WISSENSCHAFTLICHE ARTIKEL
Mechanische Kriterien für die Progression bei Übungen der Innen- und Außenrotation der Schulter in der Sagittalebene
Toledo JM; Ribeiro DC; Loss JF
School of Physical Education, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS – Brasilien
Korrespondenz an
ABSTRACT
Einführung: Die Kenntnis der Kapazität zur Erzeugung von Drehmoment und Kraft sowie der Muster des Momentarms während der Bewegung und deren Einfluss auf das erzeugte Drehmoment sind für das Verständnis der menschlichen Bewegung von wesentlicher Bedeutung und können für die Kontrolle der auf die Muskel-Sehnen-Struktur ausgeübten Überlast von großem Nutzen sein. Zielsetzung: Vorstellung mechanischer Kriterien für die Progression bei Übungen der Innenrotation (IR) und Außenrotation (ER) der Schulter in der Sagittalebene. Methode: Sechs Personen wurden mit einem isokinetischen Dynamometer und einem Elektrogoniometer untersucht. Aus den gesammelten Daten wurden das mittlere Drehmoment, die mittlere resultierende Kraft und der gewichtete mittlere Momentarm mit Hilfe der Software SAD32 und Matlab® berechnet. Ergebnisse: Die Winkel, bei denen das maximale ER- und IR-Drehmoment auftrat, waren -34º und 6º mit Werten von 43 Nm bzw. 69 Nm. Die Spitzenwerte für die ER- und IR-Muskelkraft lagen bei 35º und -14º, und die Werte bei diesen Winkeln betrugen 10227 N bzw. 8464 N. Der gewichtete mittlere Momentarm für ER zeigte ein ansteigendes Muster über den gesamten Bewegungsbereich (ROM), und der Spitzenwert lag am Ende des ROM, d. h. bei -50º (0,91 cm). Der gewichtete mittlere Momentenarm für IR war nahezu konstant und erreichte seinen Höhepunkt bei 50º (0,96 cm). Schlussfolgerung: Die mechanischen Kriterien für die Progression bei Übungen zur Innen- und Außenrotation der Schulter sind das Drehmoment, die Kraft und der gewichtete mittlere Momentenarm, da je nach ihrem Verlauf über das ROM unterschiedliche Überlastungen der Muskel-Sehnen-Struktur verursacht werden können.
Schlüsselwörter: Schulter, Übung, Rotation, Rehabilitation.
EINFÜHRUNG
Die Rehabilitation des Schultergelenks kann nicht nur aufgrund seiner komplexen Funktion, die anatomische und funktionelle Integrität beinhaltet, sondern auch aufgrund der physiologischen und biomechanischen Beiträge von Strukturen wie dem Schulterblatt1,2 schwierig sein. Im Allgemeinen werden in den Rehabilitationsprogrammen für die Schulter in den meisten Fällen Übungen mit progressiven Belastungen und Intensitäten je nach Art der Verletzung und des durchgeführten chirurgischen Eingriffs eingesetzt1,2,3. Auch wenn diese Merkmale für die Übungsprogression entscheidend sind, ist die Kenntnis der Gelenkmechanik von grundlegender Bedeutung für die richtige Auswahl der Übungen3.
Gelenkbewegungen sind Folgen der Rotation eines Segments im Verhältnis zu einem anderen. Diese Rotationswirkung einer einwirkenden Kraft wird als Drehmoment oder Moment bezeichnet. Das Drehmoment, das ein Muskel auf das Gelenk ausübt, wird durch den Momentarmbereich oder die Kraftproduktionskapazität des Gelenks beeinflusst4,5,6.
Der Momentenarm (senkrechter Abstand) ist der kleinste Abstand zwischen der Wirkungslinie des Muskels und dem Zentrum der Gelenkrotation4,7,8,9. Die Größe des Momentenarms stellt den mechanischen Vorteil eines Muskels in einem Gelenk dar, und seine Messung kann helfen, die Funktionsweise des Muskels zu verstehen5.
