Biomechanical and physiological aspects of handcycling propulsion under various exercise modalities in able-bodied participants

Handcycling stellt eine effiziente Fortbewegungsart für Menschen mit Querschnittslähmung oder Amputation der unteren Extremität dar, die zur Entwicklung und Aufrechterhaltung der Ausdauerleistungsfähigkeit beiträgt. Obwohl Handcycling im Vergleich zum Rollstuhlfahren mit einer geringeren Gelenkbelastung einhergeht, weisen Paralympische Athleten eine hohe Verletzungsanfälligkeit im Bereich der oberen Extremität auf. Studien, die sich mit den physiologischen Aspekten des Handcycling und dessen Training beschäftigt haben, befassten sich bisher vornehmlich mit dem aeroben Stoffwechsel im Sinne der maximalen Sauerstoffaufnahme (V̇O2max) und Bewegungsökonomie. In biomechanischen Untersuchungen wurde zwar der Einfluss verschiedener Handbikeeinstellungen und Intensitäten ausführlich untersucht; jedoch basieren die Erkenntnisse komplexer Studien, die gleichzeitig Kurbelkinetik, Gelenkkinematik und Muskelaktivität bestimmt haben, zumeist auf Einzelfällen. Daher widmet sich diese Arbeit der Untersuchung des anaeroben Stoffwechsels im Sinne der Laktatkinetik und maximalen Laktatbildungsrate (V̇Lamax) sowie einer komplexen, biomechanischen Betrachtung der Antriebsbewegung im Handcycling bei mehreren Probanden.
In zwei Studien wurden ambitionierte Triathleten (n = 12 und n = 18) untersucht. Die erste Studie widmete sich der Laktatkinetik, Kurbelkinetik, Gelenkkinematik und Muskelaktivität während drei verschiedener Belastungsmodalitäten: ein Stufentest bis zur subjektiven Ausbelastung, ein maximaler Sprinttest über 15 Sekunden sowie ein 30 minütiger Dauertest bei einer Intensität analog zu einer Laktatkonzentration von der 4 mmol·l-1 (P4). Die Belastungstests wurden in einem wettkampforientierten Handbike (Shark S, Sopur, Sunrise Medical, Malsch, Germany) durchgeführt, welches in einem entsprechenden Ergometer (8 Hz, Cyclus 2, RBM electronic automation GmbH, Leipzig, Germany) montiert wurde. Die Laktatkinetik wurde über ein stationäres Analysegerät (Biosen C-Line, EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany) und geeignete Interpolationsgleichungen bestimmt. Ein in der Kurbel montierter Leistungsmesser (1000 Hz, Schoberer Rad Messtechnik GmbH, Jülich, Germany) ermöglichte die Bestimmung des tangentialen Drehmomentes. Die Kinematik des Schulter-, Ellenbogen- und Handgelenkes sowie des Rumpfes wurde, im Einklang mit dem Upper Limb Modell von Vicon Nexus und Empfehlungen der ISB, über ein 3D Bewegungsanalysesystem (100 Hz, Vicon Nexus 2.3, Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK) bestimmt. Die Aktivität von zehn Muskeln der oberen Extremität und des Rumpfes wurde über eine kabellose Oberflächenelektromyographie (sEMG) ermittelt (1000 Hz, DTSEMG Sensor®, Noraxon Scottsdale, Arizona, USA). Des Weiteren wurde ein Vergleich zwischen sport- und muskelspezifischen maximalen willkürlichen isometrischen Kontraktionen (MVICs) durchgeführt, um geeignete Normalisierungspositionen der jeweiligen sEMG-Signale zu bestimmen. Im Rahmen der zweiten Studie wurde die maximale Leistung und V̇Lamax im Handcycling und Radfahren hinsichtlich der Reliabilität sowie Differenzen und Korrelationen zwischen den Extremitäten untersucht.
Die V̇Lamax stellte sich als vielversprechender Parameter heraus, da sie eine hohe Reliabilität aufwies und sowohl mit der aeroben als auch anaeroben Leistungsfähigkeit signifikant korrelierte. Außerdem erwies sich die V̇Lamax als extremitätsspezifisch, was eine Relevanz für die Leistungsdiagnostik von Ausdauersportarten haben könnte, die obere und untere Extremitäten in vergleichbarer Weise einsetzen (wie z. B. Rudern und Skilanglauf). Die biomechanischen Messungen zeigten, dass die Zugphase bei zunehmender Belastungsintensität und -dauer an relativer Bedeutsamkeit gewinnt. Aus den sEMG Messungen konnten die Aktivierungsmuster der beteiligten Muskeln (MAPs) erstellt werden, die eine Bestimmung der jeweiligen Funktion im Kurbelzyklus zulassen. Als Initiator der Zugphase zeigte der posteriore Anteil des M. deltoideus (DP) die stärksten Veränderungen bei zunehmender Belastungsintensität und -dauer auf, was auf die Notwendigkeit zusätzlichen Krafttrainings hinweist. Während die sEMG-Signale mancher Muskeln durchaus sportart-spezifisch normalisiert werden können, sollte man bei anderen wiederum MVICs in muskel-spezifischen Positionen durchführen.
Zukünftige Studien sollten die vorgestellten Verfahren bei trainierten (querschnittsgelähmten) Handbikern und/oder Paratriathleten replizieren und den Effekt verschiedener Trainingsbelastungen auf die V̇Lamax untersuchen. Gleiches gilt für die Analyse komplexer, biomechanischer Aspekte im Handcycling unter besonderer Berücksichtigung der MAPs.