Spastic equinus deformity in children with Cerebral Palsy – Treatment effects in terms of muscular morphology and function

Die meisten Kinder mit infantiler Zerebralparese (IZP) entwickeln eine spastische Parese, was zu Schwäche, erhöhtem Muskel-Dehnungswiderstand und Kontrakturen führt. Der Spitzfuß ist eines ihrer häufigsten Defizite. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, nicht-invasive Behandlungsstrategien für diese Pathologie näher zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die Effekte einer Unterschenkel-Lagerungsorthese auf die Muskelmorphometrie des Gastrocnemius unter zu Hilfenahme von Ultraschall und 3D Bewegungsanalyse untersucht. Lagerungsorthesen konnten das Gangbild verbessern, führten gleichzeitig aber zu Atrophie. Um eine alternative Therapieform zu finden, wurde in der zweiten Studie die kontraktile Aktivität des Gastrocnemius mittels Ultraschall, Bewegungsanalyse und EMG während des Gehens, Vorwärts-Bergauf, bzw. Rückwärts-Bergab, sowie in der Ebene untersucht. Das Bergaufgehen steigerte die konzentrische Exkursion der Faszikel, wohingegen das Rückwärts-Bergabgehen zu vermehrter Exzentrik führte. Da sich exzentrisches Training positiv auf Faszikellängenwachstum auswirken kann, wurde in der dritten Studie das Rückwärts-Bergabgehen mit statischem Dehnen als traditionelle Therapieform verglichen. Ultraschall, Bewegungsanalyse und handgesteuerte Dynamometrie wurden verwendet, um die Plantarflexorenkraft, die passive Sprunggelenksbeweglichkeit, die Gastrocnemius Morphometrie sowie die Steifigkeit und Dehnbarkeit auf Muskel-Sehnen und Gelenkebene zu untersuchen. Dehnen zeigte keinerlei Benefits gegenüber dem Laufbandtraining. Rückwärts-Bergabgehen war dagegen ein effektives Gangtraining und setzt vermutlich neuronale und koordinative Reize. In der Zusammenschau scheinen positive Änderungen im Gangbild bei IZP Kindern sowohl durch Unterschenkelorthesen, als auch durch Rückwärts-Bergabgehen erreichbar zu sein. Beides führte aber nicht zu Muskelwachstum. Funktionelle Verbesserungen scheinen daher auch stark von neuronal, koordinativen Aspekten abhängig zu sein. Most children with Cerebral Palsy (CP) develop spastic paresis, which leads to muscle weakness, increased stretch-resistance and joint contractures. The gastrocnemius muscle is frequently targeted to alleviate a common deficiency known as equinus. The overall objective of this thesis was to investigate several non-invasive treatment strategies for this pathology. The first study investigated the effects of ankle foot orthotics on spastic gastrocnemius morphometrics as well as on gait by using ultrasound and motion capturing. We concluded that braces improved walking function but also lead to atrophy. During the second study, we searched for a readily available, substituting stimulus and compared the contractile activity of the gastrocnemius on treadmills, namely during flat-forward, forward-uphill and backward-downhill gait using ultrasound, motion capturing and EMG. Uphill gait promoted concentric fascicle action, while backward-downhill gait increased eccentric fascicle action. Since eccentric training had been previously shown to increase fascicle length in controls, during the third study, we compared backward-downhill walking versus static, manual stretching. Ultrasound, motion analysis and handheld dynamometry were used to test plantarflexor strength, passive ankle joint flexibility, as well as gastrocnemius morphometrics, stiffness and strain on muscle-tendon and joint level. Backward-downhill walking led to larger single stance dorsiflexion and faster achievable walking velocities while stretching aggravated knee flexion in swing. Strength, joint flexibility, as well as stiffness on muscle-tendon and joint level were not altered. Backward-downhill walking can be an effective gait treatment, probably improving coordination. Nevertheless, more intense training might be necessary to alter muscle-tendon properties. In sum, backward-downhill walking and bracing increased function without promoting or even by harming muscle growth.