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Grundlagen und Anwendungen des Vibrationstrainings

Neurophysiologie und Anwendungsmöglichkeiten des Vibrationstrainings

Häufig und ohne dass wir uns dessen bewusst sind, wird unser Körper täglich Vibrationen unterschiedlichster Art ausgesetzt, z.B. bei Bus-, Zug- und Autoreisen usw. Es gibt auch viele Berufsgruppen bei denen Personen Vibrationen ganz anderer Art ausgesetzt sind, z.B. als Fahrer von Kettenfahrzeugen und anderen schweren Maschinen, bei der Arbeit mit Bohrhämmern oder anderen manuellen Werkzeugen.

In mechanischer Hinsicht können wir feststellen, dass ein Körper vibriert, wenn er um einen Referenzpunkt schwingt. Man kann sich z.B. ein mechanisches Modell vorstellen, bestehend aus einem Körper der Masse m, der mit einer Feder mit elastischer Konstante K verbunden ist. Versetzen wir es in Schwingung können wir beobachten, wie die Masse m sich regelmäßig im Bereich des statischen Gleichgewichts bewegt. Ferner stellen wir fest, dass sich eine regelmäßige Bewegung beobachten lässt, mit anderen Worten in regelmäßigen Zeitintervallen, die sich auf Sie auswirken. (Abb. 1)

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Abb. 1: Eine regelmäßige periodische Bewegung wird in einem System aus einer Masse produziert, die mit einer Feder verbunden und in Schwingung versetzt wird.

Abb. 1 demonstriert die einfachste der periodischen Funktionen, die "harmonische Bewegung". Die Zeitfunktion dieser Funktion wird durch eine Sinuswelle angezeigt, definiert durch Periode T und Amplitude D.
Man bezeichnet die Einheit der vollständigen Zyklen während der Zeiteinheit, z.B. 1 Sekunde, Frequenz, diese wird in Hertz (Hz) gemessen. Die Frequenz kann man durch folgende Gleichung mit der Periode T verknüpfen:

f = 1/T

Dabei werden die Frequenz f in Hz und die Periode T in Sekunden ausgedrückt.
Z.B. entspricht eine Periode von 0,04 Sekunden einer Frequenz von 25 Hz.
Die Vibrationen lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen: Deterministische Vibrationen und Random Vibrationen.
Alle Vibrationen die sich mit mathematischen Formeln ausdrücken lassen, gehören zur ersten Gruppe. Sie dienen dazu, um die Änderungen abhängig von der Zeit, den sofortigen Amplitudenwerten zu bestimmen. Typisch für diese Gruppe sind die Vibrationen, die von mechanischen Maschinen stammen (Abb. 2).

Deterministische Vibrationen

Abb. 2: Typische Beispiele deterministischer Vibrationen sind die Vibrationen, die von mechanischen Instrumenten ausgelöst werden.

Nur durch statistische Parameter lassen sich die Phänomene der zweiten Gruppe, die Random Vibrationen, beschreiben. Es handelt sich um Vibrationsphänomene, deren zeitlicher Verlauf eine unregelmäßige und völlig zufällige Bewegung beschreibt. Der sofortige Wert lässt sich dadurch nicht voraussehen. Entlädt man z.B. einen Wagen mit Steinen, so entstehen typischerweise Random Vibrationen (Abb. 3)

Zufällige Vibrationen

 

Abb. 3: Die Random Vibrationen sind unregelmäßige und unvorhersehbare Phänomene wie sie z.B. beim Fallen einer Steinladung (Abb. A) auftreten. Zu den nicht periodischen Phänomenen gehören auch die mechanischen Schocks, die z.B. durch unvorgesehene Freisetzung von Energie wie bei einer Explosion oder einem Aufprall ausgelöst werden: die Dauer ist typischerweise unendlich klein, sie tendiert daher gegen null (Abb. B).

Wenn wir erneut das mechanische System Masse-Feder in Abb. 1 betrachten und es um einen Punkt x auf der Masse m in Schwingung versetzen passiert folgendes. Der Punkt x entfernt sich im Augenblick wo das System schwingt, um einen gewissen Wert (zu messen in Metern, Milimetern oder Mikron im Falle von Verschiebungen mit allerkleinster Amplitude). Diese Verschiebung wird in einer gewissen Zeit vollendet. Man kann daraus folgern, dass ihre Dynamik auch mit den Begriffen Geschwindigkeit und Beschleunigung (Abb.4) betrachtet werden kann. Wie unten aufgeführt, biledet die Beschleunigung einen der Hauptparameter des Vibrationstrainings (VT).

