1 Problem
Die funktionelle Bedeutung der Muskelmor- phologie konnte bereits hinreichend beschrie- ben werden (Lieber & Ward, 2011). Während die Maximalkraft eines Muskels von seiner physio- logischen Querschnittsfläche abhängt, werden seine maximale Verkürzungsgeschwindigkeit und das aktive Muskelvolumen maßgeblich von der Faserlänge und der Muskelfaserzusammen- setzung beeinflusst (Lieber & Ward, 2011). Somit stellen muskelmorphologische Parameter rele- vante Messgrößen in der Analyse des Kraftpo- tentials, metabolischen Energieverbrauchs und der mechanischen Leistungsfähigkeit eines Muskels dar.
Das Kraftpotential und der Wirkungsgrad eines Muskels werden darüber hinaus maßgeblich von den mechanischen Eigenschaften des in Serie geschalteten Sehnengewebes beeinflusst (Hof, Van Zandwijk & Bobbert, 2002). Neben der Fähigkeit, Energie zu speichern beeinflusst die Steifigkeit einer Sehne auch die spezifische Kraft-Längen-Geschwindigkeits-Relation und somit das Kraftpotential der Muskulatur. Im Hinblick auf die Diagnose von Defiziten in der sportlichen Leistungsfähigkeit ergibt sich daher die Notwendigkeit, neben den Eigenschaften der Muskulatur auch die Eigenschaften der Sehne individuell zu quantifizieren und zu bewerten.
Repetitive mechanische Belastungen der unte- ren Extremität – typisch für die Sprint- und Sprungdisziplinen der Leichtathletik – zählen zu den Hauptursachen für die Entstehung von Sehnenverletzungen bzw. einer Ruptur der Patellar- und Achillessehne (Lanttoet al., 2014).
Entgegen der Annahme, dass eine Sehnenruptur einzig durch ein plötzliches Ereignis ausgelöst wird, konnten oftmals degenerative Verände- rungen bei gerissenen Achillessehnen festge- stellt werden (Kannus & Józsa, 1991). Die Tatsa- che, dass auch in gesunden Sehnen sehr häufig mikroskopische degenerative Veränderungen diagnostiziert werden konnten (Kannus & Józsa, 1991), weist darauf hin, dass die Pathologie der Sehnenruptur durch das Auftreten kumulierter Vorschädigungen gekennzeichnet ist (Fung et al., 2010; Kannus & Józsa, 1991; Neviaser et al., 2012). Eine Ursache dafür stellen u. a. unzurei- chende Regenerationsphasen für das Sehnenge- webe dar. Dies äußert sich in einer reduzierten Steifigkeit bzw. erhöhten Dehnung der Sehne bei einer gegeben Kraft (Fung et al., 2009; 2010).
Somit stellen Sehnendehnung und -steifigkeit geeignete Parameter zur Früherkennung von Sehnenverletzungen dar (Fung et al., 2010; Nevi- aser et al., 2012; Wren et al., 2003).
Die Muskel-Sehnen-Einheit ist hoch anpas- sungsfähig an eine gegebene funktionelle Belastung. Beispielsweise konnte für erwach- sene Personen eine signifikante Zunahme des physiologischen Muskelquerschnitts, der Maximalkraft, des Sehnenquerschnitts und der Sehnensteifigkeit infolge eines mehrwöchigen Krafttrainings mit hohen Lasten festgestellt werden (Arampatzis, Karamanidis & Albracht, 2007; Kubo et al., 2010). Während die Muskula- tur jedoch in der Lage ist, schon innerhalb kur- zer Zeit an Kraft zuzunehmen, läuft die Erhö- hung der Widerstandsfähigkeit von Sehnen wesentlich langsamer ab (Kubo et al., 2012). Das häufige Aufeinanderfolgen von Trainings- und
Der Einsatz eines mobilen Muskel-Sehnen- Funktionslabors zur Strukturanalyse im Spitzensport
(AZ 072059/16-17)
Kiros Karamanidis1 (Projektleitung), Gaspar Epro1, Matthias König1 & Falk Schade2
1Sport and Exercise Science Research Centre, School of Applied Sciences, London South Bank University
2Biomechanische Leistungsdiagnostik, Olympiastützpunkt Rheinland
Wettkampfbelastungen könnte somit zu Dysba- lancen zwischen Muskulatur und Sehne führen, welche aus einer unkoordinierten Adaptation der beiden biologischen Strukturen auf den glei- chen mechanischen Reiz resultieren.
