Einleitung
Elektromyostimulation (EMS)
Erste Erkenntnisse zum Stromfluss und dessen Einfluss auf den Körper können über mehrere Jahrhunderte zurückverfolgt werden. Dennoch dauerte es bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts, ehe Geräte entwickelt wurden, deren Prinzipien die Basis für das heutige EMS-Training bilden. Erste Evidenzen russischer Wissenschaftler Anfang der 70er Jahre belegen, dass externe elektrische Stimulation zu größeren muskulären Kontraktionskräften innerhalb der Skelettmuskulatur führen kann und dass dadurch Trainingsreize generiert werden können, die Kraftzuwächse zwischen 30 und 40 % provozieren. Diese Erkenntnisse ebneten spätestens mit Beginn der 90er Jahre den Weg hin zu einem erweiterten und professionelleren Einsatz von EMS-Geräten im (neuro-)rehabilitativen Therapiebereich, um mittels passiver Stimulation Muskulatur sowie deren Leistungsfähigkeit zu erhalten bzw. zu verbessern. Klassische EMS bedient sich des Einsatzes externer elektrischer Impulse, die über muskelnah applizierte Elektroden eine kontrollierte Kontraktion der quergestreiften Skelettmuskulatur erzeugen. Im Gegensatz zur physiologischen Muskelkontraktion provoziert EMS eine Kontraktion des Muskels ohne den Einfluss des zentralen Nervensystems. Aufgrund ihres hohen Wasseranteils eignet sich die menschliche Muskulatur gut als Leiter für elektrische Reize, die physiologisch der klassischen Reizübertragung folgen: Der elektrische Impuls löst ein Aktionspotenzial aus, das sich entlang des Axons ausbreitet (Reizweiterleitung) und final am Muskel zur Kontraktion führt. Die Erregung einzelner Muskelfasern steht in enger Abhängigkeit von einer ausreichenden, jedoch für den Menschen unbedenklichen Schwellenstromstärke: Das Optimum wird zwischen 20 und 40 Milliampere definiert. Tabelle 1 zeigt unterschiedliche Belastungsparameter, die beim Einsatz von EMS zum Einsatz kommen. Eine Innervation von Nerven und Muskeln der quergestreiften Muskulatur wird im niederfrequenten Impulsbereich von 50 bis 90 Hertz erreicht. Glatte Muskelstrukturen wie beispielsweise die Herzmuskelzellen werden in diesem Impulsbereich nicht erregt, was eine Irritation des physiologischen Herz-Kreislauf-Systems ausschließt.
Ganzkörper-Elektromyostimulation (WB-EMS)
In den letzten Jahren erlebte speziell die neue alternative Trainingstechnologie der Ganzkörper-Elektromyostimulation, kurz WB-EMS, einen immensen Aufschwung: Neben einem vermehrten Einsatz im Breitensport und in der Fitnessbranche wird seit gut einem Jahrzehnt auch die evidenzbasierte Forschung kontinuierlich vorangetrieben. WB-EMS bedient sich der gleichen physiologischen Grundlagen wie die lokale EMS, vergrößert jedoch die Fläche der trainierten Muskulatur durch die gleichzeitige Ansteuerung von 8 bis 10 Muskelgruppen auf etwa 3 m². Die Abbildungen 1a–c zeigen die unterschiedlichen Muskelareale, die durch das Anlegen des entsprechenden Equipments (Weste, Arm‑, Bein- und Gesäß-Manschette) individuell und regional über ein Bedienmodul (Abb. 1d) angesteuert werden können. Von der lokalen Stimulation, die meist isoliert und passiv (ohne aktive dynamische Bewegungsausführung) auf den Muskel appliziert wird, unterscheidet sich die WB-EMS-Anwendung durch ein im Stand parallel und aktiv durchgeführtes funktionelles Trainingsprogramm. Die Übungsauswahl bewegt sich in der Regel in Bewegungsumfängen, die selbst von stark eingeschränkten Trainierenden problemlos bewältigt werden können. Wissenschaftliche Evidenzen belegen die Effizienz und Effektivität von WB-EMS. Etablierte und auch kommerziell umgesetzte Trainingsprotokolle umfassen lediglich 20 Minuten pro Trainingseinheit und empfehlen 1 bis 1,5 Einheiten pro Woche. Nach mehrwöchigen Interventionen zeigen Studien in unterschiedlichen Alterskohorten signifikante Effekte auf Körperzusammensetzung (Muskelaufbau, Körperfettreduktion), Kraft