In vivo Belastungen des Hüftgelenkes und der Lendenwirbelsäule in Rehabilitation und Physiotherapie

Abstract

Einleitung: Ziel dieser Dissertation war, erstmalig die in vivo Belastungen des Hüftgelenks und der Lendenwirbelsäule bei post-operativen, physiotherapeutischen Aktivitäten zu bestimmen. Drei in vivo Studien wurden hierzu durchgeführt: Messung der Hüftgelenksbelastungen bei physiotherapeutischen Übungen (Studie 1), Messung der Hüftgelenksbelastungen beim Gehen mit Unterarmgehstützen (UAG) (Studie 2), und Messung der Belastungen der Lendenwirbelsäule bei Positionswechseln (Studie 3). Methodik: Insgesamt 12 Patienten mit instrumentierten Implantaten (7xHüfte / 5x Wirbelkörper, mittleres Alter 59/66 Jahre, mittleres Gewicht 86/65kg) wurden untersucht. Die instrumentierten Implantate messen die Kräfte und Momente in 3 Ebenen. Für Studie 1 führten 6 Hüftpatienten 13 physiotherapeutische Übungen im Liegen durch. Die auftretenden Maximalbelastungen wurden mit denen beim Gehen mit Voll- und Teilbelastung (halbes Körpergewicht) verglichen. Für Studie 2 gingen 7 Hüftpatienten mit Unterarmgehstützen im 3-Punkte-, 4-Punkte-, und 2-Punkte-Gang sowie ohne Stützen als Referenz (=100%). Für Studie 3 wurden Positionswechsel von Wirbelsäulenpatienten (z.B. von Rückenlage in den Sitz) ausgewertet, welche im Rahmen von Messungen anderer Aktivitäten durchgeführt worden waren. Teilweise waren diese Positionswechsel von einer Physiotherapeutin instruiert worden. Als Referenz diente hier die Belastung beim aufrechten Stehen (=100%). Die resultierende Kraft Fres wurde berechnet und gemittelt. Für die Hüftbelastungen wurden zusätzlich das Biegemoment Mbend im Implantathals und das Torsionsmoment Mtors um den Implantatschaft in %Körpergewicht*m berechnet. Ergebnisse: Studie 1: Das Anheben des Beckens in Rückenlage mit Unterstützung nur auf einem Bein verursachte höhere Kräfte und Momente als das Gehen mit Vollbelastung. Isometrische Kontraktionen können potentiell eine hohe Fres verursachen, allerdings streuten die Maximalbelastungen stark (zwischen 56-232% Körpergewicht = KG), abhängig von der Intensität der Muskelkontraktion. Studie 2: Der 3-Punkte-Gang entlastete das Hüftgelenk am effektivsten, allerdings variierten die Effekte zwischen den Patienten. Studie 3: Positionswechsel ohne physiotherapeutische Anleitung verursachten um 15-160% höhere Fres als unter fachlicher Anleitung. Die Benutzung eines Triangelgriffs erhöhte die Maximalbelastungen nicht. Beim Aufstehen und Hinsetzen verminderte ein Abstützen der Hände die Maximalbelastung um 25%. Schlussfolgerung: Nach chirurgischen Eingriffen entscheidet der Arzt, ob die primäre Stabilität des Implantats eine Entlastung erfordert. Falls ja, sollten körpergewichtsbetonte Bettübungen und maximale willentliche Kontraktionen vermieden werden. Einige Bewegungen sind allerdings auch für Alltagsaktivitäten notwendig z.B. Positionswechsel. Die Patienten sollten den Empfehlungen der Physiotherapeuten folgen, wenn sie mit Gehstützen gehen oder Positionswechsel durchführen müssen. Gehen im 3-Punkte-Gang erfordert gutes Koordinationsvermögen und viel Kraft und ist daher von älteren oder schwächeren Patienten nicht immer exakt durchführbar. Der Arzt sollte daher die Belastungen bei physiotherapeutischen Aktivitäten zu denen bei Alltagsaktivitäten in Relation setzen und individuell entscheiden, ob eine Entlastung des Implantats notwendig - und durchführbar - ist.

Introduction: The aim of this dissertation was to determine the in vivo loads acting in hip joints and lumbar vertebral bodies during post-operative physiotherapeutic activities. Three studies were conducted: The loading of a total hip endoprosthesis was investigated during physiotherapeutic exercises (study 1) and walking with crutches (study 2), and the loads on a vertebral body replacement (VBR) were measured during position changes (study 3). Methods: 12 patients with instrumented implants (7xhip/5xVBR, mean age 59/66years, mean body mass 86/65 kg) were investigated. The implants measure in vivo the forces and moments in 3 planes. For study 1, 6 hip patients performed 13 physiotherapeutic exercises. The peak loads were compared to those during walking with full and half weight bearing. For study 2, 7 hip patients walked with crutches using 3-point-, 4-point, and 2-point-gait, and were compared to gait without crutches as a reference. For study 3, changes in position (e.g. from supine position to sitting) of 5 patients with VBR were analyzed and compared to upright standing. The resultant force Fres was computed from the force components and averaged. For the hip measurements, the torque Mtors around the implant stem axis and the bending moment Mbend in the implant neck were additionally computed in percent of the patient’s bodyweight times meter (%BW*m). Results: Study 1: Lifting the pelvis in supine position, supported by only one leg, caused forces and moments higher than during unaided walking. Isometric contractions can potentially cause a high Fres; however, the maximum values varied strongly between 56-232% body weight (=BW), depending on the contraction intensity. Study 2: The 3-point-gait strategy reduced Fres most effectively. However, the effects varied among subjects. Study 3: Changes in position without physiotherapeutic instructions caused 15 160% higher loads than with instructions. The use of a trapeze bar did not cause higher peak loads. Hand support on thighs or arm rests during rising from and sitting down on a chair reduced Fres by approximately 25%. Conclusions: After surgical interventions, the clinician has to decide whether the primary stability of the implant requires avoidance of high loads. If so, body weight exercises and maximum voluntary contractions should be removed from the rehabilitation protocol. However, some exercises, such as lifting the pelvis shown in study 1, are also necessary in daily living when e.g. using a bed pan. Furthermore, the patients should follow the instructions of physiotherapists when changing positions and walking with crutches. Walking with 3-point-gait requires both coordination and strength and it is questionable if elderly or weak patients are capable to perform this properly. The surgeon should therefore relate the loads on hip joint and vertebral body to those during activities of daily living and should decide individually, if unloading of the implant is necessary and feasible.