TY - THES A1 - Kopinski, Stephan T1 - The neuromuscular efficiency of lower back muscles in low back pain T1 - Die neuromuskuläre Effizienz der unteren Rückenmuskulatur bei Rückenschmerzen N2 - BACKGROUND: The etiology of low back pain (LBP), one of the most prevalent and costly diseases of our time, is accepted to be multi-causal, placing functional factors in the focus of research. Thereby, pain models suggest a centrally controlled strategy of trunk stiffening in LBP. However, supporting biomechanical evidence is mostly limited to static measurements during maximum voluntary contractions (MVC), probably influenced by psychological factors in LBP. Alternatively, repeated findings indicate that the neuromuscular efficiency (NME), characterized by the strength-to-activation relationship (SAR), of lower back muscles is impaired in LBP. Therefore, a dynamic SAR protocol, consisting of normalized trunk muscle activation recordings during submaximal loads (SMVC) seems to be relevant. This thesis aimed to investigate the influence of LBP on the NME and activation pattern of trunk muscles during dynamic trunk extensions. METHODS: The SAR protocol consisted of an initial MVC reference trial (MVC1), followed by SMVCs at 20, 40, 60 and 80% of MVC1 load. An isokinetic trunk dynamometer (Con-Trex TP, ROM: 45° flexion to 10° extension, velocity: 45°/s) and a trunk surface EMG setup (myon, up to 12 leads) was used. Extension torque output [Nm] and muscular activation [V] were assessed in all trials. Finally, another MVC trial was performed (MVC2) for reliability analysis. For SAR evaluation the SMVC trial values were normalized [%MVC1] and compared inter- and intra-individually. The methodical validity of the approach was tested in an isometric SAR single-case pilot study (S1a: N = 2, female LBP patient vs. healthy male). In addition, the validity of the MVC reference method was verified by comparing different contraction modes (S1b: N = 17, healthy individuals). Next, the isokinetic protocol was validated in terms of content for its applicability to display known physiological differences between sexes in a cross-sectional study (S2: each n = 25 healthy males/females). Finally, the influence of acute pain on NME was investigated longitudinally by comparing N = 8 acute LBP patients with the retest after remission of pain (S3). The SAR analysis focused on normalized agonistic extensor activation and abdominal and synergistic extensor co-activation (t-tests, ANOVA, α = .05) as well as on reliability of MVC1/2 outcomes. RESULTS: During the methodological validation of the protocol (S1a), the isometric SAR was found to be descriptively different between individuals. Whereas torque output was highest during eccentric MVC, no relevant difference in peak EMG activation was found between contraction modes (S1b). The isokinetic SAR sex comparison (S2), though showing no significant overall effects, revealed higher normalized extensor activation at moderate submaximal loads in females (13 ± 4%), primarily caused by pronounced thoracic activation. Similarly, co-activation analysis resulted in significantly higher antagonistic activation at moderate loads compared to males (33 ± 9%). During intra-individual analysis of SAR in LBP patients (S3), a significant effect of pain status on the SAR has been identified, manifesting as increased normalized EMG activation of extensors during acute LBP (11 ± 8%) particularly at high load. Abdominal co-activation tended to be elevated (27 ± 11%) just as the thoracic extensor parts seemed to take over proportions of lumbar activation. All together, the M. erector spinae behaviour during the SAR protocol was rather linear with the tendency to rise exponentially during high loads. For the level of normalized EMG activation during SMVCs, a clear increasing trend from healthy males to females over to non-acute and acute LBP patients was discovered. This was associated by elevated antagonistic activation and a shift of synergistic towards lumbar extensor activation. The MVC data revealed overall good reliability, with clearly higher variability during acute LBP. DISCUSSION: The present thesis demonstrates that the NME of lower back muscles is impaired in LBP patients, especially during an acute pain episode. A new dynamic protocol has been developed that makes it possible to display the underlying SAR