Die Fähigkeit des Muskels, während der Kontraktion Kraft zu erzeugen, ist eine der mechanischen Eigenschaften, die in Studien am häufigsten beschrieben wurde, da sie die Kraft liefert, die für die Aufrechterhaltung der Haltung und den Beginn von Bewegungen erforderlich ist10. Die Kraftproduktionskapazität hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Verhältnis zwischen Länge und Spannung, dem Verhältnis zwischen Kraft und Geschwindigkeit und der Rekrutierung der Fasern (räumliche und zeitliche Summierung). Bei maximalen Kontraktionen mit konstanter Geschwindigkeit hängt die Kraftproduktionskapazität des Muskels jedoch von der Muskellänge ab, und diese „Abhängigkeit“ steht in direktem Zusammenhang mit dem Längen-Spannungs-Verhältnis des Sarkomers11. Diese Beziehung lässt sich durch die Theorie der gleitenden Filamente12,13 und die Kreuzbrückentheorie14,15 erklären. Die Theorie der gleitenden Filamente geht davon aus, dass die Veränderungen der Sarkomer-, Faser- und Muskellängen durch das Gleiten der Aktin- und Myosin-Myofilamente innerhalb des Sarkomers von den Querbrücken verursacht werden. Daher wird die maximale Kraft, die vom Muskel erzeugt wird, bei einer Sarkomerlänge auftreten, bei der die Überlagerung zwischen Aktin und Myosin die größte Anzahl von Querbrücken ermöglicht12,13,14,15.
Die Kenntnis der Drehmoment- und Kraftproduktionskapazität und des Momentenarms im Verlauf der Bewegung sowie deren Einfluss auf das erzeugte Drehmomentverhalten sind für das Verständnis der menschlichen Bewegung von grundlegender Bedeutung und können für die Kontrolle der auf die Muskel-Sehnen-Struktur ausgeübten Überlast sowie für eine bessere Planung der Übungsprogression in einem Rehabilitationsprogramm von großem Nutzen sein16,17,18.
Das Ziel dieser Studie war es, mechanische Kriterien für die Progression von Übungen zur Innenrotation (IR) und Außenrotation (ER) der Schulter, die in der Sagittalebene durchgeführt werden, vorzustellen.
MATERIALIEN UND METHODEN
Diese Studie wurde von der Ethikkommission des IPA Methodist University Center (Registrierungsnummer 1211) genehmigt, und alle Teilnehmer unterzeichneten eine freie und informierte Einverständniserklärung.
Die Stichprobe bestand aus sechs männlichen Personen im Alter zwischen 22 und 32 Jahren (Mittelwert: 25,1 ± 4,0) und einer Körpergröße zwischen 167 und 192 cm (Mittelwert: 182,6 ± 9,8), die regelmäßig (mindestens zweimal pro Woche) körperlich aktiv waren. Alle Personen der Stichprobe nahmen an allen Phasen der Studie teil. Bei der untersuchten Schulter handelte es sich um die rechte Schulter (dominante Extremität), und keine der Personen wies eine Vorgeschichte von Verletzungen oder Funktionsstörungen in der untersuchten Schulter auf.
Die Datenerhebung bestand in der Messung des maximalen ER- und IR-Drehmoments, das bei 60º/sec in der Sagittalebene erzeugt wurde. Dazu wurde ein isokinetisches Dynamometer verwendet (Modell Cybex Norm, Dataq Instruments, Inc., Ohio, Vereinigte Staaten). Zur genaueren Erfassung der Gelenkstellungen wurde ein Elektrogoniometer (Modell XM 180, Biometrics Ltd (Cwmfelinfach, Gwent, Vereinigtes Königreich)) verwendet, das zusammen mit dem isokinetischen Dynamometer angepasst wurde. Das isokinetische Dynamometer und das Elektrogoniometer waren über einen 16-Kanal-Analog-Digital-Wandler an einen Pentium III 650 MHz Mikrocomputer angeschlossen. Für die Datenverarbeitung wurden die Software SAD32 (ein vom Labor für mechanische Messungen der Bundesuniversität Rio Grande do Sul entwickeltes Datenerfassungssystem) und die Software MATLAB 7.0® (MathWorks Inc, Massachusetts, Vereinigte Staaten) verwendet.
Die Erfassungsverfahren waren in fünf Phasen unterteilt: Vorbereitung, Positionierung, Kalibrierung, Einarbeitung in den Test und Prüfung.
Vorbereitung: Aufwärmen und Dehnen des rechten Arms.
Lagerung der Probanden: Dorsaldekubitus mit dem rechten Arm in 90º Abduktion und dem Ellenbogen in 90º Beugung.