Daher war es das Ziel dieses Service-For- schungsprojekts, die mechanischen Eigenschaf- ten der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit von erwachsenen Spitzensportlerinnen und Spitzensportlern verschiedener leichtathleti- scher Sprint- und Sprungdisziplinen regelmäßig direkt am jeweiligen Trainings- bzw. Wettkamp- fort zu untersuchen, um etwaige Dysbalancen in der Adaptation von Muskel und Sehne durch Training und Wettkampf zu identifizieren. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten somit rele- vante Aussagen zur Identifikation möglicher Dysbalancen bzw. Prävention von Sehnenver- letzungen liefern und in enger Zusammenarbeit mit dem jeweiligen Trainerteam sinnvoll in die Trainingssteuerung integriert werden.
2 Methoden
Insgesamt wurden im Rahmen des Projekts die mechanischen Eigenschaften der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit beider Beine von 71 gesunden erwachsenen Bundeskaderathletin- nen und -athleten (A-, B-, C-Kader; Alter: 23 ± 4
Jahre) verschiedener Sprint- und Sprungdiszipli- nen (Kurzsprint, Weit-, Drei-, Hoch-, Stabhoch- sprung) mittels eines mobilen Muskel-Sehnen- Funktionslabors (kombinierte Ultrasonographie und Dynamometrie: TEMULAB®, Protendon GmbH & Co. KG, Aachen, Deutschland) regel- mäßig (im Abstand von 2– Wochen) über einen Gesamtuntersuchungszeitraum von insgesamt 12 Monaten direkt am jeweiligen Trainings- bzw.
Wettkampfort analysiert (die Drehmomente wurden mittels inverser Dynamik berech- net und die Steifigkeit der Sehne wurde aus der resultierenden Kraft-Deformations-Kurve bestimmt; siehe hierzu u. a. Ackermans et al., 2016; McCrum et al., 2017). Um die Regeneration der Muskel-Sehnen-Einheit nach einer Achil- lessehnenruptur zu beurteilen, wurden darü- ber hinaus im Rahmen einer Einzelfalluntersu- chung regelmäßige Analysen der mechanischen Eigenschaften der triceps surae Muskel-Sehnen- Einheit in Folge einer Achillessehnenrekons- truktion durchgeführt. Im Hinblick auf eine Optimierung der Athletenbetreuung wurden die Ergebnisse der Muskel-Sehnen-Diagnostik zeitnah (innerhalb einer Woche) im Anschluss an die jeweilige Messung ausgewertet und über die jeweiligen Olympiastützpunkte mit den zuständigen Bundestrainern kommuniziert.
Abb. 1: Maximales isometrisches Plantarflexionsmoment (links; Max Drehmoment) und Achillessehnenstei- figkeit (rechts; AT Steifigkeit) des Sprung- und Schwungbeins (bei Sprintern linkes bzw. rechtes Bein) für die analysierten Disziplingruppen (Stabhochsprung: N = 16; Weitsprung: N = 16; Hochsprung:
N = 21; Dreisprung: N = 11; Sprint: N = 7; Mittelwert und Standardabweichung). #: Sig. Seitenunter- schied (p < 0.05); 1: Sig. Unterschied zur Gruppe der Stabhochspringer (p < 0.05).
3 Ergebnisse
Die Ergebnisse der Querschnittsanalyse zeigen einen signifikanten (p < 0.05) Beinseiteneffekt mit höheren Plantarflexionsmomenten und Steifigkeitswerten für das Sprung- im Vergleich zum Schwungbein in der Gruppe der Hoch-, Weit- und Stabhochspringer, nicht aber in der Gruppe der Dreispringer und Sprinter (Abb. 1).
Außerdem zeigte die Gruppe der Stabhoch- springer für beide Beine signifikant (p < 0.05) niedrigere Muskelkraft- und Steifigkeitswerte im Vergleich zu allen anderen Disziplingruppen (Hoch-, Weit-, Dreispringer, Sprinter; Abb. 1).
Der Symmetrie-Index zwischen den Beinen (Sprungbein vs. Schwungbein; bei Sprintern: lin- kes vs. rechtes Bein) zeigte innerhalb aller analy- sierten Disziplingruppen ähnliche Werte für das maximale isometrische Plantarflexionsmoment und die Achillessehnensteifigkeit (Range der Mittelwerte aller analysierten Disziplingruppen:
1-14 %).
