Mick Kreulen – On tendon transfer surgery of the upper extremity in cerebral palsy

SUMMARY

This thesis is the first in a multidisciplinary research project that aims at the ultimate goal to compose an optimal combination of surgical procedures that balances the forces in the upper extremity as required by the desired functional improvement of the patient with cerebral palsy. The first step in this process was to test the validity of the classical biomechanical concept of tendon transfer. The clinical observations and experimental studies presented in this thesis showed that the biomechanics of tendon transfer are much more enigmatic than classically assumed. The first, and most basic, assumption is that the prevailing classical concept regards the selected donor muscle as an isolated functional unit that is independent of its anatomical environment. If this is true, simple tenotomy will allow the muscle to retract to slack length, incapacitating it completely. However, intraoperative measurement of the length-force characteristics of a spastic human flexor carpi ulnaris muscle, seven years after tenotomy, demonstrated that it was still able to exert 60 to 110 N force within its operating range (Chapter one). Furthermore, its length-force profile matched the average profile of fourteen non-operated spastic flexor carpi ulnaris muscles. This observation suggested that surrounding fascial connections of the long muscle belly apparently retained the muscle fibres at their functional length after tenotomy. As such, the muscle could not be regarded to be independent of its anatomical environment. This prompted a clinical intraoperative experiment in which the fascial connections between the flexor carpi ulnaris muscle and its environment proved to be strong enough to keep the muscle at length, even against the force of maximal tetanic contraction (Chapter two). Subsequent partial dissection for tendon transfer purposes released the muscle from its surrounding connective tissue, allowing it to retract an additional 17 mm on average (p < 0.001). Passive extension of the wrist still lengthened the muscle after tenotomy (89% of the original excursion), whereas this excursion significantly decreased after subsequent dissection (11% of the original excursion).

These results showed that the muscle-tendon unit biomechanically interacted through inter- and extramuscular connections with its environment. Tendon transfer surgery alters these pathways of force transmission and, thus, the biomechanical properties of the donor muscle. The second major assumption is that the only change in the musculoskeletal system is the transfer of the selected donor muscle from one location to another. All postoperative change in range of motion around the crossed rotation axes is, thus, attributed to the transferred muscle’s function. The effect of combined pronator teres rerouting and flexor carpi ulnaris transfer on forearm rotation was prospectively studied by comparison of pre- and postoperative three-dimensional analysis of forearm range of motion in ten patients with cerebral palsy (Chapter three).

One year postoperatively, surgery had improved maximal supination of the forearm in all patients by an average of 63º, but this was opposed by a mean loss of 40º pronation. Computer simulation of the pronator teres rerouting procedure on a three-dimensional biomechanical model of the upper extremity demonstrated that, after rerouting, pronator teres was only capable of external rotation (supination) with the forearm in full pronation and not at other arm positions (Chapter four). The clinically observed gain in active supination was probably caused by facilitation of the original supinator muscles after release of the constraining pronator teres force. It appears that a rerouted pronator teres is not able to perform its intended function. At least, clinical outcome can not be attributed solely to the transferred pronator teres function. This calls for a reconsideration of the design of tendon transfer procedures with reference to kinematic parameters such as moment arms and muscle lengths.

The last assumption addressed in this thesis is that tendon transfer procedures are considered to only affect movements around the rotation axes crossed by the donor muscle-tendon unit. For this, a three-dimensional video analysis set-up and data analysis procedure was customized to evaluate the complex movement patterns of the upper extremity in cerebral palsy by comparison of the starting and end position of a standardized movement. A new parameter, extrinsic forearm rotation, was introduced to assess the relation between impaired forearm rotation and pathologically associated movement patterns (Chapter five). The active forearm rotation impairment in a group of 10 patients with cerebral palsy as compared to 10 age and sex-matched controls induced a significantly higher value for extrinsic forearm rotation (mean difference, +13º). It is concluded that the observed movement patterns feature pathological movements directly associated with impaired forearm rotation. Kreulen / Summary 43 Subsequently, the effect of surgical correction of the impaired forearm rotation on these associated movements was studied in the same 10 patients (Chapter six).

