Influence of the Exhaustion of the Gluteus Medius on the Knee Adduction Moment During Forward Lunge Exercise

Abstract

Hintergrund: Die Kniearthrose zählt zu den häufigsten muskuloskelettalen Erkrankungen und stellt weltweit eine der Hauptursachen für Schmerzen sowie funktionelle Einschränkungen dar. Die biomechanische Belastung des Kniegelenks, insbesondere das Knieadduktionsmoment (KAM), gilt als ein wesentlicher Faktor für die Entstehung und den Fortschritt der Kniearthrose. Trotz seiner klinischen Relevanz ist das Verhalten des KAM während häufig verwendeter Rehabilitationsübungen wie dem Ausfallschritt nach vorne (FL) bislang nur unzureichend untersucht. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit einer Ermüdung der Hüftabduktoren, welche nachweislich die Belastung des Kniegelenks beeinflussen kann. Material & Methoden: Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des KAM während des FL bei jungen gesunden männlichen Erwachsenen sowie die Analyse eines möglichen Einflusses einer gezielten Ermüdung des Musculus gluteus medius (GMED) auf die Kniegelenksbelastung. Hierfür wurde ein experimentelles Prä-Post-Design mit einer Untersuchungsgruppe im Bewegungsanalyselabor der TU-Wien durchgeführt. Zur Bestimmung des KAM wurden dreidimensionale Bewegungsanalysen, Bodenreaktionskraftmessungen sowie muskuloskelettale Modellierungen mittels inverser Dynamik eingesetzt. Ergebnisse: Der FL zeigte über alle Probanden hinweg ein konsistentes KAM-Profil mit einem charakteristischen Maximum im mittleren Abschnitt der Bodenkontaktphase. Die maximalen KAM-Werte waren vor und nach der Ermüdungsintervention vergleichbar, was auf nur geringe Veränderungen der Kniegelenksbelastung in der Frontalebene hinweist. Die Analyse der spektralen Eigenschaften der EMG-Signale bestätigte keine erfolgreiche Ermüdung des GMED, da die Medianfrequenz nach der Intervention anstieg, anstatt abzunehmen. Schlussfolgerungen: Diese Arbeit liefert normative Daten zum KAM, zur Aktivierung und Kontraktionskraft des GMED sowie zu kinematischen und kinetischen Charakteristika während des FL bei gesunden jungen Männern. Entgegen der Erwartung führte das angewandte Protokoll zu einem reduzierten KAM bei gleichzeitig erhöhter Aktivierung und Kraft des GMED, was eher auf eine verstärkte muskuläre Beanspruchung als auf Ermüdung hindeutet. Die Ergebnisse können zur Weiterentwicklung evidenzbasierter Rehabilitations- und Progressionskriterien beitragen.

Introduction: Osteoarthritis (OA) of the knee is a highly prevalent musculoskeletal disorder and a leading cause of pain and functional impairment worldwide. Biomechanical loading of the knee joint, particularly the knee adduction moment (KAM), has been identified as a key factor associated with OA development and progression. Despite its clinical relevance, KAM behaviour during commonly used rehabilitation exercises such as the Forward Lunge (FL) remains insufficiently characterised, particularly in the context of hip abductor fatigue, which has been shown to influence knee joint loading. Materials & Methods: This study investigated KAM patterns during FL in healthy young male adults and examined whether targeted fatigue of the gluteus medius (GMED) alters knee joint loading. A single-group pre–post experimental design was conducted in a motion analysis laboratory at TU-Wien. Three-dimensional motion capture, ground reaction force measurements, and musculoskeletal modelling using an inverse dynamics approach were applied to derive KAM during FL execution. Results: It was shown that FL elicited a consistent KAM pattern across participants, with a characteristic peak occurring in the mid portion of the ground-contact phase. Peak KAM values were comparable between pre- and post-fatigue conditions, indicating minimal change in frontal-plane knee loading following the intervention. Fatigue assessment basedon surface EMG spectral characteristics did not confirm successful GMED fatigue, as median frequency (MNF) increased rather than decreased following the intervention. Discussion & Conclusion: This thesis provides normative data on KAM, GMED activation and contraction force, as well as kinematic and kinetic characteristics during the FL in healthy young male adults. Contrary to expectations, the applied protocol resulted in reduced KAM alongside increased GMED activation and force, suggesting enhanced muscular engagement rather than fatigue. These findings may support future rehabilitation assessment and progression strategies.