Die Effekte des Vibrationstrainings auf die Knochendichte bei Menschen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Problemstellung

2 Zielsetzung

3 Gegenwärtiger Kenntnisstand
3.1 Begriffserklärungen
3.1.1 Vibrationstraining
3.1.2 Knochendichte
3.2 Stimulation der Knochendichte bei Menschen
3.3 Bedeutung der Knochendichte
3.3.1 Gesundheitliche Bedeutung der Knochendichte
3.3.2 Bedeutung der Knochendichte im Alltag
3.4 Funktionsweise des Vibrationstrainings
3.4.1 Allgemeine Funktionsweise
3.4.2 Propriozeptive Funktionsweise
3.4.3 Posturale Funktionsweise
3.4.4 Ossale Funktionsweise

4 Methodik
4.1 Forschungsfrage
4.2 Untersuchungsobjekte
4.3 Datenerhebung
4.4 Auswertung der Literaturquellen

5 Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der Einzelstudien

6 Diskussion
6.1 Funktionsweise des Vibrationstrainings
6.2 Kritische Reflexion und Grenzen des Prozesses
6.3 Diskussion der Einzelstudienergebnisse
6.4 Fazit
6.5 Handlungsempfehlung

7 Zusammenfassung

8 Literaturverzeichnis

9 Abbildungs-, Tabellen-, Abkürzungsverzeichnis
9.1 Abbildungsverzeichnis
9.2 Tabellenverzeichnis
9.3 Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung und Problemstellung

Heutzutage wird es für viele Menschen immer schwieriger, im Alltag ein ausreichend großes Zeitfenster für die Gesunderhaltung und die Aufrechterhaltung der gewünschten oder geforderten Leistungsfähigkeit ausfindig zu machen. Gewisse Probleme in der zeitlichen Gestaltung des Tagesablaufes, sind häufig nicht zu pauschalisieren. Viele Menschen haben zwischen der Arbeit, der Intergration des Nachwuchses in den zeitlichen Ablauf, der Erledigung wichtiger Dinge und weiteren Terminen, um einige wenige Beispiele aufzuführen, keine oder nur wenig Zeit dem eigenen Körper die Aufmerksamkeit zu schenken, welche nötig wäre um den Gesundheitszustand des Körpers nachhaltig, positiv zu beeinflussen. Durch verschiedene eventuelle Faktoren, welche von Mensch zu Mensch unterschiedlich schwer wiegen, kann eine gewisse Abneigung oder ein Desinteresse an körperlicher Aktivität erfolgen. In Folge dessen nutzt der Mensch die verbleibende Freizeit anderweitig (Pawlik, 2020). Um die körperliche Gesunderhaltung gewährleisten zu können, ist eine gezielte, regelmäßige körperliche Aktivität der beste Ansatz (Jekauc, Reiner, Woll, 2014) . Ein Fitnesstraining auf die individuellen Eigenschaften und Bedürfnisse des jeweiligen Menschen angepasst, nimmt allerdings Zeit in Anspruch, welche wie bereits erwähnt nicht jedem zur Verfügung steht. Ein Lösungsansatz dahingehend ist ein sogenanntes „Vibrationstraining“. Dieses wirkt auf potentielle Nutzer durch den geringen Trainings- und Zeitaufwand, welcher in der Regel gerade einmal zehn Minuten beträgt, sehr attraktiv. Aus der Tatsache, dass der Vertrieb der entsprechenden Trainingsgeräte erst 1996 mit dem Unternehmen „Galileo“ startete, steigt seitdem die Anzahl der Anbieter eines solchen Trainings, sowie auch die Anzahl und die verschiedenen Varianten der entsprechenden Geräte für den Heimgebrauch. Diese erfreuen sich stetig wachsender Aufmerksamkeit und Beliebtheit durch die vielen positiv beworbenen Effekte eines solchen Trainings. Die Varianz der Effekte eines solchen Trainings reichen von der Lockerung der Muskulatur, über einen schnellen Aufbau von Magermasse, bis hin zur Verbesserung der Knochendichte oder speziell der Prävention von Osteoporose. Die Zielgruppen des Vibrationstrainings sind ebenso vielfältig wie die beworbenen Effekte, diese reichen vom Normalbürger bis zum Profi-Athleten, sowie Menschen welche keinerlei Zeit für den Gesundheitszustand des Körpers aufbringen können. Die wahrgenommene Mehrheit der Trainierenden leidet vorwiegend an Rückenproblemen, durch eine stark einseitige Körperhaltung im Alltag. Des Weiteren befinden sich unter den Trainierenden auch Kunden mit Cardio-vaskulären- und Stoffwechselerkrankungen. Das Training findet ebenfalls großen Anklang in der Rehabilitation nach Verletzungen und ist in entsprechenden Rehabilitationskliniken zu finden.