und Leistungsfähigkeit1. In den letzten Jahren wurde in vereinzelten Fällen von negativen gesundheitlichen Auswirkungen nach WB-EMS-Training berichtet. Ernsthafte Komplikationen wie extremer Muskelkater mit teils physiologischem Muskelzerfall (Rhabdomyolyse) lassen sich in der Regel jedoch auf eine unfachmännische Handhabung in der Umsetzung des Trainings sowie eine zu intensive Erstanwendung zurückführen. Tatsächlich kann die Kombination aus großflächig stimulierter Muskelmasse in Verbindung mit zu intensiver Initialbelastung ein Risiko darstellen: Eine mögliche extreme Erhöhung der Kreatinkinase- Werte (CK) und Verschiebungen im Elektrolythaushalt können zu erhöhter Leber- und Nierenbelastung sowie zu Herz-Kreislauf- Irritationen führen 2. Demgegenüber belegen Studien, dass ein progressiver Trainingsansatz – ähnlich der progressiven Belastungssteigerung im herkömmlichen Krafttraining – mit sukzessiven gesteigerten Intensitäten eine kontinuierliche Adaptation des Körpers herbeiführt: Bereits nach der zweiten Anwendung zeigen sich erste Adaptationszeichen des WB-EMS-Trainings3. In den letzten Jahren wurde auch von Seiten der Gesetzgebung umfangreich an der Etablierung und Durchsetzung von Sicherheitsstandards (DIN-Norm 33961–5 4), Kontraindikationen5 und Empfehlungen 6 als Qualitätskriterium gearbeitet. Seit Januar 2021 unterliegt die nichtmedizinische EMS-Anwendung dem Rahmen der Strahlenschutzverordnung (NiSV, Artikel 4; Anwendung nichtionisierender Strahlung am Menschen); dementsprechend sind kommerzielle Betreiber verpflichtet, qualifiziertes und zertifiziertes Personal einzusetzen 7.
Studie: (Ganzkörper-) Elektromyostimulation in der stationären Reha bei Sarkopenie-Patienten
In einem Pilotprojekt an der Klinik Königsfeld der Deutschen Rentenversicherung in Ennepetal wurden zwischen April 2018 und 2020 erstmals die additiven Effekte unterschiedlicher EMS-Applikationsformen im Rahmen eines vierwöchigen stationären Rehabilitationsaufenthaltes untersucht. Haupteinschlusskriterium für die Teilnahme am Projekt mit der Bezeichnung „GERKO“ (Ganzkörper- Elektromyostimulation in der Rehabilitation kardiologischer und orthopädischer Patienten) war neben einerkardiologischen und/oder orthopädischen Hauptindikation das Vorhandensein einer Sarkopenie.
Krankheitsbild „Sarkopenie“
Das Thema Sarkopenie rückt im Zuge des demografischen Wandels in den letzten Jahren mehr und mehr ins Blickfeld der Forschung. Die Sarkopenie- Definition eines altersbedingten Rückgangs der Muskelmasse (primäre Sarkopenie) wurde kürzlich um die Kategorie der krankheitsassoziierten Reduktion (sekundäre Sarkopenie) erweitert und ist ICD-10-codiert (M.62.84) 8. Zwar sind Pathophysiologie und Ursachen dieser Muskelmasse-Reduktion noch nicht vollständig geklärt, dennoch scheinen der Lebensstil sowie hormonelle, immunologische (erhöhte Entzündungsprozesse) und neuromuskuläre Veränderungen einen beeinflussenden Charakter zu besitzen – Umstände, die eine Sarkopenie zu einer multifaktoriellen Erkrankung machen. Die Reduktion der Muskelmasse ist stark mit geringerer Muskelkraft, verminderter muskulärer Funktionalität und weniger Leistungsfähigkeit assoziiert. Diese Abwärtsspirale setzt sich in einer deutlich erhöhten Wahrscheinlichkeit des Verlustes der Selbstständigkeit und der Lebensqualität fort und führt nachweislich zu zunehmender Gebrechlichkeit mit erhöhtem Sturzrisiko, Frakturen und final zu einer erhöhten Mortalitätsrate 9. Speziell längere Klinikaufenthalte mit vorheriger oder anschließender Immobilität bzw. Inaktivität stellen für die Anschluss-Rehabilitation ein Problem dar. Muskulär dekonditionierte Patienten sind in gewissem Maße therapielimitiert, da sie im Rahmen des Rehabilitationsprozesses meist nur unterschwellige Trainingsintensitäten erreichen, die keine notwendigen physiologischen Adaptationen mit sich bringen.
