Aktivierungsmuster der lokalen und globalen Rückenmuskulatur bei Übungen an medizinischen Trainingsgeräten

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1 Aktivierungsmuster der lokalen und globalen Rückenmuskulatur bei Übungen an medizinischen Trainingsgeräten I. Bradl 1, F. Mörl 3, R. Müller 1, H. C. Scholle 2, R. Grassme 2, W. Schneider 1, R. Grieshaber 1 1 Berufsgenossenschaft Nahrungsmittel und Gaststätten, Geschäftsbereich Prävention, 2 Funktionsbereich Motorik, Institut für Pathophysiologie der FSU Jena, 3 Institut für Biomechanik der FSU Jena Einleitung Der tiefe Rückenschmerz (Low Back Pain) ist in den letzten Jahrzehnten zu einer Volkskrankheit geworden. Zur Rehabilitation und Prävention wurden dementsprechend zahlreiche Trainingsgeräte und entsprechende Programme entwickelt und erfolgreich angewendet (vgl. u. a. Denner 1996) sowie vielfältige Untersuchungen durchgeführt (vgl. u. a. Tidow 1999). Typisch sind hierbei Geräte, die besonders die lange Rücken- und Rumpfmuskulatur ansprechen. Eigene Untersuchungen zur Ermüdung und zum Adaptationsverhalten der Rumpfmuskulatur bei dynamischen Übungen in medizinischen Trainingsgeräten der DAVID BACK CLINIC (Bradl et. al und 2000) lieferten für die Rückenmuskulatur im Bereich der Lendenwirbelsäule nicht das erwartete Ermüdungsverhalten, das sich in einem Anstieg der Amplitude bei gleichzeitigem Abfall der mittleren Frequenz niederschlägt (Luttmann et. al und 2000). Es wurde statt dessen eine Phasenverschiebung in der Aktivierung der lumbalen Rückenstrecker gefunden, d. h. daß sich der Aktivierungseinsatz im Verlaufe einer Trainingsserie relativ zur mechanischen Bewegung des Oberkörpers zu späteren Zeitpunkten hin verlagerte. Das Ausmaß der Verschiebung korrelierte mit einer Verminderung der Medianfrequenz im Zeitverlauf. Eine australische Methode zur Rehabilitation von Low Back Pain-Patienten (Hides et. al. 1996) folgt einer funktionell-anatomisch gestützten Einteilung der Rückenmuskulatur in ein globales (Mm. iliocostalis, longissimus, latissimus dorsi; verantwortlich für die Bewegung) und ein lokales System (M. multifidus; verantwortlich im wesentlichen für die segmentale Stabilität). Einen Beitrag zur weiteren Untersuchung der teilweise verschiedenen Funktionen der zu den beiden Systemen gehörenden Muskeln soll die vorliegende Studie liefern. Methode Es wurden 28 weibliche und 26 männliche rückengesunde Personen untersucht. Das Alter der Frauen lag zwischen 17 und 61 Jahren (MW ± SD = 31,9 ± 12,4 Jahre), das der Männer zwischen 17 und 57 Jahren (MW ± SD = 34,5 ± 12,1 Jahre). Größe und Gewicht der Frauen betrugen cm (168 ± 6 cm) bzw kg (61,5 ± 6,7 kg). Bei den Männern wurden cm (181 ± 6 cm) bzw kg (79,0 ± 10,6 kg) gemessen. Alle Personen führten zur Bestimmung des Ermüdungsverhaltens der Rückenmuskulatur über 30 s einen Sörensen-Test durch (freies Halten des Oberkörpers in der Waagerechten, Beine und Becken aufliegend, Arme vor der Brust gekreuzt). Außerdem wurde nach einem standardisierten Untersuchungsprogramm isometrisch das subjektive maximale Drehmoment für Flexion, Extension, Lateralflexion und Rotation ermittelt. Dafür stand ein Test- und Trainingsgerät für die Rumpfmuskulatur der Firma BFMC GmbH Leipzig zur Verfügung. Die Tests erfolgten bei fixiertem Becken und Schultergürtel in aufrecht sitzender Position. Bei Flexion und Extension wurde außerdem mit 15 und 30 vorgeneigtem Oberkörper gemessen, bei Lateralflexion und Rotation zusätzlich mit um 15 gegen die Kraftrichtung 93