Im Rahmen der Bachelorthesis werden die Effekte des Vibrationstrainings auf die knöchernen Strukturen, speziell der Einfluss eines solchen Trainings auf die Knochendichte im menschlichen Körper dargestellt. Den zugrundeliegenden Gedanken, in Bezug auf das Thema der Bachelorthesis, stellt die Bedeutung der Knochendichte bezüglich der Belastbarkeit des menschlichen Körpers in Alltagssituationen, der generellen Gesundheit des Menschen, sowie der Abnhängigkeit des Verletzungsrisikos von der Knochendichte dar (Edwards, Dennison, Aihie Sayer, Fielding & Cooper, 2015). Die Knochendichte ist ein entscheidender Faktor zu Prävention von Verletzungen und Folgeverletzungen bei älteren Menschen oder Patienten, welche sich in rehabilitativen Maßnahmen nach Knochenfrakturen befinden (Vuori, 2001). Eine wirksame Prävention von Osteoporose und eine Verbesserung der Knochenstruktur durch eine Verdichtung der Knochenmasse, mittels einem einfachen und zeiteffektiven Training würde einen großen Vorteil in der Krankheitsprävention und Rehabilitation darstellen. Dahingehend stellt sich die Frage, ob ein Vibrationstraining entsprechende positive Effekte hervorrufen und ob eine konkrete Handlungsempfehlung ausgesprochen werden kann. In Bezug auf das übergeordnete Thema der Bachelorthesis, wird diese in Form eines systematischen Reviews und per Auswertung verschiedener Studienergebnisse über die Effekte des Vibrationstrainings auf die Knochendichte durchgeführt.

2 Zielsetzung

Das Ziel der Bachelorthesis ist es eine Übersicht über Einzelstudien, welche das Thema der Wirkungsweise und die daraus resultierenden Effekte des Vibrationstrainings behandeln, zu schaffen. Diese Übersicht soll auf Basis der aktuellen Studienlage, in einer Handlungsempfehlung für den Umgang mit dem Vibrationstraining resultieren.

Aus der Problemstellung geht die Frage hervor, ob und wie effektiv ein Vibrationstraining hinsichtlich der Knochendichte beim Menschen ist? Die übergeordnete Frage lautet daher: „Weist das Vibrationstraining Effekte hinsichtlich der Knochendichte beim Menschen auf und welche Ausmaße nehmen eventuelle Effekte an?“.

