Proprioceptives Vibrationstraining – Physiologische Grundlagen Und

medizin
Proprioceptives Vibrationstraining –
Physiologische Grundlagen und
medizinische Anwendungsbereiche
Vom Muskel- und Knochenaufbau
zum Fettabbau
Christian Wüster 1 , Iris Lutz 2 , Jasmin Pourfard 3 , Christoph Uleer 3 , Gernot Felmet 4
1 Praxis für Endokrinologie, Mainz & Universität Heidelberg, Abt. Innere Med. 1
2 Institut für gesunde Lebensführung, Medi-ManAge, Mainz
3 Gynäkologisch-onkologische Schwerpunkt Praxis, Hildesheim
4 Artico Sportklinik, Villingen-Schwenningen
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Foto: iStockphoto.com
Zusammenfassung: Proprioceptives Vibrationstraining (PVT) ist eine Trainingsform zum Muskelaufbau. Das Prinzip basiert darauf, dass ein
vorgedehnter Muskel auf Vibrationen mit unwillkürlichen rhythmischen Kontraktionen und Dekontraktionen reagiert. Dies führt nach längerer
Zeit, ähnlich wie beim Krafttraining, zu einer Steigerung der Muskelmasse und Muskelkraft. Der Vorteil des PVT ist hierbei die Zeitersparnis. 90
Minuten Krafttraining ist genauso effektiv wie 10 Minuten PVT. Nebenbei kommt es auch zu einem Abbau von subcutanem Fettgewebe. Diese
beiden Effekte – Fettabbau und Muskelaufbau – kann man sich bei vielen medizinischen Indikationen zu Nutze machen. Bei Sarkopenien
unterschiedlicher Genesen – Immobilisation postoperativ, physiologisches Altern, Glucocorticoidbehandlungen u. a. – wird PVT inzwischen
erfolgreich eingesetzt. Bei kosmetischen Problemen oder verschiedenen Formen lokaler Lipodystrophien macht man sich den Fett reduzierenden
Effekt von PVT zu Nutze. Insgesamt ist die Anwendung von PVT im medizinischen Bereich ein typisches Beispiel dafür, wie man ein im nicht
medizinischen Bereich erfolgreiches System für Gesunde auf Kranke übertragen kann.
Schlüsselwörter: Proprioceptives Vibrationstraining,
Ganzkörper-Vibrationstraining, Muskelaufbau, Osteoporose,
Knochenaufbau, Bewegungstherapie, Krafttraining
Einleitung
Bereits vor mehr als 100 Jahren veröffentlichte Johann Wolff
diese Theorie in seinem Buch „Das Gesetz der Transformation
der Knochen“ [1]. Er formulierte damit als Erster den inzwischen
allgemein akzeptierten „form-follows-function“-
Zusammenhang, der besagt, dass Knochenmasse und -architektur
durch Größe und Richtung der einwirkenden Kräfte
bedingt werden. Das Skelettsystem unterliegt zeitlebens
einem regen Umbauprozess, durch den der Knochen sich an
veränderte mechanische und metabolische Gegebenheiten
anpasst.
Erste Aufzeichnungen über positive Effekte von Schwingungen
hat es bereits im 19. Jahrhundert gegeben. Bei Parkinson-Patienten
soll sich das Krankheitsbild durch Kutschen-
oder Eisenbahnfahrten verbessert haben (Rückgang
des Tremors). Bei dem Proprioceptiven Vibrationstraining
geht es um die Verabreichung mechanischer Vibrationen an
den Körper. Die Vibrationen verursachen eine mechanische
Belastung verschiedener Körpergewebe, wie zum Beispiel
Knochen, Muskeln, Haut, Nerven usw. Die Vibration wird
in erster Linie durch das unbewusste aktive An- und Entspannen
der Muskeln gedämpft (myostatischer Reflex oder
Dehnreflex). Jeder Muskel hat einen Dehnreflex, und hiervon
wird beim Vibrationstraining Gebrauch gemacht. Der
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Proz. Diff. Anfang-Ende [%]
11
9
7
5
3
1
-1
-3
-5
-7
-9
-11
0,33
LWS Galileo
-1,20
LWS Kraft
Abb 1a: Prozentuale Änderung (%) der flächenbezogenen Knochenmasse der Lendenwirbelsäule (LWS) und des Oberschenkelhalses (OSH) der zwei
Trainingsgruppen Galileo- bzw. Krafttraining (Kleinmond 2002) [12].