Kalibrierung: Der ER- und IR-Bewegungsbereich (ROM) wurde anhand des maximalen ROM bestimmt, bei dem die Person in der Lage war, ein maximales Drehmoment zu erzeugen. Der Null-Drehwinkel des Elektrogoniometers wurde als der Winkel festgelegt, der der neutralen Drehposition entspricht.
Familiarisierung: Es wurden drei Wiederholungen der submaximalen konzentrischen Kontraktionen ER und IR durchgeführt.
Test: Fünf Wiederholungen von maximalen konzentrischen ER- und IR-Kontraktionen wurden mit einer Winkelgeschwindigkeit von 60º/sec19 durchgeführt.
Die Daten des erzeugten Drehmoments und des Winkels wurden mit einem digitalen Tiefpass-Butterworth-Filter dritter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 3 Hz für die Winkeldaten und 10 Hz für die Drehmomentdaten gefiltert. Nach der Signalfilterung wurde der Mittelwert aus den fünf Wiederholungen berechnet. Für die Winkelpositionen wurde die Konvention verwendet, dass die ER negative Werte und die IR positive Werte haben8.
Aus den ER- und IR-Drehmomentwerten konnte die Größe der resultierenden Kraft, die durch die Außen- und Innenrotation ausgeübt wurde, durch das Verhältnis zwischen dem Drehmoment und dem Momentarm der Kraftanwendung geschätzt werden. Da viele Muskeln in der Lage sind, ER oder IR auszuführen, wurde eine Vereinfachung vorgenommen, um die Gleichung (1) zu bestimmen:
T = dp x Fm (1)
Wobei: T = Drehmoment; Fm = Muskelkraft; dp = Momentenarm (zwischen der Aktionslinie der Muskelkraft und dem Rotationszentrum der Schulter)8.
Dazu wurden die mittleren Momentarme aller Muskeln der Innen- und Außenrotatoren berechnet. Dieser Mittelwert wurde mit der physiologischen Querschnittsfläche des jeweiligen Muskels gewichtet und ergab so den gewichteten mittleren Momentenarm (WMMA). Die für die Berechnung verwendeten Muskeln waren Supraspinatus, Infraspinatus, Teres minor, hinterer Deltamuskel, mittlerer Deltamuskel und vorderer Deltamuskel für die ER und der Pectoralis major, Latissimus dorsi, Teres major, hinterer Deltamuskel, mittlerer Deltamuskel und vorderer Deltamuskel für die IR. Die physiologische Muskelquerschnittsfläche und die Momentenarme der Muskeln wurden der Literatur entnommen 8.
ERGEBNISSE
Das Drehmomentverhalten der ER ist in Abbildung 1 dargestellt. Zu Beginn der Bewegung war ein Anstieg zu verzeichnen, dann blieb die Kurve über den mittleren Abschnitt des ROM konstant. Nach Beibehaltung dieses Plateaus kam es zu einem leichten Anstieg, der die Drehmomentspitze darstellt. Am Ende der Bewegung zeigte die Drehmomentkurve eine abfallende Phase. Die ER-Drehmomentspitze trat bei einem Winkel von -34º auf, bei dem die Schulter mit einem mittleren Drehmoment von 43 Nm (100 %) nach außen rotiert wird.
Das Verhalten des WMMA der ER zeigte einen Anstieg über das gesamte ROM (Abbildung 2). Das größte WMMA der ER trat bei -50º Rotation auf, was einem Momentarm von 0,91 cm entsprach.
Das resultierende Kraftverhalten des ER-Muskels konnte in zwei Phasen unterteilt werden (Abbildung 3): eine ansteigende Phase bis zur Spitzenkraft und eine abfallende Phase bis zum Ende der Bewegung. Im Gegensatz zum Drehmomentverhalten trat die Spitzenkraft bei der Innenrotation der Schulter auf, wenn sie gestreckt war, bevor sie die neutrale Position erreichte und ohne ein Plateau während des gesamten ROMs. Die ER-Spitzenkraft trat bei einem Winkel von 35º auf, mit einem Mittelwert von 10227N (100%).
Das IR-Drehmomentverhalten (Abbildung 4) war dem ER-Muster (Abbildung 1) sehr ähnlich. Auch diese Kurve wies zu Beginn der Bewegung einen Anstieg auf und blieb dann über den mittleren Abschnitt des ROM tendenziell konstant. Anders als bei der ER trat das IR-Spitzendrehmoment jedoch bei einem Winkel von etwa 6º während dieses Plateaus auf, mit einem Mittelwert von 69 Nm (100 %), wenn die Schulter nach innen gedreht war. Am Ende der Bewegung wies auch diese Drehmomentkurve eine absteigende Phase auf.
