3 Biomaterialien. 3.6 Muskel. Muskelgewebe. 3.1 Mechanische Grundlagen 3.2 Knochen 3.3 Knorpel 3.4 Band 3.5 Sehne

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1 1 3 Biomaterialien 3.1 Mechanische Grundlagen 3.2 Knochen 3.3 Knorpel 3.4 Band 3.5 Sehne 3.6 Muskel Physiologischer Muskelquerschnitt Kraft-Längenbeziehung Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung Leistung-Kraft(Geschwindigkeits)beziehung Hebelverhältnisse bei der Kraftübertragung 2 Muskelgewebe Man unterscheidet aufgrund des Feinbaues und den physiologischen Verhältnissen 3 Arten von Muskelgewebe: - glatte Muskulatur, die unwillkürlich über das vegetative Nervensystem funktioniert, z. B. Darmmuskulatur, Atemmuskulatur, - quergestreifte Muskulatur = Skelettmuskulatur, die willentlich innerviert werden kann, animalisches Nervensystem - quergestreifte Herzmuskulatur, über vegetatives NS gesteuert, Zelle etwas anders als Skelettmuskulatur 3

2 4 Feinbau der quergestreiften Muskelfaser Sarkomeraufbau 5 Myosinmolekül 6

3 7 Sarkotubuläre System der Muskelzelle Ca 2+ als Vermittler zwischen elektrischem Reiz und Kontraktion 8 Filamentgleiten 9

4 10 Molekulare Mechanismen beim Filamentgleiten Erregung Kontraktion Ablauf - AP - T Tubuli - Ca 2+ Ausschüttung von SR - Ca 2+ bindet an Troponin - Hemmung aufgehoben - Querbrückenverbindung Kraft - Ca 2+ wird ins SR zurück gepumpt (ATP nötig) - Hemmung A.F. Huxley (1957, ) 11 Einteilung der muskulären Aktionsformen Belastungsform Muskelaktion Muskel- Sehnenlänge dynamisch konzentrisch Abnahme exzentrisch Zunahme statisch isometrisch unverändert Isotonisch gleichbleibender Spannung, Kraft oder Spannung bleiben während einer muskulären Aktion nie konstant, mit dem sich ändernden Gelenkswinkel ändern sich stets auch die Arbeitsbedingungen des Muskels und seine Fähigkeit zur Kraftentwicklung Isokinetisch gleichbleibende Verkürzungsgeschwindigkeit, auch wenn Bewegung mit gleicher Geschwindigkeit abläuft (z.b. Kraftmaschinen) erfolgt die Kontraktion nicht mit konstanter Geschwindigkeit Dehnungs- Verkürzungszyklus Kombination aus exzentrischer und konzentrischer Muskelaktion 12

5 Muskel Kraft-Längenbeziehung Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung Leistung-Kraft(Geschwindigkeits)beziehung Hebelverhältnisse bei der Kraftübertragung Physiologischer Muskelquerschnitt (PQ) Kraft in Faserrichtung Volumen PQ = Faserlänge Sehne Kraft in Sehnenrichtung Volumen. cos ϕ PQ = Faserlänge ϕ = Fiederungswinkel parallel gefaserter Muskel ϕ = 0 F max, iso = k. PQ k variiert stark: N/cm² guter Wert N / cm² Muskelfaser ϕ Sehne 14 Physiologischer Muskelquerschnitt 15

6 16 Hubhöhe eines Muskels in Abhängigkeit von seiner Fiederung (bei gleicher Ausgangslänge) Formen der Muskelfaseranordnung a = parallelfaserig m. rectus abdominis b = spindelförmig m. biceps brachii c = einfach gefiedert m. tibialis posterior d = doppelt gefiedert m. tibialis anterior a b c d e e = komplex gefiedert m. deltoideus 17 Kraft, Faserlänge und Fiederungswinkel während einer isometrischen Kontraktion Force [N] (Kraft) Fibre Length [mm] (Faserlänge) m. gastrocnemius (Katze) Muskel-Sehne gleiche Länge Fasern verkürzen Faserwinkel größer Sehnen verlängern Pinnation Angle [deg] (Fiederungswinkel) Time [ms] (Epstein/Herzog 1998) 18

