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Technische Voraussetzungen für eine exakte muskuläre Funktionsdiagnostik der LWS

In nur 10–15% der Fälle von chronischem Kreuzschmerz ist es möglich, eine symptombezogene Diagnose zu stellen. Da in den letzten Jahren insbesondere die Schwäche der lumbalen Extensoren als ein primärer Risikofaktor für den lumbalen Kreuzschmerz erkannt wurde, muss die Funktionsfähigkeit dieser Muskeln diagnostiziert werden. Diese ist wichtig zur Objektivierung funktioneller Defizite, zur Planung des Therapieprogrammes und zur Dokumentation der Therapieeffizienz.

Zur Durchführung einer exakten Diagnostik sind
folgende Voraussetzungen erforderlich:

1. Isolation der lumbalen Extensorenmuskeln durch Beckenfixation
2. Kompensation der Gravitation (Oberkörper)
3. Messung der Weichteilspannung und Nettomuskelkraft
4. Isometrisches Testen über den ganzen Bewegungsumfang
5. Muskelfasertypisierung mittels Erschöpfungsreaktion

1. Isolation der lumbalen Extensorenmuskeln
durch Beckenfixation

Die Aufrichtung des Oberkörpers ist eine Komplexbewegung, bei der die lumbalen Extensoren mit größeren und stärkeren Muskeln zusammenarbeiten: Es ist die Gesäß- und ischiocrurale Muskulatur, welche das Becken aufrichtet. Der Bewegungsumfang dieser Komplexbewegung beträgt 182° Grad (Abb.1 und 2). Die lumbalen Extensormuskeln leisten dabei lediglich 72° Grad an Wirbelsäulenaufrichtung (Abb.3)

2. Kompensation der Gravitation

Die Oberköpermasse unterliegt der Gravitation und beeinflusst deswegen die Messergebnisse. Sie muss deswegen gemessen und durch ein Gegengewicht austariert werden.

Winter hat berichtet, daß der Messfehler bei der Messung der Kraft der lumbalen Extensoren bis zu 500% betragen kann, wenn die Oberkörpermasse nicht kompensiert wird. Abb.5 zeigt Messergebnisse mit und ohne Austarierung der Oberkörpermasse.




Abb.5: Messfehler durch die Gravitation

3. Messung der Weichteilspannung
und der Nettomuskelkraft

Diejenige Kraft, die gemessen werden kann (funktionelle Kraft), setzt sich zusammen aus der Kraft, die durch reine Muskelkontraktion entsteht (Nettomuskelkraft) und Weichteilspannungen. Diese nicht muskulären Spannungen entstehen insbesondere bei Vorbeugung des Oberkörpers (Flexion) durch eine elastische Spannung in den lumbalen Extensoren sowie durch  Gegendruck der Weichteile des Bauches. In Abb.6 zeigt die Kurve 3 die Weichteilspannung, die Kurve 2 die Nettomuskelkraft und die Kurve 1 zeigt die funktionelle Kraft. Der rote Bereich zeigt den Messfehler, der durch die Nichtberücksichtigung der Weichteilspannung entstehen würde.



Abb.6: Messfehler (rote Fläche) bei Nichtberücksichtigung der Weichteilspannung
(gelbe Fläche), siehe Text

4. Isometrisches Testen über den
ganzen Bewegungsumfang

Bei dynamischen Kraftmessungen entsteht als Fehlerquelle die intramuskuläre Reibung, welche mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit anwächst. Dynamische Kraftkurven (Isokinetik) gliedern sich in eine Accelerationsphase, isotonische Phase und  Decelerationsphase. Aussagekräftig ist lediglich die isotonische Phase.

Der Informationsverlust bei einer isokinetischen Kraftkurve hängt ab von der  Bewegungsgeschwindigkeit und kann bis zu 50% des gesamten Bewegungsumfanges beim Testen der lumbalen Extensoren betragen. Außerdem entstehen bei dynamischen Kraftmessungen Beschleunigungskräfte (impact forces), die mehrere 100% der gegebenen Gewichtsbelastung erreichen können. Dies bedeutet eine erhebliche Verletzungsgefahr.
Die isometrische Kraftmessung ist verletzungssicher, weil keine nennenswerten
Beschleunigungskräfte auftreten. Sie vermeidet die Fehlerquelle intramuskulärer Reibung und ermöglicht exakte Kraftmessungen über den ganzen Bewegungsablauf. Abb.8 zeigt die Messpositionen im MedX-Gerät, sowie die in den einzelnen Positionen gemessenen Kräfte.

Die normale isometrische Kraftkurve der lumbalen Extensoren ist linear abfallend von der Flexion zur Extension und beschreibt einen Bewegungsumfang von 72° Grad. Kreuzschmerzpatienten zeigen häufig eine eingeschränkte Beweglichkeit und eine abnorme Form der Kraftkurve. Sie kann insgesamt ein zu niedriges Kraftniveau aufweisen oder aber auch in bestimmten Messpositionen Kraftabfälle zeigen.