3 Gegenwärtiger Kenntnisstand

3.1 Begriffserklärungen

3.1.1 Vibrationstraining

Der Begriff „Vibrationstraining“ ist im Alltag sehr verbreitet, dieser ist in einigen Werbeanzeigen von Unternehmen anzutreffen, welche entweder ein solches Training anbieten oder eben von Unternehmen, welche die entsprechenden Geräte herstellen und vermarkten. Der Begriff Vibrationstraining ist eine Umschreibung für die Allgemeinheit, um das angebotene Produkt auf anhieb leichter begreiflich zu machen. Der eigentliche, fachliche Begriff lautet Mechanotherapie. Die Mechanotherapie funtkioniert durch die Anwendung verschiedener mechanischer Kräfte, welche zum Beispiel aus Bewegung, Druck, Stoß und Reibung bestehen. Diese Kräfte können aus eigenem Handeln ausgeführt werden, oder durch das externe Wirken einer weiteren Person oder einer Gerätschaft (Kowarschik, 1957, S. 176). Eine weitere Auslegung der Mechanotherapie ist die Massage. Bei der Massage wirken ebenfalls mechanische Kräfte, welche aus Reibung, dem „Kneten“ und aus Erschütterung durch externes Wirken bestehen. Als eine Ausführung der Massage im Sinne einer Mechanotherapie, kann die Vibrationsmassage gennant werden, welche eine Art der „Ultraschalltherapie“ ist (Kowarschik, 1957). Für das Wirken der genannten mechanischen Kräfte sorgt im Falle des Vibrationstrainings das entsprechende Gerät durch die Ausführung einer seitenalternierenden Bewegung, oder durch eine drei-dimensionale Bewegung. Durch das Wirken der entsprechenden mechanischen Kräfte auf die trainierende Person und gegebenenfalls des eigenständigen Wirkens der Person werden Effekte in der Mechanotherapie hervorgerufen. Kowarschik (1957) beschrieb den ursprünglichen Zweck der Mechanotherapie als reine Heilmethode und Bewegungstherapie. Heutzutage bedient die Mechanotherapie auch leistungsorientierte Ziele im Sport, durch den allgemeinen Zugang zu entsprechenden Trainingsgeräten seit 1996. In Verbindung mit wissenschaftlicher Literatur im sportlichen Bereich wird das Vibrationstraining erstmals 1998 erwähnt (Bosco, Cardinale, Tsarpela, Colli, Tihanyi, Ducillard, Viru, 1998). In Bezug auf die Entwicklung dieser Trainingsmethode ist zu erwähnen, dass der Ursprung dessen in den 1860er Jahren liegt. Der schwedische Arzt und Physiotherapeut Gustav Zander entwickelte in diesem Zeitraum die erste Gerätschaft zur sogenannten „Mechanotherapie“ (Kowarschik, 1957). Zwischen der Entstehung des ersten Geräts und der modernen Variante dieses Trainings besteht eine große Zeitspanne. Die moderne Variante des Vibrationstrainings kam im Zuge der Veröffentlichung von „Effekte der zyklischen Oszillation auf den menschlichen Körper“ auf (Biermann, 1960). Die Entwicklung eines Gerätes zur gezielten Stimulation von Körperteilen wurde um 1970 durch Vladimir T. Nasarov unter dem Begriff „Biomechanische Stimulation“ entwickelt. Heute sind Geräte mit entsprechender Funktionsweise von Nasarov, unter dem Begriff „Nasarov-Stimulation“ zu finden. Die gegenwärtige Anwendungsform des Vibrationstrainings in Fitnesstudios oder in privaten Haushalten existiert seit 1996.

3.1.2 Knochendichte

Der Begriff „Knochendichte“ beschreibt ein im Vorfeld definiertes Knochenvolumen und das Verhältnis, zu der in diesem Volumen tatsächlich existenten mineralisierten Knochensubstanz (Freyschmidt, 2016, S. 209). Das Verhältnis der mineralisierten Knochendichte zum definierten Knochenvolumen wird durch die Osteodensitometrie bestimmt. Dieses Messverfahren zur Bestimmung der Knochendichte, misst den vorhandenen mineralischen Gehalt der Knochen, welcher in Gramm je Quadratzentimeter oder in Gramm je Kubikzentimeter angegeben wird (Bartl, 2004, S. 46).

Die Knochenstruktur ist in zwei unterschiedliche Schichten zu unterteilen (Vgl. Abb. 1). Zum einen die äußere Knochenschicht mit dem Namen „Substantia corticalis“, welche aus kompaktem Knochengewebe besteht, welches als harte Knochenschicht erscheint und des Weiteren die innere, weiche Knochenschicht mit dem Namen „Substantia spongiosa“, welche aus mineralisierter Knochensubstanz besteht (Funke, 2003, S. 8-9).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Struktureller Aufbau des Knochens

