TECHNOLOGIE & ENTWICKLUNG
Mehr als Watt
Wie der THERA-Trainer tigo Gelenkbelastungen beim zyklischen Bewegungstraining sichtbar macht
Jakob Tiebel
Unternehmensberater Gesundheitswesen
Trainingsdauer, Trittfrequenz und Leistung gehören zu den zentralen Parametern des zyklischen Bewegungstrainings. Sie beschreiben jedoch nur eingeschränkt, welche mechanische Belastung tatsächlich in Hüfte, Knie- und Sprunggelenk entsteht. Eine im Journal of Biomechanics veröffentlichte Studie untersuchte deshalb, wie sich Gelenk-Kontaktkräfte beim Bewegungstraining in sitzender Position modellgestützt abschätzen lassen. Im Versuchsaufbau diente der THERA-Trainer tigo als kontrollierbares, robotikgesteuertes Bewegungstherapiegerät.
Die innere mechanische Dosis
Gelenk-Kontaktkräfte beschreiben die resultierende Belastung innerhalb eines Gelenks. Sie werden nicht allein von der auf die Kurbel übertragenen Kraft bestimmt, sondern auch von Muskelaktivierung, Ko-Kontraktion, Gelenkstellung, Kraftwirkung, anatomischen Hebelverhältnissen und Bewegungskoordination. Damit können zwei Personen bei gleicher Leistung und Trittfrequenz deutlich unterschiedliche innere Belastungen erzeugen. Insbesondere radiale Kurbelkräfte und Muskelkräfte können die Gelenke beanspruchen, ohne sich unmittelbar in der angezeigten Wattzahl widerzuspiegeln.
Da Gelenk-Kontaktkräfte nur mit invasiven Verfahren direkt messbar sind, kombinierten die Forschenden experimentelle Messdaten mit einem individualisierten neuromuskuloskelettalen Computermodell.
Da Gelenk-Kontaktkräfte nur mit invasiven Verfahren direkt messbar sind, kombinierten die Forschenden experimentelle Messdaten mit einem individualisierten neuromuskuloskelettalen Computermodell.
Der Versuchsaufbau mit dem THERA-Trainer tigo
An der Untersuchung nahmen elf gesunde Erwachsene teil. Sie trainierten auf einem THERA-Trainer tigo unter sechs kontrollierten Bedingungen:
• 40 oder 60 Umdrehungen pro Minute
• jeweils 15, 30 oder 45 Watt
Position, Sitzabstand und Bewegungsausführung wurden standardisiert. Spezielle Kurbeln erfassten tangentiale und radiale Kräfte sowie den Kurbelwinkel. Ergänzend wurden die Bewegungen mit einem dreidimensionalen Kamerasystem und die Aktivität von 15 Muskeln mittels Oberflächen-EMG aufgezeichnet.
Die Messdaten flossen in ein an Körpergröße und Körpermasse angepasstes Computermodell ein. Auf dieser Grundlage wurden Muskelkräfte sowie die Kontaktkräfte in Hüfte, Knie- und Sprunggelenk geschätzt.
Der THERA-Trainer tigo hat die Gelenkkräfte dabei nicht selbst gemessen. Er stellte die reproduzierbare Bewegungsaufgabe und die standardisierte Mensch-Maschine-Schnittstelle bereit, die für die biomechanische Analyse erforderlich waren.
• 40 oder 60 Umdrehungen pro Minute
• jeweils 15, 30 oder 45 Watt
Position, Sitzabstand und Bewegungsausführung wurden standardisiert. Spezielle Kurbeln erfassten tangentiale und radiale Kräfte sowie den Kurbelwinkel. Ergänzend wurden die Bewegungen mit einem dreidimensionalen Kamerasystem und die Aktivität von 15 Muskeln mittels Oberflächen-EMG aufgezeichnet.
Die Messdaten flossen in ein an Körpergröße und Körpermasse angepasstes Computermodell ein. Auf dieser Grundlage wurden Muskelkräfte sowie die Kontaktkräfte in Hüfte, Knie- und Sprunggelenk geschätzt.