7 19 Masse, Faserlänge, PQ und Fiederungswinkel Muscle Masse Faser- PQ Fiederungslänge winkel (g) (cm) (cm²) (Grad) Sartorius ,9 0 Biceps femoris (long) ,8 0 Semitendinosus ,4 0 Soleus 215 3, Gastrocnemius 158 4, Tibialis posterior 55 2, Tibialis anterior 70 7,3 9,1 5 Rectus femoris 90 6,8 12,5 5 Vastus lateralis 210 6, Vastus medialis 200 7, Vastus intermedius 180 6, Leichen (Wickiewicz et al., 1983) PQ in % aller Muskeln über Sprung-, Knieund Hüftgelenk Sprunggelenk Kniegelenk Hüftgelenk Muskel %PQ Muskel %PQ Muskel %PQ Soleus 41 Gastrocnemius 19 Iliopsoas 9 Gastrocnemius 22 Biceps Femoris (small) 3 Sartorius 1 Flexor Hallucis Longus 6 Biceps Femoris (long) 7 Pectineus 1 Flexor Digitorum Longus 3 Semitendinosus 3 Rectus Femoris 7 Tibialis Posterior 10 Semimembranosus 10 Gluteus Maximus 16 Peroneus Brevis 9 Vastus Lateralis 20 Gluteus Medius 12 Tibialis Anterior 5 Vastus Medialis 15 Gluteus Minimus 6 Extensor Digitorum Longus 3 Vastus Intermedius 13 Adductor Magnus 11 Extensor Hallucis Longus 1 Rectus Femoris 8 Adductor Longus 3 Sartorius 1 Adductor Brevis 3 Gracilis 1 Tensor Fasciae Latae 1 stärksten Beuger Biceps Femoris (long) 6 Semitendinosus 3 stärksten Strecker Strecker >> Beuger Semimembranosus 8 Piriformis 2 3 Leichen Lateral Rotators 13 (Wickiewicz et al., 1983) Muskel Physiologischer Muskelquerschnitt Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung Leistung-Kraft(Geschwindigkeits)beziehung Hebelverhältnisse bei der Kraftübertragung 21

8 22 Modell des Skelettmuskels als Dreikomponentensystem (HILL Modell) Dehnung des elastischen Myosinhalses durch das Kippen-Wollen des Myosinkopfes bei isometrischer Kontraktion 23 Kraft-Längenbeziehung eines Sarkomers FROSCH: Aktin 1.0 µm, Myosin 1.6 µm (Gordan, Huxley, Gulian, 1966) MENSCH: Aktin ~ 1.3 µm, Myosin 1.6 µm 1 Plateau -> 0.2 µm keine QB, 2 abfallender Ast, 3 ansteigender Ast 24

9 25 Kraft-Längenbeziehung des kontraktilen Apparates % Max. Isometric Kraft (maximale isometrische Kraft) Length of Contractile Element (Länge des kontraktilen Apparates) Kraft-Längenbeziehung des Gesamtmuskels Quergestreifter Muskel % der aktiven Maximalkraft aktive Kraft Gesamtkraft passive Kraft relative Muskellänge (100 % = Länge bei max. Kraft) 26 Kraft-Längenbeziehung: Frosch a aktives Element p passives Element t Gesamtmuskel (Epstein/Herzog 1998, 53) 27

10 28 Kraft-Längenbeziehung: Vergleich Radfahrer - Läufer RF m. rectus femoris (Epstein/Herzog 1998, 34) 3.6 Muskel Physiologischer Muskelquerschnitt Kraft-Längenbeziehung Leistung-Kraft(Geschwindigkeits)beziehung Hebelverhältnisse bei der Kraftübertragung 29 Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung exzentrische Kontraktion Force [N] (Kraft) konzentrische Kontraktion Velocity [mm/s] (Geschwindigkeit) 30

11 31 Maximale Verkürzungsgeschwindigkeit v max, langsam = k langsam. L f0 = 8 (s -1 ) L f0 v max, schnell = k schnell. L f0 = 16 (s -1 ) L f0 v max... maximale Verkürzungsgeschwindigkeit L f0... Faserlänge bei optimaler Kraftentwicklung k langsam... Konstante für langsame Fasern k schnell... Konstante für schnelle Fasern (Faulkner et al. 1986) Beispiele: soleus (3 cm, 87% langsam): v max = 8 (s -1 ). 3 cm = 24 cm/s rectus femoris (7 cm, 70% schnell): v max = 16 (s -1 ). 7 cm = 112 cm/s Wirkungsgrad von Muskeln als Funktion der Kontraktionsgeschwindigkeit efficiency % (Wirkungsgrad) Muskel Physiologischer Muskelquerschnitt Kraft-Längenbeziehung Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung Hebelverhältnisse bei der Kraftübertragung 33

12 34 Leistung Leistung ist das Skalarprodukt P = F. v = F v cos (α) α Winkel zwischen F und v F v P = F. v = F. v nur für Muskel Muskelleistungsschwelle 35 Leistung-Kraftbeziehung V / V max P / P 0 F / F 0 F / F 0 36

