Biomechanik und moderne funktionelle Diagnostik der Achillessehne

Störungen früh erkennen

von Dr. med. Lukas Weisskopf, Dr. rer. nat. Marlene Mauch

Heute ist es möglich, mechanische, strukturelle aber auch metabolische Störungen der Achillessehne durch eine exakte biomechanische Funktionsuntersuchung zusammen mit modernsten bildgebenden Verfahren zu diagnostizieren. Voraussetzung ist dabei das Verständnis für die sportartspezifischen Kräfte auf die Fußstatik und die Kenntnis der pathophysiologischen Prozesse des Sehnengewebes.

Werden ursächliche Faktoren (mechanisch, metabolisch und/oder medikamentös-induziert) nicht erkannt, bestehen hohe Rezidivraten- und lange Ausfallzeiten für die betroffenen Sportler. Neben der Unterstützung in der Diagnostik ist die Anwendung von biomechanischen Untersuchungen hilfreich, um die Therapiefortschritte objektiv zu kontrollieren und gegebenenfalls die Freigabe für die Wettkampftauglichkeit zu bestätigen. Ausgehend von der funktionellen Anatomie der Achillessehne werden nachfolgend klinisch wertvolle Diagnostiktools für Achillessehnenpathologien in einem sportlich ambitionierten Patientenkollektiv aufgezeigt.

Funktionelle Anatomie und biomechanische Eigenschaften der Achillessehne

Die Achillessehne wird als stärkste Sehne des Menschen angesehen, wobei die Patellarsehne annähernd ähnliche Kräfte tolerieren muss. Komi et al. (1987, 1992) konnten bei Sportstudenten in vivo Kräfte in der Achillessehne bis zu 9.000 N messen. Dies ist vergleichbar mit dem Einwirken einer Masse von etwa 900 kg. Als anschauliches Beispiel kann der Weltrekord im Marathon dienen. Bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit um 21 km/h treten pro Schritt Kräfte von ca. 9.000 N auf die Achillessehne, hochgerechnet wirken so bei ca. 600 – 800 Schritten pro Kilometer ca. 30.000-mal das Gewicht eines Kleinwagens, das von den Achillessehnen verarbeitet werden muss. Fukashiro et al. (1995) postulieren Belastungen bei einer Spitzenbeanspruchung wie beim Hochsprung von 1.4 Tonnen bei einer approximativen Rissfestigkeit, die dem Einwirken von 1.8 Tonnen entspricht. Des Weiteren besteht ein ungünstiges Muskel-/Sehnenverhältnis von 125:1 gegenüber einem Verhältnis der anderen Körpersehnen von zirka 50:1. Gleichbedeutend heißt dies ein großes Kraftentwicklungspotenzial auf eine verhältnismässig unterdimensionierte Sehne. Dies birgt wiederum die Gefahr von Überlastungen in sich. Um diese großen Kräfte tolerieren zu können, bedient sich die Natur gewissen Hilfsmechanismen, insbesondere in der Struktur der Sehne. Hervorzuheben ist beim Aufbau der Achillessehne die Verwringung der Fasern um ca. 90 °, um die Primärstabilität zu erhöhen. Die Fasern des medialen und lateralen Gastrocnemius inserieren am lateralen Calcaneus und die des Soleus medial am Calcaneus. Daraus resultieren – je nach Stellung des Rückfußes respektive des Calcaneus – asymmetrische Kräfteverhältnisse in der Sehne (Brüggemann und Segesser, 2011), welche die Strukturintegrität aufgrund der unterschiedlichen Belastungsspitzen gefährden. Folgen davon sind ödematöse Veränderungen (Tendinose) in der Sehne durch die Mikrotraumatisierung, Partialrupturen und/oder asymmetrische Komplettrupturen. Funktionell gesehen besteht die Hauptaufgabe der Achillessehne in der Plantarflexion des Fußes. Diese wird gewährleistet durch ca. 40 % Soleus- und ca. 33 % Gastrocnemiusaktivität. Etwa 27 % der Plantarflexionskraft werden von den Zehenflexoren geleistet (Abb.1). Dies ist insofern wichtig, als dass eine aktive Plantarflexion auch bei gerissener Sehne durchaus durch die Funktionalität der Zehenflexoren möglich ist, für einen einbeinigen Zehenstand reicht diese jedoch in der Regel nicht aus.