Hierbei wirkt die Knochensubstanz der Substantia Spongiosa zusätzlich als Depot für Mineralien (Bartl, Bartl, 2004, S. 5). Die Entstehung der mineralisierten Knochensubstanz ist auf die, in Form von unvollständig kristallinem Hydroxylapatit, bedingte Einlagerung von Claciumphosphat in die Knochenmatrix zurückzuführen (Jerosch, Bader, Uhr, 2002, S. 28). Der Entwicklungsprozess der Knochendichte hängt vorwiegend vom Alter und den genetischen Veranlagungen eines Individuums ab, da im Wachstumsprozess eines Menschen bishin zum zwanzigsten Lebensjahr der Knochenaufbau dem Knochenabbau überwiegt. Im Alter zwischen 20 und 30 Jahren halten sich die aufbauenden und abbauenden Prozesse im Knochen in Waage, wohingegen der Abbauprozess nach dem dreißigsten Lebensjahr überwiegt und bei Erwachsenen (Siehe Kap. 3.2.2), jährlich nur noch 5% der Knochenstruktur remodeliert werden. Der gesamte Prozess wird als Knochenumbau bezeichnet (Jerosch, Bader, Uhr, 2002, S. 34). Bei Frauen ist der postmenopausale Abbau der Knochenmasse genetisch bedingt und auf den sinkenden Östrogenspiegel zurückzuführen (Schneider, Dören, 1991, S. 268).

Die Regulation des Knochenumbaus wird vorwiegend vom „Receptor Activator of NF-kB Ligand“- Protein (RANKL) beeinflusst, welches sich auf die Osteoklastendifferenzierung auswirkt und durch Östrogen unterdrückt wird. Die Erneuerungsprozesse der Knochenstruktur werden durch die Stimulationseinflüsse auf den Knochen hervorgerufen (Siehe Kap. 3.2).

3.2 Stimulation der Knochendichte bei Menschen

Bei der Stimulation der Knochendichte handelt es sich um die Einflüsse, welche auf den menschlichen Knochen wirken und dadurch Anpassungseffekte hervorrufen. Das grundlegende Prinzip der Anpassungseffekte eines bestimmten Gewebes im menschlichen Körper, in diesem Fall die Anpassung der Knochenstruktur an gewisse Anforderungen sind vergleichbar mit den Anpassungseffekten der Muskulatur an bestimmte Anforderungen, welche das betroffene Gewebe kompensieren muss. Die auf den Knochen wirkenden Einflüsse sind in physikalische und in hormonelle Einflussfaktoren zu unterteilen. Das menschliche Wachstumshormon Somatropin, die Sexualhormone und die Steroidhormone, stellen die hormonellen Faktoren dar, die auf den Knochen Einfluss nehmen (Ducher, Bass, Saxon, Daly, 2011, S. 1321). Die mechanisch, physikalischen Einflüsse bestehen aus der Krafteinwirkung die bei einer Bewegung über den aktiven Bewegungsapparat ausgeführt werden, den Scherkräften, der Biegung und aus dem, auf den Menschen einwirkenden Druck durch die Schwerkraft und die daraus resultierende Kompensation dieser Kraft, zum Beispiel beim Auftreten. Im Knochengewebe finden ständig Aufbau- und Abbauprozesse statt, um die Anpassung und die Funktion des Knochens an Umwelteinflüsse und mechanische Belastungen zu Gewährleisten (Bergmann & Duda, 2010). Hierbei werden der Aufbau und der Abbau von Knochenmasse durch die maximale elastische Verformung bestimmt. Das bedeutet, bei einer mangelnden Belastung wird die Remodellingschwelle unterschritten und es entsteht eine negative Knochenbilanz. Bei dem Überschreiten der Modellingschwelle durch eine Mehrbelastung der Knochenstruktur entsteht eine positive Knochenbilanz (Vgl. Abb. 2).