Dehnreflex findet abhängig von der eingestellten Frequenz
statt. Bei Frequenzen im Bereich von 20–30 Hz kommt es zu
einer verstärkten Koaktivierung von Agonist und Antagonist
im Sinne eines Schutzreflexes, wie in Untersuchungen an
Skiabfahrtsläufern gezeigt werden konnte. Dieser Reflex
führt zu einer höheren Gelenksteife und -stabilität sowie zu
einem verstärkten Druck auf den Knochen [2]. Durch PVT
bei diesen Frequenzen wird derselbe Effekt verbunden mit
einer positiven Beeinflussung des Knochenstoffwechsels erwartet.
Vorstudien ergaben einen raschen und deutlichen
Anstieg von Koordination, Muskelmasse und –kraft, ohne
negative Beeinflussung von Hämodynamik und Stoffwechsel
[3-11].
1960 erkannte W. Biermann angeblich als einer der Ersten
in der ehemaligen DDR die Möglichkeiten des Vibrationstrainings.
Seine Beschreibung der „cycloiden Schwingungen“
und seine Arbeiten über die Wirksamkeit der
„Rhythmischen Neuromuskulären Stimulationsmethode“
wies den richtigen Weg. Wenig später übernahmen russische
Wissenschaftler seine Erkenntnisse und nutzten sie für ihre
Raumfahrtprogramme. Russische Kosmonauten konnten bis
zu 420 Tage lang im All bleiben, während amerikanische Astronauten
bereits nach 120 Tagen zur Erde zurückkehren
mussten. Die russischen Kosmonauten konnten im schwerelosen
All durch Vibrationstraining Muskeln aufbauen bzw.
erhalten. Die russischen Kollegen untersuchten die unbe-
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0,59
OSH Galileo
wussten Bewegungen und Muskelkontraktionen, die durch
Vibrationen erzeugt werden. Interessant waren präliminare
Untersuchungen von Nasarov et al. bei Kosmonauten mit
Osteoporose nach Raumflügen. Die ersten Patienten, die auf
der von Russen entwickelten Scheibe (Vibrationstrainer) getestet
wurden, waren ältere Patienten: Die Knochen wurden
fester, eine bis zu 34 % höhere Knochendichte konnte gemessen
werden.
Später entdeckten Balletttänzer mit kleinen muskulären
Verletzungen des passiven Bewegungsapparates, wie zum
Beispiel Achillessehnenverletzungen und Kniereizungen,
dass ihre Verletzungen verschwanden, nachdem sie mit Vibrationsunterstützung
trainiert hatten. Darüber hinaus stellten
sie fest, dass sich ihre Kraftwerte enorm verbesserten und
sie höher springen konnten – und das mit einem Viertel des
herkömmlichen Trainingsaufwandes. Auch andere Spitzensportler
entdeckten die Leistungsfähigkeit durch Anwendung
dieses Prinzips.
Prinzip des PVT
1,48
OSH Kraft
Körpergerechte Vibrationen, die gleichzeitig in allen drei
Dimensionen aktiv sind, das heißt auf und ab, seitwärts und
auch nach vorne und hinten, führen zu unwillkürlichen
Kontraktionen und Dekrontaktionen von vorgedehnten
Skelettmuskeln. Dabei können die Vibrationen in ihrem
„Charakter“ wie folgt moduliert werden:
– Frequenz (Häufigkeit der Vibration)
– Amplitude (Ausschlag und Intensität der Vibration)
Damit werden die spezifischen Oszillationen aller Gewebe,
auch in deren tiefsten und feinsten Schichten, aktiviert und
wiederhergestellt. Dieser Prozess wird auch als biomechanische
oder neuromuskuläre Stimulation bezeichnet. Die Vibration
imitiert somit die natürlichen Gegebenheiten im Organismus:
sie erzeugt körpereigene Schwingungen. Bei angespannter
Muskulatur entsteht so auf natürliche Weise der Aktivitätstremor,
vor allem auch bei Muskeln, die nicht (mehr) dem eigenen
Willen unterliegen. Dies kann jedoch auch gewisse Risiken
bergen. Es sollte vermieden werden, zwei gleiche Schwingungen
aufeinandertreffen zu lassen, da diese infolge der Resonanz
verstärkt werden können. PVT wird gewöhnlich mit
30–50 Hz durchgeführt. Resonanzverstärkungen der Eigenfrequenzen
des Körpers (5–20 Hz) kommen daher beim Platten-
PVT (PowerPlate u. a.) nicht vor.