Biomechanische Funktionsdiagnostik

Die beschriebene Funktion der Achillessehne und der beteiligten Kräfte kann durch eine kinetisch unterstützte Ganganalyse und/oder durch eine isokinetische Kraftmessung des Sprunggelenks quantifiziert werden. Abbildung 2 zeigt das Abrollverhalten (Roll-over Process=ROP) mit den zugehörigen Kräften eines unauffälligen Gangbildes. Der Fuß wird dabei in der Dynamik in drei Zonen beurteilt: Rückfuß (rot), Mittelfuß (blau) und Vorfuß (grün). Die zugehörigen Kraftkurven sind rechts dargestellt. In der Abbremsphase zeigt sich das erste Kraftmaximum. Es liegt bei etwa 22 % ROP und wird aus der Summe von Rückfuß-, Mittelfuß- und Vorfußkräften gebildet. Das zweite Kraft maximum (ca. 78 % ROP) entsteht durch die Abstoßbewegung des Fußes und entspricht beim Gesunden meist der Vorfußkraft. Beide Kraftmaxima sollten beim Gehen etwa das 1.2-fache des Körpergewichtes betragen. Zusätzlich ist für die Beurteilung der Kräfte von Interesse, an welcher Stelle der Wechsel von der Rückfuß- zur Vorfußbelastung stattfindet. Dieser findet in Normalfall zwischen 30 – 50 % ROP statt. Ein früherer oder späterer Wechsel in der Abrollbewegung deutet auf eine pathologische Abrollbewegung hin. Abbildung 3 zeigt dementsprechend die Kraftkurvenverläufe pathologischer Beschwerdebilder. Oft zeigt sich als Schutzmechanismus und zur Verhinderung einer verstärkten Dorsalextension aufgrund der Schmerzsymptomatik ein früher Belastungswechsel von der Rückfuß- zur Vorfußbelastung. In Abbildung 3 (oben) findet dieser bereits bei ca. 20 % ROP statt. Weiterhin zeigt sich in dieser Abbildung sehr deutlich eine verminderte Abstoßkraft zum Zeitpunkt des zweiten Kraftmaximums. Dies deutet auf eine Insuffizienz der Achillessehne resp. der Plantarflexoren hin. Noch gravierender fallen die Ergebnisse bei einer Komplettruptur der Achillessehne aus (vgl. Abb. 3, unten). Hierbei wird die Kraft zur Fortbewegung durch den ganzen Fuß übernommen, die Vorfußkraft reduziert sich auf ein Minimalmaß. Ein weiteres Maß zur Quantifizierung der Kraft im Sprunggelenk bietet die isokinetische Maximalkraftuntersuchung. Diese dient zur Diagnostik und Beurteilung der Funktionalität der Achillessehne und ihrer umgebenden Muskulatur. Abbildung 4 zeigt die Kraftverläufe in der Plantarflexion bei bestehender Achillessehnenruptur. Hierbei zeigt sich zum einen ein deutlich eingeschränktes Bewegungsausmaß auf der betroffenen Seite und noch gravierender ein deutliches Kraftdefizit von 78 % in der Plantarflexion im Vergleich zur nicht betroffenen Seite. Insgesamt kann die Patientin noch eine Kraft von 14 Nm auf der betroffenen Seite im Vergleich zu 61 Nm auf der nicht betroffenen Seite aufbringen. Das Beispiel zeigt jedoch auch auf, dass trotz gerissener Achillessehne noch eine Teilkraft aufgebracht werden kann (Zehenflexorenanteil).
Nicht zu vergessen ist die stabilisierende Funktion der Achillessehne auf den Rückfuß, welche mit einer Stabilometrie objektiviert werden kann (vgl. Abb. 5). Dabei können Funktionsstörungen in der dynamischen Kontrolle des Fußes detektiert werden wie z.B. Tibialis posterior-Insuffizienzen, die zu einer vermehrten Valgusstellung des Calcaneus führen oder auch zu fibulären Bandläsionen. Die kleinen Ausgleichsbewegungen des Calcaneus in Frontalebene können zu Friktionen in der Sehne oder zwischen Calcaneus und dem Sehnenansatz führen und belasten die Sehne somit wiederum ungünstig. Zur Testung der Stabilität im Sprunggelenk wird ein Gleichgewichtstest im Einbeinstand (barfuß) auf einer instabilen Plattform durchgeführt. Es wird der Verlauf des Angriffspunktes des Körperschwerpunktes betrachtet (COP): Der Perimeter (mm) beschreibt dabei die insgesamt zurückgelegte Strecke des COPs, der elliptische Bereich (mm2) die Gesamtfläche, die vom COP umschrieben wird. Zusätzlich wird die Ausgleichsbewegung des Rumpfes zur Erhaltung der Stabilität mitberücksichtigt, um so auf mögliche neuromuskuläre Muster schließen zu können (Abb. 6). Noch spezifischer erlauben jedoch kinematische Aufnahmen die Bewegungen direkt in der Ausübung der Sportart zu analysieren, wie diese in der Biomechanik der Rennbahnklinik (z.B. Lauf-, Rad-, Fußballanalysen) möglich sind. Durch High-Speed-Videoaufnahmen, die die Bewegung mit einer Frequenz von bis zu 1000 Hz aufnehmen, können bereits diskrete Fehlbewegungen von Blockaden über asymmetrische Verkippungen bis zu Rotationsfehlstellungen vom Fuß bis zur Wirbelsäule analysiert werden. Sie dienen somit zum einen als Grundlage für das Verständnis der sportartspezifischen Belastungsmuster, zum anderen jedoch auch zu Therapieempfehlungen wie Sportschuhwechsel, Einlagenversorgung oder gegebenenfalls Trainings- und Technikadaptationen. Abbildung 7 zeigt die Schussanalyse eines Fußballers mit und ohne Schuhe. Wird hierbei das bei dem Spieler linke Standbein betrachtet, so zeigen sich deutliche Unterschiede zwischen dem Schuh- (links) und Barfußverhalten (rechts): Während in der Barfußkondition das Sprunggelenk stabil gehalten werden kann, zeigt sich mit dem Fußballschuh eine schuhinduzierte Überpronation des Standbeines. In diesem Fall gilt es, die Torsionssteifigkeit des Schuhs, die Anordnung der Blades resp. der Stollen zu beurteilen und den Spieler diesbezüglich zu beraten, um Verletzungen von Muskeln, Sehnen und Gelenken zu vermeiden oder zu reduzieren. Zusätzlich wird auch hier eine dynamische Druckverteilungsmessung unterstützend eingesetzt, um Kraft- und Druckspitzen im plantaren Fußbereich beurteilen zu können. Durch die Steifigkeit des Schuhs und die Anordnung der Blades soll dem Fuß möglichst viel Stabilität und Druckentlastung bei gleichzeitigem Erhalt der spielerischen Fertigkeiten ermöglicht werden.

