Effekt von Elektromyostimulation im Rückentraining bei unspezifischem Rückenschmerz

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Rückenschmerzen als Volkskrankheit
1.2 Elektromyostimulation und Rückenschmerzen

2 Gegenwärtiger Kenntnisstand der Rückenschmerztherapie
2.1 Ursachen unspezifischer Rückenschmerzen
2.2 Bestandteile eines Rückentrainings
2.2.1 Rückenspezifisches Krafttraining
2.2.2 Training koordinativer Fähigkeiten
2.2.3 Haltungsschule und Bewegungskorrektur

3 Theoretischer Hintergrund der Elektromyostimulation
3.1 Geschichte und Definition von GK-EMS
3.2 Grundlagen der Elektrotherapie
3.2.1 Parameter eines Reizstroms
3.2.2 Reizübertragung durch GK-EMS
3.3 Derzeitiger Forschungsstand zur Elektromyostimulation
3.3.1 Faserspezifische Innervation
3.3.2 Maximalkraft
3.3.3 Hypertrophie
3.3.4 Kraftausdauer
3.3.5 Rumpfmuskulatur/ Rückenschmerz
3.4 Zusammenfassung der Nachteile von GK-EMS
3.5 Zusammenfassung der Vorteile von GK-EMS

4 Problemstellung und Formulierung der Forschungshypothesen

5 Methodik
5.1 Untersuchungsplanung
5.2 Untersuchungsdurchführung
5.3 Methoden der Datengewinnung
5.3.1 Der Schmerzfragebogen
5.3.2 Rumpfkrafttest
5.4 Methodik der Datenauswertung

6 Ergebnisdarstellung
6.1 Ergebnisse des Fragebogens
6.2 Ergebnisse des Rumpfkrafttests

7 Ergebnisdiskussion und -interpretation

8 Methodendiskussion
8.1 Studiendesign
8.2 Probanden
8.3 Trainings- und Datenerhebungsmethodik

9 Ausblick

10 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Anhänge
A Infoblatt zur Probandenrekrutierung
B Anmeldebestätigung
C Fragebogen
D Kontraindikationen
E Exemplarische Trainingseinheit
F Exemplarischer Heimtrainingsplan der ersten fünf Wochen Umfang: ca. 20 Minuten

Danksagung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Mittelwerte () und Standardabweichungen (s) der angegebenen Skalenwerte der Fragen zum subjektiven Schmerzempfinden

Tabelle 2: Mittelwerte () und Standardabweichungen (s) der angegebenen Skalenwerte der Fragen zur subjektiv wahrgenommenen Behinderung

Tabelle 3: Mittelwerte () und Standardabweichungen (s) der erreichten Haltezeiten in Sekunden in den drei Einzeltests

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: GK-EMS-Gerät und Funktionskleidung der Firma „Miha Bodytec“

Abbildung 2: Anwendungsbereiche der EMS

Abbildung 3: Darstellung der Impulsformen eines Reizstroms

Abbildung 4: Reizung der Nervenfaser bei niederfrequentem Reizstrom und direkte Reizung der Muskelfasern bei mittelfrequentem Reizstrom

Abbildung 5: Durchschnittliche Anwendung von Trainingsreizen in EMS-Interventionen

Abbildung 6: Anzahl empirischer Befunde zur Effektivität der EMS im Vergleich zu herkömmlichem Maximalkrafttraining

Abbildung 7: Studienablauf

Abbildung 8: Übung zur Rumpfstabilisation mit gleichzeitiger EMS-Applikation

Abbildung 9: Test 1 - Unterarmstütz

Abbildung 10: Test 2 - Seitstütz

Abbildung 11: Test 3 - Rückenextension in Bauchlage

Abbildung 12: Diagramm zu den Mittelwerten des subjektiven Schmerzempfindens beider Gruppen zu den Zeitpunkten t0 und t1 für Frage 1 (maximales Schmerzem- pfinden) und Frage 2 (durchschnittliches Schmerzempfinden)

Abbildung 13: Diagramm zur Darstellung der Mittelwertsveränderungen der angegebenen Skalenwerte beider Gruppen in der Kategorie „Behinderung in der Freizeit“ zum Zeitpunkt t0 und t

Abbildung 14: Diagramm zur Darstellung der Mittelwertsveränderungen der angegebenen Skalenwerte beider Gruppen in der Kategorie „Behinderung im Beruf“ zum Zeitpunkt t0 und t1.. 56

Abbildung 15: Diagramm zur Darstellung der Mittelwertsveränderungen der angegebenen Skalenwerte beider Gruppen in der Kategorie „Beeinträchtigung der Schlaf- qualität“ zum Zeitpunkt t0 und t

Abbildung 16: Diagramm zum interspezifischen Vergleich der prozentualen Mittelwertssteigerungen beider Trainingsgruppen in den drei Einzeltests..

1 Einleitung

Allein die Vielzahl von sogenannten EMS-Studios, welche mit vielversprechenden Trainingsergebnissen werben, steigert die Aufmerksamkeit für die auf dem Fitnessmarkt neuartige Trainingsmethode der Elektromyostimulation (EMS). Anbieter versprechen zum einen ein besonders intensives und dadurch zeitökonomisches Training. Zum anderen bieten sie sogar die Aussicht auf ein gesteigertes Wohlbefinden, erhöhte Rumpfstabilität und Schmerzreduktion bei Rückenschmerzen. Beispielsweise stellt der Anbieter ComeUp21 sein EMS-Angebot folgendermaßen dar:

EMS-Training erzielt schnelle Erfolgsergebnisse, weil nahezu alle Muskeln zeitgleich höchst wirksam trainiert werden. […] Dieser positive Effekt übertrifft normale Trainingsresultate bei weitem! EMS-Training ist deshalb so effizient, weil das Ganzkörpertraining auf der Basis von Muskelstimulation durch elektrische Impulse aufbaut. (ComeUp21, 2015)

Dabei wird nicht nur der Status als gegenüber herkömmlichem Krafttraining effektivere Trainingsmethode beansprucht, sondern zudem auch eine Steigerung des Wohlbefindens und rehabilitative Effekte bei beispielsweise Rückenschmerzen in Aussicht gestellt:

Das Spezielle am EMS Training ist, dass es äußerst schonend für die Wirbelsäule ist, und so schnell zur Linderung der Rückenbeschwerden beiträgt. Außerdem hat es den Vorteil, dass die Tiefenmuskulatur erreicht wird. Ein gesunder Rücken hat auch gesunde, kräftige Muskeln, vor allem Tiefenmuskulatur. (ComeUp21, 2015 b)

Dabei wird weder auf wissenschaftliche Erkenntnisse, noch auf physiologische Aspekte der Wirkungsweise von EMS eingegangen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Trainingsmethoden besteht in Bezug auf EMS-Training weiterhin ein erhöhter Forschungsbedarf in Bezug auf die tatsächlichen Trainingseffekte und auf physiologische Wirkungsweisen (vgl. Dörmann, 2010; Fehr, 2010; Vogelmann, 2013). Eine im oben aufgeführten Werbetext nicht dargestellte Problematik ergibt sich aus der Vielfalt von EMS. Da die Applikation vieler unterschiedlicher Stromformen mit individuell regelbaren Stromcharakteristika möglich ist, besitzen etwaige Effekte und Wirkungsweisen keine Allgemeingültigkeit und müssen differenziert behandelt werden (vgl. Bossert, Jenrich & Vogedes, 2006; Jenrich, 2000; Wenk, 2004). Bei Stromanwendungen im kommerziellen Fitnessbereich handelt es sich größtenteils um Ganzkörper-Elektromyostimulation (GK-EMS), welche sich aus dem Einsatz elektrischer Impulse in der Physiotherapie entwickelte (Fehr, 2010; Fialka-Moser, 2005; Gimbel, 2014; Jenrich, 2000; Wenk, 2004).

EMS beruht darauf, „dass jeder Muskel über Nerven mittels elektrischer Impulse innerviert wird“ Dabei sind „Elektroden in eine Funktionskleidung integriert, sodass dadurch Muskelgruppen gezielt angesteuert und zugleich auch Bewegungen aktiv ausgeführt werden können“ (Gimbel, 2014, S. 121). Innerhalb der EMS existieren vielerlei Methoden der Stromapplikation, wobei die Stromcharakteristika, abhängig vom EMS-Gerät, verändert werden können. Diese Arbeit behandelt die Applikation von GK-EMS innerhalb eines Rückentrainings.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. GK-EMS-Gerät und Funktionskleidung der Firma „Miha Bodytec“ (Miha Bodytec GmbH, 2016)

Weineck stellt die Elektrostimulation sowohl im Jahre 1980 der Erstauflage von „Optimales Training“ (S. 130), als auch in der wesentlich aktuelleren 4. Auflage von „Optimales Fußballtraining“ (2004, S. 213) als die effektivste aller Krafttrainingsmethoden dar, ohne diese Darstellung genauer zu erläutern. Dabei handelt es sich bei der Elektromyostimulation um eine relativ junge, alternative Trainingsmethode zum klassischen Krafttraining. Somit ist die EMS innerhalb der Sportwissenschaft ein noch jüngeres Forschungsgebiet als innerhalb der Medizin (vgl. Mester et al., 2010).

