virtuelle Fachbibliothek Sportwissenschaft

Dissertation: Anna-Maria Liphardt


Logo Weltoffene Hochschule

naechste Seite uebergeordnete Seite vorige Seite

Dissertation: Anna-Maria Liphardt

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

DSHS Köln
Institut für Trainingswissenschaft und Sportinformatik
Symbol

Liphardt, Anna-Maria (2008): The Potential of Whole Body Vibration Training during ~\\ 14-Days of 6°-Head Down Tilt Bed Rest to Counteract Effects on Muscle Performance, Balance and Articular Cartilage

Zusammenfassung:
Im Rahmen der ‚Vibration-Bed-Rest-Study’ (VBR-Studie) wurde der Einsatz von Vibrationstraining als Gegenmaßnahme für die degenerativen Auswirkungen von Bettruhe in 6°-Kopftieflage (6°-head-down-tilt (6°-HDT)) untersucht. Dazu wurden 8 Probanden für 14 Tage in Bettruhe mit 6°-HDT immobilisiert. Die Auswirkungen von Bettruhe mit und ohne Einsatz von Vibrationstraining auf unterschiedliche Gewebe und Organe wurden untersucht, darunter z.B. die muskuläre Leistungsfähigkeit, die Gleichgewichtsfähigkeit, sowie Gelenkknorpel im Knie. Gegenstand der Untersuchung waren die folgenden allgemeinen Hypothesen:
a) 14 Tage HDT-Bettruhe führen zu einer allgemeinen Dekonditionierung des menschlichen Körpers.
b) Die Anwendung von Vibrationstraining während 14-tägiger Bettruhe in 6°-HDT kann dieser Dekonditionierung entgegenwirken. Das zeigt sich in einer Verlangsamung oder Aufhebung der zuvor beobachteten Effekte.
In dieser Dissertation werden die Ergebnisse der folgenden Untersuchungen präsentiert und diskutiert:
- Muskuläre Leistungsfähigkeit der unteren Extremität (Kapitel 4)
- Gleichgewichtsfähigkeit (Kapitel 5)
- Gelenkknorpelbiologie und –morphologie (Kapitel 6)
Acht gesunde männliche Probanden (Alter: 26 ± 5 Jahre; Gewicht: 78 ± 10 kg; Größe: 179 ± 10 cm) nahmen an der VBR-Studie teil, die im ‚Crossover-Design’ mit zwei Studienphasen durchgeführt wurde. Jeder Proband erhielt in einer Phase Vibrationstraining und in der zweiten Phase eine Kontrollintervention. Während der Trainingsintervention in der Bettruhephase trainierten die Probanden 2 mal täglich für 5 mal 60 Sekunden auf der Vibrationsplatte (Galileo900) bei ein Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von ~ 3 mm. Die Strecke zum und vom Trainingsraum wurde zweimal täglich gegangen. Die Abläufe waren identisch für die Kontroll- und die Trainingsintervention, lediglich die Vibrationsplatte wurde während der Kontrollintervention nicht angestellt. Dieses Studiendesign ermöglichte es daher, den isolierten „Vibrations-Effekt“ zu untersuchen. Die Experimente zur muskulären Leistungsfähigkeit, Gleichgewichtsfähigkeit und Kniegelenksknorpel wurden jeweils vor und nach der Bettruheintervention durchgeführt. Blutabnahmen für Biomarker fanden in regelmäßigen Abständen während der gesamten Untersuchung statt.
Die Kraftleistungsdiagnostik zeigte keine Veränderungen in der Maximalkraft der Kniebeuger und Kniestrecker durch Bettruhe. Vibrationstraining führte zu einer Verschlechterung der Maximalkraft in den Kniebeugern, nicht aber in den Kniestreckern. Die maximale Leistung zeigte in den Kniebeugern keine Veränderung durch Bettruhe, Vibrationstraining veränderte das Ergebnis nicht. In den Kniestreckern nahm die maximale Leistung nach Bettruhe signifikant ab, was durch Vibrationstraining aufgehalten werden konnte. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Veränderung der Maximalkraft sowie der maximalen Leistung nach einer 14-tägigen Bettruhe unter den gegebenen kontrollierten Bedingungen sehr muskel- und probandenspezifisch auftritt, was an der initialen Leistungsfähigkeit liegen kann. Betrachtet man die maximale Leistung, so konnte Vibrationstraining den Bettruheeffekt für die Kniestrecker signifikant beeinflussen.
Die Gleichgewichtsfähigkeit wurde mit Hilfe des Posturomed® untersucht, die Messgrößen waren die Haltezeit und die Auslenkung des Posturomed® bei der Ausübung vorgegebener Übungen. Bettruhe führte zu keiner generellen Veränderung in beiden Parametern. Wurde Vibrationstraining angewendet, so verschlechterten sich Haltezeit und Auslenkung signifikant. Beide Ergebnisse stützen die Ausgangshypothese nicht, dass Bettruhe zu einer Abnahme der Gleichgewichtsfähigkeit führt. Im Gegenteil, Vibrationstraining verschlechterte den Bettruhe-Effekt. Als Grund kann der frühe Messzeitpunkt genannt werden, der keine adäquate Zeit zu einer Trainingsanpassung zuließ, zusätzlich zu der relativ kurzen Bettruhe- und Trainingsintervention. Außerdem stellt Vibrationstraining einen sehr komplexen und anspruchsvollen Reiz für die Propriozeptoren und das zentrale Nervensystem dar, was zu einer akuten Irritation führen kann.
