Entwicklung einer neuen digitalen Kraftmessmethode und Analyse der Ermüdung des Musculus adductor pollicis - Preiss, O. (Justus-Liebig-Universität, 2004)
Muskuläre Ermüdung ist ein Phänomen, das jedem Menschen wiederholt begegnet, sei es beim Tragen eines schweren Koffers oder bei bestimmten sportlichen Übungen wie beispielsweise Klimmzügen. Definieren kann man das Phänomen als eine durch Belastung verursachte Verminderung der Muskelkraft [10, 14]. Mit steigender Belastung beschleunigt sich der Abfall der Muskelkraft und der Zeitpunkt der Erschöpfung wird schneller erreicht. Der Begriff der muskulären Erschöpfung ist schwer zu definieren und nur im Kontext mit einer spezifischen Belastung möglich. Im Bereich der Atemmuskulatur wurde dieses Gebiet in den letzten Jahren eingehend bearbeitet, nachdem die Ermüdung der Atemmuskulatur als eine wichtige Ursache der respiratorischen Insuffizienz bei Patienten mit Lungenkrankheiten identifiziert wurde. Neue Technologien der Heimbeatmung helfen den Patienten länger leistungsfähig zu bleiben. Diese Therapie basiert auf der Erkenntnis, dass die ermüdete Atemmuskulatur Erholungspausen benötigt, um sich zu regenerieren. Nun leiden Patienten mit chronischen Lungenkrankheiten auch unter einer allgemeinen muskulären Beeinträchtigung, indem Schlüsselenzyme des Zitratzyklus vermindert sind und entsprechend die Metabolisierung von Fetten limitiert ist [25]. Der Energiebedarf der Skelettmuskulatur muss überwiegend durch Kohlenhydrate gedeckt werden. Das hat eine beschleunigte Ermüdbarkeit zur Folge. Gleichzeitig ist die gesamte Muskelmasse reduziert. Diese beiden Faktoren tragen erheblich dazu bei, dass die Patienten auch nach einer erfolgreichen Lungentransplantation nur ca. 50 % der altersentsprechenden Sauerstoffaufnahme erreichen [36]. Um nun den Grad der muskulären Beeinträchtigung zu erfassen, benötigt man eine Messapparatur, die sowohl die Kraft als auch das Durchhaltevermögen der Muskulatur zuverlässig aufzeichnet und für die Auswertung vorbereitet. Ein wichtiger Bestandteil der vorliegenden Arbeit war es, hierfür eine geeignete Messmethodik zu entwickeln und den Zusammenhang zwischen Belastung und Durchhaltevermögen bei gesunden Probanden zu studieren. Die muskuläre Ermüdung sollte unabhängig von kardiovaskulären und ventilatorischen Limitierungen untersucht werden, weil sich ansonsten äußerst vielfältige Interaktionen ergeben würden, die den Metabolismus, die Kreislaufregulation und die Thermoregulation betreffen. Um eine Unabhängigkeit des muskulären Durchhaltevermögens von diesen Faktoren zu erreichen, muss die untersuchte Muskelgruppe so klein sein, dass ihre Belastung weder die allgemeine Hämodynamik noch die Ventilation signifikant beeinflusst. Diese Bedingung ist für die Daumenmuskulatur erfüllt, die sich außerdem durch die direkte Kraftübertragung auf ein Messgerät besonders gut für Untersuchungen der muskulären Ermüdung eignet. Wie einige Voruntersucher [9, 11] entschieden wir uns für den Musculus adductor pollicis, der sich aufgrund seiner guten Zugänglichkeit und dem Vorhandensein einer von ihm dominierten Kontraktionsrichtung für die vorliegende Fragestellung besonders anbot. Da die Ergebnisse auch für die Atemmuskulatur relevant sein sollten, wurde ein rhythmisches Belastungsmuster gewählt. Bei vielen physiologischen Belastungen handelt es sich um intermittierend durchgeführte submaximale Kontraktionen der Muskulatur. Als Beispiel seien hier die Kontraktionen der Wadenmuskulatur beim Laufen oder eben die des Zwerchfells während der Inspiration erwähnt. Maximale und kontinuierliche Kontraktionen sollten möglichst vermieden werden, da in beiden Fällen die muskuläre Ermüdung durch Minderperfusion schnell eintritt [34, 35] und der Kraftabfall bei einer Belastung von 50 % schon innerhalb der ersten Minute einsetzt. Zu den häufigsten Bewegungsformen im Alltag zählen kombiniert isotonischisometrische Kontraktionen. Da diese Bewegungen sehr komplex sind und keine Messung der Maximalkraft oder der verbleibenden Kraftreserven zulassen, verwendeten wir, wie zahlreiche Voruntersucher [3, 6, 8, 15, 20, 21, 23, 26, 30, 38], rein isometrische Kontraktionen. Durch die fehlende Muskelverkürzung wurde dabei im rein physikalischen Sinn keine Arbeit erbracht (Arbeit = Kraft x Weg). B. Bigland-Ritchie entwickelte 1986 ein Messprotokoll [10], welches es ermöglichte, einen Kraftabfall bei submaximalen intermittierenden Kontraktionen sichtbar zu machen. Diese inzwischen etablierte Methode