Das Interesse ist durch die zahlreichen Versprechen der EMS-Anbieter und deren Hinweise auf diverse Studien, die eine Wirksamkeit auf verschiedene Parameter belegen sollen, zwar hoch, die GK-EMS als Trainingsmethode jedoch durchaus umstritten, obwohl die EMS in der Physiotherapie einen gefestigten Stand hat (Vogelmann, 2013). Da Rückenschmerzen zu den häufigsten Volkskrankheiten unserer Gesellschaft gehören, gilt es Trainingsmethoden zu erforschen, die möglicherweise gewinnbringend für die Behandlung sind

1.1 Rückenschmerzen als Volkskrankheit

Rückenschmerzen gehören mit zu den häufigsten Volkskrankheiten unserer Gesellschaft und ziehen einen immensen volkswirtschaftlichen Schaden in Bezug auf direkte Kosten (Behandlungskosten) und indirekte Kosten (zum Beispiel Arbeitsausffall) mit sich. Die Tendenz ist dabei steigend (Abenheim et al. 2000, Fresenius, Hatzenbühler & Heck, 2004; Schürer, 2014). Die Gesamtkosten der Behandlungen gegen Rückenschmerzen sind enorm hoch und belaufen sich jährlich auf 50 Mrd. Euro (Gimbel, 2014, S. 5). Die Angaben zum Anteil der betroffenen Menschen, die irgendwann in ihrem Leben einmal Rückenschmerzen haben, liegen laut Fourney et al. (2011) zwischen 67 - 84% und laut Gimbel (2014) sowie Diemer & Sutor (2011) bei circa 85%.

Eine eindeutige Definition ist schwierig, da Rückenschmerzen heterogen ausfallen können und normalerweise nach Lokalisation und Ursache eingeteilt werden. Rückenschmerzen können Muskelverspannungen, Steifheit und Bewegungseinschränkungen in Verbindung mit Schmerzen umfassen (vgl. Schloderer, 2010). Grundsätzlich wird dabei zwischen spezifischen und unspezifischen Rückenschmerzen unterschieden. Bei einem spezifischen Rückenschmerz kann eine eindeutige Diagnose gestellt werden. Zusammengefasst werden verschiedene Krankheitsbilder, wie radikuläre Symptomatiken, rheumatische Erkrankungen, Osteoporose sowie Infektionen und Tumore (Diemer & Sutor, 2011, S. 114).

Während spezifische Rückenschmerzen also auf anatomische Gegebenheiten zurückgeführt werden können, ist eine genaue Diagnose bei einem unspezifischen Rückenschmerz nicht möglich (vgl. Waddel, 2004). Deemter (2012) bezieht sich auf van Tulder et al. (2006), laut welchen 85 % aller Rückenbeschwerden als unspezifisch einzuordnen seien. Bei diesen liegt kein genaues Krankheitsbild vor. Das heißt, dass neurologische Symptome oder schwerwiegende strukturelle Veränderungen zwar laut Müller (2001) nicht vorliegen, Waddel (2004) aber die Ursache auch hier sehr wohl mechanisch veranlasst sieht. Dies bedeutet also, dass auch unspezifische Rückenschmerzen sehr wohl durch sportliches Training therapierbar sind, um mechanische Störungen der Wirbelsäule zu beheben.

Rückenschmerzen stellen sich laut Tänzler (2011) multikausal da, was die Auswahl der Therapiemethode deutlich erschwert. Genauso vielfältig wie die Ursachen für die Entstehung des Krankheitsbildes Rückenschmerz, zeigen sich auch die Therapieansätze. Schürer (2014) fasst zusammen, dass die aktuell bestehenden Therapiemöglichkeiten oft nur geringe Effekte haben und/oder nur kurze Zeit wirken. In Bezug auf die Bestandteile eines Rückentrainings werden in der Literatur immer wieder Krafttrainingsmethoden zum Ausgleich muskulärer Kraftdefizite, des Stabilitätsverlusts der Bewegungssegmente und zur Korrektur neuromuskulärer Defizite genannt.

Einen multikausalen Ansatz für die Therapie von Rückenschmerzen bietet das bio-psycho-soziale Modell, welches besagt, dass neben physiologischen Ursachen auch die Psyche und das soziale Umfeld des Patienten eine entscheidende Rolle spielen (vgl. Diemer & Sutor, 2011; Tänzler, 2011). Für den Kontext dieser Arbeit kann ausschließlich auf körperliche Aspekte eingegangen werden. Erklärungsversuche zur Problematik von Rückenschmerzen beziehen sich häufig auf die Folgen und Ursachen von muskulären Defiziten und Dysbalancen und den damit einhergehenden Fehlbeanspruchungen. Hervorgehoben wird dabei die Relevanz der lokalen und globalen Stabilisatoren (vgl. Deemter, 2012; Diemer & Sutor ,2011; Hildebrandt, 2004; Kempf, 2010).

1.2 Elektromyostimulation und Rückenschmerzen

In dieser Arbeit soll herausgearbeitet werden, ob eine bewegungsbegleitende EMS-Applikation innerhalb eines Rückentrainings sinnvoll ist. Hinweise auf eine Wirksamkeit von EMS bei Rückenschmerzen geben die Literatur und der Forschungsstand, der im Laufe der Arbeit genauer untersucht wird. Beispielsweise werden laut Fehr (2010, S. 67) bei einer GK-EMS auch tieferliegende Muskelschichten gereizt. Dazu gehören die lokalen Stabilisatoren der Wirbelsäule.

EMS-Anbieter und -Hersteller beziehen sich auf deutschsprachige Studien der Universitäten Erlangen, Bayreuth und der Sporthochschule Köln. Eine dabei häufig zitierte Studie ist die von Boeckh-Behrens, Grützmacher & Sabelefsky (2002), welche einen positiven Effekt eines EMS- Trainings auf Rückenschmerzen aufzeigt. Zudem wird in der Veröffentlichung der Studie hervorgehoben, dass GK-EMS ein gelenkschonendes Training mit gewichtsfreien Übungen ermögliche. Auch in wissenschaftlichen Arbeiten, welche sich mit Elektromyostimulation befassen, wie beispielsweise die von Koch (2015), wird sich auf die Forschungsgruppen der besagten Universitäten bezogen. Koch führt außerdem aus, dass GK-EMS das Zusammenspiel von Agonisten, Synergisten und Antagonisten schult und alltagsnahe Bewegungen bei dynamischer Anwendung optimiert werden können. Die Studie von Boeckh-Behrens et al. ist jedoch genauso wie viele andere Untersuchungen zur GK-EMS und zur EMS im Allgemeinen, aufgrund ihres Studiendesigns (vgl. Vogelmann, 2013) und ihrer zweifelhaften Unabhängigkeit umstritten. Aufgrund der fehlenden Beweislage für den Effekt einer GK-EMS auf Rückenschmerzen und der allgemein widersprüchlichen Studienlage (Vogelmann, 2013) ergeben sich folgende Fragen:

Welche physiologischen Wirkungsmechanismen liegen bei GK-EMS vor, die auf einen positiven Effekt bei unspezifischen Rückenschmerzen schließen?

Kann es bei EMS-Training zu positiven Effekten bei unspezifischem Rückenschmerz kommen?

Schlussendlich ergibt sich angesichts der Versprechungen der EMS-Anbieter die Frage:

Stellt ein Rückentraining mit bewegungsbegleitender EMS-Applikation eine effektivere Behandlung dar, als die bislang üblichen Rückentrainingsmethoden?

Diese empirische Arbeit behandelt eine Interventionsstudie, die einen Beitrag zur Klärung dieser Fragen leisten soll. Dabei handelt es sich um eine Pilotstudie, die aufgrund ihres Designs dazu geeignet ist, tatsächliche Rückschlüsse auf den Effekt eines zusätzlich applizierten EMS-Impulses bei einem Rückentrainingsprogramm zuzulassen. Als Basis für eine Hypothesenformulierung und zum besseren Verständnis der Untersuchungsmethodik wird zunächst ein theoretischer Überblick zur Problematik von unspezifischem Rückenschmerz, derer Behandlungsmethoden sowie zur Elektromyostimulation gegeben.