Der THERA-Trainer tigo hat die Gelenkkräfte dabei nicht selbst gemessen. Er stellte die reproduzierbare Bewegungsaufgabe und die standardisierte Mensch-Maschine-Schnittstelle bereit, die für die biomechanische Analyse erforderlich waren.
Dargestellt ist der Ablauf der Datenverarbeitung von der Messung bis zur biomechanischen Analyse. Zeitlich synchronisierte Muskelaktivität (EMG), Bewegungsdaten und Kurbelkräfte wurden aufbereitet und anschließend in ein individuelles muskuloskelettales Modell übertragen. Mithilfe der Modellierung wurden daraus Muskelkräfte sowie die resultierenden Gelenk-Kontaktkräfte an Hüfte, Knie- und Sprunggelenk berechnet.
Gleiche Leistung, unterschiedliche Gelenkbelastung
Das zentrale Ergebnis: Bei gleicher Leistung waren die Spitzenkontaktkräfte auf Gruppenebene bei 40 Umdrehungen pro Minute höher als bei 60 Umdrehungen pro Minute. Dieser Effekt zeigte sich an Hüfte, Knie- und Sprunggelenk. Am stärksten ausgeprägt war der Unterschied am Knie. Dort lagen die mittleren Spitzenkontaktkräfte bei der niedrigeren Trittfrequenz, abhängig von der Leistungsstufe, um etwa 0,33 bis 0,46 Körpergewichte höher.
Biomechanisch ist dies plausibel: Soll dieselbe Leistung mit geringerer Trittfrequenz erbracht werden, ist pro Umdrehung ein höheres Drehmoment erforderlich. Die daraus entstehende Gelenkbelastung hängt jedoch zusätzlich davon ab, welche Muskeln aktiviert werden, wie stark gegensätzlich wirkende Muskelgruppen gleichzeitig arbeiten und zu welchem Zeitpunkt und in welcher Richtung die Kraft auf die Kurbel wirkt.
Entsprechend war die mittlere Kurbel-Leistung nur schwach mit den maximalen Gelenk-Kontaktkräften verbunden. Die Korrelationswerte lagen zwischen 0,063 und 0,211. Eine zuverlässige Abschätzung der inneren Gelenkbelastung allein anhand der Wattzahl war somit nicht möglich.
Biomechanisch ist dies plausibel: Soll dieselbe Leistung mit geringerer Trittfrequenz erbracht werden, ist pro Umdrehung ein höheres Drehmoment erforderlich. Die daraus entstehende Gelenkbelastung hängt jedoch zusätzlich davon ab, welche Muskeln aktiviert werden, wie stark gegensätzlich wirkende Muskelgruppen gleichzeitig arbeiten und zu welchem Zeitpunkt und in welcher Richtung die Kraft auf die Kurbel wirkt.
Entsprechend war die mittlere Kurbel-Leistung nur schwach mit den maximalen Gelenk-Kontaktkräften verbunden. Die Korrelationswerte lagen zwischen 0,063 und 0,211. Eine zuverlässige Abschätzung der inneren Gelenkbelastung allein anhand der Wattzahl war somit nicht möglich.
Individuelle Bewegungsstrategien bleiben entscheidend
Äußere Bewegungsaufgabe durch unterschiedliche Muskelrekrutierung, Kraftverteilung, Stabilisation und Ko-Kontraktion bewältigen. Aus den Ergebnissen lässt sich deshalb keine pauschale Dosierungsregel ableiten. Eine höhere Trittfrequenz ist nicht grundsätzlich sicherer, eine niedrigere nicht generell belastender. Relevant ist die individuelle biomechanische Reaktion auf die jeweilige Trainingsbedingung.
Dargestellt sind Bewegungsverläufe (oben), Gelenkmomente (Mitte) und Gelenk-Kontaktkräfte (unten) von Hüfte, Knie- und Sprunggelenk während des Radfahrens bei 40 und 60 U/min und vergleichbarer Leistung (~15 W). Die Werte werden über eine vollständige Kurbelumdrehung gezeigt. Grau hinterlegte Bereiche markieren signifikante Unterschiede zwischen den beiden Trittfrequenzen (p < 0,05).
