Ems-Training Newsletter

Dr. Heinz Kleinöder, Arbeitsgruppe Kraftdiagnostik und Bewegungsforschung (Institut für Trainingswissenschaft und Sport- informatik, Deutsche Sporthochschule Köln)

Ausgewählte Untersuchungen mit Ganzkörper-Elektromyostimulation (GK-EMS)

1. Einleitung 

Die Arbeitsgruppe Kraftdiagnostik  und Bewegungsforschung (Institut für Trainingswissenschaft und Sportinformatik, Deutsche Sporthochschule Köln) unter der Leitung von Dr. Heinz Kleinöder hat seit 2006 in unterschiedlichen Studien eine Vielzahl positiver Effekte von Trainingsinterventionen mit Ganzkörper-Elektromyostimulation (GK-EMS) auf die Leistungsfähigkeit feststellen können. Es wurden unterschiedliche Trainingsprogramme, wie z. B. Trainingsformen mit dem eigenen Körpergewicht, Training mit Zusatzlasten und sportartspezifische Bewegungsformen durch simultane EMS-Applikation von mehreren Muskelgruppen gleichzeitig intensiviert und Effekte auf den Organismus untersucht. Die Fragestellungen und Parameterauswahl reichten von akuten physiologischen Reaktionen bei Trainingseinheiten (Metabolismus, Hormone) bis hin zu langfristigen Anpassungen im Bereich differenzierter Kraftfähigkeiten (Maximalkraft, maximale Leistung, Schnellkraft etc.). Darüber hinaus spielt der Übertrag in sportmotorische Fähigkeiten (Sprint, Sprung, Wurf, Schlag) eine entscheidende Rolle. Alle Untersuchungen wurden mit niederfrequenter EMS durchgeführt. 

 

2. Zum Forschungsstand GK-EMS

Nachfolgend sind einige wesentliche Ergebnisse von Untersuchungen der letzten Jahre an der DSHS Köln bzw. in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen zusammengestellt. Abgebildet wird dabei ein breites Spektrum der Einsatzmöglichkeiten dieser Trainingsmethode vom Patienten bis zum Leistungssportler. 

 

2.1 Gemeinschaftsstudie DSHS Köln mit dem Herz- und Diabeteszentrum Bad Oeynhausen

In dieser Studie wurde statt eines konventionellen Trainings (spiroergometriegestütztes Ausdauertraining) für Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz (CHI) ein GK-EMS gestütztes Training (miha bodytec) für 8 Muskelgruppen durchgeführt. 15 Patienten absolvierten ein sechsmonatiges Trainingsprogramm (20 min.), 2x/Woche. Die Belastungsnormative lagen bei 80 Hz Impulsfrequenz, 4 s Stimulation/4 s Pause, 400 µs Impulsbreite und einer selbstgewählten Intensität von 8 auf einer 12-stufigen Skalierung.

 

Die Zunahme der anaeroben Leistungsfähigkeit nach 3 bzw. 6 Monaten betrug bis zu 96 % (im Mittel 25,35 %). Ferner stieg die maximale Sauerstoffaufnahme um 24,6 % (VO2at 19,39 [± 5,3] ml/kg Körpergewicht [KG] vor Trainingsbeginn; VO2at 24,25 [±6,34] ml/kg KG am Ende der Trainingsphase (p < 0,05). Dabei handelt es sich um Steigerungsraten, welche durch andere Sportformen bislang an einem vergleichbaren Patientenkollektiv nicht gezeigt werden konnten. Der diastolische Blutdruck sank hochsignifikant (psyst < 0,05; pdiast < 0,001), der Muskelzuwachs betrug bis 14 % bei Gewichtskonstanz. Die Trainingsmethode wurde zu 100 % akzeptiert (keine Abbrecher). 14 Patienten gaben bei der Abschlussbefragung eine deutlich gesteigerte subjektive Leistungsfähigkeit, eine Steigerung ihrer Lebensqualität, des körperlichen „Spannungsgefühls“, eine Verbesserung der Stimmungslage und eine insgesamt positive Beurteilung des Trainingsverlaufs an.

