Die Teilbelastung nach Knie- oder Hüft-Totalendoprothese: Unmöglichkeit der Einhaltung, ihre Ursachen und Abhilfen

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Dr. Thomas Jöllenbeck

Tennis vier Wochen nach Hüft-TEP?

Die Fortschritte der minimalinvasiven Chirurgie führen zu einer geringeren Traumatisierung des Gewebes und zu einer Reduzierung postoperativer Begleiterscheinungen. Dies schafft die Voraussetzung für eine schnellere Rekonvaleszenz. Gleichzeitig verbunden mit der Verkleinerung des Hautschnittes ist die trügerische Hoffnung, dass die Heilungsvorgänge auch in den tieferen Geweben des Körpers schneller voranschreiten. Nicht selten bleiben Spätfolgen durch unzureichende Ausheilung unberücksichtigt. Während sich in der Traumatologie in den letzten Jahrzehnten ein Wandel ergeben hat, der nicht mehr die absolute Stabilität einer Osteosynthese in den Vordergrund stellt, sondern zumindest gleichwertig auch die Biologie der Heilungsvorgänge des Knochens berücksichtigt, werben manche Hersteller von Endoprothesen damit, dass schon 4 Wochen nach der Implantation eines Hüft-Oberflächenersatzes das Tennisspielen möglich sei. Im Gegensatz dazu trat in unserem Krankengut (Tab. [1]) bei einer Patientin nach Implantation eines Oberflächenersatzes eine Fraktur des Schenkelhalses auf, obwohl keine höhere Belastung als das normale Gehen durchgeführt worden war (Abb. [1]).

Abb. 1: Frische Schenkelhalsfraktur am Übergang zum Prothesenkopf nach Implantation einer McMinn-Prothese.

Ziele der Rehabilitation

Ein wichtiges Ziel der orthopädischen/traumatologischen Rehabilitation ist daher - neben der schnellen Wiederherstellung der körperlichen Leistungsfähigkeit eines Patienten - die Minimierung des Risikos in der Heilungsphase.

Die postoperativen Belastungsvorgaben der Operateure nach der Implantation einer Hüft- oder Knie-Totalendoporthese (TEP) sind unterschiedlich (Tab. 2). Dieser Divergenz liegen u.a. folgende Überlegungen zugrunde:

Die Lockerung eines künstlichen Hüftgelenkes im Knochenlager ist das Hauptproblem der Endoprothesenchirurgie. Obwohl bis zu 90% der implantierten Prothesen noch nach 10 Jahren stabil verankert sind, wird in den weiteren Jahren unweigerlich eine schmerzhafte Lockerung auftreten. Die Prothesenform und -art, die Vorplanung und die Sorgfalt beim Einbau der Hüft-Totalendoprothese (TEP), Abriebprobleme u.a. Ursachen haben einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer der Prothese.

Zementfreie Prothesen

Obwohl sich nach korrektem Einbau einer zementfreien Prothese die auf das Hüftgelenk einwirkenden Kräfte nicht wesentlich ändern, bewirkt die Kraftübertragung vom Prothesenmaterial in den Knochen eine unregelmäßige Beanspruchung der Kortikalis. Oft besteht bei der Prothesenverankerung anfangs nur ca. 30% Oberflächenkontakt mit dem Knochen.

Einige Operateure geben eine sofortige volle Belastbarkeit des operierten Beines nach der Operation an, weil sie die Hüft-TEP fest und bündig implantiert haben. Bei anderen Prothesenformen muss erst das Einwachsen der kleinen Knochenbälkchen in die aufgeraute - oder mit winzigen Fortsätzen ausgestattete Prothese - abgewartet werden, so dass eine Vollbelastung frühestens nach 4-8 Wochen, mitunter auch erst nach 3 Monaten erlaubt wird.

Immerhin zeigen szintigraphische Untersuchungen, dass der Knochenstoffwechsel nach Implantation einer zementfreien Hüft-TEP mindestens 12 Monate aktiv bleibt. Daher ist eine adäquate postoperative Nachbehandlung unter Vermeidung sekundärer mechanischer Überlastungen die entscheidende Voraussetzung für ein festes "Anwachsen" der Prothese in das knöcherne Implantatlager. Ähnliche Verhältnisse finden sich auch bei Knieendoprothesen.