Perspektive für Forschung und Trainingssteuerung
Die Studie erweitert die Betrachtung der Trainingsdosis. Übliche Parameter wie Dauer, Widerstand, Trittfrequenz, Leistung und Bewegungszyklen bleiben wichtig, bilden die innere mechanische Beanspruchung jedoch nicht vollständig ab.
In Verbindung mit zusätzlichen Sensoren und patientenspezifischen Modellen könnten Gelenkbelastungen künftig möglicherweise während des Trainings geschätzt werden. Für FES-gestützte Anwendungen wäre langfristig auch eine Anpassung der Stimulationsmuster an die gewünschte mechanische Belastung denkbar.
Dabei handelt es sich um eine Forschungs- und Entwicklungsperspektive. Eine Echtzeitschätzung der Gelenkkräfte oder eine automatische modellbasierte Steuerung der funktionellen Elektrostimulation wurde in der Studie weder klinisch validiert noch als Serienfunktion des THERA-Trainer tigo untersucht.
KONTAKT AUFNEHMEN
In Verbindung mit zusätzlichen Sensoren und patientenspezifischen Modellen könnten Gelenkbelastungen künftig möglicherweise während des Trainings geschätzt werden. Für FES-gestützte Anwendungen wäre langfristig auch eine Anpassung der Stimulationsmuster an die gewünschte mechanische Belastung denkbar.
Dabei handelt es sich um eine Forschungs- und Entwicklungsperspektive. Eine Echtzeitschätzung der Gelenkkräfte oder eine automatische modellbasierte Steuerung der funktionellen Elektrostimulation wurde in der Studie weder klinisch validiert noch als Serienfunktion des THERA-Trainer tigo untersucht.
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Bedeutung des THERA-Trainer tigo für die biomechanische Forschung
Der wissenschaftliche Beitrag der Studie liegt vor allem in der entwickelten Mess- und Modellierungsarchitektur. Der THERA-Trainer tigo ermöglichte eine kontrollierte, reproduzierbare und rehabilitationsnahe Bewegungsaufgabe. Durch spezielle Kurbeln sowie die Kopplung mit Bewegungsanalyse, EMG und muskuloskelettaler Modellierung wurde das Bewegungstherapiegerät zur Plattform für die biomechanische Forschung und Evaluation.
Die Untersuchung zeigt damit zweierlei: Leistung und Trittfrequenz reichen nicht aus, um die individuelle Gelenkbelastung präzise zu beschreiben. Gleichzeitig bietet ein standardisierbares, robotikgesteuertes Bewegungstherapiegerät die Grundlage, äußere Trainingsparameter systematisch mit inneren Muskel- und Gelenkbelastungen zu verknüpfen.
Die langfristige Perspektive ist eine Trainingssteuerung, die nicht nur dokumentiert, wie viel Bewegung erzeugt wurde, sondern auch abschätzt, welche mechanische Dosis tatsächlich im Körper ankommt.
Die Untersuchung zeigt damit zweierlei: Leistung und Trittfrequenz reichen nicht aus, um die individuelle Gelenkbelastung präzise zu beschreiben. Gleichzeitig bietet ein standardisierbares, robotikgesteuertes Bewegungstherapiegerät die Grundlage, äußere Trainingsparameter systematisch mit inneren Muskel- und Gelenkbelastungen zu verknüpfen.
Die langfristige Perspektive ist eine Trainingssteuerung, die nicht nur dokumentiert, wie viel Bewegung erzeugt wurde, sondern auch abschätzt, welche mechanische Dosis tatsächlich im Körper ankommt.
Jakob Tiebel
Unternehmensberater Gesundheitswesen
Jakob Tiebel, Ergotherapeut, Studium in angewandter Psychologie mit Schwerpunkt Gesundheitswirtschaft. Klinische Expertise durch frühere therapeutische Tätigkeit in der Neurorehabilitation. Forscht und publiziert zum Theorie-Praxis-Transfer in der Neurorehabilitation und ist Inhaber von einer Agentur für digitales Gesundheitsmarketing.
References:
- Crossley CB, Diamond LE, Saxby DJ et al. Joint contact forces during semi-recumbent seated cycling. Journal of Biomechanics. 2024;168:112094. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2024.112094.