Development of advanced methodologies to assist on the diagnosis of human articulations pathologies: patellofemoral joint case study

Abstract

Patellofemoral (PF) joint related problems are well recognized as an unsolved puzzle. These are some of the most complex but neglected pathological conditions of the knee, so that has been leading to lack of both understanding and consensus on the entire analytical path, from diagnosis to treatment. PF disorders present a great incidence and strong negative long-term socio-economic impact, especially considering its association with osteoarthritis. Higher incidence and severity of these pathologies is found in young women, as consequence of a combination of gender-specific sociological, anatomical, neuromuscular and physiological factors. PF pain and instability are the most frequent expressed pathologies and represent a complex and multifactorial clinical challenge. Part of this complexity relates to the patella being part of a dynamic system, the extensor mechanism, and as such limits the in vitro testing as this ignores the natural motion and forces involved. The diagnosis is mainly based on the patient’s symptomatology, physical examination of the knee and lower limb, and an array of imaging findings. The imaging findings have played a crucial role in identifying potential anatomical and morphological factors that are associated with an increased risk of injury. The physical examination of the PF joint provides important information regarding the PF clinical and biomechanical status but details a more qualitative assessment rather than a quantitative measurement. Furthermore, this examination is performed manually which, despite the reasonable intratester reliability, lacks accuracy and precision, inter-tester reliability and reproducibility. Therefore, current clinical evaluation methods are not suitable for universal application, which has been leading to misdiagnosis, poor prognostic value of the available therapeutic or preventive strategies and even to unnecessary and/or inadequate interventions. To overcome this challenge, some effort has been employed to develop tools for the quantitative clinical assessment of the PF joint, although very heterogenic and yet none has proved to be efficient and none are currently being used in clinical practice. The present work aims to contribute with an innovative solution to assist on the diagnosis of PF joint pathologies, enabling the instrumented examination of this joint within the imaging environment, thus combining the advantages of both. A new device and adapted clinical evaluation methodology were developed and tested, under the guidance of PF clinical experts from national and international institutions, focusing the core objectives of this project. In a set of clinical studies, the device’s reliability and validity were proven, as well as less variability and greater accuracy and precision against the current clinical practice. The outcomes of this project’s studies strengthen the current knowledge on the role of patellar mobility in the setting of PF pain and instability, and can be used worldwide to objectify, standardize and complement the current clinical management of PF joint diagnosis and treatment.

As patologias da articulação femuropatelar (FP) fazem ainda parte de um puzzle por resolver. Estas são das mais complexas mas negligenciadas patologias do joelho, o que tem levado à falta de compreensão e consenso na sua análise, desde o diagnóstico ao tratamento. Estas patologias têm grande prevalência e forte impacto sócio-económico negativo a longo-prazo, especialmente considerando a sua associação à osteoartrite. A maior prevalência e gravidade destas patologias vê-se em mulheres jovens, consequência da combinação de fatores sociológicos, anatómicos, neuromusculares e fisiológicos específicos do género feminino. A dor e a instabilidade do FP são das patologias mais frequentes e representam um desafio clínico complexo e multifatorial. Parte dessa complexidade deve-se à rótula fazer parte de um sistema dinâmico, o mecanismo extensor e, como tal, oferecer limitações aos testes in vitro, uma vez que estes ignoram o movimento articular natural e as forças envolvidas. Por norma, o diagnóstico é baseado na sintomatologia do paciente, nos exames físico e imagiológico. O imagiológico desempenha um papel crucial na identificação de potenciais factores anatómicos e morfológicos associados a maior risco de patologia. O exame físico da articulação FP fornece informações importantes sobre o estado clínico e biomecânico da FP, mas o seu carácter é mais qualitativo do que quantitativo, além de que é realizado manualmente, o que, apesar da razoável fiabilidade intra-teste já comprovada, carece de exactidão e precisão, fiabilidade inter-teste e reprodutibilidade. Em suma, os métodos actuais de avaliação clínica não são adequados para aplicação universal, o que tem levado a erros de diagnóstico, baixo valor prognóstico das estratégias terapeuticas ou preventivas disponíveis, e podem até mesmo levar a intervenções desnecessárias e/ou inadequadas. Para ultrapassar este desafio, alguns esforços têm sido feitos para desenvolver ferramentas de avaliação clínica quantitativa da articulação FP, apesar de muito heterogéneas e nenhuma se ter mostrado eficiente, não podendo ser usada actualmente na práctica clínica. O presente trabalho visa contribuir com uma solução inovadora para auxiliar o diagnóstico de patologias da FP, possibilitando o exame instrumentado desta articulação em conjunto com equipamento imagiológico, combinando as vantagens de ambos. Um novo dispositivo e protocolo de avaliação clínica foram desenvolvidos e testados, sob a orientação de especialistas da patologia FP, de instituições nacionais e internacionais, focando os principais objetivos do projeto. Num conjunto de estudos clínicos, a fiabilidade e validade do dispositivo foram comprovadas, bem como uma menor variabilidade e maior precisão e exactidão das suas medições, comparativamente à práctica clínica actual. Os resultados deste projeto fortalecem o conhecimento actual sobre o papel da mobilidade da rótula nos quadros patológicos de dor e instabilidade FP, podendo ser usados universalmente para objetivar, padronizar e complementar o actual diagnóstico e tratamento clínico da FP.