Untersuchungsziele
Hinter dem hier vorgestellten Pilotprojekt steckt die grundlegende Idee, die individuelle Reizschwelle durch zusätzliche externe EMS so zu stimulieren, dass entsprechende Adaptationen provoziert werden. Der Einfluss von WB-EMS auf eine Sarkopenie wurde bereits für beide Geschlechtsgruppen nachgewiesen 10 11 12. Während die Probanden dieser Studien allerdings längerfristig über mindestens 6 Monate trainierten, zeichnet sich das Projekt der Klinik Königsfeld durch das Alleinstellungsmerkmal eines „limitierten“ 4‑wöchigen Trainingszeitraums innerhalb des stationären Rehabilitationsaufenthalts mit lediglich 6 Trainingseinheiten aus. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit und Effektivität von EMS im Verlauf des stationären Aufenthaltes wurden als Hauptzielparameter die Veränderung der Muskelkraft und der Muskelfunktion definiert. Zudem sollten Fragen zur optimalen Anwendungsmöglichkeit im Sinne des Vergleichs einer Ganzkörper- und einer Teilkörper- EMS-Applikation (Abb. 2) beantwortet werden.
Methodik
Gemäß der Sarkopenie-Definition der Foundation for the National Institutes of Health (FNIH) wurde eine beim Patienten vorliegende Sarkopenie nach dem Kriterium „reduzierte Muskelmasse“ anhand des skelettalen Muskelindex (SMI; Berechnung: Muskelmasse der Extremitäten [appendikuläre skelettale Muskelmasse]/ Body-Mass-Index [BMI]) identifiziert und galt als wesentliches Einschlusskriterium. Grenzwerte für Männer liegen hier bei < 0,789, für Frauen bei < 0,512. Zur Erfassung der definierten primären Endpunkte durchliefen geeignete Patienten eine Testbatterie, bestehend aus den im Folgenden genannten Tests: – Aufstehtest („chair rise test“) sowie 6‑Minuten-Gehtest zur Ermittlung der Muskelfunktion; – isometrische Bein‑, Arm- und Rumpfkraftmessungen zur Ermittlung der Muskelkraft. Sekundäre Endpunkte wurden mittels der folgenden Instrumente abgefragt: – Blutentnahme (hämolytische Parameter), – multifrequente Bioimpedanzanalyse (BIA) zur Erhebung der Körperzusammensetzung sowie – Fragebögen zu Lebensqualität und Selbstwirksamkeit. Alle Teilnehmer (n = 122) trainierten im vierwöchigen Rehabilitationsverlauf jeweils zweimal pro Woche für je zusätzlich 20 Minuten entsprechend der Randomisierung in einer der 3 folgenden Gruppen: 1. WB-EMS: Stimulation von 8 Muskelgruppen (s. o.); 2. Teilkörper-EMS: Stimulation der Oberschenkel- und Gesäßmuskulatur (s. o.); 3. aktive Kontrollgruppe: Bewegungsausführung ohne zusätzliche EMS-Applikation. Alle Trainingseinheiten wurden in einem engen Betreuungsverhältnis von 2:1, also 2 Teilnehmer in Anwesenheit eines qualifizierten Übungsleiters, durchgeführt. Jede Trainingseinheit beinhaltete ein dynamisches Bewegungsprogramm im Stand, bestehend aus 2 Sätzen respektive Durchgängen à 7 Übungen mit je 8 Wiederholungen und einer finalen Übung à 6 Wiederholungen. Aufgrund des dekonditionierten Status der Teilnehmer sowie merklicher koordinativer Defizite wurde das Übungsprogramm im Verlauf der 6 Trainingseinheiten bewusst nicht verändert, um eine saubere Bewegungsausführung zu verfestigen. Die Übungsauswahl umfasste unter anderem: – einfache Formen von Kniebeugen mit zusätzlicher Aktivierung der Armmuskulatur (Kniebeuge mit Bizepscurl respektive Armstreckung), – Ausfallschritte mit Ruderbewegung oder – Körperstabilisation über Einbeinstand.