Das Verhalten des WMMA des IR war über den Verlauf des ROM praktisch konstant (Abbildung 5). Zu Beginn der Bewegung gab es eine ansteigende Phase, die etwa in der Mitte des ROM endete, als die WMMA praktisch konstant war. Danach gab es eine neue ansteigende Phase, die mit dem WMMA-Höchstwert am Ende der Bewegung endete. Das größte WMMA der IR trat bei einer Drehung von 50º auf, mit einem Momentarm von 0,96 cm.
Das Verhalten der resultierenden IR-Kraftkurve (Abbildung 6) war ähnlich wie die IR-Drehmomentkurve (Abbildung 4), jedoch mit unterschiedlichen Größenordnungen. Zu Beginn der Bewegung wies auch diese Kurve einen Anstieg auf und blieb dann während des mittleren Abschnitts des ROM tendenziell konstant. Auf dem Plateau trat die Spitzenkraft der IR bei einem ungefähren Winkel von -14º auf, mit einem Mittelwert von 8464N (100 %), wenn die Schulter nach außen gedreht war. Am Ende der Bewegung wies auch diese Kurve eine absteigende Phase auf.
DISKUSSION
Während der ER wurde beobachtet, dass das Drehmomentplateau, das in der Mitte des ROM auftrat, aufgrund des antagonistischen Verhaltens des WMMA und der resultierenden ER-Kraft beibehalten wurde. Da das Spitzendrehmoment der ER auftrat, als die Schulter außenrotiert war, kann man daraus schließen, dass das WMMA für die Drehmomenterzeugung in diesem ROM und für die Aufrechterhaltung des Plateaus wichtiger war als die Beziehung zwischen Länge und Spannung, die durch die Kurve der resultierenden Kraft dargestellt wird. Es kann auch festgestellt werden, dass das Spitzendrehmoment und die Spitzenkraft nicht bei den gleichen Winkeln auftraten, da sie von der Längen-Spannungs-Beziehung des Muskels und seinem jeweiligen Momentarm abhingen11.
Das Verhalten der ER-Kraftkurve war dem Verhalten der Kurve des Längen-Spannungs-Verhältnisses des Sarkomers, das von Gordon et al.20 vorgestellt wurde, sehr ähnlich. Die Spitzenkraft trat auf, wenn die Schulter nach innen gedreht wurde, wenn der Muskel leicht gestreckt war. Bei diesem Winkel kann davon ausgegangen werden, dass sich die Sarkomere in einer „hervorragenden“ Position für die Bildung von Querbrücken befinden. Da die Muskeln leicht gedehnt sind, tragen die elastischen Elemente der Muskeln zur Kraftproduktion bei21,22,23. Nach diesem Punkt nimmt die Kraft wegen der Muskelverkürzung und wegen der verringerten Möglichkeit, neue Querbrücken zu bilden, ab11,23,24.
In Bezug auf die IR können die Kurven des Drehmoments und der resultierenden Kraft aufgrund ihres ähnlichen Verhaltens gleichzeitig analysiert werden. Dies ist auf das Verhalten des WMMA zurückzuführen, das mehr oder weniger konstant bleibt, mit einer sehr geringen Steigerungsrate. Diese Ergebnisse ähneln denen von Rassier et al.11, die berichteten, dass das Drehmoment-Winkel-Verhältnis eines Muskels durch das Längen-Spannungs-Verhältnis und den Momentarm bestimmt wird. Wenn der Momentarm während der gesamten Bewegung konstant bleibt, spiegelt das Verhalten der Drehmomentkurve die resultierende Kraftkurve wider. Es kann also davon ausgegangen werden, dass das Längen-Spannungs-Verhältnis der Hauptfaktor ist, der für das IR-Drehmomentverhalten verantwortlich ist.
Das Ziel der Rehabilitation ist die Wiederherstellung des ROM und die Stärkung der Muskeln, insbesondere der Rotatoren, die für die Stabilisierung und den Schutz der Gelenkstrukturen vor Verletzungen wichtig sind. Die Übungen müssen progressiv belastet werden und die Mechanik der Gelenkfunktion respektieren, und ein Rehabilitationsprogramm muss effizient sein, um die Ziele zu erreichen und die besonderen Merkmale der Schulter zu berücksichtigen25. Im speziellen Fall der Schulter, bei der die Rotationsbewegung durch die synergetische Wirkung verschiedener Muskeln ausgeführt wird, ist es wichtig, den gewichteten mittleren Momentarm und die daraus resultierende Kraftproduktionskapazität als Kriterien für die Progression der Intensität und Belastung der Übungen zu bewerten.