2 Gegenwärtiger Kenntnisstand der Rückenschmerztherapie

Generell existiert eine Reihe von Therapiemethoden, wobei bislang nur ungenügende Erkenntnisse über die Wirksamkeit der verschiedenen Methoden gesammelt werden konnten. Laut Tänzler (2011, S. 13) haben sich „zwei große konservative nicht medikamentöse Therapieansätze herausgebildet“. Zum einen gehören dazu „Kognitiv-Behaviorale Therapieverfahren“ wie z.B. die klassische Rückenschule und zum anderen die „Rekonditionierung der wirbelsäulenumgebenden Muskulatur, z.B. mittels eines Krafttrainings“ (ebd.). Allgemein ist die Effektivität der Therapieformen nicht eindeutig belegt. Die Studienlage fiele laut Raspe (2008) sehr heterogen aus und bringe keinen Erkenntnisgewinn darüber, welche Therapieformen bei unspezifischen Rückenschmerzen tatsächlich einen positiven Effekt haben. Dies ist letzten Endes auch auf die Multikausalität von unspezifischen Rückenschmerzen zurückzuführen.

Im neuen Jahrtausend hat sich die Rückenschule dahingehend verändert, dass die Haltungsschule zwar nach wie vor eine Rolle spielt, allerdings auch Bewegungen auf vielen Ebenen praktiziert werden und verschiedene Krafttrainingsmethoden in den Vordergrund rückten (vgl. Kempf, 2010). Auch wenn das Krafttraining laut Diemer & Sutor (2011) nicht besser abschneide, als andere Interventionen, sei es in höchstem Maße wirksam. Ein Krafttraining über die Elektromyostimulation gehört somit ebenfalls zu den Krafttrainingsmethoden zum Ausgleich muskulärer Defizite und -Dysbalancen. In diesem Kapitel der Arbeit wird erläutert, welche Ursachen unspezifischen Rückenschmerzen zu Grunde liegen und welche Ableitungen für ein allgemeines Rückentraining sich daraus ergeben.

2.1 Ursachen unspezifischer Rückenschmerzen

In der Literatur besteht mittlerweile Konsens darüber, dass unspezifische Rückenschmerzen auf eine fehlende Stabilität der Wirbelsäule zurückzuführen sind. Diese fehlende Stabilität ist hauptsächlich auf eine Abschwächung lokaler und globaler Stabilisatoren, beziehungsweise auf muskuläre Dysbalancen zurückzuführen. Diese Problematik wird im Laufe dieses Kapitels genauer erläutert. Durmus, Durmaz & Canturk (2010) fassen eine Reihe von Faktoren zusammen, die im Zusammenhang mit chronischen Schmerzen des unteren Rückens zu bringen sind:

„Increased lumbar lordosis decreased muscle strength, imbalance between flexor and extensor trunk muscle strength, reduced spinal mobility. Trunk muscle strength has been extensively studied in relation to CLBP” (chronic low back pain).

Tänzler (2011) beschreibt einen sogenannten arthromuskulären „Circulus Vitiosus“. Der Verlust an Stabilität der Wirbelsäule führe zu mechanischen Störungen der Bewegungssegmente, wie beispielsweise zu einer Überdehnung der Kapsel durch muskuläre Dysbalancen und Fehlhaltungen. Diese Störungen wiederum werden von den zahlreichen Rezeptoren an Gelenkkapseln und Bändern wahrgenommen und über afferente Signale zum motorischen Vorderhorn geleitet. Im Umkehrschluss verursachen von dort ausgehende Efferenzen, die auf verschiedene Motoneurone wirken, eine Tonuserhöhung der Muskulatur. Eine solche Tonuserhöhung verstärkt allerdings wieder Verspannungen, muskuläre Dysbalancen und Fehlhaltungen.

Hildebrandt (2004) meint, dass ein mangelhafter muskulärer Status, beziehungsweise ein allgemeines Kraftdefizit der vor allem wirbelsäulenstabilisierenden Muskulatur, hauptverantwortlich für die Entstehung von Rückenschmerzen sei. Er unterteilt die Muskulatur in lokale und globale Stabilisatoren und hebt dabei die lokalen tiefliegenden Muskeln hervor. Auch laut Kempf (2013, S. 97) wiesen alle Rückenschmerzpatienten ein Defizit in ihren tiefen stabilisierenden Muskeln auf, die die Lendenwirbelsäule stabilisieren. Diemer & Sutor (2011) präzisieren, dass sowohl globale, als auch lokale Stabilisatoren atrophieren und ein sogenannter Verlust der „feed-forwardKontrolle“ messbar sei. Dies bedeute, dass lokale Stabilisatoren vor Initiierung einer Bewegung eines Körpersegments aktiviert werden, um die Wirbelsäule bereits vor der Bewegung zu stabilisieren (ebd., S. 96-99). Ein direkter Zusammenhang zwischen einem Funktionsverlust im lokalen System und Rückenschmerz wurde bereits in diversen Arbeiten festgestellt (ebd., S. 163). Bei einem solchen Funktionsverlust ist davon auszugehen, dass die tiefliegenden Muskeln nicht nur ein Kraftdefizit aufweisen, sondern, dass Rückenschmerzpatienten vor allem auf neuromuskulärer Ebene ein verändertes motorisches Programm aufweisen und die Schlüsselmuskeln der Stabilisation nicht optimal angesteuert werden. Im Zuge dessen kommt es zur vermehrten Aktivierung globaler Stabilisatoren, die den Ausfall kompensieren sollen (vgl. ebd.). Deshalb ist auch bei guten Kraftwerten keine Aussage über die Funktionsfähigkeit der lokalen Stabilisatoren möglich. Konkret zählen zu den lokalen Stabilisatoren nach Hildebrandt (2004) die Mm. multifidii und der M. transversus abdominis als tiefliegender Bauchmuskel. Laut McGill (2007) seien allerdings auch die globalen Stabilisatoren für die segmentale Stabilisation der Wirbelsäule verantwortlich. Hierzu zählen die Bauchmuskeln M. obliquus internus und -externus, der M. rectus abdominis und der M. quadratus lumborum. Als Teil der Rückenmuskulatur gehört auch der M. erector spinae dazu. Die genaue Einteilung der lokalen und globalen Stabilisatoren fällt in der Literatur unterschiedlich aus. So zählen Diemer & Sutor (2011) auch das Zwerchfell, den Beckenboden, den M. psoas major sowie den M. quadratus lumborum zu den lokalen Stabilisatoren dazu. Alle zuvor aufgezählten Muskeln werden zusammen auch als Rumpfmuskulatur bezeichnet.

Kempf (2010, S. 8 f) zählt zahlreiche Studien auf, welche einen Zusammenhang zwischen der Funktionsfähigkeit der Rumpfmuskulatur und Rückenschmerzen belegen. Als Risikofaktoren für Rückenschmerzen werden allgemein eine geringe körperliche Aktivität, biomechanisch ungünstige Körperhaltungen und lange Sitz- oder Stehperioden genannt (ebd., S.11).

Neben Kraftdefiziten und muskulären Dysbalancen weisen Rückenschmerzpatienten auch koordinative Defizite auf. Zu diesen Defiziten gehören neben der optimalen Ansteuerung der Stabilisatoren vor allem eine unzureichende Beckenkoordination und Gleichgewichtsfähigkeit (Diemer & Sutor, 2011, S. 167). Gill und Callaghan (1998) fanden heraus, dass außerdem ein Zusammenhang zwischen einem Defizit propriozeptiver Fähigkeiten und Rückenschmerzen besteht. Die propriozeptiven Fähigkeiten sind Voraussetzung für eine korrekte Ansteuerung der Muskulatur sowie für die Haltungskontrolle in verschiedenen Positionen. Eng verbunden mit der Beweglichkeit des Beckens ist die Aufrechterhaltung der physiologischen Schwingung der Lendenwirbelsäule, gerade im lumbalen Bereich. Für eine optimale Wirbelsäulenschwingung ist eine optimale Kokontraktion von ventralen und dorsalen Stabilisatoren von Nöten. Bei unspezifischem Rückenschmerz hingegen fehlt diese Balance und es liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Hyper- oder Hypolordose vor (Tänzler, 2011). Aufgrund der Multikausalität auf physiologischer Ebene sollte sich ein Rückentraining aus verschiedenen Bestandteilen zusammensetzen. Die Ansätze dazu werden im folgenden Abschnitt beschrieben.