Ergebnisse
Trotz der kurzen Interventionsdauer zeigten sich bereits nach 4 Wochen teils signifikante physiologische Verbesserungen bei den Probanden. Hinsichtlich der primären Endpunkte konnten beide EMS-Gruppen ihre muskuläre Leistungsfähigkeit im Aufstehtest („chair rise test“) um durchschnittlich + 28 % steigern – bei zeitgleich 13-prozentiger Verbesserung in der aktiven Kontrollgruppe (p = 0.001). Korrespondierend zeigten beide EMS-Gruppen einen signifikanten Kraftanstieg der Kniestreckmuskulatur von + 22 % (Kontrollgruppe: + 13 %; p = 0.008). Die deckungsgleichen Verbesserungen beider EMS-Gruppen lassen sich auf die identische Elektroden-Applikation (Oberschenkel- und Gesäßmuskulatur) in beiden Gruppen zurückführen. Bei einem genaueren Blick auf die Kraftentwicklung der unterschiedlichen Muskelregionen zeigt sich ein deutlicher Trend hinsichtlich der Ganzkörper-Applikation, also hin zur großflächigen Stimulation mehrerer Muskelgruppen. Hier lag die durchschnittliche prozentuale Kraftzunahme (erhoben über alle getesteten Muskelgruppen) nach WB-EMS bei + 29 % und somit signifikant über den Kraftanpassungen von Teilkörper-EMS- und Kontrollgruppe (18 %; p = 0.035). Für den überwiegend aeroben 6‑Minuten-Gehtest zeigten sich – vermutlich aufgrund des abweichenden physiologischen Anforderungsprofils – lediglich Tendenzen hinsichtlich einer Verbesserung durch additives EMS-Training. Bei allen sekundär erhobenen Parametern wie hämolytischer Analyse, Einfluss auf die Körperzusammensetzung (BIA) sowie Lebensqualität und Selbstwirksamkeit konnten keine relevanten Veränderungen festgestellt werden. Während der gesamten Trainingsperiode wurden zudem keine klinisch relevanten unerwünschten Ereignisse (z. B. extreme CK-Erhöhungen; s. o.) verzeichnet 13.
Diskussion
Bis dato haben sich nur wenige Studien mit dem Effekt von EMS auf Sarkopenie befasst; zur entsprechenden Thematik im Umfeld einer stationären Rehabilitation fehlen sie ganz. Die Ergebnisse dieser Untersuchung belegen die Effektivität zusätzlich applizierter EMS mit final gesteigerter Kraft- und Leistungsfähigkeit bei sarkopenischen Patienten. Trainingsphysiologisch ermöglicht ein initial stark dekonditionierter Zustand per se einen schnellen Kraft- und Leistungsanstieg. Dies zeigt sich in der Entwicklung aller 3 Trainingsgruppen, die ein identisches aktives Bewegungsprogramm durchführten. Die teils signifikanten Unterschiede der Funktions- und Kraftparameter unterstreichen somit den additiven Effekt der EMS-Applikation. Die sekundär erhobenen Parameter zeigten, wohl limitiert durch den sehr kurzen Interventionszeitraum von nur 4 Wochen, keine Veränderung. Hinsichtlich der Körperzusammensetzung (Muskelmasse, Körperfett) konnten keine physiologischen Veränderungen festgestellt werden. Der signifikante Kraftanstieg bei gleichbleibender Muskelmasse unterstreicht somit die neuromuskuläre Wirkweise von EMS. Der in vielen Studien als dominant beschriebene Effekt der Körperfettreduktion zeigte nur tendenziell positivere Effekte nach WB-EMS-Anwendung (- 3,4 %; Teilkörper-EMS: — 2,5 %; KG: — 1,9 %). Generell ist dieser Effekt mit dem erhöhten metabolischen Anforderungsprofil nach einer einzelnen WB-EMS-Trainingseinheit zu erklären, das den Ruhegrundumsatz signifikant für bis zu 72 Stunden erhöht 14. Auch hier können der kurze Interventionszeitraum, unterschiedliche nicht explizit dokumentierte Diät-Formen und eine inkonsistente Einhaltung der Therapiepläne limitierend auf die Studienergebnisse einwirken. Schließlich muss der Sicherheitsaspekt im Umfeld einer medizinischen Rehabilitation berücksichtigt werden: Ein intensiveres Training hätte mutmaßlich zwar größere Entwicklungssprünge bewirkt, doch basierend auf Vorerfahrungen (s. o.) wurde nach vorgegebenen Qualitätsstandards zur sicheren Umsetzung des Trainings mit enger Überwachung trainiert, um ernsthafte Komplikationen zu vermeiden.