Die Hauptparameter des Vibrationstrainings

 

Abb. 4: Die Parameter der Geschwindigkeit und der Beschleunigung lassen sich in einem System in Schwingung neben der Frequenz und der Amplitude der Schwingung messen.

Vibrationen können ernsthafte Auswirkungen auf den menschlichen und tierischen Organismus haben. Daher gibt es in der Arbeitsmedizin nicht von ungefähr genaue Vorschriften; indessen sind die entscheidenden Punkte für positive oder negative Auswirkungen der Vibrationen Frequenz, Amplitude und die Dauer für die man der Vibration ausgesetzt ist. Die wissenschaftlichen Studien belegen, wie eine verminderte Aussetzungszeit und eine Vibrationsfrequenz von 20 bis 30 Hz nicht nur keine negativen körperlichen Auswirkungen hat, sondern zu einer positiven neuromuskulären Anpassung führen kann.

Geschichtliches

Die ersten wissenschaftlichen Arbeiten über die Verwendung von Vibrationen zu therapeutischen Zwecken, kann man auf das Jahr 1949 zurück datieren. Whedon und Koll. (1949) berichteten in diesem Jahr von den positiven Auswirkungen der Vibrationen, die von einem besonderen Schwingungsbett generiert wurden. Angewendet wurde dieses bei Patienten mit Stoffwechselabnormitäten aufgrund einer unbeweglichen Lagerung in einem Gipsbett. Eine nachfolgende experimentelle Studie (Hettinger 1956) zeigte, wie durch die Anwendung von Vibrationen mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Beschleunigung von 10 g der Bereich der Muskelteilung erhöht wurde und das adipöse Gewebe im Innern des Muskels selbst vermindert wurde.

Im rein therapeutischen Bereich liess Schiessl (1997 a, b) fast vierzig Jahre später die Verwendung einer Maschine patentieren, die Rotationsschwingungen erzeugte; etwa zur gleichen Zeit erarbeiteten Friton und Koll. (1997) eine Maschine, die auf Translationsschwingungen beruht. In beiden Fällen bestand der Anwendungsbereich dieser Geräte im Versuch, eine Stimulierung des Knochenwachstums mit verschiedenen Frequenzen zu erlangen, die wir mit dem Begriff "osteogen" definieren können.

Ein Jahr später zeigten die experimentellen Arbeiten von Flieger und Koll. (1998) wie bei einem Tier, das man Vibrationen aussetzte, eine Steigerung des Knochenwachstums eintrat. Erst am Ende der Achtzigerjahre erschienen die ersten Studien, die sich auf die mögliche Erhöhung der Kontraktionsfähigkeiten der Muskeln bezogen, die man Vibrationsstimulationen aussetzte (Nazarov und Spivakt 1987). Von da an wurden in diesem spezifischen Bereich immer grössere und umfassendere Studien erstellt.

Die vom Vibrationstraining ausgelösten physiologischen Änderungen

In letzter Zeit bezeugen viele Studien, wie die Vibrationen zu Stoffwechsel- und mechanischen Anpassungen des menschlichen neuromuskulären Apparats führen. Seit langem weiß man von einer Beziehung zwischen der Besonderheit der ausgeübten Sportart und dem Hormonprofil des Athleten: Sportler, die Sportarten vom explosiv-balistischen Typ ausüben, wie z.B. Sprinter, verfügen meist über eine hohe Basiskonzentration von Testosteron (T)(Krämer und Koll. 1995; Bosco und Koll. 1996). Die Ausübung der Sportart führt in der Tat zu einer erheblichen hormonellen Reaktion, nicht nur in der akuten Anpassung an die Übung selbst. Auch in der Form einer langfristigen Reaktion kann man hormonelle Veränderungen bemerken (Inoue und Koll.1994; Viru 1994; Kraemer und Koll. 1996).

