Einsatz des Myofeedback-Innervationstrainings bei arthrogener Inhibition des Musculus quadriceps femoris

| C. Mucha

Zusammenfassung

Ziel der Untersuchung war, ein EMG-Biofeedback-unterstütztes und kontrolliertes Innervationstraining bei Patienten mit arthrogener Muskelinhibition und -atrophie zu prüfen sowie die Innervationskriterien eines 10tägigen Trainingsverlaufs zu analysieren.
Bei insgesamt 75 Patienten mit 3 Diagnosegruppen (25 Patienten nach Operation des vorderen Kreuzbandes, 26 Patienten nach Meniskektomie, 24 Patienten mit Patella-Schmerz-Syndrom) wurde täglich ein 20minütiges Feedback-Training des M. quadriceps femoris durchgeführt. Die maximalen Innervationspotentiale und die isometrische Streckkraft des M. quadriceps femoris aus 90º Beugung wurden vor Trainingsbeginn beidseits registriert. Im weiteren Verlauf wurden diese an der kranken Extremität täglich bzw. am ersten, dritten, sechsten und zehnten Tag protokolliert.

Die gewonnenen Daten für das Gesamtkollektiv wurden im Verlauf analysiert. Zusätzlich erfolgte ein Vergleich von drei Subgruppen mit unterschiedlich hohen Bereichen von Innervationspotentialen, welche gleichzeitig die drei verschiedenen Diagnosegruppen repräsentierten.

Die gruppenspezifischen maximalen Innervationspotentiale wurden in der Regel innerhalb 8 Trainingstagen erreicht. Das geringste Innervationspotential besaßen die Patienten mit einem Patella-Schmerz-Syndrom, so daß ein besonderer Einfluß des chronischen Schmerzsyndroms auf die Muskelinhibition und -atrophie anzunehmen ist. Im Gegensatz zu den beiden anderen Patientengruppen erreichten sie weder für die Innervationspotentiale noch die isometrische Streckkraft die Werte der gesunden Seite. Für die Kraftentwicklung im Gesamtkollektiv bestand im Beobachtungsintervall eine proportionale Abhängigkeit von der Potentialhöhe.

Die insgesamt deutliche Steigerung der Innervationsrekrutierung in dem 10tägigen Trainingsintervall der rehabilitativen Frühphase läßt den Schluß zu, daß das Biofeedback-Training geeignet ist, eine erheblich eingeschränkte Innervation des M. quadriceps femoris innerhalb von 8-10 Behandlungstagen zu reaktivieren und dadurch möglicherweise die Effizienz weiterer isometrischer und dynamischer Kräftigungsübungen zu verbessern.

Einleitung und Problemstellung

Das in Medizin (2, 4, 6) und Psychologie (1, 13) inzwischen weiteingesetzte Biofeedback-Verfahren dient generell dazu, nicht oder kaum wahrnehmbare Körperfunktionen meßtechnisch zu erfaßen und über eine Anzeigevorrichtung darzustellen (17). Hierdurch wird dem Patienten eine Kontroll- und Lernhilfe angeboten, um bestimmte Körperfunktionen übend zu beeinflußen. Inzwischen existieren zahlreiche Indikationen für den Einsatz des Biofeedbackverfahrens (16).

Das in dieser Arbeit eingesetzte EMG-Feedback wird vor allem bei muskulo-skelettalen Dysfunktionen und Erkrankungen unterschiedlicher Ätiopathogenese eingesetzt; u.a. auch bei muskulärem Kraftverlust infolge von Verletzungen oder Innervationsstörungen. Deshalb wurde das EMG-Feedback-Verfahren in zahlreichen Untersuchungen auch zur Regeneration der Kraft eingesetzt (2, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 15, 18 ). 

Es existieren aber nur wenige Untersuchungen zum Innervationstraining bei Patienten mit arthrogener Muskelinhibition und posttraumatischer Inaktivitätsatrophie. Ebenso gibt es kaum Ergebnisse zur Innervationscharakterstik in der postoperativen Frührehabilitation. 

Deshalb sollte in dieser Untersuchung geprüft werden, welche quantitativen Innervationsbereiche bei Patienten nach chirurgischen Eingriffen des Kniegelenkes sowie bei patellarem Schmerzsyndrom mit dort bekannter arthrogener Inhibition des M. quadriceps femoris vorliegen und welche Verlaufsentwicklungen aus einem 10tägigen EMG-Feedback-unterstützten Innervationstraining resultieren.
Zudem sollte die gleichzeitige Auswirkung dieses Innervationstrainings auf die Regeneration der Streckkraft des Kniegelenkes überprüft werden.

