Gelenksbelastungen beim Bergwandern

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1 Gelenksbelastungen beim Bergwandern Analyse, Steuerung und Anwendungen (Artikel aus NOEO Wissenschaftsmagazin, Salzburger Bildungs- und Forschungseinrichtungen, Ausgabe 03/2003) Bergwandern zählt in Österreich zu einer der beliebtesten Sportarten. In den meisten soziologischen Studien zur Sportartpräferenz rangiert das Bergwandern hinter Radfahren und Schwimmen an dritter Stelle (Fessel-GfK 2001 Weiß 1999, Bässler 1997). Die häufigsten Motive der Österreicher für das Sporttreiben sind nach Bässler (1999) Naturerlebnis (66 Prozent), Fitness (57 Prozent) und Ausgleich (41 Prozent). Beim Bergwandern können diese Motive in idealer Weise gemeinsam verwirklicht werden. Darüber hinaus zeichnet sich Bergwandern durch einen hohen Fitnessgewinn bei sehr geringem Unfallrisiko aus (Bässler 2001). Aufgrund der spezifischen Belastungscharakteristik mit zumeist kontinuierlichen und langen Beanspruchungen und relativ geringen Intensitäten hat das Bergwandern wichtige präventive und rehabilitative Funktionen bezüglich des Herz-Kreislauf-Systems sowie des aktiven und passiven Bewegungsapparates (Weiß et al. 2000, LaCroix et al. 1996, Paffenbarger 1986). Das Bergwandern bietet sich als Präventivmaßnahme besonders gut an, als es sich dabei um eine typische Life-time-Sportart handelt, deren Ausübung für alle Altersstufen geeignet und bis ins hohe Alter möglich ist. Beim Bergwandern, insbesondere beim Abwärtsgehen, treten allerdings häufig Schmerzen in den Gelenken der unteren Extremitäten, insbesondere im Kniegelenk, auf (Pförringer/Ullmann 1989, ÖAV 1990). Besonders betroffen davon sind ältere Personen und Bergwanderer mit schon vorhandenen Strukturschädigungen. Zur Beschwerdehäufigkeit und Beschwerdecharakteristik gibt es allerdings nur sehr wenige konkrete Daten. Daher wurde mit 440 Bergwanderern ein Fragebogen-gestütztes Interview zu dieser Thematik geführt. 47 Prozent der Befragten geben an, während oder nach Bergtouren Beschwerden am Bewegungsapparat zu haben, wobei der Anteil mit dem Alter stark und kontinuierlich zunimmt. 50 Prozent davon stufen sich bezüglich Beschwerdehäufigkeit in die Kategorien immer, häufig bzw. mittelmäßig ein und in 42 Prozent der Fälle sind die Beschwerden stark bzw. mittelstark. Diese Daten zeigen, dass Beschwerden am Bewegungsapparat beim Bergwandern ein nicht zu unterschätzendes Problem darstellen. Am weitaus häufigsten treten die Beschwerden beim Abwärtsgehen auf (97 Prozent) und sind im Bereich des Kniegelenks loka-

2 lisiert (89 Prozent). Hinweise in der Literatur deuten darauf hin, dass die erhöhten Beanspruchungen der Strukturen in den Gelenken der unteren Extremitäten, wie sie beim Gehen auf geneigten Ebenen auftreten, für diese Probleme zumindest mitverantwortlich sind (Burr et al. 1996, Kuster et al. 1995, Blake & Ferguson 1993). Systematische Studien dazu liegen allerdings noch keine vor. Zur Untersuchung dieser Zusammenhänge wurden die Belastungen in den Gelenken der unteren Extremitäten in Abhängigkeit von (1) Steigung bzw. Gefälle, (2) Gehgeschwindigkeit differenziert nach Schrittlänge und Schrittfrequenz, (3) Gehen auf Stufen vs. schiefer Ebene und (4) Abwärtsgehen mit und ohne Verwendung von Tourenstöcken vergleichend bestimmt. Die Ziele der Studien sind, die Beschwerdecharakteristik beim Bergwandern zu untersuchen und potenzielle Steuerungsgrößen hinsichtlich ihres Effekts auf die Belastungssituation in den Gelenken der unteren Extremitäten zu analysieren. Damit soll es möglich sein, Steuerungsparameter und deren Einflussgrößen zu diagnostizieren, die eine optimale Stimulation zur biopositiven Entwicklung von Gelenksstrukturen ermöglichen ohne negative Symptome wie Schmerzen und Verletzungen zu provozieren. Untersuchungsmethodik Zur Bestimmung der Belastungen im Sprung-, Knie- und Hüftgelenk wurde die Methode der inversen Dynamik verwendet. Dabei geht man von der Analyse der von außen beobachtbaren Bewegung aus, die man aus Videoaufzeichnungen erhält. Zusammen mit den synchron gemessenen Bodenreaktionskräften erhält man die resultierenden Kräfte und Momente in den betreffenden Gelenken. In Verbindung mit der Winkelgeschwindigkeit kann man aus den Gelenksmomenten die resultierende Gelenksleistung berechnen und erhält die Information, in welcher Form die einzelnen Muskelgruppen aktiv sind, d.h. ob sie konzentrisch (aktive Muskulatur verkürzt sich) oder exzentrisch (aktive Muskulatur wird gedehnt) arbeiten. Die zeitliche Integration der Gelenksleistung schließlich liefert die resultierende Arbeit, die von der Muskulatur in den betreffenden Gelenken verrichtet wird. Die Methode der inversen Dynamik liefert zwar in Summe exakte und aussagekräftige Informationen von Kräften, Momenten, Leistung und Arbeit, auf konkrete Strukturkräfte (d.h. Kräfte von Muskeln und Bändern bzw. Kompressions- und Scherkräfte zwischen Knochen) kann man damit allerdings nicht bzw. nur bedingt schließen. Dazu ist es notwendig, die resultierenden Kräfte und Momente mit Hilfe eines geeigneten Gelenksmodells auf die einzelnen Strukturkräfte im Gelenk aufzuteilen. Wie aus der obigen Befragung klar hervorgeht, ist das Kniegelenk jenes Gelenk, das beim Bergwandern am weitaus häufigsten von Beschwerden betroffen ist. Daher wurde