13 37 F-v und F-P der Beinstrecker (Yamauchi et al. 2009, J. of Biomechanics) F-v und F-P der Beinstrecker Bi- und unilaterale Knie- und Hüftstreckung von Frauen a) 23 Jahre b) 67 Jahre Muskuläre Leistung entscheidende funktionale Größe für Bewegung! Ergebnisse: >> lineare F-v Beziehung: max. Leistung bei 50% der isometrischen Maximalkraft (IMK), nicht 30% wie für isolierte Muskel, Training 50% der IMK und max. Geschwindigkeit >> F max und P max signifikante Altersabhängigkeit, v max nicht altersabhängig: F max ca. 25% geringer durch geringere Muskelmasse und neurale Verschlechterung, v max Ergebnis nicht einheitlich >> bilaterales Defizit größer mit zunehmender Kraft, Alterseffekte nicht beobachtet: Limitierung bei der gleichzeitigen Aktivierung der Muskeln und hemmende neurale Effekte werden diskutiert, hochtrainierte geringeres Defizit (Yamauchi et al. 2009, J. of Biomechanics) 38 Bilaterales Defizit (BD) BD: Differenz zwischen Summe der unilateralen Kraftwerte und bilateralem Kraftwert ca. 10% Bilateral: reduziertes EMG Signal spinale bzw. supraspinale Ursachen 39

14 40 Bilaterale Kraft in % von unilateraler Summe Ruderer (1): Geringes Leistungsniveau Bilaterale Kraft % Ruderer (2): Nationale Spitzenklasse Ruderer (3): Internationale Klasse Mit Zunahme der Leistungsfähigkeit reduziert sich BD (Sale 1994) Bestimmung der Muskelleistungsschwelle Ziele: Leistungsdiagnose und Steuerung des Krafttrainings äußere Leistung wird bestimmt: Reaktionskraft x Bewegungsgeschwindigkeit im Krafttraining wird mit der wettkampfspezifischen Last versucht, die Leistung zu verbessern 41 Relative Leistung beim Strecksprung Relative Power [W/kg] 32,0 30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 2 8,0 2 7,3 2 2,0 2 1,7 2 6,7 2 0,9 2 6,2 1 9,9 2 4,2 1 8, A d d itio n a l L o a d [% B W ] M en (n = 2 6 ) W om en (n = 2 7 ) 2 2,8 Mittlere Leistung während der Streckbewegung, berechnet aus vertikaler Bodenreaktionskraft, Stichprobe alpine Nachwuchsund Europacupkader des ÖSV 42

15 Trainingsstudie, Ellbogenbeuger, 3 Gruppen a 10, Trainingsintensität 90,35,15 vom WM, 2, 7 bzw. 10 Wd/Satz, 3-5 Sätze, EMG ident, 3 Einheiten/Woche, 9 Wochen (Moss et al. 1997) Muskel Physiologischer Muskelquerschnitt Kraft-Längenbeziehung Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung Leistung-Kraft(Geschwindigkeits)beziehung 44 Änderung der Drehmomente bei der Beugung im Ellbogengelenk Stellung I: Lastmoment = Last L x Lastarm a 1 Kraftmoment = Kraft P 1 x Kraftarm b 1 Stellung II: Lastmoment = Last L x Lastarm a 2 Kraftmoment = Kraft P 2 x Kraftarm b 2 45

16 46 Gelenksdrehpunkte (M 1 -M 4 ) bei verschiedenen Kniepositionen (P 1 -P 4 ) Momentarm der Patellarsehne (Nisell 1985) Patellar tendon moment arm [dp] () Knee angle () 47 Momentarm der ischiocruralen Muskulatur Moment Arm (cm) 5 Präparate (Herzog/Read 1993) 48

17 49 Optimaler Arbeitswinkelbereich beim Krafttraining mit konstanter Last kann nicht über den gesamten Gelenksbereich optimale Muskelspannung erzeugt werden Lösungsmöglichkeiten: nur im erforderlichen Winkelbereich trainieren Verlegung der Bewegungsebene Trainingsmaschinen Verlängerung des wirksamen Belastungsbereichs durch Verlegung der Bewegungsebene 50 Brustpresse: vgl. Trainingsmaschine - Hantelgerät 51

18 52 Vergleich zwischen der riesenslalomspezifischen Bewegung ( ---) und der Bewegung am Kniestreckgerät ( ) Vergleich zwischen der riesenslalomspezifischen Bewegung (---) und der Bewegung in der horizontalen Beinpresse ( ) 53 Kleine Änderungen der Richtung der äußeren Kraft verursacht deutliche Änderungen der Momente in Knie- und Hüftgelenk bzw. der Muskelkraft 54