Zementierte Prothesen

Auch bei zementierten Endoprothesen kann eine Teilbelastung sinnvoll sein, denn die giftigen Partikel des Knochenzements und die Hitzeschädigung der Knochenröhre beim Einfüllen des 45-90° C heißen Zementes führen zu einer Hitzenekrose der Knochenzellen. Diese Hitzenekrosen sollen innerhalb von 3 Wochen bis 2 Jahren abgeräumt und durch neuen vitalen Knochen ersetzt sein.

Frakturen

Intraoperative Frakturen treten in einer Häufigkeit von 3 bis 28 % bei der Implantation einer Hüft-TEP auf. Der Prothesenstiel wirkt wie ein Meißel und kann hohe Kräfte ausüben. Die Kompressionskraft, mit der der Prothesenstiel einer zementierten Hüft-TEP eine Längsfraktur im Knochen hervorrufen kann, liegt zwischen 1915 und 9288 N, also zwischen dem 3,1- bis 15fachen des Körpergewichtes. Nach der Cerclage des geborstenen Oberschenkels sind Kompressionskräfte für einige Wochen zu vermeiden, weil Kräfte zwischen 183 und 1677 N (0,3 bis 2,7fache des Körpergewichtes) zu einem Einsinken des Prothesenstieles führen würden. Eine Belastung sollte erst dann erfolgen, wenn röntgenologisch deutliche Zeichen der Kallusbildung zu erkennen sind. Auch Scher- und Rotationskräfte sind zu vermeiden.

Es besteht eine große Diskrepanz zwischen vorgegebener und realisierter Teilbelastung. Das Bewusstsein über die ständig "falsche Belastung" führt bei Patienten aber auch bei den Therapeuten zu großen Unsicherheiten. Als Konsequenz der Ergebnisse sind präoperativ rechtzeitig Maßnahmen zu ergreifen, die eine Einhaltung der Teilbelastung ermöglichen. Hier scheint eine therapeutisch angeleitete Gangschule mit Gehstützen, die Gewichtsabnahme bei Adipositas ebenso wie ein rechtzeitig begonnenes Krafttraining der betroffenen Oberarm-Schulter-Rumpf-Muskulatur das Mittel der Wahl zu sein. In der Rehabilitation kann durch eine Veränderung des Gehstützenaufsatzes und -hochnehmens nur noch bedingt Einfluss auf die realisierte Höhe der Teilbelastung genommen werden. Die Einübung der Teilbelastung mithilfe einer Haushaltswaage ist, entsprechend einer Studie mit der Universität Paderborn, als unzureichend abzulehnen, weil dabei nur die Kraft im Stehen geprüft wird und kein Transfer auf die Dynamik des Ganges möglich ist. Besser geeignet sind Feedbacksysteme für die dynamische Gangphase wie die akustisch rückmeldenden Fußdrucksohlen, der mechanische Belastungstrainer oder der in unserer Klinik verwendete Gehbarren mit zwei Kraftmessplatten, weil damit - mit einigen Abstrichen - ein gewisses Gefühl für die Teilbelastung trainiert werden kann. Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Technik des Kreuzganges ebenso wie der Gang am Rolllator nur zu einer unwesentlichen Entlastung führt und einer Quasi-Vollbelastung entspricht. Weitere Studien zur Belastung und Konstanz beim Gang über längere Strecken in der Ebene, beim Gehen auf der Treppe sowie beim Aufstehen und Hinsetzen sind abgeschlossen und befinden sich zurzeit in der Auswertung.

Bei periprothetischen Frakturen ist mitunter eine Teilbelastung über mindestens 3 Monate, oft sogar von einem halben Jahr notwendig. Bei mindestens einem Drittel dieser Patienten treten anschließend Komplikationen wie Plattenbruch (sogar noch nach einem halben Jahr), Gefäßverschluss, Infektion etc. auf.