One year postoperatively, active forearm supination during a functional reaching task had improved by a mean of 37º in combination with a significantly decreased extrinsic forearm rotation by a mean of 13º. Also, an average loss of 16º of active pronation in combination with an increased extrinsic forearm rotation (mean, 8º) was observed. It is concluded that tendon transfer procedures of the forearm may directly affect movements around other rotation axes then those crossed by the transfer procedure. This should be anticipated at the preoperative planning of procedures for multiple deformities, as such change in movement pattern may involve deformities that are also eligible for surgical correction. In general, it is concluded that the classical biomechanical concept of tendon transfer is based on incorrect assumptions (Epilogue). However, a well performed tendon transfer procedure remains an ingenious remedy for the dysbalanced extremity crippled by the partial loss of its muscle-tendon action. In order to optimally comprehend and control its merits, new fields of expertise need to emerge from the collaboration of clinical and biomechanical sciences. Intraoperative force-length measurements of human muscles during tendon transfer, kinematic analysis of surgical procedures by computer aided musculoskeletal modelling, and clinical three-dimensional motion analysis of pathological movement patterns of the upper extremity will ultimately result in a comprehensive understanding of what we are exactly achieving with tendon transfer surgery.

SAMENVATTING

Dit is het eerste proefschrift dat voortkomt uit een multidisciplinair onderzoek naar de optimale combinatie van chirurgische ingrepen aan de bovenste extremiteit van patiënten met cerebrale parese. Een optimale combinatie van ingrepen zal de verstoorde spierbalans zodanig corrigeren dat de hulpvraag van de patient maximaal tegemoet gekomen kan worden. De eerste stap in dit onderzoek was een inventarisatie van de validiteit van het klassieke biomechanische concept van peestranspositie chirurgie. Uit de klinische observaties en de resultaten van de studies die gepresenteerd worden in dit proefschrift blijkt dat de biomechanica van peestranspositie chirurgie veel ingewikkelder is dan wat er volgens het klassieke concept wordt aangenomen.

De eerste, en meest fundamentele veronderstelling van het klassieke concept is dat de geselecteerde donorspier, onafhankelijk van zijn anatomische omgeving, als een zelfstandige eenheid functioneert. Volgens dit concept zal de spier spontaan verkorten tot zijn rustlengte na distale tenotomie waardoor zijn functionele capaciteit volledig wordt uitgeschakeld. Zeven jaar na tenotomie van een spastische flexor carpi ulnaris (FCU) spier bleek, echter, bij peroperatieve kracht-lengte metingen dat de spier nog altijd in staat was om binnen de excursie van zijn huidige lengte 60 tot 110 N kracht te produceren

(Hoofdstuk één). Het profiel van de kracht-lengte relaties van deze spier kwam bovendien overeen met het gemiddelde profiel van veertien spastische FCU spieren die nooit eerder geopereerd waren. Deze bevindingen suggereren dat de spiervezels van de FCU op een functionele lengte gehouden werden door fasciale verbindingen rondom de lange spierbuik. Als zodanig mag de spier niet onafhankelijk van zijn anatomische omgeving beschouwd worden. Vervolgens is in een klinisch peroperatief experiment aangetoond dat de fasciale verbindingen tussen de FCU en zijn omgeving sterk genoeg zijn om de spier, zelfs na maximale tetanische contractie, op lengte te houden (Hoofdstuk twee). Met het vrijprepareren van het distale deel van de spier ten behoeve van peestranspositie werd een deel van deze verbindingen losgemaakt en kon de spier gemiddeld nog 17 mm extra verkorten (p < 0.001). Bovendien werd ondanks tenotomie nog steeds een excursie van de FCU spierlengte gezien tijdens passieve extensie van de pols (89% van de originele excursie vóór tenotomie). Na gedeeltelijke dissectie van de spier uit zijn fasciale omgeving verminderde deze excursie significant tot gemiddeld 11%. De FCU heeft blijkbaar een biomechanische interactie met zijn anatomische omgeving via inter- en extramusculaire verbindingen. Door peestranspositie chirurgie verandert de omgeving en zodoende ook de biomechanische eigenschappen van de spier. De tweede veronderstelling van het klassieke concept is dat het verplaatsen van een spier wordt gezien als de enige verandering binnen het bewegingsapparaat. Op basis van deze veronderstelling wordt alle verandering van beweging rond de rotatieassen die door de verplaatste spier gekruist worden toegeschreven aan de functie van die spier. Het effect van de combinatie van pronator teres rerouting samen met FCU transpositie op de rotatie van de onderarm is prospectief bestudeerd bij 10 patiënten met cerebrale parese (Hoofdstuk drie). Met behulp van driedimensionale video analyse zijn de postoperatieve en de preoperatieve resultaten met elkaar vergeleken. Een jaar na de operatie was de actieve supinatie van de onderarm met gemiddeld 63º verbeterd. Hier tegenover stond echter een gemiddeld verlies van 40º pronatie. Naar aanleiding van dit resultaat is de pronator teres rerouting procedure gesimuleerd met behulp van een driedimensionaal biomechanisch computermodel van de bovenste extremiteit (Hoofdstuk vier).