Abb. 2 illustriert exemplarisch die Drehmo- ments- und Steifigkeitszeitverläufe für einen männlichen Hochspringer über einen Messzeit- raum von 3,5 Jahren (Athlet bereits Teilnehmer
vorangegangener Serviceleistungen für den Spitzensport). Die intraindividuelle Variabilität von Muskelkraft und Sehnensteifigkeit zeigte unabhängig vom analysierten Bein über den Untersuchungszeitraum von einem Jahr für alle untersuchten Athletinnen und Athleten ähn- liche Werte (Variationskoeffizient Muskelkraft im Mittel: ca. 9 %; Sehnensteifigkeit: ca. 12 %).
Hinsichtlich der Regeneration der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit nach der operativen Versorgung (Rekonstruktion) einer Achilles- sehnenruptur (Sprungbein) konnte im Rahmen einer Einzelfallstudie – trotz intensiven leicht- athletischen Trainings über 2,5 Jahre (Athletin bereits Teilnehmerin vorangegangener Service- leistungen für den Spitzensport) – ein deutlich geringeres maximales isometrisches Plantar- flexionsmoment im operierten gegenüber dem nicht betroffenen Bein festgestellt werden (Mit- telwert über alle Datenpunkte: 2.0 ± 0.2 Nm/kg vs. 3.6 ± 0.2 Nm/kg; Abb. 3). Die Sehnensteifigkeit zeigte dagegen zu jedem Messzeitpunkt ähn- liche bzw. leicht erhöhte Werte im operierten gegenüber dem nicht betroffenen Bein (560.7 ± 127.6 N/mm vs. 501.4 ± 30.5 N/mm; Abb. 3).
Abb. 2: Strukturanalyse der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit des Sprung- und Schwungbeins eines männlichen Hochspringers über einen Zeitraum von 3,5 Jahren (Athlet bereits Teilnehmer vorange- gangener Serviceleistungen für den Spitzensport). Sowohl für das maximale Plantarflexionsmoment (oben; Max Drehmoment) als auch für die Achillessehnensteifigkeit (unten; AT Steifigkeit) konnten zu beinahe jedem Messzeitpunkt höhere Werte für das Sprung- im Vergleich zum Schwungbein gezeigt werden. Gekennzeichnet ist der Zeitraum der Wettkampf- (hellgrau) und der Vorbereitungsphase (weiß).
4 Diskussion
Erste Ergebnisse der Querschnittsanalyse zeig- ten höhere Werte für das maximale isometri- sche Plantarflexionsmoment und die Achilles- sehnensteifigkeit im Sprung- in Relation zum Schwungbein in der Gruppe der Hoch-, Weit- und Stabhochspringer, nicht aber in der Gruppe der Dreispringer und Sprinter. Die höheren Werte im Sprungbein in Relation zum Schwungbein können nicht durch genetische Faktoren erklärt werden, sondern sind vielmehr auf eine seiten- spezifische mechanische Trainings- bzw. Wett- kampfbelastung zurückzuführen. Diese Ergeb- nisse weisen somit darauf hin, dass neben der Maximalkraft der Wadenmuskulatur auch die Sehnensteifigkeit der Achillessehne durch eine langfristige mechanische Belastung mit hohen Amplituden erhöht werden kann. Der Symme- trie-Index zwischen den Beinen zeigte dagegen – unabhängig von der Disziplingruppe – ähnli- che Werte für das maximale isometrische Plan- tarflexionsmoment und die Achillessehnenstei- figkeit. Obwohl regelmäßiges leichtathletisches
Training damit in Abhängigkeit von der Diszip- lin zwar zu Unterschieden in den mechanischen Eigenschaften und somit einer Dysbalance der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit zwischen den Beinen führen kann, verlief die Adaptation von Muskel und Sehne innerhalb eines Beins im Mittel über alle analysierten Athletinnen und Athleten homogen.