 

Die Verbesserung hinsichtlich der objektiven Leistungsfähigkeit sowie der Optimierung muskelphysiologischer und metabolischer Parameter übersteigen die Ergebnisse nach herkömmlichen aeroben Trainingsformen bei CHI Patienten deutlich. Die Ergebnisse lassen ein erhebliches Potential in der kardiologischen Primär- und Sekundärrehabilitation erahnen, wobei gerade schwer eingeschränkte Patienten mit CHI überproportional profitierten.

 

2.2 Vergleich und Kombination verschiedener Krafttrainingsmethoden

In dieser Studie wurden verschiedene Krafttrainingsmethoden-
Muskelaufbau-, Maximalkraft-, Kraftausdauer-, Ganzkörper-Elektromyostimulation (GK-EMS, miha bodytec) und verschiedene Mischmethoden hinsichtlich ihrer Wirksamkeit verglichen. Das GK-EMS-Training wurde mit mittlerer Reizintensität (60 %) durchgeführt. Diese wurde gewählt, um eine Kombination von GK-EMS mit einer dynamischen Bewegungsausführung zu ermöglichen, was bislang kaum wissenschaftlich untersucht wurde. Für die Sportpraxis stellt aber gerade die Dynamik der Bewegungsausführung im Hinblick auf die in vielen Sportarten entscheidende sportmotorische Fähigkeit Schnelligkeit einen entscheidenden Faktor dar.

 

80 Sportstudenten mit mindestens 2 Jahren Krafttrainingserfahrung trainierten die Beinbeuger- und Beinstreckmuskulatur an Maschinen (gym80) in verschiedenen Gruppen (Maximalkraft, Muskelaufbau, Kraftausdauer, 2x/Woche, jeweils 3 Serien) mit verschiedenen Zusatzlasten (30-90 % der individuellen Maximalkraft (1 Repetition Maximum), 3-15 Wiederholungen). Die GK-EMS-Gruppe führte stattdessen Ausfallschritte und Kniebeugen ohne Zusatzlast, aber mit elektrischer Stimulation durch (3 Serien, 10 Wiederholungen, Belastung/Pause 6 s/4 s, 85 Hz Impulsfrequenz, 350 µs Impulsbreite,  rechteckförmiger Impuls). Das Training aller Gruppen wurde durch ein visuelles Biofeedbackverfahren (mechatronic) standardisiert, so dass die einzelnen Wiederholungen gruppenspezifisch eine feste Vorgabe hatten (z. B. 2 s konzentrisch (aufwärts), 2 s exzentrisch (abwärts)). Das Training fand 2x/Woche über einen Zeitraum von 4 Wochen statt. Eingangs- und Ausgangstests wurden an Kraftdiagnostikgeräten, die mit Kraft- und Wegsensoren (mechatronic) ausgestattet waren, durchgeführt. Hierbei sollten Widerstände von individuell 40 % und 60 % der Maximalkraft schnellstmöglich bewegt werden. Gemessen wurde die Dynamik über die Leistung, die sich aus dem Produkt von Kraft [F] und Geschwindigkeit [v] zusammensetzt. Demnach kann die Leistung über die Kraft und/oder die Geschwindigkeit gesteigert werden. 