Vier Haupteffekte des PVT im Detail
1. Kräftigung
Mit PVT werden auch die Muskelgruppen angesprochen,
die das Gehirn nicht anspricht. Durch die Vibration und die
Anspannung des Muskels werden durch das Organ Länge
und Weite des Muskels an das Rückenmark gesendet. Dadurch
wird der Muskel in die Länge gezogen, das Gehirn
aber nicht mit einbezogen. So werden 95–97 % aller Muskelfasern
durch eine sogenannte Zwangsansteuerung angesprochen.
So wird die
– Maximalkraft
– Kraftausdauer
– Reaktivkraft
– Schnellkraft
erheblich verbessert. Die Muskelmasse hingegen wird nicht
wesentlich verändert.
Durch die von PVT erzeugten mechanischen Schwingungen
(Vibrationen) kommt es bei unterschiedlichen Körperpositionen
(stehend, liegend, sitzend) zu einem Schwingungstransfer,
der Muskeln in unterschiedlichen Dehnungszuständen
anregt. Außerdem werden vielfältige Reaktionen auf
verschiedenen physiologischen Ebenen ausgelöst: Bindegewe-
be, neuromuskuläre, vasculäre und humorale Systeme werden
ebenfalls beeinflusst. Neben einer Verbesserung der Kraftfähigkeit,
Muskelstraffung und Koordination wird die Beweglichkeit
erhöht, was insbesondere auch im orthopädisch, neurologischen
Rehabilitationsbereich eingesetzt werden kann.
Bei den muskulären Effekten kommt es durch die PVT
zum wiederholten Auslösen von Muskeldehnreflexen in Abhängigkeit
von der gewählten Frequenz und der muskulären
Vorspannung. In der Rekrutierungsphase wird die Anzahl
der angesetzten motorischen Einheiten erhöht. Während der
Synchronisationsphase wird eine Verbesserung der gleichzeitigen
Aktivierung unterschiedlicher motorischer Einheiten
erzielt. Die Re-Rekrutierungsphase ist die Inanspruchnahme
von bereits ermüdeten bzw. willentlich nicht ansprechbaren
motorischen Einheiten. In der Anpassungsphase erfolgt eine
neuronale, sensomotorische und morphologische Anpassung.
Die neuronale Anpassung beinhaltet eine intra- und
intermuskuläre Koordination sowie eine Erhöhung der Entladungsrate
motorischer Einheiten. Die sensomotorische
Anpassung führt über eine Stimulation vieler Rezeptoren zu
einem positiven Einfluss auf die Krafterzeugung. Die morphologische
Anpassung führt zu einer Steigerung der Anzahl
kontraktiler Proteine und Verbesserung der Muskelstruktur.
Durch die Kokontraktion von Agonist (zum Beispiel M.
quadriceps) und Antagonist ist PVT eine Gelenk schonende
Kräftigung durch geringe Schwerkräfte und fördert eine
deutliche Verbesserung funktioneller Bewegungsmuster.
2. Massage
Bei der Durchblutungsmassage wird die Durchblutung angeregt.
Das führt dazu, dass an diesen Stellen (Abdomen,
untere Extremitäten, M. glutaeus max.), die oftmals schlecht
oder gar nicht durchblutet werden, die Fettverbrennung vorbereitet
wird. Es erfolgt eine lokale Fettverbrennung.
3. Dehnung
Durch PVT wird die Durchblutung angeregt und das Blut
wird durch den bewegten Muskel besser durchgepumpt. Dadurch
entsteht ein nur sehr geringer Dehnschmerz, den viele
als solchen gar nicht wahrnehmen. Wichtig bei der Dehnung
ist jedoch, dass diese nie länger als 30 Sekunden im Bereich
von 30 Hz und der Amplitude „low“ durchgeführt werden
sollte, da die Rezeptoren sonst zu stark betäubt werden
könnten. Die Dehnung mit der PVT hält genauso lange an
wie die herkömmliche Dehnung.
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Percentage Change
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
p < 0.01
Abb 1b: Prozentuale Veränderung der Muskelkraft, isometrisch (isometric strength) und dynamisch (dynamic strength) sowie der Ganzkörper- (BMD total
body) und Schenkelhals- (BMD total hip) Knochendichte, Magermasse (lean mass) und Fettmasse (fat mass) bei postmenopausalen Frauen während eines PVT
mit dem Gerät „PowerPlate“ (WBV), während konventionellen Krafttrainings (RES) und nicht trainierenden Kontrollen (CON) (Verschueren et al. 2004) [13].