wurde auch in der vorliegenden Untersuchung verwandt. Auch am M. add. poll. wurden in der Vergangenheit Messungen mit Hilfe dieses Protokolls durchgeführt [9, 10, 11]. Die Messapparatur sollte sowohl eine kontinuierliche Aufzeichnung der Kraft über den gesamten Untersuchungszeitraum, als auch eine automatische Auswertung hinsichtlich der mittleren abgegebenen Leistung ermöglichen. Um auch den Einsatz im klinischen Alltag zu ermöglichen, musste das Kraftmessgerät einfach in der Handhabung und mobil einsetzbar sein. Die Konstruktion der Messeinheit sowie die Programmierung des angeschlossenen Computers beanspruchten dementsprechend einen erheblichen Teil der experimentellen Arbeit. Ziel dieser Untersuchung war es, neue Erkenntnisse im Hinblick auf den Beginn und den Verlauf der muskulären Ermüdung, einem idealen Kraft-Ausdauer Verhältnis und zu dem Thema "zentrale Ermüdung" zu gewinnen. Hierfür war es von besonderer Bedeutung einerseits die Belastungsstufe zu identifizieren, bei der erste Ermüdungserscheinungen auftreten, andererseits eine Aussage darüber zu erhalten, bei welcher Belastung das Durchhaltevermögen besonders gut ist. Als "optimale Belastung" bezeichneten wir das Anforderungsniveau, bei dem in einem festgelegten Zeitintervall von 10 Minuten die höchste Gesamtarbeit erreicht wurde. Im Alltag entspräche dies zum Beispiel einem Bergsteiger, der in einem vorgegebenen Zeitraum möglichst viele Höhenmeter erklimmen soll. Zur Messung dieser in einem festgelegten Zeitintervall erbrachten Gesamtarbeit war es nötig, eine in diesem Zusammenhang neue Messgröße, die "Arbeitskapazität", einzuführen. Sie wurde durch den angeschlossenen Rechner nach jeder Messung ermittelt. Wir verwendeten in den verschiedenen Messungen submaximale Belastungen (target force, TF) zwischen 0 und 70 % der individuellen Maximalkraft (MK). Die Frage, ob jede muskuläre Anstrengung eine zunehmende Ermüdung zur Folge hat, muss man verneinen, wenn man davon ausgeht, dass Muskeln wie das Zwerchfell ein Leben lang weitgehend ermüdungsfrei arbeiten müssen. Die Belastung muss somit nur ausreichend niedrig gewählt werden, um "ermüdungsfrei" zu sein. Um die Ermüdung im Bereich der Atemmuskulatur zu untersuchen, wurde von F. Bellmare und A. Grassino 1982 [6] der Tension-Time-Index (TTI) eingeführt. Er berechnet sich aus dem Verhältnis von maximalem (Pimax) zu dem geforderten submaximalen Inspirationsdruck (Pi) multipliziert mit der Inspirationszeit (TI) pro Atemzyklus (TTOT). (Pi / Pimax) x (TI / TTOT) Um einen Vergleich zu ermöglichen, berechneten wir einen entsprechenden Quotient auch für die Arbeit des M. add. poll. Neue Aspekte zeigten sich bezüglich der zentralen Ermüdung. Sie kann als die Unfähigkeit charakterisiert werden, einen Muskel durch zentralnervöse Steuerung maximal zu aktivieren. In den vorangegangenen Studien [2, 10, 11, 15, 21, 23] ging man davon aus, dass submaximale Kontraktionen so lange in vollem Umfang ausgeführt werden können, bis die muskulären Reserven erschöpft sind. Erst dann könnte die geforderte Kraft nicht mehr erbracht werden. Die Ergebnisse, die unter dieser Prämisse analysiert wurden, konnten beim M. add. poll. keine zentrale Ermüdung feststellen. Anders ausgedrückt: Die Willkürmotorik zeigte keine Ermüdung, die über die rein muskuläre Ermüdung hinausging. Jedoch wurde in allen oben erwähnten Untersuchungen eine exakte Aufzeichnung der submaximalen Kontraktionen nicht berücksichtigt. Unsere Messapparatur erlaubte eine lückenlose Aufzeichnung der erbrachten Leistung und lieferte Hinweise darauf, dass auch am M. add. poll. eine zentrale Ermüdung vorkommt. In Untersuchungen der Atemmuskulatur konnte schon 1986 von F. Bellmare und B. Bigland-Ritchie [7, 42] eine zentrale Komponente der Ermüdung nachgewiesen werden. Ein weiterer Schwerpunkt unserer Untersuchung war der Vergleich von Maximalkraft und Durchhaltevermögen in Bezug zur sonographisch ermittelten Muskelmasse und im Hinblick auf das Geschlecht der Probanden. Zu diesem Thema fanden sich nur wenige vorangegangene Studien. Zaciorskij [24] beschrieb allerdings schon 1968 am Beispiel von Gewichthebern, dass es bei zunehmender Körpermasse keinen linearen Anstieg der Muskelkraft gab und sich somit das relative Leistungsgewicht verschlechtere. Ein Unterschied war somit allein aufgrund der unterschiedlichen Muskelmasse beider Geschlechter zu erwarten. Entsprechend wurden die erbrachten Leistungen nicht nur auf die Körpermaße und das Volumen des M. add. poll. bezogen analysiert.