 

Alle Krafttrainingsgruppen konnten die Leistung der Beinstreck- und der Beinbeugemuskulatur signifikant verbessern. Ein wesentliches Ergebnis dieser Studie war, dass dies mit Ausnahme der GK-EMS- und der gemischten GK-EMS-/Muskelaufbau-Gruppe über den Faktor Kraft geschah. Nur die GK-EMS- und die gemischte GK-EMS-/Muskelaufbau-Gruppe wiesen signifikante Ergebnisse in der Verbesserung der Geschwindigkeit auf. Die gemessene Leistung verbesserte sich dementsprechend über eine höhere Geschwindigkeit um ca. 30 %. Dies ist für die Sportpraxis von besonderer Bedeutung, da innerhalb kurzer Zeit die im Allgemeinen nicht einfach zu verbessernde Fähigkeit Schnelligkeit gesteigert werden konnte. Eine Erklärung für dieses Ergebnis liegt beim GK-EMS-Training offensichtlich in der direkten Ansteuerung von schnellen Muskelfasern über den elektrischen Stimulus. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass der wohldosierte Einsatz von GK-EMS in Kombination mit einer dynamischen Bewegungsausführung eine vielversprechende Kombination für das Kraft- und Schnelligkeitstraining darstellt. 

 

2.3 Zum Einsatz von EMS im Profifußball

Die nachfolgende Studie verfolgte das Ziel, die Anwendbarkeit einer dynamischen, niederfrequenten  Ganzkörper-Elektromyostimulation (GK-EMS) auf Kraft-, Sprint-, Sprung- und Schusskraftfähigkeiten professioneller Fußballspieler zu untersuchen. 

 

22 professionelle Feldspieler (25,6±4,0 Jahren, 81,1±9,0kg, 182,3±6,2cm) des Mannschaftskaders vom SC Fortuna Köln (Regionalliga West Saison 2011/12) wurden in eine EMS-Gruppe (EMSG, n=12), eine Sprunggruppe (SPG, n=5) und eine Kontrollgruppe (KG, n=5) eingeteilt. Der Großteil der Spieler durchlief Nachwuchsleistungszentren der Bundesliga und hatte mindestens 3-5 Jahre Erfahrung im gezielten Krafttraining.  Die EMSG absolvierte parallel zum gewohnten Mannschaftstraining 2-mal pro Woche ein Ganzkörper-Elektromyostimulationstraining (GK-EMS) und vertikale Sprünge über 14 Wochen. Die niederfrequente GK-EMS wurde über ein Westen-Gurtsystem mit eingebauten Elektroden appliziert (miha bodytec, Augsburg, Germany). SPG und EMSG führten 2-mal pro Woche vertikale Sprünge durch. Die KG erfuhr keine Intervention und absolvierte lediglich die 6-7 Einheiten Mannschafttraining in der Woche. Im Studienzeitraum von 18 Wochen (wk), in der Rückrunde der Saison 2011/12, wurde ein Eingangs- (wk0), ein Zwischen- (wk7) sowie ein Post- (wk14) und Retest (wk18) durchgeführt. Um repräsentative leistungsdiagnostische Daten für die Wettkampfphase zum Vergleich zu ermitteln, wurde der Eingangstest vor der Winterpause durchgeführt. Zu den Verfahren der Leistungsdiagnostik zählten die lineare (30m) und fußballspezifische Sprintfähigkeit mit Richtungsänderungen in für den modernen Fußball spezifischen Winkeln über 15m. Die vertikale Sprunghöhe wurde durch den Squat Jump (SJ), den Counter-Movement-Jump (CMJ) und den Drop Jump (DJ) ermittelt. Die maximale Schussgeschwindigkeit wurde zweifach mit einem und mit drei Anlaufschritten ermittelt. Die Bestimmung der Maximalkraft (1RM) der Beinmuskulatur erfolgte über die Beinpresse (einbeinig). Weiterhin wurden IGF-1 und Kreatinkinase in den jeweiligen Testungen vor (pre), 15-30min nach (post) und 24 Stunden nach der jeweiligen Trainingsintervention im Blutserum gemessen (24h post).