4. Entspannung
Bei der Entspannungsmassage kommt es durch die entspannte
Lage zu einer passiven Bewegung der Muskeln und somit
auch zum Abführen von Stoffwechselendprodukten.
PVT-Geräte
Isometric Strength
p < 0.01 p < 0.01
Es lassen sich zwei Arten von PVT-Standgeräten unterscheiden:
Platte (u. a. PowerPlate®) oder Wippe (u. a. Galileo®).
Die Wippe erzeugt sinusförmige Aufwärts- und Abwärtsbewegungen.
Wenn der Trainierende mit beiden Beinen auf der
Wippe steht, die Füße rechts und links der Achse aufgesetzt,
stößt diese seitenalternierend abwechselnd ein Bein nach
oben. Man spricht von seitenalternierender Vibration oder
oszillierendem Wippbrett (Galileo 2000®) [12]. Bei den anderen
Vibrationsgeräten (PowerPlate u. a.) ist die Platte auf in
der Regel vier Federn gelagert und führt eine Auf-, Ab- und
Seitwärtsbewegung durch (dreidimensionale Vibration) [13].
Medizinische Anwendungen eines PVT
p < 0.01
Dynamic Strength
WBV
Medizinische Einsatzgebiete für PVT finden sich in fast allen
Fachrichtungen, die häufigsten sind allerdings im osteolo-
500 C. Wüster / prevention and anti aging 2 (2006) 496–503
RES
CON
Percentage Change
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
gisch-orthopädischen Bereich zu finden. In diesem Review
können nicht alle Indikationen detailliert besprochen werden,
die Autoren beschränken sich auf diejenigen, für die am
meisten Evidenz in der Wirksamkeit vorliegt.
PVT bei Osteoporose
p < 0.05
BMD Total Body BMD Total HIP
WBV
„Ohne Muskelkraft kein Knochenmassenzuwachs“, diese
Grundvoraussetzung osteologischer Regulation ist die
Hauptaussage der These von Wolff [1]. Das Wolff’sche Gesetz
der Transformation der Knochen beschreibt die Anpassungsfähigkeit
von Knochen auf physikalische Beanspruchung.
Die Lokalität der „Mechanorezeptoren“ ist immer noch nicht
vollständig aufgeklärt, man weiß nicht, ob ein solcher Rezeptor
überhaupt existiert. In Zellkulturen mit Osteozyten zeigen
diese jedoch an ihren Dendriten ein IGF-1-Signal nach
mechanischer Belastung [14]. Schwerelosigkeit oder Immobilisation
beispielsweise nach Tetraplegie führt zu systemischem
Verlust an Knochenmasse. Allerdings zeigen Tetraplegier
keine wesentlich erhöhte Frakturrate, mitbedingt
durch die geringere Fallneigung aufgrund der reduzierten
Mobilität. Die Knochenmasse wird auf ein, für den Körper
individuell festgelegtes Niveau heruntergefahren. Man stellt
sich vor, dass der Knochenmassen-Setpunkt möglicherweise
RES
CON
Percentage Change
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
p < 0.01
Lean Mass Fat Mass
p < 0.01
WBV
neu festgelegt wird. Dies beweist jedoch auch, dass Muskelmasse
nicht der einzige Regulator der Knochenmasse sein
kann. Neuere Untersuchungen aus den Arbeitsgruppen von
Karsenty et al. [15] und Herbert et al. [16] deuten auf eine
zentrale Regulation der Knochenmasse über den hypothalamischen
Leptin-Rezeptor hin.
Mehrere Arbeiten haben sich mit dem Einfluss von PVT
auf die Knochenmasse von Menschen beschäftigt [12, 13].
Dabei zeigte sich kein signifikanter Einfluss eines Trainings
mit dem PVT, wenn das Gerät „Galileo“ eingesetzt wurde
(Abb. 1a). Unter der Verwendung des PVT-Gerätes „Power-
Plate“ konnte jedoch ein deutlich signifikant positiver Effekt
auf die Knochemasse im Vergleich zu der Kontrollgruppe,
die konventionelles Krafttraining durchgeführt hatte, gezeigt
werden. Dabei war der Kraftzuwachs mit konventionellem
Training gegenüber PVT (mit Gerät „PowerPlate“) nicht signifikant
unterschiedlich.