Patientengut und Methodik

25 Patienten nach Operation des vorderen Kreuzbandes (13 männlich, 12 weiblich; Alter 18-53 Jahre), 26 nach Meniskektomie (14 männlich, 12 weiblich; Alter 20-45 Jahre) sowie 24 Patienten mit einem Patella-Schmerz-Syndrom (14 männlich, 10 weiblich; Alter 17-41 Jahre) wurden einem 10tägigen Myofeedback-Innervationstraining unterzogen. Als Einschlußkriterien galten das Einverständnis der Patienten, fehlende Begleitdiagnosen und eine planbare Durchführungskontinuität. 

Nach Operation wurde das Training ab zweitem postoperativen Tag aufgenommen. Bei allen Patienten fand am ersten Trainingstag eine Anleitung und Einführung in das Durchführungsprocedere statt, wobei vor allem auch die maximale Willkürinnervation des M. quadriceps femoris durch einen Therapeuten eingeübt wurde. Während des Trainings lagen die Patienten mit leicht erhobenem Oberkörper auf einer Liege, wobei das Myofeedbackgerät so positioniert war, daß der Patient die Digitalanzeige im Blick hatte.

Als Übungsgerät wurde das EMG-Myofeedbackgerät EFB-100 (Fa. Schippers, Medizintechnik) verwendet. Neben einer indifferenten Elektrode dienen diesem Gerät zwei Oberflächenelektroden (Langzeit-Silber, -Silberchlorid) als Meßwert-Aufnehmer. Ihre Position auf dem Kopf des M. vastus medialis und zwischen den Köpfen des M. vastus intermedius und lateralis wurde jeweils gekennzeichnet. 

Über diese beiden differenten Elektroden wird die Summe der Muskelpotentiale der im Bereich der Meßelektroden liegenden motorischen Einheiten als Potentialdifferenz zwischen beiden Meßpunkten erfaßt, über einen Verstärker geleitet und als optische Digitalanzeige (Muskelpotential in µV) sowie akustisches Signal verarbeitet. Dabei können zwei verschiedene Potentialwerte dargestellt werden: der Spitze-Spitze-Wert (Uss), bei dem alle Potentialänderungen angezeigt werden, sowie die effektive Spannung (Ueff) als ein Integrationswert aus der Höhe und Breite der Summe der Potentiale.

Da sich bei Einstellung des Spitze-Spitze-Wertes während des Innervationstrainings schnell verändernde und zum Teil sehr kurze hohe Werte ergeben, die vom Patienten nur schwer verfolgbar sind, führten wir das Training mit dem Effektivwert durch.

Zuvor mußte ein Trainingswert eingespeichert werden. Der Trainingswert wurde aus dem Mittel von 10 maximalen Innervationen minus 15 % berechnet. Nach Steigerung der Innervationszeit über 40 % von den festgesetzten 20 Übungsminuten wurde der Trainingswert jeweils neu festgelegt, indem wiederum 15 % des letzten maximalen Innervationspotentials subtrahiert wurden. Die Übungszeit mußte ebenfalls vorher eingestellt werden, wobei das Gerät mittels eines integrierten Rechners diese auf der Digitalanzeige prozentual angibt und nach Ablauf der eingestellten Zeit das Gerät abschaltet. Abhängig von der erbrachten Potentialhöhe standen verschiedene Trainingsbereiche zur Verfügung: 0-20 µV, 0-200 µV und 0-2000 µV. Wurde das Innervationspotential von Patienten über den primär eingestellten Bereich hinaus gesteigert, mußte der Trainingsbereich während des Trainings entsprechend verändert werden.

Im gesamten Interventionsverlauf wurden die gewonnenen maximalen Innervationspotentiale, die Trainingswerte sowie die Innervationszeit über Trainingswert protokolliert. Vor Trainingsbeginn wurde zudem das maximale Innervationspotential der gesunden Seite registriert.
Darüber hinaus wurde die isometrische Streckkraft des Kniegelenkes aus 90º Kniebeugung dynamometrisch (Zeiger-Dynamometer; Fa. H. Köhne) gemessen, wobei der Ausgangswert aus dem Mittel von 5 Anspannungen gebildet und an beiden Kniegelenken registriert wurde. Die Aufnahme der isometrischen Streckkraft aus 90º Kniebeugung war notwendig, weil diese Knieposition alle Patienten, auch postoperativ, einnehmen konnten. Im weiteren Verlauf erfolgten die Kraftmessungen am trainierten Bein am ersten, dritten, sechsten und zehnten Übungstag. 

Die aus den Trainingsprotokollen gewonnenen Daten wurden im Verlauf analysiert, wobei die Entwicklung der Innervationspotentiale in Abhängigkeit von der Zugkraft im Trainingsintervall statistisch berechnet wurde. Neben den maximalen Innervationspotentialen und der Zugkraft wurden ihre relativen Zuwächse sowie der Quotient aus den Ergebnissen des trainierten und gesunden Beines berechnet. Die Differenzierung der drei unterschiedlichen Trainingsbereiche repräsentierte gleichzeitig die Teilnehmer der verschiedenen Diagnosegruppen.