using normalized trunk muscle EMG during submaximal isokinetic loads. The protocol shows promise as a biomechanical tool for diagnostic analysis of NME in LBP patients and monitoring of rehabilitation progress. Furthermore, reliability not of maximum strength but rather of peak EMG of MVC measurements seems to be decreased in LBP patients. Meanwhile, the findings of this thesis largely substantiate the assumptions made by the recently presented ‘motor adaptation to pain’ model, suggesting a pain-related intra- and intermuscular activation redistribution affecting movement and stiffness of the trunk. Further research is needed to distinguish the grade of NME impairment between LBP subgroups. N2 - HINTERGRUND: Die Ätiologie von unteren Rückenschmerzen (LBP), als eine der häufigsten und kostenintensivsten Beschwerden unserer Zeit, gilt als multi-kausal, wobei funktionelle Aspekte im Fokus der Forschung stehen. Schmerzmodelle vermuten dabei ein zentral gesteuertes Muster der Rumpfversteifung. Von biomechanischer Seite jedoch, sind unterstützende Daten weitestgehend auf statische Messungen während maximal-willentlicher Kontraktionen (MVC) beschränkt, wobei psychologische Einflussfaktoren bei LBP-Patienten nicht auszuschließen sind. Alternativ werden Anzeichen für Beeinträchtigungen der neuro-muskulären Effizienz (NME) der unteren Rückenmuskulatur berichtet, welche durch ein verringertes Kraft-Aktivierungsverhältnis (SAR) gekennzeichnet sind. Daher könnte ein dynamisches SAR Protokoll, basierend auf normierten Aktivierungswerten der Rumpf-muskulatur während submaximaler Belastungen (SMVC), eine maßgebliche Alternative darstellen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, den Einfluss von LBP auf die NME und Aktivierung des Rumpfes während dynamischer Rumpfstreckbewegungen zu untersuchen. METHODEN: Das NME-Protokoll bestand aus einem initialen MVC-Referenzdurchgang (MVC1), gefolgt von SMVC bei 20, 40, 60 und 80% der MVC1-Last. Mittels isokinetischem Rumpfdynamometer (ConTrex TP, ROM: 45° Flexion bis 10° Extension, 45°/s) und Oberflächen-EMG (myon, max. 12 Rumpfableitungen) wurden dabei Extensionsdrehmomente [Nm] und Muskelaktivität [V] aufgezeichnet. Für die Reliabilitätsanalyse wurde abschließend ein weiterer MVC-Durchgang (MVC2) durchgeführt. Die Normierung der SMVC-Daten [%MVC1] ermöglichte den inter- und intraindividuelle Vergleich der NME Werte. Die methodische Validierung erfolgte in einer Einzelfallvergleich-Pilotstudie mit isometrischem NME Protokoll (S1a) und einem Vergleich der MVC-Referenzwerte in mehreren Kontraktionsmodi (S1b: N = 17, gesunde Teilnehmer). In der Folge wurde das isokinetische NME-Protokoll in einer Querschnittstudie inhaltlich, auf die Abbildbarkeit bekannter physiologischer Geschlechterunterschiede, geprüft (S2: jeweils n = 25 gesunde Männer und Frauen). In der finalen Studie wurde der Einfluss von akutem Schmerz auf die NME im Längsschnitt von akutem und schmerzfreien Zustand bei N = 8 LBP Patienten verglichen (S3). Die Analyse konzentrierte sich auf die normierte agonistische Extensorenaktivierung und die abdominale und synergistischen Kokontraktion, sowie die MVC1/2 Reliabilität. ERGEBNISSE: Die methodische Validierung des Protokolls (S1a) resultierte in einem deskriptiv unterschiedlichen NME Verlauf, mit eher widersprüchlichen Daten der LBP-Patientin. Im Vergleich der Kontraktionsarten (S1b) zeigten die exzentrischen MVC die höchsten Dreh-momentwerte, jedoch wurden keine bedeutsamen Unterschiede in der maximalen Aktivierung gefunden. Obwohl im Geschlechtervergleich mit dem isokinetischen NME-Protokoll (S2) kein Gesamteffekt gefunden wurde, zeigten Frauen eine höhere normalisierte Aktivierung der Extensoren bei mittleren Lasten (13 ± 4%), verursacht vor allem durch höhere thorakale Aktivität. Auch die antagonistische Koaktivierung der Frauen war bei moderaten Lasten signifikant höher (33 ± 9%) als bei den Männern. Der Vergleich der NME Werte innerhalb der LBP-Patienten (S3) ergab einen signifikanten Effekt von Schmerz auf die NME mit gesteigerter normalisierter Extensorenaktivität (11 ± 8%) besonders bei hoher Last. Damit einhergehend wurde eine tendenziell erhöhte Kokontraktion (27 ± 11%) und eine anteilige Verschiebung von lumbaler hin zu thorakaler Extensorenaktivierung festgestellt. Insgesamt zeigte der M. erector spinae während des NME-Protokolls ein eher lineares Verhalten