2 geneigtem bzw. verdrehten Oberkörper. Je Messungen wurden 3 Wiederholungen einer isometrischen Anspannung von 5 s Dauer mit jeweils 10 s Pause durchgeführt. Alle Tests wurden oberflächenelektromyografisch begleitet. Die Ableitung erfolgte mit einer Abtastrate von 1000Hz an den Mm. multifidus (Höhe 4. und 2. Lendenwirbel), iliocostalis (Höhe 2. Lendenwirbel), latissimus dorsi, rectus abdominis und obliquus externus. Die Elektrodenpositionen wurden entsprechend den Vorgaben der SENIAM (Hermens et. al. 2000) gewählt. Simultan zur myoelektrischen Aktivität wurde die entwickelte Kraft dreidimensional aufgezeichnet. Die EMG-Messung erfolgte mit einem Meßsystem der Firma biovision Wehrheim. Ergebnisse In die Darstellung gehen für die isometrischen Maximalkrafttests die Drehmomente und die mittlere Amplitude des gleichgerichteten OEMG als Mittelwert aus allen drei Wiederholungen ein. Dazu wurde je Wiederholung ein Abschnitt von 1 s Dauer analysiert, in dem das aufgebrachte Drehmoment sich nicht wesentlich änderte, und der Mittelwert des entsprechenden Signals berechnet. Alle Werte der EMG-Amplituden wurden auf die analog ausgewerteten Daten des Sörensen-Tests intraindividuell normiert. Betrachtet wird nur die Aktivität der Rückenmuskulatur (M. multifidus in Höhe L4 und L2 und M. iliocostalis in Höhe L2); auf die Untersuchung der Bauchmuskulatur und der schrägen Rumpfmuskulatur wird nicht näher eingegangen. In der folgenden Darstellung wird zwischen weiblichen und männlichen Personen, jedoch aufgrund der geringen Personenzahl nicht nach Altersgruppen, Gewicht oder Größe unterschieden. Bei der isometrischen Extension nehmen die aufgebrachten maximalen Drehmomente mit steigendem Flexionswinkel des Rumpfes zu. Bei beiden Geschlechtern sind die Differenzen zwischen den Werten bei aufrechter Sitzhaltung und bei 30 nach vorn geneigtem Rumpf signifikant voneinander verschieden. Die von den Männern erzielten Momente sind signifikant größer als die von den Frauen erzielten. Die muskuläre Aktivierung ist durchweg symmetrisch. Eine Abhängigkeit von der Winkelposition ist nicht signifikant nachweisbar. Nur bei den männlichen Personen ist ein Trend der Zunahme der Aktivität mit steigendem Flexionswinkel im M. multifidus und stärker im M. iliocostalis erkennbar. Die muskuläre Aktivierung ist bei den männlichen Personen stets etwas größer als bei den weiblichen; dieser Unterschied tritt in den langen Rückenstreckern deutlicher auf als im M. multifidus. Insgesamt liegen die Werte zwischen dem 1,1- und dem 1,9-fachen der im Sörensen-Test erreichten Amplituden. Die Auswertung der Drehmomente für die Lateralflexion liefern deutlich geringere Unterschiede zwischen den Geschlechtern. Auch die Abhängigkeit von der Winkelposition ist nicht mehr nachweisbar. In der Aktivierung der Muskulatur ist durchgängig eine deutliche Asymmetrie zu verzeichnen, die im M. iliocostalis wesentlich stärker ausgeprägt ist als im M. multifidus. Die Differenzen in der Aktivierung zwischen weiblichen und männlichen Personen wird deutlich geringer. Eine Abhängigkeit der Aktivierung von der Winkelposition ist nicht erkennbar. Während der M. multifidus in beiden Höhen mit Werten zwischen 0,5 und 1,0 hinter der Amplitude im Sörensen-Test zurückbleibt, erreicht der M. iliocostalis etwa die 1,5-fache Aktivität. Bei der Rotation gilt hinsichtlich der Winkelabhängigkeit der Drehmomente und der muskulären Aktivierung das für die Lateralflexion Gesagte. Die Differenzen zwischen Männern und Frauen in den Drehmomenten sind größer als bei der Lateralflexion. Die Aktivierung ist nur im M. iliocostalis bei Männern größer als bei Frauen; der Unterschied ist nicht signifikant. Im 94

3 Vergleich zum Sörensen-Test bewegen sich die Amplituden etwa im Bereich derer bei der Lateralflexion, der M. iliocostalis aktiviert etwas stärker. Eine Asymmetrie der Aktivität der untersuchten Rückenmuskulatur ist nur im M. iliocostalis sicher nachweisbar. Im M. multifidus kann sie in Höhe des 2. Lendenwirbels als Trend gefunden werden. In Höhe des 4. Lendenwirbels sind keine Seitendifferenzen in der muskulären Aktivierung zu finden. Dies unterscheidet die für die Rotation gefundenen Ergebnisse wesentlich von den für die Lateralflexion gefundenen (Abb. 1). Aktivierung der Rückenmuskulatur bei Lateralflexion und Rotation 2,5 2,0 1,5 1,0 MuL4li MuL4re MuL2li MuL2re ErL2li ErL2re 0,5 0,0 Lat.