Beim Testen der Kraft in nur einer Position oder nur in der vollständigen Flexion oder Extension würden abnorme Kraftkurven wie der Abfall bei 36° Grad nicht erkannt. Auch die Veränderung der Kurvenform durch die Therapie bleibe unerkannt. Für eine exakte Diagnostik ist es deswegen notwendig, die Kraft der lumbalen Extensoren in engmaschigen Messpositionen über den ganzen Bewegungsablauf zu testen.

Pollock et al. untersuchten an 136 gesunden Patienten die Reliabilität der isometrischen Testungen mittels der MedX - Lumbarextensionsvorrichtung und stellten in sämtlichen Winkelpositionen ein r > 0,9 fest, was für eine sehr hohe Reliabilität dieser Funktionsdiagnostik spricht.

Abb.8: Computerbild der in den einzelnen Positionen gemessenen Kräfte

Die normale isometrische Kraftkurve der lumbalen Extensoren ist linear abfallend von der Flexion zur Extension und beschreibt einen Bewegungsumfang von 72 Grad (Abb.9). Kreuzschmerzpatienten zeigen häufig eine eingeschränkte Beweglichkeit und eine abnorme Form der Kraftkurve. Sie kann insgesamt ein zu niedriges Kraftniveau aufweisen oder aber auch in bestimmten Messpositionen Kraftabfälle zeigen.

Beim Testen der Kraft in nur einer Position oder nur in der vollständigen Flexion oder Extension würden abnorme Kraftkurven wie der Abfall bei 36 Grad in Abb.10 nicht erkannt. Auch die Veränderung der Kurvenform durch die Therapie bleibe unerkannt. Für eine exakte Diagnostik ist es deswegen notwendig, die Kraft der lumbalen Extensoren in engmaschigen Messpositionen über den ganzen Bewegungsablauf zu testen.

Pollock et al. untersuchten an 136 gesunden Patienten die Reliabilität der isometrischen Testungen mittels der MedX - Lumbarextensionsvorrichtung und stellten in sämtlichen Winkelpositionen ein r > 0,9 fest, was für eine sehr hohe Reliabilität dieser Funktionsdiagnostik spricht.

5. Muskelfasertypisierung mittels Erschöpfungsreaktion

Jeder Muskel setzt sich aus unterschiedlichen Fasertypen zusammen. Die Kenntnis dieser Zusammensetzung ist (bei ausbleibendem Therapiefortschritt) erforderlich zur Festlegung der optimalen Therapieintervalle. Da die Beziehung zwischen der Muskelfasertyp- Zusammensetzung und der Erschöpfungsreaktion gut untersucht ist, bietet sich folgendes 3-teiliges Testverfahren an:

Nach der Messung der frischen Kraft wird eine dynamische Auslastung mit einer Gewichtsbelastung von 50% der maximal gemessenen Kraft durchgeführt. Anschließend wird die Restkraft nach der momentanen Erschöpfung gemessen. Die Differenz zwischen beiden Kurven zeigt die Erschöpfungsreaktion. In Abb.11 zeigt der rote Bereich die ausgeprägte Erschöpfung eines Probanden mit einer Dominanz von fast-twitch Fasern (30% aller Probanden), der gelbe Bereich zeigt die Erschöpfung eines Probanden mit einer Dominanz von slow-twitch Fasern (10% aller Probanden). 60% aller Probanden haben einen gemischten Fasertyp.

Abb.11: Unterschiedliche Erschöpfungsreaktionen (siehe Text):
Rot: Dominanz von fast-twitch Fasern
Gelb: Dominanz von slow-twitch Fasern

Um einen optimalen Kräftigungseffekt zu erreichen, müssen Patienten mit unterschiedlicher Erschöpfungsreaktion sowohl mit unterschiedlichem Trainingsumfang als auch mit unterschiedlichen Trainings/Therapieintervallen behandelt werden.

Muskelphysiologie und Prinzipien des Widerstandtrainings

Um die Kraft und Ausdauer der lumbalen Muskulatur verbessern zu können, ist es wichtig, die physiologischen Grundlagen und Trainingsprinzipien zu kennen. Die Aufgabe des Muskels ist es, Spannung zu produzieren. Muskelkraft ist definiert als die maximal mögliche Spannung, die ein Muskel durch Kontraktion entwickeln kann. Muskuläre Ausdauer ist definiert als die Fähigkeit eines Muskels, wiederholt Kontraktionen unter submaximaler Belastung zu leisten.

Beide Faktoren spielen eine wesentliche Rolle in der Therapie und Prävention des lumbalen Kreuzschmerzes und können verbessert werden durch ein progressives Widerstandstraining.

Der physiologische Kräftigungsprozess ist komplex und umfasst neurologische, morphologische und biochemische Anpassungserscheinungen. Muskelkraft und Ausdauertraining bewirken eine Verbesserung der Rekrutierung der motorischen Einheiten, Vergrößerung der intramuskulären Speicher von aeroben und anaeroben Metaboliten und Enzymen, der Muskelmasse, der Knochenmasse sowie eine Verdickung der Bindegewebe. Der Schlüssel zur Erzeugung muskulärer Hypertrophie ist die Spannung resp. Kraft, die ein Muskel gegen Widerstand entwickelt. Diese Spannung ist es auch, welche die Proliferation von Knochen- und Bindegewebszellen anregt.