Die Entwicklung und der Einsatz neuer unterstützender
Therapie-Verfahren ist bei einer Volkskrankheit wie Osteoporose
essenziell. Das Wissen über die klinische Charakterisierung
und Diagnostik von Osteoporose ist im letzten Jahrzehnt
in hohem Maße weiterentwickelt worden [17-20].
Bisher fehlen die Publikationen von Ergebnissen eines PVT
bei Patienten mit erniedrigter Knochendichte und/oder
Frakturen. Eigene vorläufige Untersuchungen bei Patienten
RES
CON
mit Osteopenie scheinen die Ergebnisse bei Gesunden zu
bestätigen. Auch bei Patienten mit Frakturen scheint PVT
nicht zu einer Progression von Wirbelkörpersinterungen zu
führen. Dies ist allerdings abhängig von der gewählten „Dosis“,
das heißt Frequenz und Dauer des PVT. Momentan
werden in den PVT-Zentren Mainz, Hildesheim und Villingen-Schwenningen
30 Hz und 30 Sekunden lang bei Patienten
mit Osteoporose-assoziierten Frakturen 2x/Woche für
3 Monate eingesetzt. Es folgt dann eine 3-monatige Pause
und anschließend ein zweiter Zyklus. Bei Patienten nach
TEP oder Metallimplantaten nach Frakturen sollte PVT
nach Meinung der Autoren momentan noch nicht eingesetzt
werden.
Fazit für die Praxis
Proprioceptives Vibrationstraining (PVT) führt bei Trainierenden
zu einem ebenso signifikanten Muskelkraftzuwachs
wie konventionelles Krafttraining. Dabei dauert das PVT ca.
15 Minuten und wird 3 Monate lang 2-mal wöchentlich
durchgeführt. Vergleichbar effektives konventionelles Krafttraining
muss mindestens 1 _ Stunden 2- bis 3-mal pro Woche
durchgeführt werden. Mittels PVT können gezielt die
Muskelgruppen trainiert und aktiviert werden, wie es aus
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Tab.1: Medizinische Einsatzgebiete für PVT
Fachrichtung Erkrankungen
Osteologie, Orthopädie, Rheumatologie – Osteoporosen (prim. u. sek.)
– Glucocorticoid-induzierte Myopathien
– Alters-assoziierte Sarkopenie
– Chronic Fatigue Syndrome
– Fibromyalgie
– Rehabilitation nach Operationen (z. B. Kreuzbandplastik)
Endokrinologie – Osteoporosen (prim. u. sek.)
– Adipositas
– Lipodystrophien
– Diabetes mell. Typ II
Gynäkologie – Beckenboden-Insuffizienz, Harninkontinenz
– Tumor-Kachexie
Neurologie – M. Parkinson
Dermatologie – Cellulitis
Sportmedizin – Ausdauertraining
– Rehabilitation von Leistungssportlern
Geriatrie – Neuromuskuläre Dysfunktion
– Erhöhte Sturzneigung
medizinischer Sicht erforderlich scheint. Osteoporose ist eine
der Erkrankungen, bei der PVT neben den medikamentösen
Therapien begleitend routinemäßig eingesetzt wird. Bei anderen
Krankheiten wie Diabetes mell. oder Adipositas gibt es
erste positive Erfahrungen. Nach Kreuzbandoperationen ist
der Muskelaufbau essenziell, dies kann unter anderem durch
PVT entsprechend erreicht werden.
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Osteodensitometrie. Dtsch Ärztebl 1998; 95: 2547–2551.
Prof. Dr. med. Christian Wüster
ist Endokrinologe mit eigener Endokrinolo-
gie-Schwerpunktpraxis in Mainz gegenüber
dem Hauptbahnhof. Er ist Lehrbeauftragter
an der Universität Heidelberg, dort 1994 habi-
liert zum Thema Wachstumshormon, Calci-
tonin und Osteodensitometrie. Er ist Mitbe-
gründer des European Center for Aging Re-
search and Education (ECARE), einer inter-
nationalen Organisation zur Förderung der
Forschung und ärztlichen Weiterbildung auf
dem Gebiet der Präventivmedizin.
Praxis für Endokrinologie, Bahnhofplatz 2,
D-55116 Mainz, Tel. 06131-231362
E-Mail: Wuester@endokrinologie-mainz.de
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