mit tendenziell überproportionalem Anstieg bei höheren Lasten. Die normierte EMG-Aktivität zeigte einen eindeutig ansteigenden Trend von gesunden Männern zu Frauen bzw. von schmerzfreien zu akuten LBP-Patienten. Im gleichen Maße stieg das Level der abdominalen Kokontraktion und der thorakale Aktivitätsanteil. Die MVC-Daten ergaben eine insgesamt gute Reproduzierbarkeit, mit erhöhter Variabilität bei akuten LBP-Patienten (S3). DISKUSSION: Die vorliegende Arbeit zeigt dass die NME der unteren Rückenmuskulatur bei LBP-Patienten, besonders während akuter Schmerzen, beeinträchtigt ist. Es wurde ein neues dynamisches Protokoll vorgestellt, welches das zugrundeliegende SAR mittels normierter Rumpfmuskelaktivität bei submaximalen isokinetischen Lasten abbildet. Gesunde Frauen zeigten im Zuge der Validierung eine geringere NME und ein abweichendes Aktivierungs-muster im Vergleich zu Männern. Insgesamt empfiehlt sich das Protokoll als biomechanisch-diagnostische Messmethode für die NME bei LBP-Patienten und deren Therapiekontrolle. Auch bestätigt es die Grundlagen des ‘motor adaptation to pain’-Modells, welches eine schmerzabhängige intra- und intermuskuläre Aktivierungsanpassung des Rumpfes bei LBP annimmt. Weitere Forschung zur Beeinträchtigung der NME bei LBP-Untergruppen ist notwendig. KW - low back pain KW - trunk KW - biomechanics KW - neuromuscular efficiency KW - Rückenschmerzen KW - Rumpf KW - Biomechanics KW - neuromuskuläre Effizienz Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101241 ER - TY - THES A1 - Engel, Tilman T1 - Motor control strategies in response to unexpected disturbances of dynamic postural control in people with and without low back pain T1 - Strategien der Bewegungskontrolle nach unerwarteten Störungen der dynamischen posturalen Kontrolle in Personen mit und ohne Rückenschmerzen N2 - Background: Low back pain (LBP) is one of the world wide leading causes of limited activity and disability. Impaired motor control has been found to be one of the possible factors related to the development or persistence of LBP. In particularly, motor control strategies seemed to be altered in situations requiring reactive responses of the trunk counteracting sudden external forces. However, muscular responses were mostly assessed in (quasi) static testing situations under simplified laboratory conditions. Comprehensive investigations in motor control strategies during dynamic everyday situations are lacking. The present research project aimed to investigate muscular compensation strategies following unexpected gait perturbations in people with and without LBP. A novel treadmill stumbling protocol was tested for its validity and reliability to provoke muscular reflex responses at the trunk and the lower extremities (study 1). Thereafter, motor control strategies in response to sudden perturbations were compared between people with LBP and asymptomatic controls (CTRL) (study 2). In accordance with more recent concepts of motor adaptation to pain, it was hypothesized that pain may have profound consequences on motor control strategies in LBP. Therefore, it was investigated whether differences in compensation strategies were either consisting of changes local to the painful area at the trunk, or also being present in remote areas such as at the lower extremities. Methods: All investigations were performed on a custom build split-belt treadmill simulating trip-like events by unexpected rapid deceleration impulses (amplitude: 2 m/s; duration: 100 ms; 200 ms after heel contact) at 1m/s baseline velocity. A total number of 5 (study 1) and 15 (study 2) right sided perturbations were applied during walking trials. Muscular activities were assessed by surface electromyography (EMG), recorded at 12 trunk muscles and 10 (study 1) respectively 5 (study 2) leg muscles. EMG latencies of muscle onset [ms] were retrieved by a semi-automatic detection method. EMG amplitudes (root mean square (RMS)) were assessed within 200 ms post perturbation, normalized to full strides prior to any perturbation [RMS%]. Latency and amplitude investigations were performed for each muscle individually, as well as for pooled data of muscles grouped by location. Characteristic pain intensity scores (CPIS; 0-100 points, von Korff) based on mean intensity ratings reported for current, worst and average pain over the last three months were used