-fl. li Lat.-fl. re Rot. li Rot. re Richtung der Kraftentwicklung Abbildung 1: Aktivierung der Rückenmuskulatur bei Kraftentwicklung in Frontal- (Lat.-fl.) und Transversalebene (Rot.). (Mu = M. multifidus, Er = M. iliocostalis, L2, L4 = Höhe LWK 2, 4, li = links, re = rechts) Quotient der spektralen Bandleistung in den Frequenzbändern Hz : Hz 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Abbildung 2: MuL4li MuL4re MuL2li MuL2re ErL2li ErL2re Muskel Quotient der spektralen Bandleistung in den Frequenzbändern Hz und Hz (BL250/Bl20). (Mu = M. multifidus, Er = M. iliocostalis, L2, L4 = Höhe LWK 2, 4, li = links, re = rechts) 95

4 Die in den Sörensen-Tests gewonnenen Daten wurden neben der Bestimmung der mittleren Amplitude zur Normierung der Daten aus den Maximalkrafttests auch einer Spektralanalyse zur Untersuchung des Ermüdungsverhaltens unterzogen. Hierzu wurde unter anderem die spektrale Bandleistung in den Frequenzbändern Hz (BL250) und Hz (BL20) berechnet. Der Quotient aus beiden Werten (BL250/BL20) liefert bei Betrachtung im Zeitverlauf Aussagen zur Verschiebung des Frequenzspektrums. Außerdem läßt er Aussagen darüber zu, in welchem Bereich des Spektrums der wesentliche Anteil der Aktivität der untersuchten Muskulatur zu finden ist. Beim Vergleich der untersuchten Rückenmuskulatur (Abb. 2) fällt an erster Stelle auf, daß sich keine geschlechtsspezifischen Unterschiede im Quotienten der Bandleistung nachweisen lassen. Es treten jedoch hochsignifikante Differenzen (p<0,01) zwischen den untersuchten Muskelgruppen am Rücken auf. Mit 0,6 (Mittelwert über alle Probanden) ist der Wert für den M. multifidus in Höhe des 4. Lendenwirbels am höchsten. Er fällt beim Übergang zur Position M. multifidus (Höhe L2) auf 0,42 ab und beträgt für den M. iliocostalis (Höhe L2) nur noch 0,24. Diskussion Die in den Maximalkrafttests gefundenen Drehmomentwerte folgen im wesentlichen den Erwartungen. Auch die Relation zwischen den von Frauen bzw. Männern erreichten Momente liegt mit Werten zwischen 1,5 und 2,0 im Bereich der Erwartung. Der für Lateralflexion und Rotation fehlende Zuwachs bei Vordehnung der Arbeitsmuskulatur kann auf den relativ geringen Winkelwert von 15 zurückzuführen sein. Dies wird hier nicht weiter diskutiert. In den Aktivierungsmustern der Rückenmuskulatur zeigen sich hohe Werte der Amplitude bei allen drei untersuchten Muskeln in der Extension. Daher kann davon ausgegangen werden, daß sowohl der zum globalen System der Rückenmuskulatur gehörende M. iliocostalis als auch der zum lokalen System zu rechnende M. multifidus aktiv an der Kraftentwicklung in der Extension beteiligt sind. Die Lateralflexion liefert ein ähnliches Bild. Allerdings fällt die Amplitude im M. multifidus im Vergleich zum Sörensen-Test geringer aus. Die Asymmetrie der Aktivierung von ca. 1:2 zugunsten der Seite der Kraftentwicklung läßt jedoch den Schluß zu, daß auch hier eine aktive Beteiligung des lokalen Systems an der globalen Kraftentfaltung gegeben ist. Der Vergleich mit den Verhältnissen im M. iliocostalis (Asymmetrie von ca. 1:4) zeigt, daß eine kontralaterale Kokontraktion im M. multifidus stärker auftritt als im M. iliocostalis. Dies deutet darauf hin, daß im lokalen System zusätzlich zur Unterstützung der globalen Muskulatur auch ein Stabilisierungseffekt im Sinne einer segmentalen Verspannung der Wirbelsäule zu finden ist. Die Rotation liefert ein prinzipiell anderes Aktivierungsmuster. Hier arbeitet der M. multifidus in Höhe des 4. Lendenwirbels völlig symmetrisch, während sich die Symmetrieverhältnisse im M. iliocostalis nicht ändern. In Höhe des 2. Lendenwirbels findet man im M. multifidus ein Seitenverhältnis der Amplitude von ca. 1:1,5. Es liegt demnach bei dieser Übung im lokalen System keine Unterstützung der globalen Kraftentwicklung vor. Die Aktivierung des M. multifidus, die mit etwa ¾ der Amplitude des Sörensen-Tests relativ hoch ist, dient offensichtlich ausschließlich der Stabilisierung der Bewegungssegmente. Auch die Resultate der Spektralanalyse der myoelektrischen Aktivität beim Sörensen-Test liefern Hinweise auf wesentliche Unterschiede im Aktivierungsverhalten der Mm. 96