2.2 Bestandteile eines Rückentrainings

Die moderne Rückenschule beinhaltet verschiedene Bestandteile, die jeweils unterschiedliche Fähigkeiten verbessern sollen. Auch, wenn es sich um ein spezifisches Rückentraining handelt, beachtet dieses trotzdem die in der Trainingswissenschaft anerkannten allgemeinen Trainingsprinzipien, auf welche hier aus Umfangsgründen nicht weiter eingegangen werden kann.

Der Ansatz der klassischen Rückenschule der 90er-Jahre, ausschließlich kognitiv-behaviorale Therapieverfahren wie beispielsweise Haltungsschule, miteinzubeziehen, ist aktuell überholt. Wichtigster Bestandteil des modernen Rückentrainings ist ein Krafttraining, da Patienten mit Rückenschmerzen ein Defizit im Bereich der Kraftausdauerfähigkeit haben. Zudem geht es neben der allgemeinen Kräftigung der globalen und lokalen Stabilisatoren auch um ein optimales Kraftverhältnis zwischen Agonist und Antagonist und somit um die Aufhebung muskulärer Dysbalancen (vgl. McGill, 2007).

Zur Stärkung der physischen Ressourcen nennt Kempf (2010, S. 23) die Grobziele der „Verbesserung der rückenspezifischen allgemeinen Fitness“ und die „Verbesserung der individuellen Körperhaltung und der Bewegungsabläufe im Alltag“. Dazu gehören beispielsweise die Verbesserung der „Stabilisationsfähigkeit der Wirbelsäule, Rumpf und Extremitätenmuskulatur“, die „Förderung der Bewegungskoordination“ und die Verbesserung „einer altersgerechten Beweglichkeit“. Zudem solle die aufrechte Haltung geschult werden. Als inhaltlichen Schwerpunkt eines Rückentrainings sieht er (ebd., S. 47) die Funktionsgymnastik vor, welche die Kräftigung der Muskulatur, die behutsame Mobilisation der Wirbelsäule und großer Gelenke zum Ziel hat. Hier werden die Begriffe „Stabilisationsfähigkeit“ und „Sensomotorik“ genannt. Konkrete Inhalte seien unter anderem Muskelfunktions- und Koordinationstests, Kräftigungsübungen, speziell der haltungsstabilisierenden Muskulatur, Koordinationsübungen zur Verbesserung der Sensomotorik, Dehnungs- und Mobilisationsübungen sowie funktionelle Gymnastik.

Es ergeben sich folgende Schwerpunkte eines Rückentrainings:

-Beanspruchung der lokalen Stabilisatoren durch feinmotorische Übungen in instabilen Trainingssystemen.
-Kräftigung der globalen Stabilisatoren, insbesondere der Bauch- und Rückenmuskulatur zur Wiederherstellung des optimalen Verhältnisses zwischen Agonist und Antagonist.
-Neuerlernung neuromuskulärer Bewegungsmuster durch mehrdimensionale Übungen und Aktivierung von komplexen Muskelketten.
-Verbesserung koordinativer Fähigkeiten, insbesondere der Gleichgewichtsfähigkeit und propriozeptiver Fähigkeiten.
-Haltungsschule und Beckenansteuerung mit dem Ziel einer physiologisch aufgerichteten Wirbelsäule

Diese Trainingsziele werden im Folgenden zusammengefasst zu den Grundbausteinen „Rückenspezifisches Krafttraining“, „Training koordinativer Fähigkeiten“ und „Haltungsschule und Bewegungskorrektur“, welche jeweils in den folgenden Teilabschnitten erläutert werden. Eine genaue Übungsvorstellung ist dabei nicht zielführend. Vielmehr soll das Konzept und die Methodik der modernen Rückenschule deutlich gemacht werden, um später Rückschlüsse auf die Wirksamkeit von EMS bei unspezifischem Rückenschmerz ziehen zu können.

2.2.1 Rückenspezifisches Krafttraining

Um ein gezieltes Krafttraining von Muskelgruppen und Muskelketten durchführen zu können, sollte zunächst einmal eine Kraftdiagnostik erfolgen. Hier bietet es sich an, die für Rückenschmerzpatienten relevante Kraftausdauerfähigkeit der dorsalen, ventralen und lateralen kinematischen Muskelkette zu testen (vgl. Diemer & Sutor, 2011; McGill, 2007). Im Rahmen des Krafttrainings geht es darum, sowohl alle Muskelketten zu trainieren, als auch abgeschwächte Muskeln ausfindig zu machen und neuromuskuläre Defizite zu identifizieren (Gill & Callaghan, 1998). Typischerweise findet das Krafttraining mit Rückenschmerzpatienten an Seilzügen, Großgeräten oder mit dem eigenen Körpergewicht statt. Gerade wenn es um die Ansteuerung lokaler Stabilisatoren geht, werden immer häufiger auch Elemente des Schlingentrainings oder anderer instabiler Elemente eingesetzt. Geräte und Seilzüge eignen sich zur Kräftigung globaler Stabilisatoren, wie beispielsweise der Extensoren und Rotatoren der Wirbelsäule. Grundsätzlich können globale Muskeln nur dann zur Stabilisation beitragen, wenn vorher die segmentale Basis durch die lokalen Stabilisatoren geschaffen wurde. Dieser Ansatz ist im methodischen Aufbau des Krafttrainings zu berücksichtigen (vgl. Diemer & Sutor, 2011). Segmentale Stabilität impliziert die Verhinderung von Bewegung. Also eigenen sich hier besonders Stabilisationsübungen, welche zunächst ohne Zusatzbewegung durchgeführt werden. Übungen mit dem eigenen Körpergewicht können durch instabile Elemente, aber auch durch Erschwernisse wie Zusatzbewegungen im Laufe des Trainingszyklus erweitert werden. Schlingentrainer, Gymnastikbälle oder instabile Unterlagen eigen sich insbesondere für ein Training lokaler Stabilisatoren, aufgrund ihrer instabilen Eigenschaften und der Möglichkeit, in der geschlossenen kinematischen Muskelkette trainieren zu können. Zudem eröffnet sich leicht die Möglichkeit, in der individuellen Schwierigkeitsstufe trainieren zu können. Ein Training auf geringer Schwierigkeitsstufe erlaubt eine genaue Ansteuerung beziehungsweise Reaktivierung ausgefallener Schlüsselmuskeln (Heißel, 2010; Schurr, 2011). Stabilisationsübungen der ventralen Kette eignen sich zur Reaktivierung des tiefliegenden Bauchmuskels M. transversus abdominis, wobei innerhalb leichter Intensitäten trainiert wird. Laut Diemer & Sutor (2011) liegt die optimale Intensität für ein Training segmentaler Stabilisation bei 5-15 % der MVC (maximal voluntary contraction). Ebenso eignen sich zur Stabilisation der dorsalen Kette sämtliche „bridging“-Übungen. Diese Übungen können aufgrund geringer Intensität sauber durchgeführt und gehalten werden, was eine sehr genaue Ausführung zur Ansteuerung lokaler Stabilisatoren möglich macht. Um das muskuläre Gleichgewicht aufrecht zu erhalten, sollten die laterale, dorsale und ventrale Kette gleichermaßen gekräftigt werden.

Werden instabile Unterlagen eingesetzt, so spricht man von einem sensomotorischen Training. Auch dieses ist fester Bestandteil eines Rückentrainings. Als Sensomotorik bezeichnet man das Zusammenspiel von Nervensystem, Organen und bewegungsausführenden Organen. Durch die instabilen Übungsbedingungen in Verbindung mit zusätzlicher Verarbeitung äußerer Reize, werden neue Bewegungs- und Stabilisierungsanforderungen gestellt und es verändern sich Spannungs- und Bewegungsmuster (vgl. Heißel, 2010; Kempf, 2010; Schurr, 2011).

Sind die segmentalen Voraussetzungen geschaffen, kann der Funktionszustand des globalen Muskelsystems verbessert werden. Das globale System ist zum einen ebenfalls für die Stabilität der Wirbelsäule zuständig, zum anderen kann es aber auch die Bewältigung von Lasten und die aufrechte Haltung gewährleisten (vgl. Hildebrandt, 2004). Für Patienten mit unspezifischem Rückenschmerz ist die Kräftigung der Rücken- und Bauchmuskulatur^[1] von besonderer Bedeutung. Bei globalen Muskelgruppen hat sich ein dynamisches Krafttraining als überlegen erwiesen (Diemer & Sutor, 2011), was den Einsatz statischer Übungen allerdings gerade in Hinsicht auf die Stabilisationsfähigkeit nicht ausschließt. Rückenextension, -flexion, Lateralflexion und Rotationsübungen können sowohl an Groß-, als auch an Kleingeräten erfolgen. Die Intensität ist im Vergleich zum Training lokaler Stabilisatoren höher anzusetzen.