Fazit
Ein vierwöchiger Rehabilitationsaufenthalt mit 6 zusätzlichen Trainingseinheiten zeigt nach Durchführung beider EMS-Varianten teils signifikante Verbesserungen von Muskelfunktion und Muskelkraft verglichen mit einer aktiven Kontrollgruppe. Unter entsprechend qualifizierter Betreuung präsentieren sich beide EMS-Applikationen als vielversprechende, sichere und effektive Trainingsmethoden zur Ergänzung der stationären Rehabilitation, die sarkopenischen Patienten mit orthopädischer und/ oder kardiologischer Vorerkrankung einen Gesundheitsmehrwert liefern können. Die Option der Anwendung unterschiedlicher Applikationsformen – sowohl der Ganzkörper-EMS-Variante als auch der reduzierten Form von Teilkörper-EMS – ermöglicht zudem eine individuelle Betreuung unterschiedlicher gesundheitlicher Problematiken und Krankheitsprofile.
Ausblick
Basierend auf diesen wertvollen Ergebnissen implementiert die Klinik Königsfeld das EMS-Training vermehrt in die klinische Routine. Zudem sollen anhand von Anschlussprojekten zum Thema EMS fortlaufend weiterführende, neue Erkenntnisse zu unterschiedlichen Krankheitsbildern, Entzündungs- und Regenerationsprozessen gewonnen werden, um perspektivisch neue evaluierte Einsatzmöglichkeiten für ein EMS-Training im Rehabilitationsbereich präsentieren zu können. Letztlich bleiben aufgrund der unterschiedlichen Applikationsformen und der diversen Belastungsparameter noch zu viele Fragestellungen hinsichtlich der Kinetik physiologischer Veränderungen offen, um umfassende und einheitliche indikationsabhängige Vorgaben formulieren und ableiten zu können.
Für die Autoren:
Dr. Marc Teschler
Projektleiter Lehrstuhl für Rehabilitationswissenschaften (Prof. Dr. med. Frank C. Mooren)
an der Fakultät für Gesundheit der Universität Witten/Herdecke
Klinik Königsfeld der Deutschen Rentenversicherung Westfalen
Holthauser Talstraße 2
58256 Ennepetal
marc.teschler@uni-wh.de
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
Teschler M, Heimer M, Schmitz B, Mooren F. Einsatz neuer Trainingsformen in der Rehabilitation – EMS-Training. Orthopädie Technik, 2021; 72 (10): 36–41
- 2‑Schalen-Orthese mit Kondylenabstützung in Carbontechnik zur orthopädischen Schuhversorgung — 4. Oktober 2024
- Orthopädische Versorgung der neuromuskulären Skoliose: Vorteile von biomechanisch optimierten Rumpforthesen am Beispiel des „neuroBrace“-Systems — 4. Oktober 2024
- Rekonstruktion der ersten „Eisernen Hand“ des fränkischen Reichsritters Gottfried (Götz) von Berlichingen (1480 – 1562) — 4. Oktober 2024
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