5 iliocostalis und multifidus. Der M. multifidus bei Höhe L4 zeigt im Band Hz (bezogen auf das Band Hz) eine dreifach höhere Aktivierung als der M. iliocostalis. Dies läßt sich dahingehend interpretieren, daß durch die spezifische Aufgabe der segmentalen Stabilisierung eine veränderte Ansteuerung des M. multifidus im Vergleich zum M. iliocostalis erforderlich ist und auch realisiert wird. Schlußfolgerungen Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen lassen Schlüsse auf prinzipielle Differenzen im Aktivierungsverhalten der untersuchten Rückenmuskeln des lokalen und globalen Systems zu. Sie korrespondieren mit den aus der Literatur (Hides et. al. 1996) bekannten Daten. Danach sind im M. multifidus aufgabenspezifisch differenziert hohe Anteile der Aktivierung funktionell einer segmentalen Stabilisierung der Wirbelsäule zuzuordnen. Dieser Effekt wurde im M. iliocostalis in dieser Art nicht gefunden. Weitere Untersuchungen zur Aufklärung der funktionellen Zusammenhänge sind geplant. Unterstützt vom Kompetenzzentrum für Interdisziplinäre Prävention der FSU und BGN Literatur Bradl, I., Müller, R., Opitz, S., Anders, C., Scholle, H. C., Blümel, G., Schneider, W., Grieshaber, R.: Muskuläre Aktivierungsmuster und Ermüdungserscheinungen bei definierten Übungen an medizinischen Trainingsgeräten. In: S. Radandt, R. Grieshaber, W. Schneider (eds.) Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - 5. Erfurter Tage. monade Verlag und Agentur, Rainer Rodewald, Leipzig 1999, S Bradl, I., Anders, C.: Elektromyografische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten der Rumpfmuskulatur unter standardisierten Belastungsbedingungen. In: S. Radandt, R. Grieshaber, W. Schneider (eds.) Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - 6. Erfurter Tage. monade Verlag und Agentur, Rainer Rodewald, Leipzig 2000, S Denner, A.: Alters- und geschlechtsspezifische Referenzdaten für ausgewählte Mobilitäts- und Muskelkraft- /Muskelleistungsfähigkeitsparameter der Wirbelsäule. In: S. Radandt, R. Grieshaber, W. Schneider (eds.) Prävention von berufs- und arbeitsbedingten Gesundheitsstörungen und Erkrankungen - 2. Erfurter Tage. monade Verlag und Agentur, Rainer Rodewald, Leipzig 1996, S Hides, J. A., Richardson, C. A., Jull, G. A.: Multifidus muscle recovery is not automatic after resolution of acute, first-episode low back pain. Spine 1996, 21(23), Luttmann, A., Jäger, M., Sökeland, J., Laurig, W.: Electromyographical study on surgeonce in urology, II. Determination of muscular fatigue. Ergonomics 39/2, 1996, Luttmann, A., Jäger, M., Laurig, W.: Analyse von EMG-Spektrum und Amplitude zur Identifikation von Muskelermüdung. In: S. Radandt, R. Grieshaber, W. Schneider (eds.) Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - 6. Erfurter Tage. monade Verlag und Agentur, Rainer Rodewald, Leipzig 2000, S Tidow, G.: Zur Dimensionalität des Adaptationsraumes im Bereich von Kraftbeanspruchungen. In: S. Radandt, R. Grieshaber, W. Schneider (eds.) Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - 5. Erfurter Tage. monade Verlag und Agentur, Rainer Rodewald, Leipzig 1999, S Hermens, H.J., Freriks, B., Merletti, R., Stegemann, D., Blok, J., Rau, G., Disselhorst-Klug, C., Hägg, G.: European Recommendations for Surface Electromyography. Results of the SENIAM project, vol. 8. Roessingh Research and Developement 2000 Kontaktadresse: Dr. rer. nat. Ingo Bradl, Berufsgenossenschaft Nahrungsmittel und Gaststätten, GB Prävention Gesundheitsschutz, Außenstelle Erfurt, Lucas-Cranach-Platz 2, Erfurt bgn-gs.apz-erfurt@t-online.de 97