Knorpeldicke wurde mit Hilfe der bildgebenden Magnet Resonanz (Magnet Resonance Imaging (MRI)) gemessen. Zusätzlich wurden die Serum-Konzentrationen von ‚Cartilage Oligometric Matrix Protein’ (COMP) untersucht. Eine Abnahme der mittleren sowie der maximalen Knorpeldicke nach 14.Tagen Bettruhe konnte an den Tibia-Kondylen festgestellt werden, nicht aber für den Femur. Vibrationstraining führte zu einer Zunahme der mittleren und maximalen Knorpeldicken. Serum-COMP-Konzentrationen nahmen nach 24 Stunden in Bettruhe signifikant ab und stiegen direkt nach der Bettruhe wieder auf das Ausgangsniveau an. Vibrationstraining veränderte diese Reaktion nicht.
Die Ergebnisse der Knorpeluntersuchungen zeigten eine Abnahme der Knorpeldicke in der Tibia und eine Umkehr des Effektes durch Vibrationstraining, was auf eine Veränderung in den mechanischen Eigenschaften von Knorpel durch die Kontroll- sowie die Trainingsintervention zurückzuführen sein könnte. Die Veränderungen der Serum-COMP-Konzentration ist möglicherweise auf veränderte Transportbedingungen der Fragmente aus dem Gelenk zurückzuführen und könnte auf eine Veränderung im Knorpelstoffwechsel durch die mangelnde mechanische Belastung in Bettruhe hinweisen.
Zusammenfassend konnten die allgemeinen Hypothesen der Untersuchung nicht vollständig bestätigt werden. Degenerative Veränderungen durch 14 Tage in HDT-Bettruhe konnten für muskuläre Leistungsfähigkeit, Gleichgewichtsfähigkeit und Kniegelenksknorpel mit den hier angewendeten Methoden nicht in dem erwarteten Ausmaß festgestellt werden, beziehungsweise waren parameter- und probanden-spezifisch sehr unterschiedlich. Die Gründe dafür können vielfältig sein, beigetragen dazu haben sicher die sehr kontrollierten Bedingungen, der ausgeglichene Energiehaushalt, das Aufstehen, um zum Trainingsraum zu laufen, sowie der initiale Trainingszustand der Probanden. Das Vibrationstraining wurde in seiner Intensität so gewählt, dass es Organe und Gewebe vor Degeneration bewahren oder den Prozess verlangsamen sollte. Die zum Teil ausbleibende Degeneration führte dazu, dass der Trainingsreiz unter Umständen nicht mehr angemessen war. Wenn Bettruhe keinen negativen Effekt auf das jeweilige System hatte, so konnte Vibrationstraining dann auch nicht mehr als Gegenmaßnahme wirken. Die zum Teil gefundenen negativen Effekte waren so nicht erwartet worden.
Auf Grundlage der hier vorgestellten Ergebnisse kann isoliertes Vibrationstraining nicht generell als Gegenmaßnahme für Effekte von Bettruhe in 6°-HDT auf muskuläre Leistungsfähigkeit, Gleichgewichtsfähigkeit und Gelenkknorpel empfohlen werden. Dennoch sollten weitere Untersuchungen folgen, um die Kombination von Vibrationstraining mit herkömmlichen Krafttrainingsmethoden im Rahmen von Bettruhestudien zu untersuchen, und um die Ergebnisse für Gelenkknorpel zu spezifizieren. Dabei sollte schon im Auswahlprozess der Probanden dem initialen Trainingsniveau gesteigerte Beachtung geschenkt werden. Wünschenswert wäre eine bezüglich des Leistungsniveaus homogene Probandengruppe. Generell sind höhere Intensitäten in der Trainingsplanung empfehlenswert und im Weiteren sollte der Schwerpunkt zukünftig auf eine individuellere, progressive Steigerung der Trainingsintensität im Rahmen von Bettruhestudien gelegt werden.
The Vibration-Bed-Rest-Study (VBR-Study) was performed to investigate the potential of whole body vibration training to counteract degenerative effects of 14 days of 6° head down tilt bed rest (6°-HDT bed rest) on the human body. The effects of immobilization with and without vibration training on different tissues and organs, including skeletal muscle performance, balance performance and articular cartilage, were determined. The following general hypotheses were tested: a) 14 days of 6°-HDT bed rest lead do a general deconditioning of the human body b) Vibration training has the potential to counteract deconditioning during 14- days of 6°-HDT bed rest in terms of slowing down the effects or even preventing them. In this thesis, the results of the following experiments were presented and discussed: Skeletal Muscle Performance (Chapter 4), Balance Performance (Chapter 5), Cartilage biology and morphology (Chapter 6).
Eight healthy male subjects (age: 26 ± 5 years; mass: 78 ± 10 kg; height: 179 ± 10 cm) participated in the study after giving their informed consent. The study was performed in a cross-over-design where each subject received vibration training in one phase and a control intervention in the other. During the training intervention, subjects trained 2 x 5 minutes per day at 20 Hz with ~ 3 mm amplitude on a vibration plate (Galileo 900). Subjects walked a defined path to the training room and back twice daily. The schedules during the control and the vibration intervention were identical except for the vibration of the plate. By this study design we were able to interpret the real ‘vibration effect’. The experiments on muscle performance, balance performance and cartilage morphology were scheduled before and after the 14 days of 6°-HDT bed rest. Blood sampling for the analysis of biomarkers was done regularly at predefined times during the whole study.