Im Hinblick auf die ersten Ergebnisse der Längs- schnittanalyse konnten ähnliche Anpassungs- verläufe von Muskelkraft und Sehnensteifigkeit im Jahresverlauf gezeigt werden, was auf eine gelungene Integration individualisierter Trai- ningsmaßnahmen (u. a. Regeneration, spezifi- sches Training der Achillessehne; Arampatzis et al., 2007) und somit auf ein ausgewogenes Training von Muskel und Sehne verweist. Diese Ergebnisse lassen damit auf ein geringes Risiko einer – durch Dysbalancen zwischen Muskel- und Sehnengewebe hervorgerufenen – Sehnen- überlastungsverletzung innerhalb des unter- suchten Athletenkollektivs schließen, was durch das Ausbleiben einer derartigen Verletzung Abb. 3: Veränderungen von maximal isometrischem Plantarflexionsmoment (oben; Max Drehmoment) und
der Steifigkeit der Achillessehne (unten; AT Steifigkeit) in Folge einer operativen Versorgung einer unilateralen Achillessehnenruptur über 2,5 Jahre (Athletin bereits Teilnehmerin vorangegangener Serviceleistungen für den Spitzensport). Die Operation erfolgte nur wenige Tage nach der Verlet- zung.
innerhalb des untersuchten Athletenkollektivs bzw. Analysezeitraums gestützt wird. Die Ergän- zung regelmäßigen leichtathletischen Trainings um eine trainingsbegleitende Diagnostik sowie der darauf abgestimmten ergänzenden Trai- ningsmaßnahmen scheint demnach dazu bei- zutragen etwaigen Dysbalancen innerhalb der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit erwachse- ner Spitzenathletinnen und -athleten verschie- dener Disziplinen vorzubeugen.
In Folge einer Achillessehnenrekonstruktion (Einzelfallstudie) konnte trotz intensiven Trai- nings über 2,5 Jahre ein deutlich geringeres Muskelkraftpotential im operierten gegenüber dem nicht betroffenen Bein festgestellt werden.
Die Sehnensteifigkeit wies dagegen zu jedem Messzeitpunkt ähnliche bzw. leicht erhöhte Werte im operierten Bein auf. Vorangegangene Studien zeigten in diesem Zusammenhang 2-6 Jahre nach der operativen Versorgung einer Achillessehnenruptur sogar signifikant höhere Steifigkeitswerte für die betroffene Sehne (Agres et al., 2015), was auf eine veränderte Funktiona- lität des regenerierten Sehnengewebes verweist.
Die aktuelle Einzelfallstudie zeigte darüber hinaus keine erkennbaren Veränderungen von Muskelkraft und Sehnensteifigkeit über einen Trainingszeitraum von 2,5 Jahren. Regelmäßi- ges leichtathletisches Training scheint demnach nicht in der Lage zu sein der Dysbalance inner- halb der triceps surae Muskel-Sehnen-Einheit infolge einer Achillessehnenrekonstruktion effektiv entgegenzuwirken. Damit könnte eine Achillessehnenruptur bzw. -rekonstruktion eine mögliche Ursache für die Entstehung einer – durch konventionelle Trainingsmethoden irre- versiblen – Dysbalance innerhalb der Muskel- Sehnen-Einheit darstellen.
5 Das Projekt in Zahlen
Anzahl analysierter Athletinnen und Athleten:
71 (♀: 31; ♂: 40); Anzahl Messungen Muskel- Sehnen-Diagnostik: ca. 1.250; Anzahl Messplätze innerhalb Deutschlands: 11 (Olympiastütz- punkte/Trainingsorte: Hamburg, Berlin, Dres- den, Chemnitz, Stuttgart, Saarbrücken, Frank- furt am Main, Köln, Leverkusen, Heidelberg, Münster); zurückgelegte Distanz: ca. 20.000 km.
6 Literatur
Ackermans, T. M. A., Epro, G., McCrum, C., Ober- länder, K. D., Suhr, F., Drost, M. R., Meijer, K. & Karamanidis, K. (2016). Aging and the effects of a half marathon on Achilles tendon force–elongation relationship.
European journal of applied physiology, 116, 2281-2292.
Agres, A. N., Duda, G. N., Gehlen, T. J., Arampat- zis, A., Taylor, W. R. & Manegold, S. (2015).
Increased unilateral tendon stiffness and its effect on gait 2–6 years after Achilles tendon rupture. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 25, 860-867.
Arampatzis, A., Karamanidis, K. & Albracht, K.
(2007). Adaptational responses of the human Achilles tendon by modulation of the applied cyclic strain magnitude.