Biomechanisch kontrollierte Therapie und Nachbehandlung

Sehr hilfreich für eine erfolgreiche Therapie ist die Anwendung der biomechanischen Tests zu Objektivierung der zentralen Achillessehnefunktionalität. Insbesondere die Ganganalyse wird in der Rennbahnklinik in der postoperativen Frühphase angewendet, um therapeutische Hilfsmittel wie Stabilschuhe oder die funktionelle physiotherapeutische Behandlung zu koordinieren. Später werden dann die posturale Stabilität sowie die isokinetischen Maximalkraftuntersuchungen (HumacNorm, CSMI), wie sie vorgehend beschrieben sind, durchgeführt, um den Rehabilitationsverlauf zu kontrollieren. Abbildung 8 zeigt im Vergleich die Maximalkraftwerte in der Plantarflexion, der bereits vorgängig erwähnten 63-jährigen Patientin prä- und 1-Jahr post-operativ: die Patientin zeigt quasi kein Kraftdefizit mehr auf, lediglich der Bewegungsumfang ist auf der betroffenen rechten Seite 1-Jahr post-operativ noch leicht reduziert. In der fortgeschrittenen Rehabilitation werden schließlich sportartspezifische Testungen auf dem Feld oder mit den vorgängig beschriebenen High- Speed-Aufnahmen durchgeführt. Der Vergleich der Bewegungsmuster vor, während und nach der Therapie im Feld in Zusammenhang mit den durchgeführten Maximalkraft- und Stabilitätstests sowie der Ganganalyse im Labor gewähren dem Sportler, Therapeuten und dem Arzt eine hohe Sicherheit für eine Rückkehr in die Trainings- und Wettkampftätigkeit.

Fazit

Die einwirkenden Kräfte auf die Achillessehne im Sport sind enorm. Entsprechend gehören Achillessehnenpathologien zu den häufigsten Verletzungsformen in der Sportmedizin. Aufgrund ihrer vielfältigen Pathogenese ist bereits die Diagnostik von eminenter Bedeutung, um einem langwierigen und zum Teil medizinisch schwierig kontrollierbaren Verlauf entgegenzuwirken.

Foto: © Dr. med. Lukas Weisskopf