Die Muskelfasertyp-Zusammensetzung ist ein weiterer wichtiger Faktor in der Entwicklung von Kraft und Ausdauer. Ein Muskel, der überwiegend aus Typ1- Fasern (slow-twitch) besteht, besitzt ein begrenztes Kraftpotential und eine gute Entwicklungsfähigkeit für Ausdauer.

Ein Muskel, der überwiegend aus Typ 2a- und 2b- Fasern besteht (fast-twitch), besitzt ein begrenztes Ausdauerpotential und eine gute Entwicklungsfähigkeit für Kraft. Typ 2a-Fasern scheinen sich zu adaptieren, je nachdem, wie sie trainiert werden. Auf Ausdauer oder auf Kraft. Ein Muskel, der etwa eine gleiche Zusammensetzung von Typ 1 – und Typ 2- Fasern besitzt, hat eine mittlere Entwicklungsfähigkeit sowohl für Kraft als auch für Ausdauer.

Bei einer Muskelbelastung mit geringem Widerstand werden zuletzt die Ausdauerfasern rekrutiert. Erst bei hochintensiven Belastungen werden die Kraftfasern zusätzlich rekrutiert: die größten und stärksten motorischen Einheiten zuletzt. Zur Entwicklung eines optimalen Kraftniveaus muss deswegen der Muskel mit hochintensivem Widerstand belastet werden.

Normdaten und Therapieziel

In der Rehabilitation der Extremitäten werden die Kraftverhältnisse der unverletzten Gegenseite als Therapieziel betrachtet. An der Wirbelsäule ist dieser Seitenvergleich nicht möglich. Deswegen wurden an der Universität von Florida in Gainesville durch Kraftmessungen an gesunden, untrainierten Probanden alters-, geschlechts- und gewichtsspezifische Normdaten entwickelt. Funktionelles Therapieziel ist die Funktionsverbesserung der LWS (isometrische und dynamische Kraft im gesamten Bewegungsumfang, Ausdauer, Beweglichkeit). Der Patient soll eine harmonische Normkraftkurve entwickeln. Der gewünschte Kraftzuwachs wird erreicht durch dynamische Übungen, die langsam sowohl konzentrisch-dynamisch als auch exzentrisch-dynamisch ausgeführt werden mit einer maximalen isometrischen Spannungsentwicklung in voller Konzentration. Diese Trainingsmethode lässt den größten Kraftzuwachs erwarten. Der gegebene Widerstand ist durch eine Drehmomentsscheibe (Cam) variabel an die Biomechanik der LWS angepaßt und wird normalerweise von einer Therapiesitzung zur anderen um 5 % erhöht (progressives Widerstandstraining), sofern der Patient dem Therapeuten keine außergewöhnlichen Reaktionen mitteilt. Zur Entwicklung eines optimalen Kraftzuwachses ist bei 60 % der Patienten eine nur einmalige Therapiesitzung pro Woche notwendig. In der Regel genügen 12-18 Therapiesitzungen innerhalb von 2-3 Monaten, um die Wirbelsäule zu optimieren.

Ergänzende Therapiemaßnahmen

Es ist allgemein anerkannt, daß beim chronischen Kreuzschmerz die Kraft der gesamten Rumpfmuskulatur verbessert werden muß. Die Kraft der lumbalen Extensoren stellt das schwächste Glied in der Muskelkette dar, welche die LWS stabilisiert. Deswegen ist die Kräftigung dieser Muskeln das primäre Therapieziel. Wie bereits erwähnt, besitzen die Hilfstrageorgane der Wirbelsäule eine wesentliche Bedeutung bei der Stabilisierung der Bewegungselemente. Insbesondere die Bauchmuskulatur, die Glutealmuskulatur, die ischiocrurale Muskulatur, die seitliche Rumpfmuskulatur und auch die Brust- und Schultergürtelmuskulatur sollten im Rahmen einer medizinischen Trainingstherapie nach Gustavsen gekräftigt werden. Sie sollte mit Trainingsgeräten durchgeführt werden, welche eine Muskelisolation und einen variablen Widerstand bieten, wie z.B. die Geräte der Firma Nautilus oder die MedX-exercise-Serie.

Krankengymnastische Maßnahmen (Koordinationstraining, Dehnungsgymnastik, Haltungsschulung) können erforderlich sein, ebenso wie passive Maßnahmen zur Regeneration oder Schmerzbekämpfung bei hartnäckigen Problemfällen. Die passiven Maßnahmen sind auf das absolut notwendige Minimum zu beschränken. Sie haben mit dem eigentlichen Therapieziel- Funktionsverbesserung der Wirbelsäule- nur indirekt zu tun, indem sie gelegentlich (wie auch medikamentöse Unterstützung mit NSAR) helfen, die Therapieerstehungsfähigkeit zu gewährleisten, resp. Therapieversager zu vermeiden.