De pronator teres bleek na rerouting alleen maar in staat om een supinerend moment te creëren in maximale pronatie, en niet in andere posities van de onderarm. De winst in actieve supinatie bij de patiëntengroep is mogelijk toe te schrijven aan de reeds bestaande supinerende spieren die gefaciliteerd worden door het uitschakelen van de pronerende kracht van de pronator teres. De simulatie suggereerde immers dat de pronator teres na rerouting niet in staat kan zijn om de klinisch geobserveerde supinatie uit te voeren. Het is dus niet vanzelfsprekend dat alle verandering van beweging rond de beoogde rotatieas veroorzaakt wordt door de getransponeerde spier. Deze resultaten vragen om een kritische revisie van het driedimensionale ontwerp van peestranspositie procedures. De laatste veronderstelling die in dit proefschrift behandeld wordt is dat peestranspositie alleen maar invloed heeft op de beweging rond de rotatieassen die door de getransponeerde spier gekruist worden. Met behulp van driedimensionale video analyse werden de complexe bewegingspatronen van de bovenste extremiteit bij patiënten met cerebrale parese bestudeerd. Hiermee werd ‘extrinsic forearm rotation’ (EFR) geïntroduceerd als een nieuwe parameter om de aanwezigKreulen / Samenvatting 45 heid van pathologische bewegingspatronen te bestuderen die direkt gerelateerd zijn aan een beperkte rotatie van de onderarm (Hoofdstuk vijf). Bij 10 patiënten met cerebrale parese en beperkte actieve onderarm rotatie was de EFRwaarde significant hoger in vergelijking met 10 gezonde proefpersonen, gepaard op sexe en leeftijd (gemiddeld verschil, +13º). Dit geeft aan dat een deel van het complexe en pathologische bewegingspatroon bij cerebrale parese direkt gerelateerd is aan de beperkte rotatie van de onderarm. Bij dezelfde groep van 10 patiënten werd vervolgens bestudeerd of deze pathologische bewegingspatronen veranderen na chirurgische correctie van de beperkte onderarm rotatie (Hoofdstuk zes).

Een jaar na de operatie werd een verbetering gezien van de actieve supinatie bij het reiken naar een glas op tafel (gemiddelde toename, 37º). Dit bleek gecombineerd te zijn met een significante daling van de EFR (gemiddelde daling, -13º). Ook bij deze groep patiënten werd tevens een verlies van actieve pronatie (gemiddeld verlies, 16º) gezien, welke gecombineerd was met een toename van de EFR (gemiddeld, 8º). Blijkbaar kan een peestranspositie in de onderarm tevens invloed uitoefenen op bewegingen elders in het lichaam. Hiermee dient rekening gehouden te worden bij het samenstellen van een combinatie van chirurgische procedures voor verschillende deformiteiten. Het is immers mogelijk dat verschillende procedures die gericht zijn op de correctie van een deformiteit elkaar beïnvloeden. In het algemeen moet geconcludeerd worden dat het klassieke biomechanische model van peestranspositie chirurgie gebaseerd is op onjuiste veronderstellingen (Epiloog). Dit laat onverlet dat een goed uitgevoerde peestransposite nog altijd een vernuftige en succesvolle methode is om een verstoorde balans in de bovenste extremiteit te corrigeren. Verdere samenwerking tussen klinische en wetenschappelijke disciplines is nodig om peestranspositie chirurgie maximaal te beheersen en de beoogde functie van de getransponeerde spier te controleren.

Peroperatieve krachtlengte metingen van de donorspier tijdens transpositie, kinematische evaluatie van chirurgische procedures met behulp van computermodellen, en klinische driedimensionale analyse van pathologische bewegingspatronen zullen uiteindelijk een volledig inzicht geven in wat er daadwerkelijk veranderd in het bewegingsapparaat na een peestranspositie.