Auch, wenn sich die Beschwerden im lumbalen Bereich der Wirbelsäule befinden, werden neben Muskeln, die diesen Bereich stabilisieren, jene trainiert, welche eine aufrechte Haltung gewährleisten. Vorzugsweise an Großgeräten oder Seilzügen werden Schulterblattfixatoren, der breite Rückenmuskel und obere Anteile der rückenstreckenden Muskulatur trainiert^[2]. Das Training des M. latissimus dorsi durch verschiedene Zugübungen bewirkt eine Entlastung der Lendenwirbelsäule durch die Kraftübertragung der fascia thoracolumbalis (Kempf, 2010, S. 230). Primär kräftigende Übungen können immer auch im Therapieverlauf mit instabilen Elementen ergänzt werden, um so den sensomotorischen Effekt zu erhöhen. Beispielsweise kann die Kräftigung des Rückenstreckers auch erfolgen, wenn der Fixpunkt dabei ein großer Gymnastikball ist (ebd. S. 96).

Kräftigende Übungen mit komplexen Bewegungsmustern, insbesondere solche, die die geschlossene kinematische Kette trainieren, eignen sich zur Verbesserung der Körperwahrnehmung und der Bewegungskoordination. Eine korrekte Ausführung der Kniebeuge beispielsweise setzt die korrekte Wahrnehmung von Gelenkstellungen voraus. Diese Fähigkeit kommt auch der Wirbelsäule zugute. Voraussetzungen sind neben koordinativen Grundfähigkeiten auch sogenannte propriozeptive Fähigkeiten. Beide werden im nächsten Abschnitt genauer erläutert.

2.2.2 Training koordinativer Fähigkeiten

Die Verbesserung der koordinativen Fähigkeiten, insbesondere der Gleichgewichtsfähigkeit, gehört zu den Bausteinen der Verbesserung der rückenspezifischen Fitness (Kempf, 2010). Diemer & Sutor (2011, S. 167) nennen wesentliche koordinative Defizite von Rückenschmerzpatienten. Das Reproduzieren von Gelenkwinkeln sowie die Beckenkoordination seien gestört. Von den koordinativen Fähigkeiten sei vor allem die Gleichgewichtsfähigkeit herabgesetzt. Im Zusammenhang mit koordinativen Fähigkeiten wird auch von neuromuskulärer Kontrolle gesprochen. Hiermit ist das Zusammenspiel zwischen Muskeln und Nervensystem gemeint (Buck, Beckers & Adler, 2010). Dieser Aspekt spielt in Bezug auf Rückenschmerzpatienten vor allem eine wichtige Rolle bei der Ansteuerung von Muskeln zur Umsetzung einer ökonomischen Bewegung. In der Trainingspraxis geht es hierbei vor allem um die Ansteuerung segmentaler Stabilisatoren. Dieser Aspekt fällt weniger in den Bereich des Krafttrainings als in den Bereich der Koordination. Stabilisationsübungen wie der „Unterarmstütz“ oder das „bridging“ bieten nur die erschwerte Bedingung, um die Ansteuerung der Stabilisatoren trainieren zu können. So fällt es bei Rückenschmerzen schwerer, den tiefen Bauchmuskel M. transversus abdominis anzusteuern (vgl. Kempf, 2010). Übungen mit kurzem Hebel, wie beispielsweise in Trainingsschlingen oder an der Wand bieten die Möglichkeit, in einer geringen Intensität zu trainieren und so den Focus auf die Ansteuerung der Stabilisatoren zu legen. In Verbindung mit instabilen Unterlagen ist der Reiz für das neuromuskuläre System höher, als unter stabilen Verhältnissen (Heißel, 2010).

Offensichtlich hat das koordinative Training eine Schnittmenge mit dem Krafttraining. Besonders die komplexen Bewegungsabläufe nehmen Einfluss auf koordinative Fähigkeiten wie die Differenzierungsfähigkeit, Kopplungsfähigkeit und Gleichgewichtsfähigkeit. Defizite der neuromuskulären Steuerung der wirbelsäulenstabilisierenden Muskulatur sowie Einschränkungen propriozeptiver Fähigkeiten ziehen in der Folge auch koordinative Bewegungsdefizite mit sich (Streicher, 2005).

Freiwald et al. (2000) definieren propriozeptive Fähigkeiten als die „Fähigkeit der Wahrnehmung von Veränderungen innerer Strukturen und Funktionen“ (zitiert nach Woelki, 2005). Sie ordnen sie als Teilaspekt koordinativer Fähigkeiten ein. Sie umfasse die Reaktionsfähigkeit, Gleichgewichtsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit. Durch propriozeptive Fähigkeiten werden afferente Signale bewusst und unbewusst verarbeitet, welche der Bewegungssteuerung dienen und stellen somit die Grundlage der motorischen Kontrolle dar (Woelki, 2005). Das bedeutet, dass propriozeptive Fähigkeiten eng mit neuromuskulärer Kontrolle und Bewegungskoordination zusammenhängen.

In der Praxis werden im Bereich des Rückentrainings vor allem instabile Unterlagen eingesetzt, um die relevanten koordinativen Fähigkeiten zu schulen. Übungen, die die Gleichgewichtsfähigkeit betreffen, können auf Kissen oder Bällen im Stand, im Sitz oder auf den Knien absolviert werden, oder auch mit Kraftübungen kombiniert werden. Je komplexer die Zusatzbewegung und je instabiler die Unterlage, desto höher ist der koordinative Anspruch der Übung.

2.2.3 Haltungsschule und Bewegungskorrektur

Die Haltungsschule ist der ursprüngliche Inhalt der sogenannten „Rückenschule“ und stellt heute nur noch einen Teil eines modernen Rückentrainings dar (vgl. Tänzler, 2011). Die Haltungsschule kann in Kombination mit propriozeptivem Training stattfinden, wobei unter einem koordinativen Erschwernis wie einer instabilen Unterlage die physiologische Schwingung der Wirbelsäule gehalten werden soll. Jedoch wird darauf verzichtet, ausschließlich eine bestimmte Körperhaltung als korrekt anzusehen, da die Vielfältigkeit von Bewegungen im Vordergrund stehen soll (vgl. Albrecht, 2013; Diemer & Sutor, 2011; Kempf, 2010,). Dennoch gehen Rückenschmerzen häufig mit einer permanenten Fehlhaltung und Fehlbelastung einher, was die Wirbelsäule in ihren physiologischen Eigenschaften negativ beeinflusst.

Tänzler (2011, S. 16) bezieht sich auf O´Sullivan, laut dem die Kokontraktion der ventralen und dorsalen Rumpfmuskulatur entscheidend für die physiologische Schwingung der Brust- und Lendenwirbelsäule sei. Die Aufrechterhaltung dieser physiologische Schwingung kann sowohl Teil eines propriozeptiven Trainings sein, wird aber auch innerhalb von Kraftübungen trainiert. Das Ziel innerhalb eines Rückentrainings ist vor allem die Wahrnehmung und Steuerung der Beckenkippung in verschiedenen Positionen sowie die Steuerung der Brustkorbhebung (vgl. Kempf, 2010). Diese Elemente sind entscheidend für eine aufrechte Haltung und Grundlage für das Heben von Lasten und für die Durchführung von Übungen des Krafttrainings.

Bei Haltungs- und Stabilisationsübungen spielt die Ansteuerung des Beckens eine große Rolle, da die Beckenposition Einfluss auf den Lordosewinkel und damit auf die Kokontraktion von lokalen und globalen Stabilisatoren hat (Dankaerts et al. in Tänzler, 2011). Für Albrecht (2013) geht es aber nicht darum, gegen das Hohlkreuz zu arbeiten, sondern um die Beibehaltung der physiologischen Lendenlordose. Das Becken sei in eine Mittelstellung zu bringen. Darüber hinaus gelte es, an der Aufrichtung der Brustwirbelsäule zu arbeiten, da eine Hyperkyphose negativen Einfluss auf die Lendenlordose nehme. Es sind also im Rahmen eines Rückentrainings Übungen zur Aufrichtung der Brustwirbelsäule und zur Anhebung des Brustbeins durchzuführen. Dies kann sowohl Teil eines koordinativen Trainings, als auch eines Krafttrainings sein.

