Effekte eines funktionell-anatomischen Pronatoren-/Supinatorenkrafttrainings zur Stabilisation des Fußes

Hagen, Marco LSF

In der vorliegenden Dissertation wurden die morphologischen und biomechanischen Effekte eines funktionell-anatomischen Pronatoren-/Supinatorenkrafttrainings (FPST) im Vergleich zu einem herkömmlichen Plantar-/Dorsalflexorentraining (PD) untersucht. Es wurde vermutet, dass sowohl die Peronealmuskeln als auch die Gruppe der tiefen Unterschenkelflexoren nach dem spezifischen Training in ihrer Hauptfunktionsebene als Fußstabilisatoren effektiver fungieren als nach der isolierten Beanspruchung um die obere Sprunggelenkachse. Hierfür wurden zunächst zwei Krafttrainingsmaschinen (FPSM), für die Pronatoren und Supinatoren des Fußes, gefertigt, deren Rotationsachsen mit der unteren Sprunggelenkachse korrespondierten (Inman, 1976). An 15 männlichen Sportstudenten wurden die winkelabhängigen isometrischen Pronations- und Supinationsmomente empirisch bestimmt. Da sich hoch signifikante Unterschiede in der Kraftkurvencharakteristik zwischen Pronatoren (aufteigend-absteigender Verlauf) und Supinatoren (rein aufsteigende Form) aufzeigten, wurden für die Interventionsstudie zwei verschieden geformte Exzenter in die Krafttrainingsmaschinen implementiert.
30 männliche Sportstudenten nahmen an der Interventionsstudie teil. In Prä- und Posttest wurden die maximalen isometrischen Pronations- und Supinationsmomente, das Pronationsverhalten beim Laufen (Elektrogoniometer) in 3,3m/s in zwei Schuhbedingungen (A= herkömmlicher Laufschuh; B= Laufschuh mit 6mm Außenranderhöhung) sowie das Reaktionsverhalten bei einer Umknicksimulation untersucht. Randomisiert wurden 22 Teilnehmer der Experimentalgruppe zugeteilt, die jeweils im Einsatztraining mit dem rechten Bein an der FPSM (FPST) und mit dem linken ein herkömmliches Plantar-/Dorsalflexorenstraining (PD) absolvierten. Die 8 Teilnehmer der Kontrollgruppe führten mit beiden Beinen ein unilaterales PD durch. Per MRT wurde vor und nach der Intervention das Muskelvolumen von 9 randomisiert ausgewählten Testpersonen der Experimentalgruppe bestimmt. Die Daten wurden mit Varianzanalysen mit Messwiederholung analysiert.
Im intraindividuellen Vergleich zeigten sich spezifische Trainingseffekte nach FPST und PD (rechtes vs. linkes Experimentalbein). Im Vergleich zu PD führte FPST zu signifikant stärkeren Kraftzuwächsen der Pronatoren (14 % vs. 8 %, p<0,01) und Supinatoren (25 % vs. 12 %, p<0,01). Sowohl FPST als auch PD resultierte in einem erhöhten Supinationswinkel (FPST: p<0,01) beim Bodenkontakt sowie einem härteren Aufsetzen des Fußes (Anstieg im Frequenzspektrum der Vertikalkraft; p≤0,05) in beiden Schuhbedingungen. Im Gegensatz zu PD veränderten die trainingsinduzierten Kraftzuwächse der Pronatoren und Supinatoren nach FPST auch das Abrollverhalten des Fußes beim Laufen. Die gesteigerte Verspannung der Supinatoren führte zu einer kontrollierteren Rückfußbewegung, wobei die maximale Pronationsgeschwindigkeit in Schuh B nach FPST um 16 % reduziert (FPST vs. PD: p<0,05) und verzögert (FPST: +23 %; PD: +3 %; p<0,05) wurde.
In der Umknicksimulation zeigte sich nach beiden Trainingmethoden ein reduziertes (FPST: -2 %; PD: -3 %; p<0,05) und um 4% verzögertes erstes Vertikalkraftmaximum sowie eine reduzierte Supinationsgeschwindigkeit (FPST: -11 %; PD: -12 %; p<0,01). Die muskuläre Reaktionszeit auf das Umknicken verkürzte sich durch das Training beim m. peronaeus longus (PL) (FPST: -12 %; PD: -6 %; p<0,01) und m. tibialis anterior (TA) (FPST: -3 %; PD: -7 %; p<0,05), wobei beim PL der intraindividuelle Vergleich einen Interaktionstrend (FPST vs. PD: p=0,06) zugunsten von FPST aufzeigte. Im Muskelvolumen zeigten sich statistische Trends hinsichtlich trainingsspezifischer Muskelvolumenzuwächse des m. tibialis posterior (+10 %; FPST vs. PD: p=0,2) und m. flexor hallucis longus (+6 %; FPST vs. PD: p=0.09) zugunsten FPST. Bei PL, TA und m. gastrocnemius traten signifikante Muskelvolumenanstiege unabhängig von der Trainingsmethode zutage. In der Kontrollgruppe wurden keine Effekte registriert, die auf einen Einfluss der Beindominanz hinwiesen.
Die Befunde verdeutlichen die verbesserte muskuläre Kontrolle des Sprunggelenkkomplexes nach Unterschenkelkrafttraining. Insbesondere funktionelles Supinatorentraining erweist sich als potentieller Schutzmechanismus gegen eine übermäßige Pronation für Läufer und sollte in die Prävention und Behandlung von Überlastungsschäden implementiert werden. Insbesondere wenn der Fuß in eine verstärkte Pronation gezwungen wird (Valgus-Keile) führt die gesteigerte Verspannung der Supinatoren zu einer kontrollierteren Rückfußbewegung (reduzierte und zeitlich verzögerte maximale Pronationsgeschwindigkeit). Beide Methoden des Unterschenkelkrafttrainings, FPST und PD, verbessern die laterale Sprunggelenkstabilität. Präventiv erscheint eine Kombination von Dorsalfexoren- und Pronatorentraining hinsichtlich der Pathomechank des Supinationstraumas empfehlenswert. Neben neuronalen Anpassungen lassen sich die trainingsinduzierten biomechanischen Veränderungen vorwiegend auf eine mit der Hypertrophie einher gehende muskuläre Versteifung zurückführen. Insgesamt bestätigt sich die Hypothese, dass sich die spezifische Beanspruchung der Unterschenkelmuskeln unter Berücksichtigung ihrer Hauptfunktion in spezifischen morphologischen und biomechanischen Veränderungen und demzufolge in unterschiedlicher Weise biopositiv äußert.