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Abb. 2: Das Mechanostat-Modell nach Frost (2000)

Halten sich Körpermasse, Muskelmasse und Belastung konstant, so befindet sich die Bilanz zwischen beiden Schwellen und bedeutet den Erhalt der bestehenden Knochenmasse (Frost, 2000, S. 305-316). Die Anpassungsprozesse der Knochendichte werden über die Mechanotransduktion bestimmt. Hierbei werden Stimuli mechanischer Natur durch körperliche Aktivität, über Mechanosensoren, in biochemische Signale umgewandelt. Dabei entsteht eine Aktivierung von Ionenkanälen, die Produktion von Integrin, die Aktivierung und Öffnung von interzellulären Kanälen und die Aktivierung der Zilien. Letztere agieren über die Flüssigkeitsverschiebung und schaffen dadruch eine Interaktion der extrazellulären Matrix und den intrazellulären Signalen (Rubin, Rubin, Jacobs, 2006, S. 367). Die durch die mechanische Stimulation auf den Knochen einwirkenden Kräfte, setzen durch die im Anschluss an die Mechanotransduktion angrenzende Mechanotransmission, Botenstoffe zur Chemokommunikation frei, welche für das Gleichgewicht der Modellation des Knochens maßgeblich sind (Vgl. Abb. 3).

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Abb. 3: Die Grundlagen der Mechanotransduktion

Entsprechende Stoffe resultieren in einer vermehrten Osteoblastenaktivität und hemmen gleichzeitig die Osteoklastenaktivität, was zum Erhalt oder zur Mehrung der Knochenmasse beiträgt. Ein anführendes Beispiel besagter Mediatoren sind Prostaglandine, welche über die „insulin-like-growth-factors“ (IGF) die Osteoblastenaktivität stimulieren. Da Osteoblasten und Osteoklasten eine zusammenhängende Verbindung mit der Knochenmatrix besitzen, werden bei einwirkenden Kräften auf die Knochenstrukur, welche Strukturveränderungen hervorrufen, auch diese beeinflusst. Durch Strukturveränderung des Knochens, reagieren RANKL und Osteoprotegerin (OPG) mit einer expressiven Veränderung und regen in den Osteoblasten, die Produktion von Parathormon- related Protein (PTH- related Protein) an. Bei einem abnmehmenden Verhältnis von RANKL zu OPG wird die Osteoklastenaktivität gehemmt. Die positiven Auswirkungen auf die Osteoblasten, bei gleichzeitiger Osteoklastenhemmung, resultiert in einer positiven Knochenbilanz (Bergmann, Body, Boonen, Boutsen, Devogelaer, Goemaere et Al., 2010).

Zusammenfassend zur Stimulation der Knochendichte sei gesagt, dass der Erhalt und der Aufbau der Knochendichte über das bewusste Ausführen von mechanischen Belastungen am ehesten beeinflusst werden kann. Durch das Ausüben von Druck, Scherkräften und Biegung auf die Knochenstruktur, entweder durch Selbsteinwirkung oder durch externe Einwirkung, werden Reize zur Anpassung an die Knochematrix weitergeleitet, welche in einer positiven Knochenbilanz oder im Erhalt der bestehenden Knochenmasse resultieren.

3.3 Bedeutung der Knochendichte

3.3.1 Gesundheitliche Bedeutung der Knochendichte

Für den menschlichen Organsimus ist die Knochendichte maßgeblich, hinsichtlich der Anpassung an die einwirkenden Umwelteinflüsse und dem Verletzungsrisiko, sowie der generellen Gesundheit in Abhängigkeit von stoffwechselbedingten Funktionen. Bezüglich der Umwelteinflüsse muss das menschliche Skelett der Schwerkraft und weiterhin den auftretenden Druckbelastungen, Scherkräften und der Biegung standhalten. Druck, Scherkräfte und Biegung wirken durch die Bewegung des passiven Bewegungsapparates auf den Körper. Druck, welcher in Folge der Schwerkraft auf den Körper einwirkt, muss ständig durch das Knochensystem kompensiert werden. Die Kompensation der Schwerkraft ist eine grundlegende Funktion der Knochen, welche unabdinglich ist und automatisch geschieht. Die Knochendichte ist ebenfalls ein Indikator dafür, wie anfällig der Knochen für Frakturen in Folge von Unfällen ist. Umso dichter der knöcherne Bestand im Körper ausfällt, desto resistenter ist dieser gegenüber Verletzungen am Knochen. Eine auf verminderte Knochendichte zurückzuführende Krankheit ist Osteoporose, bei welcher ein erhöhtes Risiko auf Frakturen besteht (Vgl. Abb. 4). Vorwiegend treten Knochendichteverminderungen häufig in der Wirbelsäule, den Unterarmknochen und im Oberschenkel auf.