Ein weiterer Schritt der Haltungsschule ist die Stabilisation des Rückens während des Hebens von Lasten. Eine Übung, die ein sensibles Vorgehen erfordert, ist das Kreuzheben mit moderatem Gewicht. Mit geringem Gewicht spielt der Kraftzuwachs bei dieser Übung nur eine untergeordnete Rolle. Bei dem Training der alltagsrelevanten Hebetechnik liegt der Anspruch darauf, keine segmentale Bewegung in allen Ebenen der Wirbelsäule während der Beschleunigung zuzulassen (Diemer & Sutor, 2011, S. 171).

3 Theoretischer Hintergrund der Elektromyostimulation

Im vorherigen Kapitel wurden die Problematik der Multikausalität von unspezifischen Rückenschmerzen sowie die praktischen Therapieansätze genauer erläutert. Dabei stellte sich heraus, dass dem Krafttraining zur Stabilisierung der Wirbelsäule eine entscheidende Rolle beigemessen wird. In Kapitel 1 der Arbeit wurden Quellen genannt, welche die GK-EMS als effektive Trainingsmethode bezeichnen. Laut Mester et al. (2010) ist die Elektromyostimulation „als alternative Methode zum klassischen Training in den Vordergrund gerückt“, was vor allem auf die Verkürzung der Trainingszeit und auf die Ausschöpfung von Leistungsreserven zurückzuführen sei. Diese Attribute beziehen sich jedoch nicht explizit auf ein Rückentraining mit GK-EMS, sondern auf ein herkömmliches GK-EMS-Training mit dem Ziel der Kraftsteigerung. Dennoch ist zu prüfen, ob diese Art der elektrischen Stimulation, die ihre Ursprünge in der Physiotherapie hat, Vorteile für Menschen mit unspezifischem Rückenschmerz mit sich bringt.

Die Literatur, die die Elektrostimulation behandelt, befasste sich bislang kaum mit dem Einsatz der GK-EMS-Trainingsgeräte an Rückenschmerzpatienten, sondern lediglich mit dem Einsatz der lokalen EMS zur Schmerzlinderung. Laut Fehr (2010, S. 66 f.) werden tiefere Muskelschichten selbst bei relativ geringer EMS-induzierter Kraft angesprochen. Dies würde für einen Einsatz innerhalb eines Rückentrainings sprechen, bezieht man sich auf die Notwendigkeit des Trainings lokaler Stabilisatoren.

Um Hypothesen in Bezug auf GK-EMS bei Rückenschmerzpatienten aufstellen und überprüfen zu können, muss zunächst eine theoretische Grundlage geschaffen werden. In den folgenden Abschnitten werden die Ursprünge von EMS erklärt und die Wirkungsmechanismen der Trainingsmethode der GK-EMS erläutert, wobei auch auf die genaue Erregungsphysiologie der EMS im Allgemeinen eingegangen werden muss. Schließlich wird ein Zusammenhang zwischen den Eigenschaften eines EMS-Trainings und den Anforderungen eines Rückentrainings hergestellt. Die Studienlage kann Aufschluss über den Forschungsstand geben und vor allem als Hilfestellung für die Hypothesenformulierung und Methodenkonzeption dienen.

3.1 Geschichte und Definition von GK-EMS

Die relativ neuartige GK-EMS als Krafttrainingsmethode ist nur ein Teil der niederfrequenten EMS (NF-EMS), welche wiederum aus der Elektrotherapie hervorgeht. EMS steht für Elektromyostimulation, wobei das „myo“ für griechisch „myos“, also „Muskel“ steht. Deshalb ist auch der Begriff „Elektromuskelstimulation“ geläufig. Die Applikation von elektrischen Strömen hat seinen Ursprung in der Schmerztherapie. Bereits seit der Antike ist die schmerzstillende Wirkung elektrischer Ströme bekannt. So wurden Schmerzen im Bewegungssystem und auch Kopfschmerzen mit dem Einsatz von Zitterrochen behandelt, welche in ihrer Muskulatur Spannungen bis zu 1000 V erzeugen können. Mit Erfindung der Gleichstrombatterie 1799 durch Volta war die Behandlung mit Gleichstrom möglich und die Elektrotherapie entwickelte sich konsequent weiter. Anfang des 20. Jahrhunderts begann die Entwicklung von Methoden zur Reizung von Muskeln und Muskelgruppen. 1901 wurde das erste Stimulationsgerät entwickelt und folglich zur Behandlung von Muskellähmung und Neuralgien eingesetzt. In den 60er-Jahren hat sich die Reizung von Mechanorezeptoren zur Schmerzlinderung bewährt und wird heute noch als „Transkutane Nervenstimulation“ (TENS) eingesetzt, welche 1972 schlussendlich entwickelt wurde. Dabei handelte es sich um kleine Taschenstimulatoren, ermöglicht durch die Entwicklung der modernen Mikroelektronik (Bossert et al., 2006; Fehr, 2010; Fenrich, 2000; Fialka-Moser, 2005; Wenk, 2004).

Zur selben Zeit gewann die Elektrostimulation auch als Krafttrainingsmethode an Bedeutung. Ihr Einsatz war allerdings nicht wissenschaftlich abgesichert und beruhte auf Erfahrungswerten. Dennoch reicht der Einsatz im Leistungssport bis in die 60er-Jahre zurück und erreichte zum Anfang der 70er-Jahre seinen Höhepunkt zur Sommerolympiade 1972 in München. Die Publikationen von Kotz und Chwilon aus dem Jahr 1971, welche zunächst der Geheimhaltung unterstellt waren, werden häufig als Beginn der elektrischen Muskelstimulation im Sport gewertet. Die Studie lieferte Ergebnisse, wonach durch EMS im Leistungssport eine um 10-30 % höhere Maximalkraft und ein Zugewinn von bis zu 40 % in wenigen Wochen zu erwarten sei. Seitdem wird die EMS auf ihren Effekt auf verschiedene Parameter der Leistungssteigerung und des Wohlbefindens wissenschaftlich untersucht. Ergebnisse wie in der Studie von 1971 konnten allerdings bis heute nicht vollständig bestätigt werden (vgl. Fehr, 2010; Vogelmann, 2013).

In der Rehabilitation hat die EMS einen festen Platz eingenommen, wobei ihre Wirkung weitgehend unumstritten ist. Wichtigster Einsatzbereich ist hier die Stimulation der Muskulatur nach einer Ruhigstellung zur schnellen Wiederherstellung des Ausgangsniveaus. Die Minderung einer Inaktivitätsatrophie durch zusätzliche EMS Anwendung wird durch zahlreiche Studien belegt (Fehr, 2010, S. 33; Maffiuletti, 2000) und von der Fachliteratur wiedergegeben. Zudem werden unterschiedliche Stromarten zur Schmerzlinderung und Lockerung der Muskulatur eingesetzt (vgl. Bossert et al., 2006; Wenk, 2004).

Der besondere Fokus dieser Arbeit liegt auf der dynamischen GK-EMS als potenzielle Methode eines Rückentrainings mit simultaner Stromapplikation. Zahlreiche Hersteller bieten mittlerweile sowohl lokale EMS als auch GK-EMS an. Während die lokale EMS auf den stimulierten Muskel begrenzt ist, werden bei der GK-EMS mehrere Muskelgruppen gleichzeitig gereizt.

GK-EMS kann man als Trainingsmethode bezeichnen, bei der die Innervation möglichst vieler Gruppen der Skelettmuskulatur angestrebt wird, wobei der Reizstrom über Oberflächenelektroden appliziert wird. Die Besonderheit von GK-EMS ist, dass Agonist und Antagonist simultan stimuliert werden (vgl. Kleinöder, 2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. Anwendungsbereiche der EMS. Die rotumrandete „GK-EMS“ ist Schwerpunkt dieser Arbeit. Die fettgedruckten Strom- und Trainingseigenschaften sind entweder im Bereich GK-EMS oder für diese Arbeit besonders relevant.

Im Zusammenhang mit der Krafttrainingsmethode im Sportbereich mittels elektrischer Impulse, ist mit EMS größtenteils GK-EMS gemeint, da sich diese Form der Stimulation bei den Anbietern etabliert hat. Hierbei trägt der Trainierende eine Weste und Gurte, in denen Elektroden eingearbeitet sind. Je nach Anbieter gibt es verschiedene Gurte, die normalerweise jeweils an Gesäß, Armen und Oberschenkeln so platziert werden, dass sie „über Muskelbauch des Agonisten und ggf. des jeweiligen Antagonisten liegen“. So lägen die Elektroden auf den Oberarmmuskeln, Bauchmuskeln, Trapezmuskeln und auf der Latissimus-, unteren Rücken-, Gesäß- und Oberschenkelmuskulatur (Vogelmann, 2013, S. 8). Ist der Trainierende mit den Elektroden verbunden und an das EMS-Gerät angeschlossen, kann sowohl aus vorgegebenen Trainingsprogrammen ausgewählt werden, als auch eine manuelle Festlegung der Stromparameter erfolgen. So kann eine Stimulation entsprechend des Trainingsziels erfolgen, wie zum beispielsweise zur Optimierung eines Trainings einer bestimmten Kraftfähigkeit, zur Schmerzbehandlung oder zur Regeneration und Erholung (vgl. Kleinöder, 2007; Vogelmann, 2013).