to allocate participants into LBP (≥30 points) or CTRL (≤10 points). Test-retest reproducibility between measurements was determined by a compilation of measures of reliability. Differences in muscular activities between LBP and CTRL were analysed descriptively for individual muscles; differences based on grouped muscles were statistically tested by using a multivariate analysis of variance (MANOVA, α =0.05). Results: Thirteen individuals were included into the analysis of study 1. EMG latencies revealed reflex muscle activities following the perturbation (mean: 89 ms). Respective EMG amplitudes were on average 5-fold of those assessed in unperturbed strides, though being characterized by a high inter-subject variability. Test-retest reliability of muscle latencies showed a high reproducibility, both for muscles at the trunk and legs. In contrast, reproducibility of amplitudes was only weak to moderate for individual muscles, but increased when being assessed as a location specific outcome summary of grouped muscles. Seventy-six individuals were eligible for data analysis in study 2. Group allocation according to CPIS resulted in n=25 for LBP and n=29 for CTRL. Descriptive analysis of activity onsets revealed longer delays for all muscles within LBP compared to CTRL (trunk muscles: mean 10 ms; leg muscles: mean 3 ms). Onset latencies of grouped muscles revealed statistically significant differences between LBP and CTRL for right (p=0.009) and left (p=0.007) abdominal muscle groups. EMG amplitude analysis showed a high variability in activation levels between individuals, independent of group assignment or location. Statistical testing of grouped muscles indicated no significant difference in amplitudes between LBP and CTRL. Discussion: The present research project could show that perturbed treadmill walking is suitable to provoke comprehensive reflex responses at the trunk and lower extremities, both in terms of sudden onsets and amplitudes of reflex activity. Moreover, it could demonstrate that sudden loadings under dynamic conditions provoke an altered reflex timing of muscles surrounding the trunk in people with LBP compared to CTRL. In line with previous investigations, compensation strategies seemed to be deployed in a task specific manner, with differences between LBP and CTRL being evident predominately at ventral sides. No muscular alterations exceeding the trunk could be found when being assessed under the automated task of locomotion. While rehabilitation programs tailored towards LBP are still under debate, it is tempting to urge the implementation of dynamic sudden loading incidents of the trunk to enhance motor control and thereby to improve spinal protection. Moreover, in respect to the consistently observed task specificity of muscular compensation strategies, such a rehabilitation program should be rich in variety. N2 - Hintergrund: Unterer Rückenschmerz (LBP) stellt eine der weltweit führenden Ursachen für eine eingeschränkte körperliche Funktion und Belastbarkeit dar. Defizite in der neuromuskulären Ansteuerung gelten als einer der möglichen Faktoren im Zusammenhang mit der Entstehung und Persistenz von LBP. Insbesondere in Situationen, die eine aktive Kompensation von plötzlich auftretenden Lasten am Rumpf beinhalten, konnten veränderte Strategien in der muskulären Antwort bei LBP aufgezeigt werden. Allerdings basierten solche Untersuchungen meistens auf (quasi) statischen Testsituationen unter vereinfachten Laborbedingungen. Ob die beobachteten muskulären Reaktionen isolierter Rumpfbelastungen repräsentativ sind für eine neuromuskuläre Ansteuerung unter dynamischen Alltagsbedingungen ist bisher nicht geklärt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, muskuläre Kompensationsstrategien in Folge unerwarteter Gangperturbationen bei Personen mit und ohne LBP zu untersuchen. Um muskuläre Reflexantworten am Rumpf und an den unteren Extremitäten zu provozieren wurde ein neu entwickeltes Laufband-Stolperprotokoll auf Validität und Reliabilität getestet (Studie 1). Aufbauend erfolgte der Vergleich neuromuskulärer Antworten in Reaktion auf plötzlich applizierte Gangperturbationen zwischen Personen mit LBP und asymptomatischen Kontrollpersonen (CTRL) (Studie 2). In Übereinstimmung mit aktuellen Modellen zur motorischen Anpassung bei Schmerzen wurde untersucht, ob Unterschiede in den beobachteten