Ergebnisse

In Abb. 1 und 2 sind die Mittelwerte des maximalen Innervationspotentials vom ersten bis zehnten Trainingstag sowie der isometrischen Streckkraft vom ersten, dritten, sechsten und zehnten Tag im Gesamtkollektiv dargestellt. Während das maximale Innervationspotential vom ersten bis fünften Trainingstag steil ansteigt, flacht es im weiteren Verlauf zunehmend ab. Demgegenüber steigt die Streckkraft, wenn auch langsamer, dann noch weiterhin an. Die Steigung der Geraden in der zweiten Hälfte des Trainingsintervalls ist zwischen dem Anstieg der Innervationspotentiale und dem Anstieg der Streckkraft signifikant (p<0,01) verschieden. Dem Verlauf der Abb. 1 ist deutlich zu entnehmen, daß die Patienten während der ersten acht Trainingstage die nicht innervierten motorischen Einheiten zu mobilisieren lernten, so daß danach ihr Innervationspotential konstant verblieb bzw. teilweise sogar wieder abfiel. Die relativ großen Standardabweichungen in diesen Ergebnissen resultieren nicht zuletzt aus dem unterschiedlichen Alter und Funktionszustand sowie den verschiedenen Diagnosen im Gesamtkollektiv.

In den ersten 10 Tagen des Innervationstrainings steigt die Streckkraft proportional zum Innervationspotential an. Diese lineare Abhängigkeit zeigt Abb. 3. Der Korrelations-Koeffizient beträgt 0,99.

Die durchschnittliche Zunahme des maximalen Innervationspotentials im Vergleich zum Ausgangswert der gesunden Seite zeigt im Gesamtkollektiv Abb. 4. Während der Ausgangswert der gesunden Seite 251 µV betrug, erreicht die trainierte Seite einen Durchschnittswert von 273 µV und übersteigt diesen um 8,8 %. Demgegenüber erreichten die Patienten auf der kranken Seite mit 30,9 kp nicht die Ausgangskraft der gesunden Seite von 32,4 kp. Sie liegt um 4,6 % niedriger (Abb. 5). Hierfür kann möglicherweise die schmerzinduzierte Hemmung der Streckkraft während des Meßvorganges verantwortlich sein.

Eine Differenzierung der Patienten nach ihren erzielbaren maximalen Ausgangspotentialen bis 220 µV, 400 µV und 800 µV im Gesamtkollektiv und die in diesen Subgruppen erzielte Trainingsentwicklung zeigen Abb. 6 und 7. Es wird deutlich, daß Patienten mit einem maximalen Innervationspotential bis 220 µV weder das Ausgangspotential noch die Ausgangskraft der gesunden Seite erreichten, während Patienten, die 400 µV bzw. 800 µV erzielten, die Ausgangswerte ihrer gesunden Seite jeweils übertreffen konnten.

Eine entsprechende Zuordnung der Innervationspotentiale und Streckkraft zu den Diagnosegruppen und ihre Verlaufsentwicklungen zeigen die Abb. 8 und 9. Patienten nach Band- und Miniskusoperation konnten deutlich bessere Innervations- und Kraftwerte erzielen als diejenigen mit einem Patella-Schmerz-Syndrom. Somit entsprechen die Diagnosegruppen den Subgruppen unterschiedlicher Potentialbereiche.

Diskussion

Bei der Beurteilung der Innervationspotentiale im Verlauf dieses EMG-Biofeedback-Trainings sind mehrere methodische Einflußquellen zu beachten (17). Die hier eingesetzten Silberchloridelektroden sind heute standardmäßig zu bevorzugen (16). Die Elektrodenpositionierung wurde an markierten Stellen vorgenommen, um Distanzartefakte im Verlauf auszuschließen. Für den Trainingswert wird in der Literatur (9) oft eine 20 %ige Subtraktion vom maximalen Potentialwert vorgeschlagen. Die hier gewählten 15 % haben sich jedoch für das definierte Patientenkollektiv im Vortest reliabel erwiesen. Das gilt gleichermaßen für die gewählte Trainingszeit von 20 Minuten pro Übungstag, zumal besonders in den ersten Trainingstagen die Patienten einige Minuten benötigten, um das am Vortag erreichte maximale Innervationspotential wieder aufzuüben, und in der Literatur (9) sogar Übungszeiten bis zu 30 Minuten angeführt werden. Ob ggfs. auch bei einer kürzeren Trainingszeit nach durchschnittlich acht Trainingstagen, wie in diesem Untersuchungskollektiv, bereits das höchste individuelle Innervationspotential (Abb.1) des definierten Trainingsintervalls erzielt werden könnte, muß vorerst offen bleiben. Nach entsprechenden Empfehlungen aus der Literatur (16) wurden für die Anspannungs- und Pausenzeiten jeweils 10 Sekunden gewählt, zumal 10 Sekunden Anspannungszeit für die meisten physiologischen und ergonomischen Konditionen, einschließlich Muskelsubstitution, empfohlen werden.