Auch das Vibrationstraining kann zu ähnlichen hormonellen Reaktionen vom adaptativen Typ führen, insbesondere führt eine VT-Sitzung zu einer Konzentration von T und somatropem Hormon (GH) zusammen mit einer Reduktion der Kortisolkonzentration (C) (Bosco und Koll. 2000). Die Erhöhung von T und GH lässt sich auf die Handlung der Muskelmetaborezeptoren zurückführen (Kjaer 1992), während die Verringerung des C vermutlich auf den ungenügenden Stimulationseffekt der zentralen Bewegungssteuerung und der Rückmeldung der Nerven auf der Ebene der Skelettmuskulatur (Knigge und Hays 1963; Bosco und Koll. 2000). Es scheint also, dass das Vibrationstraining in entsprechender Regelmäßigkeit zu stabilen Anpassungen des Hormonhaushalts führen kann, die von einer ebenso stabilen und verbesserten Neuromuskularfunktion zeugen (Bosco und Koll. 2000).

Ein anderer Effekt der mechanischen Vibrationen, auf den Muskelkörper und/oder die Sehnenstruktur (10-200 Hz) oder auf den ganzen Körper (1-30 Hz) angewandt, ist die Aktivierung der Rezeptoren der neuromuskulären Spindeln (muscle spindle receptors). Egal ob auf der Ebene des direkt stimulierten Muskelsehnenkomplexes, sei es auf jener der benachbarten Muskelgruppen (Hagbarth und Eklund 1985; Seidel 1988). Diese Art der Reaktion seitens des Muskels auf die Vibrationsstimulierung wird als "Tonischer Vibrationsreflex (TVR)" bezeichnet (Hagbarth und Eklund 1966).

Die Tatsache ist wissenschaftlich allgemein anerkannt, dass der TVR eine Erhöhung der Kontraktionskraft der betroffenen Muskelgruppen mit sich bringt. (Hagbarth und Eklund, 1966; Johnston und Koll.
1970; Arcangel und Koll. 1971; Armstrong und Koll. 1987; Matyas und Koll. 1986; Samuelson und Koll. 1989; Bosco und Koll. 2000). Diese Erhöhung der Kontraktionsfähigkeit der Muskelgruppe, die Vibrationen unterliegt, wird in einer klaren Verschiebung nach rechts sowohl der Beziehung Kraft-Geschwindigkeit als auch der Beziehung Kraft-Leistung umgesetzt, die dadurch positiv beeinflusst werden (Bosco und Koll. 1999). Diese Änderungen in der neuromuskulären Reaktion sind hauptsächlich der Erhähung der Aktivität der oberen Bewegungszentren zuzuschreiben (Milner-Brown und Koll. 1975) und der substanziellen Verbesserung der nervösen Steuerungen, welche die neuromuskuläre Reaktion regeln
(Bosco und Koll. 1998).

In der Tat unterliegt der Muskelsehnenkomplex bescheidenen, aber dennoch bedeutsamen Änderungen der eigenen Länge, von rhythmischer Art (Kerschan- Shindl und Koll. 2001), die bewirken, dass das VT im Wesentlichen einer regelmäßigen Folge von konzentrischen und exzentrischen Kontraktionen mit kleiner Amplitude entspricht. Dieses besondere mechanische Verhalten könnte zu einer Erleichterung in der Erregbarkeit des Spinalreflexes führen (Burke und Koll. 1996). In diesem Zusammenhang vertreten einige Autoren (Burke und Koll. 1976) die Ansicht, das VTR weitgehend oder ausschliesslich über Motoneuronen arbeite und nicht dieselben kortikalen Ableitungsmuster wie freiwillige Bewegungen aufweisen.

Indessen wird auch angenommen, dass das Vibrationstraining, von den Vibrationen selbst angetrieben, zu einer Erhöhung der Rekrutierung der Bewegungseinheiten durch eine Aktivierung der neuromuskulären Spindeln und den polysinaptischen Mustern führen (De Gail und Koll. 1966). Im Zusammenhang und kohärent mit dieser besonderen neuromuskulären Anpassung fördert das VT eine Verminderung der Beziehung zwischen mioelektrischem Oberflächensignal und Leistungsproduktion oder des Verhältnisses EMG/P. Eine Verminderung des Verhältnisses EMG/P zeigt sehr wahrscheinlich eine Verbesserung in der neuromuskulären Effizienz (Bosco und Koll. 2000).

Ein letzter nicht weniger wichtiger physiologischer Parameter, den die Vibrationen beeinflussen können, wird durch den Blutkreislauf gebildet. Das Vibrationstraining kann in der Tat eine Reduktion der Viskosität des Bluts und eine Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit des Kreislaufs auslösen.
(Kerschan und Koll. 2001).

(Quelle: Artikel von Bisciotti G.N. aus "Sport & Medicina")

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