3 ein Kniemodell (Schwameder et al. 1999) entwickelt, mit dessen Hilfe die Kräfte zwischen Tibia und Femur bzw. zwischen Patella und Femur sowie die Zugkräfte in der Patella- und Quadrizepssehne berechnet werden können. Um standardisierte Bedingungen zu gewährleisten, wurde für die Datenaufnahme eine 5 m lange Rampe mit integrierter Kraftmessplatte konstruiert, die in der Neigung zwischen -24 und +24 (in Schritten von 6 ) verstellbar war. Mit dieser Anordnung konnte der Effekt der Neigung auf die Belastungen in den Gelenken der unteren Extremitäten untersucht werden. Die Effekte von Schrittlänge und Schrittfrequenz auf die Gelenksbelastungen wurden bei einer konstanten Neigung von 180 untersucht. Der Vergleich zwischen den Bedingungen Rampe und Treppe erfolgte bei 24 und die Effekte der Stockverwendung wurden bei einem Gefälle von -24 untersucht. Darstellung und Diskussion der Ergebnisse Abb. 1 zeigt die positive (oben) und negative Arbeit (unten) im Sprunggelenk (Wa), Kniegelenk (Wk) und Hüftgelenk (Wh) beim Gehen als Funktion der Neigung. In allen drei Gelenken sind beim Abwärtsgehen der Anteil positiv verrichteter und beim Aufwärtsgehen der Anteil negativ verrichteter Arbeit sehr gering. Beim Aufwärtsgehen nimmt die positive Arbeit in allen drei Gelenken erwartungsgemäß mit der Steigung sehr stark zu. Der größte Anteil wird zwar stets vom Sprunggelenk verrichtet, Knie- und Hüftgelenk weisen aber ebenfalls hohe Arbeitsanteile auf. Beim Abwärtsgehen nimmt in allen drei Gelenken die Größe der negativen Arbeit mit dem Gefälle kontinuierlich zu, wenn auch mit unterschiedlichen Anteilen. Am auffälligsten ist, dass sich der relative Arbeitsanteil des Kniegelenks mit zunehmendem Gefälle erhöht und bei -24 ca. 70 Prozent der in den drei Gelenken negativ verrichteten Arbeit entspricht.

4 Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt man bei der Analyse der Strukturkräfte im Kniegelenk Exemplarisch wird die mittlere patellofemurale Kompressionskraft als Funktion der Neigung relativ zum Körpergewicht (KG) dargestellt (Abb. 2). Sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärtsgehen nimmt diese Kraft mit der Neigung kontinuierlich und stark zu, wobei die Zunahme beim Abwärtsgehen etwa doppelt so hoch ausfällt und beim steilsten untersuchten Gefälle (-24 ) beinahe das Zehnfache des Wertes beim Gehen in der Ebene erreicht. Aus diesen Ergebnissen wird ersichtlich, dass die Belastungen mit der Steigung bzw. dem Gefälle stark zunehmen, wobei die größten Veränderungen im Kniegelenk beim Abwärtsgehen zu beobachten sind. Damit ist der Schluss gerechtfertigt, dass die häufig auftretenden Beschwerden beim Bergwandern vorwiegend durch die hohen GelenksbeIastungen hervorgerufen werden. Demnach kann durch eine Reduktion der Belastung auch eine Reduktion von Gelenksbeschwerden erreicht werden. Neben einer Verringerung der Neigung werden als sinnvolle Maßnahmen zur Belastungsreduktion eine Verringerung der Gehgeschwindigkeit, das Gehen auf Treppen und die Verwendung von Tourenstöcken vermutet. Exemplarisch soll hier ebenfalls die patellofemurale Kompressionskraft herausgegriffen werden. Sowohl die Verringerung der Schrittlänge als auch der Schrittfrequenz bewirkt erhebliche und signifikante Reduktionen dieser Druckkraft, wobei eine Veränderung der Schrittlänge deutlich effektiver ist als jene der Schrittfrequenz. Verringert man beispielsweise die Schrittlänge um 20 Prozent, so erreicht man beim Abwärts- wie beim Aufwärtsgehen eine Reduktion der patellofemuralen Kompressionskraft zwischen 40 Prozent und 60 Prozent. Eine Reduktion der Schrittfrequenz von 20 Prozent verringert diese Kraft zwischen 20 Prozent und 30 Prozent vergleichsweise deutlich weniger. Ebenfalls effektiv zur Belastungsreduktion im Kniegelenk ist das Gehen auf Stufen im Vergleich zur schiefen Ebene, Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Verhältnisse reduziert sich beim Abwärtsgehen auf Treppen die patellofemurale Kompressionskraft auf weniger als die Hälfte im Gegensatz zur schiefen Ebene. Beim Aufwärtsgehen kommt es ebenfalls zu Reduktionen, die Unterschiede sind mit 25 Prozent allerdings deutlich geringer und nicht signifikant. Eine beliebte Maßnahme zur Reduktion von Belastungen insbesondere beim Abwärtsgehen ist die Verwendung von Tourenstöcken. Von den oben genannten 440 befragten Bergwanderern verwenden 41 Prozent Stöcke immer oder häufig, wobei eine starke Altersabhängigkeit zu beobachten ist. Ab dem 60. Lebensjahr erhöht sich dieser Prozentsatz auf 82 Prozent. Die Tourenstockverwendung ist aber nicht nur eine beliebte, sondern auch sinnvolle und effektive Maßnahme zur Reduktion von Belastungen in den Gelenken der un-