Die Entwicklung der Innervationsrekrutierung im Verlauf des zugrunde gelegten Innervationstrainings zeigt für das Gesamtkollektiv Abb. 1. Hier ist deutlich zu erkennen, daß eine Aktivierung der offensichtlich gehemmten motorischen Einheiten innerhalb von 8 Trainingstagen in der Regel erfolgen und das Innervationspotential um 224% gesteigert werden konnte (Abb. 4). Parallel zur Steigerung der Innervationsrekrutierung ging eine Verbesserung der isometrischen Streckkraft dieser Patienten einher (Abb. 2).

Die in Abb. 3 gezeigte Proportionalität von Innervationspotential und Kraft in unserem Untersuchungskollektiv entspricht weitgehend den Angaben aus der Literatur (1, 4). Sherman (17) weist jedoch darauf hin, daß der Anstieg der Innervationspotentiale mit der Kraft eher idiosynkratisch ist und bereits bei Gesunden differieren kann. 

Betrachtet man die Ergebnisse in den Subgruppen mit unterschiedlich erzielbaren Potentialbereichen in Abb. 6, so wird deutlich, daß Patienten mit höheren Ausgangspotentialen sowohl die maximalen Innervationspotentiale als auch die erzielte Streckkraft (Abb.7) im Vergleich zur gesunden Seite schneller zu reaktivieren vermögen als diejenigen mit niedrigen Ausgangspotentialen. Da diese Subgruppen gleichzeitig die verschiedenen Diagnosegruppen repräsentieren - höchste Ausgangspotentiale entspricht der Patientengruppe nach vorderer Kreuzbandoperation, mittlere Ausgangspotentiale der Patientengruppe nach Meniskektomie und niedrigste Ausgangspotentiale den Patienten mit patellarem Schmerzsyndrom - könnten für diese Ergebnisdifferenzierung vor allem stärkere Schmerzen und eine ausgeprägtere Muskelatrophie (5, 18) verantwortlich sein. Das gilt insbesondere für die Patientengruppe mit einem Patella-Schmerz-Syndrom. Dennoch konnte auch in dieser Gruppe, obwohl auf einem insgesamt niedrigeren Niveau, eine deutliche Steigerung der Innervationspotentiale und Streckkraft erzielt werden (Abb. 8 und 9), die nicht zuletzt mit einer Verbesserung des klinischen Zustandes einherging. Dieses Ergebnis kann durchaus mit Angaben aus der Literatur (5, 11) in Übereinstimmung gebracht werden, auch wenn dort in der Regel längere Beobachtungs- und Trainingsintervalle sowie z.T. andere Zielvariablen zugrunde gelegt wurden. Gleichzeitig weist dieses Teilergebnis auf den Einfluß chronischer Schmerzsyndrome bei arthrogener Muskelinhibition hin. Nicht selten wird deshalb auch das EMG-Biofeedback-Training zur gezielten Kraftverbesserung des M. vastus medialis bei patellarem Schmerz-syndrom empfohlen (3, 11), obwohl auch Ergebnisse (9) vorliegen, die additive Effekte dieser Trainingsform gegenüber einer alleinigen konservativen Übungsbehandlung verneinen. 

Vorrangiges Ziel dieser Untersuchung war jedoch, die Innervationscharakteristik des EMG-Biofeedback-Trainings in einem diagnosespezifischen Untersuchungskollektiv zu analysieren und die Trainingswirkung für die Frühphase der Rehabilitation zu quantifizieren, wobei die Ergebnisse folgende Schlußfolgerungen erlauben: 
Mit dem EMG-Biofeedback-Verfahren können die erheblichen postoperativen Innervationsdefizite bei Patienten nach Operation des vorderen Kreuzbandes, nach Meniskektomie sowie patellarem Schmerzsyndrom z.T. quantitativ erfaßt werden und im Verlauf eines 10tägigen Trainings weitgehend reaktiviert werden. Dadurch dürften die Bedingungen für weitergehende Kraftübungen des M. quadriceps femoris verbessert werden, wobei nicht ausgeschlossen ist, daß das funktionelle Gesamtergebnis dieser Patienten im weiteren Rehabilitationsverlauf effizienter gestaltet werden kann. Ob über das 8-10tägige Intervall ein EMG-Biofeedback-Training zusätzlich zur konservativen Übungstherapie angezeigt ist bzw. gar das Rehabilitationsergebnis gegenüber einer Monotherapie dann noch zu steigern vermag, muß voerst weiteren Untersuchungen vorbehalten bleiben.

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