Auf die Stromcharakteristika und auf die Reizübertragung wird in den folgenden Kapiteln eingegangen.

3.2 Grundlagen der Elektrotherapie

Grundsätzlich haben sich im geschichtlichen Verlauf der Elektrotherapie unterschiedliche Zwecke herausgebildet. Dementsprechend unterschiedlich sind auch die angewendeten Stromformen. Die Fachliteratur der Elektrotherapie führt Einsatzgebiete für die Bereiche der Galvanisation (0 Hz), der Niederfrequenztherapie (1 - 1000 Hz), der Mittelfrequenztherapie (1000 - 100 000 Hz), der Hochfrequenztherapie (ab 100 000 Hz) und der Ultraschalltherapie (ab 800 000 Hz) auf. Die GK-EMS wird hauptsächlich im niederfrequenten und teilweise im mittelfrequenten Bereich praktiziert. In diesen Frequenzbereichen wird zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom unterschieden. Während ein Gleichstrom fast immer dieselbe Spannung liefert und der Strom in die gleiche Richtung fließt, ändern sich Stromrichtung und -spannung der Wechselstromquelle zyklisch (Bossert et al., 2006; Fialka-Moser, 2005; Jenrich, 2000; Wenk, 2004).

Für die Reizung einer Muskelzelle wird ein Strom benötigt, der plötzlich ein- und wieder ausgeschaltet werden kann. Ein sogenannter Reizstrom kann monophasisch (Gleichstrom) oder biphasisch (Wechselstrom) charakterisiert sein. „Im Bereich der elektrischen Muskelstimulation wird heutzutage überwiegend niederfrequenter biphasischer Reiz-/ Impulsstrom verwendet“ (Vogelmann, 2013, S. 12-17). Laut Wenk (2004, S. 120) handele es sich bei einem niederfrequenten Reizstrom um einen rhythmisch ansteigenden und wieder abfallenden Strom. Er erreiche seinen Höchstwert entweder sofort oder mit einer Verzögerung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3. Darstellung der Impulsformen eines Reizstroms (Dörmann, 2010, S. 65, nach Bossert, 2006, S. 11)

Bezogen auf die Stromform gibt es rechteckige, sinusförmige und dreieckige Ströme. Ein Reizstrom kann bei gleicher Frequenz des Stroms unterschiedliche positive und negative Anteile aufweisen. Zur Auslösung einer Kontraktion sind allerdings prinzipiell auch monophasische Impulsströme geeignet. Diese können genauso wie biphasische Ströme rhythmisch und charakteristisch geformt sein (vgl. Fehr, 2010, S.43).

Der Großteil der EMS-Geräte auf dem Markt arbeitet mit einem niederfrequenten Reizstrom. Allerdings ist eine Muskelstimulation auch mit einem mittelfrequenten Wechselstrom möglich, wobei die Wirkung der Geräte dann EMA (Elektromyoaktivierung) und nicht mehr EMS genannt werden, da laut Hersteller eine aktivierende Wirkung auf die Muskelfaser aufgrund der Eigenschaften der Mittelfrequenz vorliegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4. Reizung der Nervenfaser bei niederfrequentem Reizstrom und direkte Reizung der Muskelfasern bei miettelfrequentem Reizstrom (Senn & Rusch, 1990, S. 91)

Bei der EMS hingegen erfolgt zunächst die Stimulierung der Nervenfaser. Bei einem mittelfrequenten Strom ermüden die Nervenfasern schneller als die Muskelfasern, weshalb hier primär die Muskelfasern gereizt werden (vgl. Vogelmann, 2013, S. 20). Die genauen Erregungsprozesse der EMS werden im folgenden Kapitel erläutert.

3.2.1 Parameter eines Reizstroms

Für das Einsatzgebiet der Stromform im Sport oder in der Therapie sind die Charakteristika entscheidend, die den Reizstrom beschreiben. Von diesen hängt zum Beispiel bezogen auf ein GK-EMS-Training ab, ob es zu einer optimalen Muskelkontraktion von unterschiedlichen Fasertypen kommt und wie verträglich der Reizstrom ist.

Die Stromflusszeit und die Pausenzeit sind wichtige Größen, welche die Zeit angeben, in der der Strom entweder fließt oder unterbrochen ist. Lake (1992) beschreibt den Wechsel zwischen Stromfluss und Pause als „duty cyrcle“, wobei „on-time“ und „ off-time“ einen „total cyrcle“ ergäben. Er beschreibt Stromfluss und -pause jeweils in Prozent. Dörmann (2010, S. 82) fasst jeweils Studien zusammen, die einen „duty cycle“ von unter 50 %, aber auch gleich 50 % und über 50 % aufzeigen. Sie zitiert Appell (1997), welcher ein Verhältnis von „eins zu eins oder eins zu fünf“ empfiehlt, um eine ausreichende Regenerationszeit zur Auffüllung der Energiespeicher sowie einer „Restitution der motorischen Endplatte“ zu gewährleisten.

Pausen sollen deshalb geschaltet werden, da es sonst zu einer unangenehmen Dauerkontraktion kommen würde, dessen Folgen eine Abnahme der Durchblutung und Verspannungen der Muskulatur wären. Bei monophasischem wie auch bei biphasischem Strom können die Übergänge von Pause zu Impuls verlangsamt werden, was man bei einem Gleichstrom als „Ein- und Ausschleichen“ versteht und bei einem Wechselstrom als „Schwellung“ bezeichnet. In der Veränderung der Stromform äußert sich die Schwellung beispielsweise als trapezförmiger Strom. Die Schwellung ist dabei durch die Anstiegs- oder Anschwellzeit charakterisiert und gibt an, in welcher Zeit der Höchstwert der Stromstärke erreicht wird. Diese Veränderung des Stromflusses bezeichnet man als Modulation. Neben der Schwellung kann auch die zeitliche Frequenz moduliert werden, was bedeutet, dass sich die Frequenz des Behandlungsstroms fortlaufend verändert (Bossert et al., 2006, S. 11 f.; Fialka-Moser, S. 39-44; Wenk, 2004, S. 30 ff.).

Die Frequenz ist besonders entscheidend für den Effekt und das Anwendungsfeld des Reizstroms. Während niedrige Frequenzen bis 30 Hz zum Zweck der Schmerzlinderung und zur Aktivierung des Sympathikus eingesetzt werden, liegt die optimale Frequenz zur Reizung quergestreifter Muskulatur bei 50 Hz - 100 Hz. „Die Kontraktionen können hierbei optisch nicht mehr voneinander abgegrenzt werden […]. Durch rhythmische Stromstärkeänderungen werden dem Muskel Erholungspausen geboten“ (Wenk, 2007, S. 33 in Fehr, 2010). Der EMS-Gerätehersteller Miha Bodytec (Gersthofen) nennt in seinem Schulungshandbuch (o.J. b) für ihre GK-EMS-Geräte eine Frequenz von 80 - 85 Hz als Idealfrequenz für das allgemeine Krafttraining, in welchem Kraftzuwachs und Hypertrophie im Vordergrund stehen. Bei einem Schnellkrafttraining im Leistungssportbereich seien auch Frequenzen bis zu 100 Hz möglich. Die oberste Impulsfrequenzgrenze im Training läge zwischen 150 und 200 Hz, da ab diesem Bereich die Stärke der Muskelkontraktion langsam wieder nachlasse. In der Literatur wird das Thema der Frequenz differenzierter dargestellt. Zur Stimulation langsamer Typ-I-Muskelfasern genüge eine Frequenz ab 10 Hz, da ihr Stimulationsmaximum bei 40 - 200 Hz liegt. Die schnellen phasischen Typ-II-Fasern erreichen den Tetanus ab 30 Hz. Das eng begrenzte Stimulationsmaximum liegt hier bei 50-60 Hz (Bossert et al., 2006, S. 86 f.; Jenrich, 2000, S. 70 f.). Frequenzen von 5 - 15 Hz eignen sich für ein Kraftausdauertraining der Typ-1-Fasern und ermöglichen laut den Ergebnissen aus Tierversuchen eine Transformation der Faserstruktur zugunsten der langsamen Muskelfasern. (Fialka-Moser, 2005, S. 58 f.). Wenn bei einem GK-EMS-Training aber möglichst viele Muskelfasern aktiviert werden sollen, sollte die Frequenz mindestens 50 Hz betragen.