Kompensationsstrategien auf lokale Veränderungen am Rumpf reduziert sind, oder ebenfalls in rumpffernen Körperregionen auftreten. Methoden: Alle Untersuchungen wurden mit einem Spezial-Laufband durchgeführt, welches mittels unerwarteter schneller Abbremsimpulse (Amplitude: 2 m/s, Dauer: 100 ms, 200 ms nach Fersenkontakt) die Simulation von Stolperereignissen während der Gangbewegung (1 m/s) erlaubt. Eine Anzahl von 5 (Studie 1) bzw. 15 (Studie 2) rechtsseitigen Perturbationen wurde im Verlaufs des Stolperprotokolls appliziert. Muskuläre Aktivitäten wurden mittels Elektromyographie (EMG) von 12 Rumpf- sowie 10 (Studie 1) bzw. 5 (Studie 2) Beinmuskeln aufgezeichnet. EMG-Latenzen wurden mittels eines halb-automatischen Detektions-Verfahrens ermittelt. Die Berechnung der EMG Amplituden (RMS) erfolgte für den Zeitraum von 200 ms nach Perturbation, normiert auf den gesamten Schrittzyklus des unperturbierten Ganges [%]. Latenz- und Amplituden-Messgrößen wurden für jeden Muskel individuell und für gepoolte Daten (gruppiert nach Lokalisation) berechnet. Charakteristische Schmerzintensitätswerte (CPIS, 0-100 Punkte, von Korff), basierend auf gemittelten Angaben zu akuten, sowie höchsten und durchschnittlichen Schmerzen der letzten drei Monate wurden zur Einteilung in LBP (≥30 Punkte) und CTRL (≤ 10 Punkte) verwendet. Zur Beurteilung der Test-retest Reliabilität wurden verschiedene Reliabilitätsparameter herangezogen. Unterschiede in den Muskelaktivitäten zwischen LBP und CTRL wurden für individuelle Muskeln deskriptiv analysiert. Gepoolte Daten gruppierter Muskeln wurden mittels multivariater Varianzanalyse (MANOVA; α = 0,05) statistisch getestet. Ergebnisse: Ergebnisse von 13 Probanden wurden für die Analyse von Studie 1 herangezogen. EMG-Latenzen zeigten Muskelaktivitäten repräsentativ für Reflexantworten im Nachgang applizierter Gangperturbationen, sowohl an Rumpf- als auch an Beinmuskulatur (Mittelwert: 89 ms, Range: 75 bis 117 ms). EMG-Amplituden erreichten im Durchschnitt ein 5-fach erhöhtes Aktivitätsniveau innerhalb des 200 ms Zeitfensters nach Perturbation (Range: 106 bis 909 RMS%), jedoch gezeichnet von einer hohen interindividuellen Variabilität zwischen den Probanden. Eine hohe Reproduzierbarkeit für EMG-Latenzen konnte anhand der Reliabilitätsparameter aufgezeigt werden. EMG-Amplituden dagegen erwiesen sich als nur geringfügig reliabel bei der Betrachtung individueller Muskeln. Für die Datenanalyse in Studie 2 waren 76 Probanden geeignet. Die Gruppenzuteilung nach CPIS ergab n = 25 für LBP und n = 29 für CTRL. EMG-Latenzen zeigten eine erhöhte Aktivitätsverzögerung aller Muskeln für LBP im Vergleich zu CTRL (Rumpf: Mittelwert 10 ms; Bein: Mittelwert 3 ms). EMG-Latenzen gruppierter Muskeln zeigten statistisch signifikante Unterschiede zwischen LBP und CTRL für rechtsseitige (p=0,009) und linksseitige (p=0,007) abdominale Muskelgruppen. EMG-Amplituden waren geprägt von einer hohen interindividuellen Variabilität, unabhängig von Gruppenzuordnung oder Lokalisation. Diskussion: Das vorliegende Forschungsprojekt konnte belegen, dass Gangperturbationen dafür geeignet sind, umfassende Reflexantworten am Rumpf und den unteren Extremitäten zu provozieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass unerwartete Gangperturbationen zu einer zeitlich verzögerten Reflexantwort der rumpfumgreifenden Muskulatur bei Personen mit LBP im Vergleich zur Kontrollgruppe führen. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen vorheriger Untersuchungen erscheinen dabei die gewählten Kompensationsstrategien aufgabenspezifisch angepasst zu sein. Veränderte muskuläre Reaktionsmuster abseits des Rumpfes konnten trotz Einbezug weiterer Lokalisationen nicht gefunden werden. Gegenüber isolierten Rumpfbelastungen erlaubt der Einsatz indirekter Perturbationsbelastungen während des Ganges alltagsrelevante situationsspezifische Defizite neuromuskulärer Kontrolle gezielt zu untersuchen. Bei der Erstellung neuer Theapiekonzepte zur Steigerung der neuromuskulären Kontrolle sollte in diesem Zusammenhang die Einbindung alltagsähnlicher indirekter Belastungsformen des Rumpfes diskutiert werden. KW - low back pain KW - trunk KW - perturbation KW - EMG KW - reflex KW - stumbling KW - Rückenschmerz KW - Rumpf KW - Perturbationen KW - Gang KW - Stolpern KW - Reflexaktivität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400742 ER -