Military Medicine International Journal of amsus raising the bar: extremity trauma care guest editors

predictive of OA radiographic progression.

40

However, mea-

sures useful in predicting progression of existing OA may dif-

fer from those associated with initiation of OA.

40

Previous investigations of walking in individuals with

transtibial amputations (mean age ranging 41.2

–56.3 years old)

have reported 33 to 56% greater peak KAM on the intact

limb than on the prosthetic limb, depending on walking speed

and the type of prosthetic foot used in the study.

13,41

–44

While

this is greater relative to an asymmetry of ~10% in non-

amputees,

45

the intact limb may not necessarily be overloaded

in direct comparison to the limb of a speed-matched non-

amputee. For example, Royer et al

44

found a 56% greater

peak KAM on the intact limb relative to the prosthetic side in

individuals with unilateral transtibial amputations, associated

with a 45% greater tibial plateau bone mineral density on the

intact limb, relative to the prosthetic side. However, neither

peak KAM magnitude nor the bone mineral density for the

intact limb were signi

ficantly different from speed- and age-

matched nonamputees.

44

In contrast, a number of other studies

have instead found mechanical differences in the sagittal

plane, reporting 48% greater peak external knee extension

moments on the intact limb, relative to the prosthetic side.

12

–14

Higher-level analysis of net GRFs can also lend insight

into pathomechanics of knee OA in individuals with limb

amputation. In general,

findings from collected literature sup-

port net overloading of the intact side relative to the prosthetic

side, as well as relative to speed-matched nonamputees. For

example, persons with unilateral transtibial amputation have a

greater intact-limb peak vertical GRF during loading response

relative to nonamputees, by as much as 4 to 10% during

walking

46,47

and 35 to 45% during running.

48

Knee

flexion

angle and external knee extension moments, which are associ-

ated with GRF overloading and elevated axial knee joint com-

pression,

49

have also been found greater in the intact limb of

individuals with unilateral lower limb amputations compared

to nonamputees.

14,47

Such net GRF differences may or may

not lead to differences at each of the proximal joints,

depending on concurrent kinematics and muscle activity. One

study accounting for the latter factors found 23% greater

peaks in axial knee joint total compression force on the intact

limb relative to the prosthetic side, and 9% greater relative to

nonamputee limbs.

11

Prosthetic device mechanical properties have also proven

to have a signi

ficant effect on mechanics of the proximal

intact limb. Brie

fly, findings indicate that prosthetic foot stiff-

ness and energy return properties can effect intact limb early

stance GRFs, with as much as a 7% of body weight increase

in peak vertical GRF when using a solid ankle cushion heel

foot versus an energy storage and return foot.

50,51

Energy

storage and return feet can also reduce intact limb peak KAM

by as much as 13% versus a solid ankle cushion heel foot,

41

while an active prosthetic foot that provides timed, active pro-

pulsion near prosthetic limb push-off can decrease the mag-

nitude of intact limb peak KAM by as much as 26%.

43

Currently, there is a clear need to ascertain whether such

prosthetic advancements are associated with a reduced inci-

dence of knee joint pain and early OA in the intact limb of

patients with unilateral amputation.

MUSCLE WEAKNESS

Lower limb muscle weakness is a hallmark impairment for

primary knee OA in older adults. In general, muscular strength

is critical for maintaining proper dynamic joint function as

muscles aid in shock absorption and proper force transfer

across the joint.

52

To this end, quadriceps muscle weakness

has been suggested as a strong risk factor for primary knee

OA.

6

Several mechanical theories have been previously

suggested for the potential relationship between quadriceps

muscle weakness and structural knee OA development and

progression. For instance, it has been suggested that quadri-

ceps muscle plays a joint protective role as a shock absorber

to dampen the rate of knee loading such as decreasing the

heel strike transient during the loading response phase of

gait.

53

In individuals with lower limb amputation, prior stud-

ies have shown a signi

ficant decrease in quadriceps strength

for the prosthetic limb when compared to the intact limb.

45,54

Quadriceps atrophy has also been noted on the prosthetic side

in comparison to the intact limb.

55

Comparisons of individ-

uals with unilateral transtibial amputations to a control group

have also demonstrated that those with amputations have

weaker quadriceps bilaterally compared to nonamputees, which

were highly correlated with increased rates of vertical impact

loading of the lower limb during gait.

45,54

While the quadriceps remain the major focus of research

efforts examining the role of muscle weakness in pathogenesis

of primary knee OA, a new body of evidence is emerging to

suggest that hip muscle weakness may also be a risk factor

for knee OA.

56,57

As the hip shares a common segment (i.e.,

the femur) with the knee, adequate hip muscle performance

is necessary to provide dynamic proximal stability for

maintaining appropriate knee joint mechanics during weight

bearing.

58

For example, Chang et al

56

reported that a greater

hip abductor strength is associated with a reduced likelihood

of medial compartment knee OA progression. Other studies,

however, have shown that strengthening of the hip muscula-

ture can lead to signi

ficant improvements in pain and function

despite virtually no change in KAM in older adults with pri-

mary knee OA.

59,60

Strength testing in individuals with unilat-

eral transfemoral amputations, traumatic and nontraumatic,

has shown that isometric hip abduction strength of the ampu-

tated limb is 47 to 54% lower compared to the intact limb

and 35 to 65% lower compared to nonamputees.

61,62

Con-

versely, Nadollek et al

63

found no difference in elderly indi-

viduals with unilateral transtibial amputations between the

prosthetic and intact limbs; however, comparisons to hip

strength in a control group were not made. Additional

research is needed to provide a clearer picture of the preva-

lence and extent of lower limb muscle weakness and its

potential relationship with development and progression of

knee OA after traumatic lower limb amputation.

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

41

Development of Knee Osteoarthritis After Unilateral Lower Limb Amputation

---