Bei kaum einer anderen Operation ist der langfristige Therapieerfolg so entscheidend abhängig von einer fachgerechten Nachbehandlung wie beim alloplastischen Gelenkersatz. Dazu gehört auch die konsequente Vermeidung einer starken mechanischen Irritation. Allerdings belegen die in unserer Klinik routinemäßig durchgeführten dynamischen Belastungskontrollen auf zwei eindimensionalen Kraftmessplatten ("Gehbarren", Mechatronic) - ebenso wie einige kleinere wissenschaftliche Studien, dass fast alle Patienten die vorgegebene Teilbelastung erheblich überschreiten. Dies wurde auch von vielen anderen Autoren bestätigt. Die vorliegende Untersuchung verfolgt daher das Ziel, die Ursachen dieser Fehlbelastungen aufzudecken und Anhaltspunkte für eine genauere Einstellung und Einhaltung der Teilbelastung zu gewinnen.

Dynamische Ganganalyse bei Teilbelastung

Am Institut für Biomechanik in der Klinik Lindenplatz wurden bisher mehr als 400 Patienten mit Teilbelastung nach Knie- oder Hüft-TEP untersucht. Nach therapeutischer Anleitung und Gewöhnung an die Teilbelastung wurden die Patienten einer dynamometrischen Ganganalyse unterzogen. Dabei sollten sie mit speziellen Gehstützen, in die Kraftaufnehmer integriert sind, von einer Startposition aus bis zu 10-mal über eine Gangbahn mit zwei eingelassenen Kistler-Kraftmessplatten gehen (Abb. [2]).

Abb. 2: Gang mit Gehstützen mit integrierten Kraftaufnehmern über Gangbahn mit 2 Kraftmessplatten.

Im Anschluss erfolgte eine Messung des Körpergewichtes. Eine Auswertung der Daten war nur dann möglich, wenn die Patienten eine der Kraftmessplatten nur mit dem Fuß der operierten Beinseite und ggf. einer Gehstütze betraten. Da zum einen die Patienten hierüber nicht informiert wurden, um Beeinflussungen des Ganges zu vermeiden, zum anderen die Schrittlänge in einigen Fällen zu kurz war, konnten lediglich die Daten von 253 Patienten (Tab. [3]) für diese Studie analysiert werden. Die Daten wurden mit der Bewegungsanalyse-Software Simi-Reality-Motion mit einer Samplingrate von 400 Hz erfasst und gespeichert. Die weitere Verarbeitung erfolgte zusätzlich mit eigener Analysesoftware sowie mit Excel und SPSS. Die Verteilung der Primärdiagnosen auf Knie- und Hüft-TEP ist Tab. [4] zu entnehmen.

Erlaubte Teilbelastung meist überschritten

Im Mittel wird die von den Operateuren vorgegebene Teilbelastung, die je nach Patient zwischen 5 kg und 50 kg liegen sollte (Mittelwert 24,5 kg; häufigste gewünschte Teilbelastung: 20 kg) um 25,7 kg, also um mehr als das Doppelte (bzw. 125 % der erlaubten Belastung) überschritten (Tab. [5]), die Patienten belasteten also im Mittel mit 50,3 kg. Die Gehstützenkräfte betragen im Mittel links 22,8 kg, rechts 21,9 kg, bei beiden Armen insgesamt also 43,9 kg. Insgesamt wird die vorgegebene Teilbelastung von 88,5% der Patienten überschritten, bei 50,2% der Patienten sogar um mehr als das Doppelte.

Es bestehen bei der Überlastung keine relevanten signifikanten Unterschiede zwischen Geschlecht, Primärdiagnose und Teilbelastungsseite. Bedingt durch das signifikant höhere Körpergewicht belasten Männer das operierte Bein signifikant höher, üben aber auch signifikant mehr Kräfte auf die Gehstützen aus.

Bei einer vorgegebenen Teilbelastung von 10, 20, 30 usw. kg zeigen sich bei niedrigen Vorgaben die größten Überlastungen (Tab. [6]). Bei der Vorgabe von 15-20 kg (größte Patientengruppe mit n=132) tritt eine mittlere Überlastungen von 25,9 kg oder 131 % auf.

Die Überlastung steigt hochsignifikant (p<.001) und unabhängig voneinander mit zunehmendem Alter und mit zunehmendem Gewicht der Patienten an. Im Gegenzug nimmt die Gehstützenkraft mit zunehmendem Alter hochsignifikant ab. Auch wenn mit zunehmendem Gewicht der Patienten die Gehstützenkraft signifikant höher ausfällt, so kann dies dem Betrag nach den Effekt der Überlastung bei weitem nicht kompensieren. Die Gehstützenkraft auf der operierten Körperseite ist signifikant (p<.01) kleiner als auf der Gegenseite.