The Journal of experimental biology, 210, 2743-2753.
Fung, D. T., Wang, V. M., Laudier, D. M., Shine, J.
H., Basta-Pljakic, J., Jepsen, K. J., Schaffler, M. B. & Flatow, E. L. (2009). Subrupture tendon fatigue damage. Journal of ortho- paedic research, 27, 264–273.
Fung, D. T., Wang, V. M., Andarawis-Puri, N., Basta-Pljakic, J., Li, Y., Laudier, D. M., Sun, H. B., Jepsen, K. J., Schaffler, M. B. & Fla- tow, E. L. (2010). Early response to tendon fatigue damage accumulation in a novel in vivo model. Journal of biomechanics, 43, 274–279.
Hof, A. L., Van Zandwijk, J. P. & Bobbert, M. F.
(2002). Mechanics of human triceps surae muscle in walking, running and jumping.
Acta Physiologica Scandinavica, 174, 17- 30.
Kannus, P. & Józsa, L. (1991). Histopathological changes preceding spontaneous rupture of a tendon. A controlled study of 891 patients. The Journal of bone and joint surgery, 73, 1507–1525.
Kubo, K., Ikebukuro, T., Yata, H., Tsunoda, N. &
Kanehisa, H. (2010). Effects of Training on Muscle and Tendon in Knee Extensors and Plantar Flexors in Vivo. Journal of applied biomechanics, 26, 316-323.
Kubo, K., Ikebukuro, T., Maki, A., Yata, H. & Ts- unoda, N. (2012) Time course of changes in the human Achilles tendon properties and metabolism during training and detraining in vivo. European journal of applied physiology, 112, 2679-2691.
Lantto, I., Heikkinen, J., Flinkkilä, T., Ohtonen, P. & Leppilahti, J. (2014) Epidemiology of Achilles tendon ruptures: increasing incidence over a 33-year period. Scandi- navian journal of medicine & science in Sports, 25, 133-138.
Lieber, R. L. & Ward, S. R. (2011) Skeletal mus- cle design to meet functional demands.
Philosophical Transactions of the Royal Society B, 27, 366.
Neviaser, A., Andarawis-Puri, N. & Flatow E.
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Wren, T. A. L., Lindsey, D. P., Beauppré, G. S. &
Carter, D. R. (2003). Effects of creep and cyclic loading on the mechanical proper- ties and failure of human Achilles tendon.
Annals of biomedical engineering, 31, 710-717.
Projektbezogene Veröffentlichungen
Karamanidis, K., Epro, G., König, M., McCrum, C., Ackermans, T., Thomaskamp, H.-J.
& Schade, F. (2016) Strukturanalyse der Muskel-Sehnen-Einheit von Spitzen- sportlern im Jahresverlauf. Leistungssport, 46, 15-21.
McCrum, C., Oberländer, K. D., Epro, G., Krauss, P., James, D. C., Reeves, N. D. & Karamani- dis, K. (2017) Loading rate and contraction duration effects on in vivo human Achilles tendon mechanical properties. Clinical Physiology and Functional Imaging. doi:
10.1111/cpf.12472
Wissenstransfer Forschung-Praxis
Epro, G. (2016, November). Applied tendon stiff- ness analysis. Vortrag auf der 7. European Pole Vault and High Jump Conference in Köln.
Karamanidis, K. (2017, Februar). Strukturanalyse der Muskel-Sehnen-Einheit von Spitzen- sportlern. Vortrag auf dem 1. Kölner Sym- posium für konservative Sportorthopädie in Köln.
Karamanidis, K. & Schade, F. (2017, März).
Muskel-Sehnen-Funktionslabor. Vortrag auf dem 6. BISp-Symposium in Kaiserau.
Schade, F. (2016, September). Aus Wissenschaft und Praxis: Anpassung des Muskel-Seh- nenapparates durch Training. Vortrag im Rahmen der Fortbildung der Athletiktrai- ner der Allianz FFBL in Kaiserau.
Schade, F. (2016, Oktober). Impulsreferat Muskel- Sehnen-Komplex. Vortrag bei der Spitzen- sportkonferenz DLV (Bereich Sprung) in Kienbaum.
Schade, F. (2016, November). Muskel-Sehnen- Mechanik, Agility und konzeptioneller Ansatz Athletiktraining. Vortrag auf dem 20. DHB-Trainersymposium in Köln.