5 teren Extremitäten, insbesondere im Sprung- und Kniegelenk. Demnach liegen durch die Tourenstockverwendung in Abhängigkeit der Situation die Reduktionen zwischen 15 Prozent und 30 Prozent, in kurzen Bewegungsphasen lassen sich sogar Entlastungen bis zu 50 Prozent realisieren. Schlussfolgerungen und Anwendungen Die Untersuchungsergebnisse zeigen deutlich auf, dass ein wesentlicher Faktor für das Auftreten von Beschwerden beim Bergwandern die spezifischen hohen Belastungen in den Gelenken und deren Strukturen ist. Diese Belastungen lassen sich allerdings durch verschiedene Maßnahmen verändern und somit steuern. Aufgrund der hohen Komplexität und Situationsspezifität kann zwar keine absolute Rangordnung hinsichtlich der Effektivität der Steuerungsgrößen erstellt werden, aus den Untersuchungsergebnissen lassen sich allerdings folgende Tendenzen ableiten. Die effektivste Steuerungsgröße zur Veränderung von Gelenksbelastungen ist die Neigung. Um hohe Belastungen in den Gelenken der unteren Extremitäten zu vermeiden, sollten steile An- und Abstiege vermieden werden. lnsbesondere bei den Abstiegen kommt es mit zunehmendem Gefälle zu einem starken Anstieg der Gelenksbelastung. Ebenfalls äußerst effektiv ist die Verringerung der Gehgeschwindigkeit. Dabei erweisen sich beide Komponenten, Schrittlänge und Schrittfrequenz, als Steuerungsgrößen sinnvoll, deutlich effektiver erweist sich allerdings die Verringerung der Schrittlänge. Dieser Maßnahme kommt insofern besondere Bedeutung zu, als sie unmittelbar zur Verfügung steht und jederzeit eingesetzt werden kann. Als sinnvolle Maßnahme zur Verringerung von Kniegelenksbelastungen beim Abstieg erweist sich das Abwärtsgehen auf Treppen bzw. geländebedingten Stufen. Durch die horizontale Stellung der Fußsohle kommt es zu geometrischen Veränderungen, die diese Belastungsreduktionen bewirken. Auch der Einsatz von Tourenstöcken erweist sich beim Abwärtsgehen als effektive Maßnahme zur Verringerung der Strukturbelastungen im Knieund Sprunggelenk, auch wenn eine effektive Belastungsreduktion nur dann erreicht werden kann, wenn die Stöcke auch tatsächlich zur Entlastung eingesetzt werden. Dabei erweist sich eine kurze Stocklänge (beim Stockeinsatz ist der Unterarm deutlich nach unten geneigt) als deutlich effektiver als eine mittlere oder lange Stocklänge, auch wenn diese häufig empfohlen wird. Diese Empfehlungen sind aus präventiver Sicht für alle Bergwanderer wichtig, besondere Bedeutung kommt ihnen allerdings für jene zu, die bereits mit Schmerzen bzw. Struk-

6 turschädigungen konfrontiert sind. Neigung, Schrittlänge, Schrittfrequenz, Treppen und Stockverwendung sind aber nicht nur als Steuerungsgrößen zu verstehen, die Gelenksbelastungen reduzieren können. Vielmehr können damit bewusst adäquate Reize zur Stärkung und Entwicklung passiver und aktiver Strukturen gesetzt werden Diesem Aspekt kommt im Präventiv- und Rehabilitationstraining ganz besondere Bedeutung zu.