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Abb. 4: Vergleich gesunder & erkrankter Knochen

Das Risiko einer Osteoporoseerkrankung steigt mit zunehmendem Alter, durch das Überwiegen der abbauenden Prozesse der Knochenmasse, nach dem dreißigsten Lebensjahr und genetischen Dispositionen.

Zusätzlich steigt das Risiko für Osteoporose bei postmenopausalen Frauen, durch den sinkenden Östrogenspiegel deutlich an. Weitere Indikatoren für eine geringe Knochendichte und daraus resultierende Osteopathien können gewisse Nährstoffdefizite sein. Der menschliche Knochen fungiert zudem als Depot für Mineralien, welche der Mensch benötigt und welche zu einer gesunden Funktion der Knochen und zu deren Aufrechterhaltung beitragen (Siehe Kap. 3.1.2). Mangelerscheinungen von Mineralien, Vitaminen und weiteren Stoffen, welche auf den Knochenstoffwechsel wirken, sind Indikatoren für ernährungsbedingte Osteopathien (Ellegast, 1963, S. 327-328). Die Mineralien, welche die Substantia spongiosa in kristalliner Form deponiert umfassen Kalzium, Magnesium und Phosphat. Allesamt beeinflussen lebensnotwendige Funktionen hinsichtlich des Energiehaushaltes und der Erregungsweiterleitung (Spencer, 1986).

Bei einem minderen Vorkommen dieser Mineralien sinkt die Dichte des Knochen in Relation zum Volumen, was die Brüchigkeit erhöht und das Frakturrisiko steigert oder in einer Osteomalzie resultiert, bei welcher Verformungen des Knochens zustande kommen können (Gantner, 1981, S. 59). Zuzüglich entstehen Einschränkungen der Körperfunktionen, wie zum Beispiel der Muskelkontraktion und Relaxationsfähigkeit, welche durch Magnesium beeinflusst werden. Abseits der knochenbildenden Funktion von Kalzium, übernimmt jenes eine wichtige Rolle bei der Blutgerinnung, der Erregungsweiterleitung von Nerven und Muskeln, sowie bei der Regulation des Herzrythmus (Wassermann, 1960). Der Phosphathaushalt beeinflusst zudem weitestgehend den Energiestoffwechsel, da in Körperflüssigkeiten gelöstes Phosphat eine elektrische Ladung aufweist und damit eine Elektrolyte darstellt und zur Pufferung von Zell-und Körperflüssigkeiten beiträgt (Kraut, Droste, Jekat, 1966, S. 7). Der Stoff-und Mineraltransport der Knochenstruktur erfolgt über die Grundsubstanz-Zellgrenzen, sowie der Kittsubstanz-Mikrofibrillengrenzen. Die Lamellen des Knochengewebes befinden sich um die Haverschen Kanäle gelagert, zusätzlich zu der kristallinen Mineralsubstanz zwischen den Mikrofibrillen der kollagenen Fasern. Die Knochenzellen sind in die daraus entstehende interzelluläre Substanz eingeschlossen, welche in Kanäle münden und sich öffnen können. Diese Kanäle enden an den Grenzen des Haverschen Systems, an welchen die Stoffe zwischen Kreislauf und Knochengewebe permeabel zirkulieren (Wassermann, 1956, S. 14-17). Durch Parathormon (PTH) wird die Resorption von Kalzium und Phosphat durch eine vermehrte Vitamin-D3 Konzentration, über den Darmkanal gesteigert (Alscher, 2015, S. 348). Zusammenfassend zu den Effekten des Knochenmineralhaushaltes auf die Gesundheit ist zu sagen, dass der menschliche Körper auf genannte Mineralien zurückgreift, wenn sich nicht ausreichend davon im Kreislauf befinden.

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