Muscle performance was measured in maximum voluntary contraction (MVC) and maximal power. MVC did not change due to bed rest for the knee flexor and knee extensor muscles. When subjects received vibration training there was a significant decrease in MVC for the knee flexor muscles, but not for the knee extensor muscles. Maximal power did not change due to bed rest for the knee flexor muscles. However, there was a significant decrease in maximal power of the knee flexors when subjects received vibration training. In the knee extensors, bed rest lead to a significant decrease in maximal power which could be prevented by vibration training. The results indicated that changes in MVC and power after 14 days of 6°-HDT bed rest under the given conditions were muscle and subject specific and may have depended on their initial physical status. In reference to the power of the knee extensors, the used training protocol was sufficient to cause a significant difference in bed rest effects with and without training. Thus, vibration training with the protocol used had the potential to affect the response of muscle to bed rest induced immobilization.
Balance performance was measured with the Posturomed® device, using the parameters ‘holding time’ and ‘displacement’. Bed rest did not lead to a general deterioration in both parameters. Vibration training lead to a significant decrease in holding time and an increased in displacement of the Posturomed®, which reflected a decline in the performance level. The results may have been impacted by the early point in time of the measurement, which did not allow for adaptation to the training process, in addition to the relatively short duration of the bed rest and the training period. Also, vibration training is a very complex and demanding input for our postural receptor system and the central nervous system, which may possibly have caused an acute disorientation that lead to the results.
Articular cartilage thickness was measured using magnet resonance imaging (MRI) of the right knee. Additionally, serum concentrations of ‘Cartilage oligometric matrix protein’ (COMP) were analysed from 10 blood samples taken throughout the study.
Decreases in average and maximum cartilage thickness after bed rest were observed for the tibial condyle and the effects inverted into an increase when subjects received vibration training. No changes were obtained for the femoral condyle. After 24h of 6°-HDT bed rest, serum COMP concentration decreased significantly and the values returned to baseline after bed rest. Vibration training did not alter the response of serum COMP concentrations. This study showed that decreases in cartilage thickness after a 14-day bed rest can be observed and that vibration training may be able to counteract this effect. Changes in cartilage thickness could reflect a change in mechanical properties of articular cartilage due to the bed rest and the control intervention. Bed rest resulted in a reduction of serum COMP concentrations within less than two days which might have been caused by decreased diffusion of COMP molecules from the cartilage into serum due and / or might reflect a change in cartilage metabolism in response to a lack of exposure of the joint to mechanical loading.
Summarizing the results, our general hypotheses were not completely substantiated. It can be stated that the degenerative effects of immobilization did not reach the degree that was previously expected. Amongst others, the effect of the very controlled study conditions, the normo-caloric diet and the allowance to stand up and walk to the training room and back twice a day might have contributed to this outcome. Also, the pre-study training status may impact the bed rest effects more than expected. The training intensity was chosen in order to prevent or decelerate the de-conditioning of the human body due to bed rest. As this deconditioning was missing in some parts, the training intensity was not appropriate to impact the bed rest effects anymore. The observed decline in performance due to the vibration training has not been expected before.
Based on the findings of the VBR-Study, we cannot recommend generally pure vibration training as a countermeasure for changes in muscle performance, balance performance and articular cartilage morphology. For the latter, our results showed that cartilage in the knee joint is responsive to both unloading and vibration training. However, further research is encouraged in order to specify the responses. It is likely that the combination of whole body vibration with resistance training will lead to more promising results. Additionally, we suggest considering the initial training status when recruiting and screening subjects. With this in focus, a homogeneous group of subjects should be aspired. Generally, higher training intensities are recommended, in addition to an individually tailored vibration training protocol for each subject with a progressively increasing training intensity.



20.10.2017 - 03:19