Besondere Beachtung verdient das Timing zwischen dem operierten Bein und den Gehstützen, d.h. die Zeitdifferenz zwischen dem Fußaufsatz und dem Gehstützenaufsatz zu Beginn eines Schrittes, ebenso wie am Ende eines Schrittes. Zunächst ist festzuhalten, dass die Dauer der Überschreitung der vorgegebenen Teilbelastung mit 0,64 s länger ist als die Schwungphase des Gegenbeines. Der Gehstützenaufsatz erfolgt im Mittel erst 52 ms nach dem Fußaufsatz, das Hochnehmen der Gehstützen hingegen bereits 83 ms vor dem Fußabdruck (Tab. [7], Abb. [3]). Die Überschreitung der Teilbelastung steigt signifikant (p<.01) an, je später die Gehstützen aufgesetzt und je früher sie hochgenommen werden.

Abb. 3: Typischer Gangzyklus mit erwünschter TB von 20 kg und tatsächlicher Überlast von max. 34,8 kg (169%). Vertikalkraft [kg] des operierten (rot) und gesunden Beines (schwarz), Kraft der Gehstütze links (blau) und rechts (grün). Abszisse: Zeit in [s], die Dauer der Überschreitung der Teilbelastung ist grün hinterlegt.

Warum die Teilbelastung selten eingehalten wird

Die Ergebnisse bestätigen die Beobachtungen unserer Physiotherapeuten, die Vorgaben aus der Literatur bzw. die eigenen Pilotstudien, und zeigen, dass eine vorgegebene Teilbelastung selten eingehalten wird. Dies hat mehrere Ursachen. Zum einen bietet die menschliche Sensorik nur äußerst unzureichende Möglichkeiten zur Einschätzung einer Teilbelastung. Anders als z.B. die Reflexreaktion beim Tritt auf einen spitzen Gegenstand ist die quantitative Beurteilung einer Teilbelastung phylogenetisch nicht vorgesehen. Je geringer die gewünschte Teilbelastung, um so stärker wird eine massive Überlastung nicht zu verhindern sein. Im Mittel wurde bei allen Patienten, bei einem mittleren Körpergewicht von 84 kg, lediglich eine Teilbelastung von 50 kg; also eine Entlastung von 34 kg erreicht; mehr scheint den Patienten trotz Anstrengung nicht möglich zu sein. Eine Ursache, die sich mit zunehmendem Alter und Gewicht noch verschärft, sind die mangelnden Kraftfähigkeiten des Oberarm-Schulter-Rumpfbereiches. Der für die korrekte Einhaltung der Teilbelastung erforderliche Kraftzuwachs in den Oberarmen ist während der Phase der Rehabilitation nicht zu erreichen. Eine Möglichkeit, das Kraftdefizit der Oberarme zu verringern, bestünde in einem frühzeitig vor dem OP-Termin therapeutisch angeleiteten Krafttraining der Muskulatur des Oberarm-Schulter-Rumpfbereiches.

Zudem klagen viele Patienten über rote Hände sowie schmerzende Schultern und Arme. Nervenkompressionszeichen im Karpaltunnel und in der Loge Guyon, aktivierte Arthrosen der Finger- und Handgelenke, Impingementsyndrome der Schultern u.a. gehören zum alltäglichen Beschwerdebild von Rehapatienten.

Wegen der nicht zu beseitigenden Kraftdefizite bleiben auch scheinbar begrüßenswerte Maßnahmen wie Feedbacksysteme im Ergebnis wenig Erfolg versprechend. So hat der Einsatz von einfachen Fußdruckmesssohlen (System Belamed, T & T medilogic) bei Patienten nicht nur keine Akzeptanz gefunden, sondern sogar eine Verunsicherung ausgelöst, da bei jedem Schritt akustisch die Überschreitung der vorgegebenen Teilbelastung angezeigt wurde und die Patienten mangels ihrer Kraftfähigkeiten nicht in der Lage waren, dies abzustellen. Ein weiteres, sehr einfaches mechanisches Feedbacksystem (PBS Belastungstrainer, Fa. Sicuro) - allerdings beschränkt auf die Belastungsbestimmung im Fersenbereich - befindet sich zurzeit bei uns in der Erprobungsphase.

