touch were measured in 10 patients at least 6 months after ACLR and in 10 healthy controls. Patients or controls were asked to step forward on the centre of a force plate with the affected (ACLR) or randomly assigned (healthy controls) leg and maintain the single-legged stance for 10 seconds (floor condition). They were instructed to perform the same task on a balance board with a textured surface, the same balance board with a smooth surface, and a balance pad in random order. Muscle activity of four leg muscles was recorded using surface electromyography. The significance of differences in plantar sensation and mean muscle activity within three time frames between and within ACLR patients and healthy controls was analysed using non-parametric statistical tests with Bonferroni correction (p < 0.05).

Results

There were no significant differences between patients with ACLR and healthy controls in plantar sensation and muscle activity for all unstable surface conditions (p > 0.05). Friedman tests revealed significant differences in the activities of all muscles between surface conditions at the first peak of the vertical ground reaction force (vGRF) after the rapid increase in the force-time curve (transition from early lifting phase to late lifting phase) within both groups (p < 0.01). Post-hoc Wilcoxon signed-rank tests showed significantly altered activity for most muscles between the smooth and textured balance board conditions only at the first vGRF peak (p ≤ 0.01) in both patients and healthy controls.

Conclusion

Although plantar sensation and muscle activity did not differ between patients with ACLR and healthy controls, altered muscle activity in both groups, especially during the transition from the early to the late lifting phase of stepping on a textured unstable surface, may indicate an acute change in the afferent input of plantar mechanoreceptors in response to the surface stimulus. In addition, it may indicate an acute change in motor output caused by a beneficial neurosensory effect. This effect should be considered with caution due to the small sample size.

Zusammenfassung

Hintergrund

Nach einer vorderen Kreuzbandrekonstruktion (ACLR) können Patienten eine verminderte Sensibilität der Fußsohle aufweisen, was zu einem verminderten afferenten Input an das zentrale Nervensystem führen und somit zu motorischen Defiziten beitragen kann. Es wird angenommen, dass strukturierte Oberflächen einen positiven neurosensorischen Effekt haben. Das Ziel dieser Querschnittsstudie war es, die Sensibilität der Fußsohle und die Aktivität der Beinmuskulatur während eines Schrittes auf verschiedene strukturierte Oberflächen zwischen Patienten nach ACLR und gesunden Kontrollpersonen zu vergleichen.

Methoden

Die kutanen Berührungsschwellen der Fußsohle wurden bei 10 Patienten, mindestens 6 Monate nach einer ACLR, und bei 10 gesunden Kontrollpersonen gemessen. Die Patienten bzw. Kontrollpersonen wurden gebeten, mit dem betroffenen Bein (ACLR) bzw. mit dem zufällig zugewiesenen Bein (gesunde Kontrollpersonen) einen Schritt vorwärts auf die Mitte einer Kraftmessplatte zu machen und diese einbeinige Position 10 s lang zu halten (Bodenbedingung). Die gleiche Aufgabe wurde auf einem Balance Board mit strukturierter Oberfläche, auf einem Balance Board mit glatter Oberfläche und auf einem Balance Pad in zufälliger Reihenfolge durchgeführt. Die Muskelaktivität von 4 Beinmuskeln wurde mittels Oberflächenelektromyografie aufgezeichnet. Die Signifikanz der Unterschiede in der plantaren Sensibilität und der mittleren Muskelaktivität zwischen den ACLR-Patienten und den gesunden Kontrollpersonen über 3 Zeiträume wurde mittels nicht parametrischer statistischer Tests mit Bonferroni-Korrektur analysiert (p < 0,05).

Ergebnisse

Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen den ACLR-Patienten und den gesunden Kontrollpersonen in Bezug auf die plantare Sensibilität und die Muskelaktivität für alle instabilen Oberflächenbedingungen (p > 0,05). Friedman-Tests zeigten signifikante Unterschiede in der Aktivität aller Muskeln zwischen den Oberflächenbedingungen beim 1. Peak der vertikalen Bodenreaktionskraft (vGRF) nach dem rapiden Anstieg der Kraft-Zeit-Kurve (Übergang von der frühen zur späten Hebephase) innerhalb beider Gruppen (p < 0,01). Post-hoc-Wilcoxon-Signed-Rank-Tests zeigten sowohl bei Patienten als auch bei gesunden Kontrollpersonen signifikante Unterschiede in der Aktivität der meisten Muskeln zwischen den glatten und strukturierten Balance-Board-Bedingungen nur beim 1. vGRF-Peak (p ≤ 0,01).

Schlussfolgerung

Obwohl sich die Fußsensibilität und die Muskelaktivität zwischen Patienten mit ACLR und gesunden Kontrollpersonen nicht unterschieden, könnte die veränderte Muskelaktivität in beiden Gruppen, insbesondere während des Übergangs von der frühen zur späten Hebephase beim Schritt auf eine strukturierte, instabile Oberfläche, auf eine akute Veränderung des afferenten Inputs der plantaren Mechanorezeptoren als Reaktion auf den Oberflächenreiz hinweisen. Darüber hinaus könnte dies auf eine akute Veränderung der motorischen Leistung hinweisen, die durch einen positiven neurosensorischen Effekt verursacht wird. Dieser Effekt ist aufgrund der geringen Stichprobengröße mit Vorsicht zu betrachten.

Keywords

knee injury - somatosensation - electromyography - balance board - texture

Schlüsselwörter

Knieverletzung - Somatosensorik - Elektromyografie - Balance Board - Oberflächenstruktur


Publication History

Received: 24 November 2024

Accepted after revision: 02 April 2025

Article published online:
28 April 2025

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