Der Momentarm stellt den mechanischen Vorteil des Muskels dar und kann verwendet werden, um zu bestimmen, welche Muskeln Stabilisatoren und welche Primärmotoren in einer bestimmten Gelenkposition sind. Wenn der Momentarm bei der Kontraktion Null oder nahe Null ist, erzeugt der Muskel nur Kompression und fungiert folglich als Gelenkstabilisator. Ist die Aktionslinie des Muskels hingegen weit vom Rotationszentrum entfernt, kann er als primärer Bewegungsmotor betrachtet werden4.
Kuechle et al.8 berichteten, dass bei der Innen- und Außenrotation (Abduktion von 90º) die Muskeln mit der größten Überlast rekrutiert werden, nämlich der Subscapularis und der Pectoralis major bei der Innenrotation und der Teres minor und der Infraspinatus bei der Außenrotation. Die anderen Muskeln sind weniger wichtig. Die Ausführung von Bewegungen, bei denen ein geschwächter Muskel akzessorisch ist (kleinerer Momentarm), kann die auferlegte Überlast verringern. Bei den primären motorischen Muskeln lässt sich die Belastung über das Verhältnis zwischen Widerstandsmoment, der Fähigkeit des Muskels, ein Drehmoment zu erzeugen, dem Impulsarm und dem Kraftverhalten steuern. Die Anwendung von Widerstand bei Amplituden mit größerem mechanischem Vorteil und/oder einem Vorteil im Verhältnis zwischen Länge und Spannung kann eine geringere Überlastung der Muskel-Sehnen-Struktur fördern. Wird dagegen der Spitzenwiderstand bei Amplituden aufgebracht, bei denen der Momentenarm und das Längen-Spannungs-Verhältnis ungünstig sind, kommt es zu einer größeren Überlastung.
Bei Verletzungen des Teres minor und des Infraspinatus kann die auferlegte Belastung variieren, wodurch sich der Winkelbereich, in dem der Spitzenwiderstand des Drehmoments auftritt, verändert. In der Anfangsphase eines Rehabilitationsprogramms wird empfohlen, die Muskulatur mit kleinen Lasten zu stärken, um den Heilungsprozess zu optimieren16,17. Diese Arbeit kann mit dem maximalen Widerstandsdrehmoment zwischen der Neutral- und der Endstellung der ER bei einer Schulterabduktion von 90º durchgeführt werden, da in diesem Abschnitt ein mechanischer Vorteil (größerer Momentarm) bei der Drehmomenterzeugung besteht und geringere Kraftproduktionsniveaus erforderlich sind. Folglich wird eine geringere Anzahl von motorischen Einheiten aktiviert und somit eine geringere Überbelastung des Muskels erzeugt.
In der mittleren Phase der Rehabilitation könnte das maximale Widerstandsdrehmoment zwischen der neutralen Position und der maximalen IR auftreten, da in diesem Abschnitt der Momentarm kleiner ist und die Kraftproduktionskapazität der Hauptfaktor für die Drehmomentproduktion ist. Bei gleichem Widerstandsdrehmoment wie im vorangegangenen Beispiel werden der Teres minor und der Infraspinatus stärker überlastet, da eine größere Anzahl von motorischen Einheiten rekrutiert werden muss, um die Verringerung des Momentarmes zu kompensieren, mit dem Ziel, das gleiche Drehmoment zu erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die mechanischen Kriterien für die Progression bei Übungen der Innen- und Außenrotation sind das Drehmoment, die Kraft und der gewichtete mittlere Momentenarm, da es auf der Grundlage ihres Verhaltens möglich ist, unterschiedliche Überlastungen der Muskel-Sehnen-Struktur zu fördern. Obwohl es sich hierbei um theoretische Ausarbeitungen handelt, beruhen diese Kriterien auf den Prinzipien der Muskel-Sehnen-Heilung. Somit stellt diese Studie einen ersten Schritt zur Strukturierung mechanischer Kriterien für die Progression der auf die Muskel-Sehnen-Struktur ausgeübten Überlastungen dar.
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