Purpose of this dissertation was to identify the morphological and biomechanical effects of functional pronator and supinator strength training (FPST) compared to traditional plantar/dorsiflexor training (PD). It was hypothesized that this specific training increases the muscle thickness of the deep plantarflexors and the peronei muscles which might increase the stiffness of the ankle joint complex. This might influence the foot behaviour positively during a sudden inversion and furthermore induce a better functional control of the foot during running. Therefore, as a first step two functional anatomic foot strength training machines (FSTM) were constructed and proved experimentally before they were applied in the following intervention study. The FSTM movement axis was oriented to the subtalar joint axis (Inman, 1976). Pronator and supinator strength curves were determined by measuring pronator and supinator MVC in 15 healthy male sports students. Because of significant differences in the strength curve characteristics (pronators: ascending-descending; supinators: ascending) two different variable cams had to be implemented into the driven shaft of FSTM. For the intervention study 30 healthy male rearfoot runners were randomly assigned into an experimental group (n=22) and a control group (n=8). The subjects of the experimental group conducted functional pronator/supinator training (FPST) at the FSTM with the right leg, the left leg was trained with plantar and dorsiflexions (PD) at traditional training machines. The control group performed unilateral PD with both legs. In pre- and post-test maximum pronation and supination torques as well as rearfoot motion (electrogoniometer) during shod running in 3.3 m/s in two test conditions (A=regular running shoe; B=running shoe with inserted valgus wedges) were quantified. To monitor experimentally foot behaviour and muscle reaction time (EMG) during a sudden ankle term a custom made supination platform mounted on a force plate was used. Additionally, the volume of the muscles from both lower legs was quantified by magnetic resonance images (MRI) of 9 randomly chosen test persons of the experimental group. The results were analyzed by repeated measures analyses of variances. In the intervention study the intraindividual comparison of the right and left experimental leg (FPST vs. PD) revealed specific training effects. Compared to PD, FPST resulted in significantly higher pronator (14 % vs. 8 %, p<0.01) and supinator MVC (25 % vs. 12 %, p<0.01). Both, FPST and PD increased the supination angle at touchdown in running for both shoes A, B (p<0.01). In shoe B maximum pronation velocity was reduced about 16 % after FPST (FPST vs. PD: p<0.05) and delayed (FPST: +23 %; PD: +3 %; p<0.05). The median power frequency of the vertical ground reaction force signal increased in A (p<0.05) and B (p=0.05) which was independent on the training method. During sudden inversions both, FPST and PD, resulted in reduced (p<0.05) and delayed (p=0.06) first peak vertical impact as well as reduced supination velocity (p<0.01). Muscular reaction on sudden ankle turns was faster after the training in m. peronaeus longus (PL) (p<0.01) and tibialis anterior (TA) (p<0.05) whereby the intraindividual comparison revealed an interaction trend in favour of FPST in PL (p=0.06). MRI recordings showed statistical trends in training specific muscle volume increase of m. tibialis posterior (+10 %; FPST vs. PD: p=0.2) and m. flexor hallucis longus (+6 %; FPST vs. PD: p=0.09) in favour of FPST. PL, TA and m. gastrocnemius showed significant muscle volume increase independent on the training method. No leg dominant effects in any outcome measures were observed in the control group. Both, FPST and PD induced strength gains that stiffened the ankle joint complex and increased functional medio-lateral stability. Especially functional subtalar joint strength training is suggested as an effective protective mechanism against excessive pronation in runners. It can be concluded that the FPST specific strength increase of the deep plantarflexors leads to a smoother pronation behavior with a reduced and delayed pronation velocity. Especially, these effects become obvious when a higher amount of pronation is induced (shoe B). After both, FPST and PD the ankle joint complex is more functionally stabilized. With respect to the pathomechanism of an ankle sprain a combination of pronator and dorsiflexor training is recommended for injury prevention. It can be assumed that the main training effects result in higher mechanical joint stability due to specific muscle volume increase. Neuromuscular effects combined with a higher strength capability of the deep plantarflexors might be responsible for the better functional control of the pronation behaviour during ground contact in running. The findings of this dissertation reveal the hypothesis that specific loading of the shank muscles leads to specific morphological and biomechanical effects which have specific preventive potential.

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Hagen, Marco: Effekte eines funktionell-anatomischen Pronatoren-/Supinatorenkrafttrainings zur Stabilisation des Fußes. 2011.

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