Die Spitzenstromstärke ist eine weitere Charakteristik des Reizstroms. Sie ist der kurzzeitig maximal fließende Strom. Im Bereich der GK-EMS ist die Stromstärke entscheidend für die Stärke der Muskelkontraktion und mitbestimmend für die Intensität des Trainings. Laut Fialka-Moser (2005, S. 54) sollte die Stromstärke so reguliert werden, dass möglichst kräftige, submaximale Muskelkontraktionen ausgelöst werden. Die Intensität des Trainingsreizes richtet sich in wissenschaftlichen Studien meist nach der individuellen Schmerzgrenze. Demnach solle die Reizintensität als „anstrengend“ bis „sehr anstrengend“ empfunden werden (Gondin, Guette, Balley & Martin, 2005; Kemmler, Teschler & Stengel, 2015 a; Maffiuletti et al., 2000). Der EMS-Gerätehersteller Miha Bodytec (o.J. b) erläutert die Bedeutung der Stromstärke folgendermaßen:

Da die Stromstärke den Grad der Rekrutierung der Nerven und Muskelfasern bestimmt, gilt: Je höher die Stromstärke festgelegt wird, desto stärker wird der Muskel kontrahiert. Da der Hautwiderstand und das durchströmte Gewebe die Stärke des im Erfolgsorgan eintreffenden Stroms verändern, sind bislang keine Angaben über die optimale Stromstärke zu finden. Beispielsweise kontrahiert die Muskulatur bei Menschen mit einem hohen Unterhautfettgewebsanteil bei gleicher Intensität schwächer als bei „normalgewichtigen“ Personen. Im tiefen Muskelgewebe muss eine ausreichende Stromdichte (Stromstärke pro Fläche) auftreffen, um vollständige Kontraktionen auszulösen. Hierfür werden hohe Stromstärken von 40 - 100 mA angeraten.

Zudem geht der Hersteller auch auf die Impulsbreite ein. Je länger ein Impuls dauere, desto tiefer könne er in das Muskelgewebe eindringen und die Rekrutierung der motorischen Einheiten steigern. Der übliche Impulsbereich bei der GK-EMS läge bei 250 - 350 μs. Da Orientierungswerte für die Impulsbreite in Studien und in der Fachliteratur sehr unterschiedlich dargelegt werden, ist es naheliegend, dass sich die Angaben von Miha Bodytec zum Teil auf Erfahrungswerte stützen.

Laut Bossert et al. (2006) wirke der Impuls intensiver, je größer die Impulsbreite ist. Demnach könnten bei größeren Impulsbreiten auch tiefliegende Muskelfasern stimuliert werden. Da größe Impulsbreiten über 400 µs als unangenehm empfunden werden, empfählen sich laut Studien Impulsbreiten von 300 - 400 µs.

3.2.2 Reizübertragung durch GK-EMS

Die Kontraktion der Muskulatur von Menschen und Tieren basiert auf Nervenimpulsen, beziehungsweise auf Aktionspotenzialen, welche ein universelles Kommunikationsmittel innerhalb des Nervensystems darstellen (Vogelmann, 2013 nach Faller & Schünke, 1999, S. 113). Bei der GK-EMS werden dem Trainierenden Westen und Gurte angelegt, deren Oberflächenelektroden direkt auf der Haut liegen. Diese können die durch das EMS Gerät applizierten Impulsströme an die motorischen Nerven der innervierten Skelettmuskulatur abgeben. Das heißt zwar, dass es grundsätzlich keiner Steuerung des zentralen Nervensystems bedarf, nervale Strukturen jedoch nicht komplett umgangen werden (vgl. Vogelmann, 2013; Wenk, 2004). Über die elektrische Muskelreizung, welche eng mit den Ruhe- und Aktionspotenzialen der Zellen zusammenhängen, kommt es bei einer Elektromyostimulation unter der Voraussetzung einer ausreichend hohen Stromstärke und Stromdichte zu einer Kontraktion des innervierten Muskels. Da die Reizschwelle der Axonmembran niedriger ist als die der Muskelfasermembran, werden die Muskelfasern, anders als bei der Mittelfrequenztherapie, über den versorgenden Nerv gereizt (vgl. Fehr, 2010, S. 65).

Die Auslösung eines Aktionspotenzials basiert auf einer Veränderung des Ruhepotenzials, bei dem Spannungsdifferenzen zwischen dem Zellinneren und -äußeren herrschen. Es liegt eine ungleiche Ionenverteilung vor, da im Inneren eine höhere K+-Konzentration und eine niedrigere Na+-Konzentration vorliegt als außerhalb. So ist die Membranaußenseite positiv und die Membraninnenseite negativ geladen. Muskel- und Nervenzellen verändern die Ionenleitfähigkeit ihrer Membran bei einem elektrischen Reiz. Durch den Stromimpuls nimmt die Permeabilität für Na+Ionen zu, wodurch das Potenzial weniger negativ wird. Bei einer kritischen Schwelle steigt die Na+-Permeabilität um ein Vielfaches an, so dass Na+-Ionen sehr schnell in die Zelle einströmen können (Depolarisation). In Folge dessen kommt es zu dem sogenannten Aktionspotenzial. In der Nervenzelle ist dies das weitergeleitete Signal und führt am Muskel zu einer Kontraktion. Um ein Aktionspotenzial auslösen zu können, wird eine Schwellenstromstärke benötigt, die so hoch ist, dass nach der sogenannten „Alles-oder-Nichts-Regel“ eine volle Erregung erzielt wird. Die Mindeststromstärke ist abhängig von Individuum und Muskel. Neben der Stromstärke ist auch die Anstiegssteilheit und die Zeitdauer des Stroms von Bedeutung, da nach Beginn des Stromeinflusses gegenläufige Prozesse im Nervengewebe auftreten (vgl. Bossert et al., 2006, S. 6; Jenrich, 2000, S. 8 ff.; Wenk, 2004, 59 ff.).

Grundsätzlich gilt, dass jeder Reiz eine vollständige Kontraktion der gesamten Muskelfaser bewirkt. Je höher die Stromstärke ist, desto mehr motorische Neurone werden depolarisiert und desto mehr Fasern kontrahieren bis zur Maximalkontraktion des Muskels. Bei der GK-EMS verharrt die gereizte Muskulatur ab einer Frequenz von 50 Hz während der gesamten Stromflusszeit in einer Dauerkontraktion (Fialka-Moser, 2005, S. 46). Dies liegt daran, dass die Kontraktion des Muskels bei EMS zehnmal langsamer abläuft als die vorausgegangene Erregung, weshalb sich Kontraktionen überlagern können, bis es schließlich zur Dauerkontraktion kommt. Die summierten Kontraktionen können dadurch eine Kraft produzieren, die über dem zehnfachen der Einzelkontraktion liegt (vgl. Stumpf, 2009, S. 6 f. nach de Marées, 2000).

Ein positiver Nebeneffekt der Reizübertragung in der Elektrotherapie, wo EMS miteinbezogen werden kann, ist die gleichzeitig direkte Blockade von Schmerzfasern durch Hyperpolarisierung der Nervenmembran bei einer Frequenz von 50 - 100 Hz (vgl. Fialka Moser, 2005; Jenrich, 2000). Während der Elektrostimulation kommt es zu einer Erregung von A-beta-Fasern, die Vibrations- und Berührungsreize übermitteln. Da diese schneller an das zentrale Nervensystem geleitet werden als die für die Wahrnehmung von Schmerzen verantwortlichen A-delta- und C-Fasern, dominieren sie über die langsameren Fasern bereits an den Synapsen auf Rückenmarksebene. Zudem aktivieren sie dort Hemmzellen, die wiederum die Weiterleitung der A-delta- und C-Fasern hemmen. Es handelt sich also um eine Maskierung von Schmerz, welcher auch als „Verdeckungseffekt“ bezeichnet wird (Wenk, 2004, S. 56). Dieser Effekt ist am stärksten, wenn beispielsweise Haut- und Muskelrezeptoren gleichzeitig aktiviert werden. Dies ist bei GK-EMS der Fall (Bossert et al., 2006, S. 31).

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^[1] In diesem Zusammenhang sind vor allem die Bauchmuskeln M. obliquus abdominis internus, - externus und M. rectus abdominis sowie die Rückenmuskulatur des M. erector spinae gemeint.

^[2] Betrifft vor allem Mm. rhomboideii, M. trapezius, M. latissimus dorsi, M. erector spinae, M. teres major.