Background: Joint loading is essential for implant stability, joint mobility, and long-term joint function following total hip arthroplasty (THA) and total knee arthroplasty (TKA). Swimming, as an aquatic therapy, is commonly suggested as a post-surgical rehabilitation exercise for both THA and TKA patients. However, in vivo hip and knee joint loads during this activity remain unknown. Material and methods: Six THA and five TKA subjects with instrumented joint implants were included for the measurement of in vivo hip and knee joint loads. All loading parameters were measured during breaststroke swimming (BS) with both arms and legs actively involved at 0.5, 0.6 and 0.7 m/s and breaststroke kick (BK) and crawl kick (CK) with only legs included at 0.5 and 1.0 m/s in all individuals. The joint forces and mo-ments were expressed as percentage of body weight% (BW) and % BWm (body weight × meter), respectively. A dynamic time warping algorithm was used to mean “subject-specific” and “activity-specific” time-load patterns for each loading parameter. Results: Within the mean “activity-specific” time-load patterns, the absolute maxima of resultant contact force (FRes, hip and knee), torsional moment around the femoral shaft axis or tibial axis (MTors, hip and knee), bending moment at the middle of the femoral neck (MBend, hip), and torsional moment around the femoral neck axis (MTne, hip) were mainly identified in the catch or sweep phase of BS and BK and in the downbeat phase of CK. The absolute maxima of FRes lay in the range of 157-193% BW (hip) and 93-145% BW (knee) during BS. Higher swimming velocity resulted in greater FRes (hip and knee), MTors (hip and knee), MBend (hip) and MTne (hip) during BS. A significantly positive correlation between the maxima of FRes and the BS velocity in the hip (r = 0.541, P < .05) and the knee (r = 0.414, P < .001) was identified. A significantly higher FRes was observed in the CK than in the BK in both hip and knee joints. Conclusion: This study is the first comprehensive in vivo measurement of hip and knee joint loads during swimming. The results suggest swimming is a safe rehabilitation exercise due to low loading patterns observed in patients with THA and TKA. Swimming velocities and styles can affect joint loads. Therefore, recommendations on swimming should be determined individually.
Hintergrund: Die Belastung von Gelenken ist entscheidend für die Stabilität, Beweglichkeit und langfristige Funktion von Totalendoprothesen der Hüfte (THA) und des Knies (TKA). Schwimmen, als Form der Wassergymnastik, wird häufig als postoperative Rehabilitationsübung für Patienten nach THA und TKA empfohlen. Die tatsächlichen in vivo Belastungen der Hüft- und Kniegelenke während dieser Aktivität sind jedoch noch unbekannt. Material und Methoden: Bei sechs THA- und fünf TKA-Patienten mit instrumentierten Gelenkimplantaten wurden in vivo Gelenkbelastungen gemessen. Alle Belastungsparameter wurden beim Brustschwimmen (BS) mit aktivem Einsatz von Armen und Beinen bei 0,5, 0,6 und 0,7 m/s sowie beim Brustbeinschlag (BK) und Kraulbeinschlag (CK) mit ausschließlich Beinbeteiligung bei 0,5 und 1,0 m/s bei allen Probanden gemessen. Gelenkkräfte und -momente wurden jeweils als Prozentsatz des Körpergewichts % (BW) und % BWm (Körpergewicht × Meter) erfasst. Ein dynamischer Zeitdehnungsalgorithmus (DTW) wurde verwendet, um die „subjektspezifischen“ und „aktivitätsspezifischen“ Zeit-Belastungsmuster für die jeweiligen Belastungsparameter zu mitteln. Ergebnisse: Innerhalb der gemittelten „aktivitätsspezifischen“ Zeit-Belastungsmuster wurden die absoluten Maxima der resultierenden Kontaktkraft (FRes, Hüfte und Knie), des Torsionsmoments um die Achse des Femurschafts oder der Tibia (MTors, Hüfte und Knie), des Biegemoments in der Mitte des Femurhalses (MBend, Hüfte) und des Torsionsmoments um die Achse des Femurhalses (MTne, Hüfte) hauptsächlich in der Zugphase oder Druckphase des BS und BK und in der Abwärtsbewegung des CK identifiziert. Die absoluten Maxima von FRes lagen im Bereich von 157-193% BW (Hüfte) und 93-145% BW (Knie) während des BS. Eine höhere Schwimmgeschwindigkeit führte zu höheren FRes (Hüfte und Knie), MTors (Hüfte und Knie), MBend (Hüfte) und MTne (Hüfte) während des BS. Eine signifikant positive Korrelation zwischen den Maxima von FRes und der BS-Geschwindigkeit in der Hüfte (r = 0,541, p < 0,05) und im Knie (r = 0,414, p < 0,001) wurde festgestellt. Höhere FRes wurden im CK im Vergleich zum BK in Hüft- und Kniegelenken beobachtet. Schlussfolgerung: Diese Studie ist die erste umfassende in vivo Belastungsmessung von THA und TKA Prothesen während des Schwimmens. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schwimmen eine sichere Rehabilitationsübung ist, da belastungsreduzierte Werte während verschiedener Schwimmübungen in THA und TKA Patienten festgestellt wurden. Schwimmgeschwindigkeiten und -stile können die Gelenkbelastungen beeinflussen. Daher sollten Empfehlungen zum Schwimmen individuell festgelegt werden.