Eine weitere Ursache für die Überschreitung der Teilbelastung ist in motorisch-koordinativen Defiziten beim Gang mit Gehstützen zu finden. Besonders negativ machen sich hierbei ein zu später Gehstützenaufsatz und ein zu frühes Hochnehmen der Gehstützen bemerkbar. Grund hierfür sind die unterschiedlichen Charakteristika der Kraftkurven (Abb. [3]). Während die Bodenreaktionskräfte beim Fußaufsatz (-abdruck) sehr schnell ansteigen (abfallen), erfolgt die Kraftentwicklung über die Gehstützen erheblich verzögerter. Durch diesen zeitlichen Versatz ist eine vorgegebene Teilbelastung oftmals schon überschritten, wenn die Gehstützen gerade aufgesetzt werden. Unter Berücksichtigung der typischen Kraftverläufe beim menschlichen Gang sind erhebliche Überlastungen gerade zu Beginn und am Ende des Bodenkontaktes die Folge.

Eine deutliche zeitliche Verlagerung des Gehstützenaufsatzes vor den Fußauftritt - und das Hochnehmen der Gehstützen erst nach Abheben des operierten Beines - können diese Kraftspitzen erheblich reduzieren und zu einer Entlastung der operierten Körperseite führen.

Die Methoden zur Verbesserung der Gehstützensynchronisation wurden in zwei weiteren Untersuchungen geprüft:

Eine kleine Studie (n=15) untersuchte die Effekte einer Verlängerung der Gehstützen um 1 oder 2 Raster. Es zeigten sich allerdings nur sehr kurzfristige positive Effekte, bevor die Patienten wieder in ihr altes Bewegungsmuster zurückfielen, in dem sie die verlängerten Gehstützen nicht zeitlich früher, sondern räumlich weiter vorne aufsetzten, wodurch eine dauerhaft höhere Entlastung nicht bewirkt werden konnte.

Eine zweite Studie zusammen mit der Universität Paderborn untersuchte die Möglichkeiten einer Trainingsstation mit Instruktionsvideo, Übungsphase und Feedbackmessung. Mit 24 Studenten konnte hierbei sowohl ein synchroner, d.h. mit dem Fußaufsatz gleichzeitiger, als auch ein noch besserer, asynchroner, d.h. vor dem Fußaufsatz, stattfindender Gehstützenaufsatz realisiert werden. Die Entlastung war in beiden Fällen annähernd gleich groß. Das Hochnehmen der Gehstützen hingegen konnte durch die Trainingsstation bisher nicht maßgeblich beeinflusst werden. Eine Anschlussstudie mit Patienten ist in Arbeit.

Die Veränderung des Aufsatzes und des Hochnehmens der Gehstützen ist ein wichtiger Ansatzpunkt für die therapeutische Einflussnahme auf die Einhaltung der Teilbelastung während der Phase der Rehabilitation oder im Akuthaus. Allerdings ist diese Aufgabe ohne geeignete Hilfsmittel nicht zu realisieren. Wegen der physiologischen Trägheit des Auges wird eine Zeitspanne von z.B. 50 ms nicht als unterschiedlich, sondern als zeitgleich wahrgenommen. Erst ab einem Zeitraum von 60-80 ms ist ein geschulter Beobachter mit entsprechender Aufmerksamkeitslenkung in der Lage, einen zeitlichen Unterschied festzustellen. Dagegen ist das Gehör geschulter und kann auch kurze zeitliche Abstände wahrnehmen, die für den Patienten ebenfalls als Rückkoppelung dienen können.

Zur Dokumentation bieten sich als Hilfsmittel im Routinebetrieb einfache Videoanalysen aus seitlicher Perspektive an, die mit geringem Aufwand in Einzelbildbetrachtung den zeitlichen Versatz für Beobachter und Patient sichtbar machen. Kommerzielle Programme für den Bereich der Sport- und Bewegungswissenschaft können hierbei eine große Hilfe und Erleichterung darstellen.

Literatur beim Verfasser.

Jöllenbeck, T., Schönle, C.

Orthopädische Rehabilitationsklinik Lindenplatz, Institut für Biomechanik, Bad Sassendorf