 

Über eine Elektrodenweste wurden die großen Muskelgruppen der Rumpfmuskulatur (Brust-, Rücken-, Bauchmuskulatur, Latissimus) und über ein Gurtsystem die Gesäß-, Oberschenkel- und Wadenmuskulatur stimuliert. Die Stimulationsfrequenz betrug 80Hz, bei einer Impulsbreite von 350µs und einer submaximalen Stimulationsintensität. Diese wurde mit der Borg-Skala definiert.  Innerhalb der ersten 14 Wochen bis zum Posttest absolvierten die Spieler der EMSG 2 Einheiten pro Woche an festgelegten Tagen. In den darauffolgenden 4 Wochen zwischen Post- und Retest wurde nur eine EMS-Einheit durchgeführt. Das EMS-Training begann mit einer kurzen Warm-up Phase von 2-3 Min, in der die Spieler lockere Bewegungen unter moderater Belastung machten. Daran schloss sich der Hauptteil des Trainings an, wobei die Stimulation pro Sprung jeweils 4s (ca. 2s exzentrisch – 1s isometrisch – 0,1s konzentrisch (explosiv) – 1s landen und stabilisieren) dauerte, gefolgt von einem 10s Pausenintervall.  Die Spieler der SPG führten die gleiche Anzahl an vertikalen Sprüngen in identischer Ausführung an denselben Tagen wie die EMSG durch.

 

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Nach 14 Wochen stieg die Maximalkraft (1RM) der Spieler der EMSG an der Beinpresse signifikant um +22.42±12.79 % und in den 4 Wochen bis zum Retest noch weiter bis +30,07±17,36 % an. Bei SPG und KG gab es keine signifikanten Veränderungen. Die Erhöhung der Maximalkraft zeigte positiven Einfluss auf die vertikale Sprungkraft der Spieler. So konnte die EMSG ihre vertikale Sprunghöhe nach 14 Wochen im SJ um +9,14±9,36 % verbessern. Beim CMJ lag die Steigerung bei +8,83±8,17 % und beim DJindex (Verhältnis zwischen Sprunghöhe und maximal kurzer Kontaktzeit) bei +19,38±16,13 %. Die Verbesserungen der Maximal- und Sprungkraft konnten die Spieler der EMSG bis zum Retest aufrechterhalten. Im Gegensatz dazu war während den ersten 7 Wochen der Rückrunde (Vorbereitungsperiode) für die SPG und KG eine signifikante Verschlechterung der Sprungfähigkeit bzw. der Explosivität zu beobachten. Erst im Posttest nach 14 Wochen hatten diese Gruppen ihr Ursprungsniveau vor der Winterpause wieder erreicht. Nur für den DJindex konnten für SPG und KG signifikante Steigerungen in der Sprungfähigkeit erzielt werden (wk18: +12,77±8,0 %, +13,17±9,49 %).

 

Auch für die Sprintfähigkeit waren signifikante Verbesserungen bei den Spielern der EMSG zu beobachten. Innerhalb von 7 Wochen konnte die EG die lineare Sprintzeit bzw. Antrittschnelligkeit über 5 m und 10m signifikant verbessern. Nach 18 Wochen konnten wir eine Verbesserung von -4,37±4,41 % über 5m und -2,61±3,48 % über 10m nachweisen. Die Sprintzeiten über 20 m und 30 m blieben unverändert. Für die SPG und KG ergaben sich für keinen Messpunkt Verbesserungen innerhalb der 18-wöchigen Intervention.

 

Hinsichtlich der fußballspezifischen Sprintfähigkeit mit Richtungsänderungen über 15m in spezifischen Winkeln konnten die Spieler der EMSG ihre Sprintzeit nach 14 Wochen um -5,34 ±5,73 % verbessern. Die fußballspezifische Sprintfähigkeit der SPG und KG blieb im Vergleich zum Eingangstest vor der Winterpause unverändert.

Eine Zunahme der Schussgeschwindigkeit war für die EMSG schon nach 7 Wochen nachgewiesen. Innerhalb von 14 Wochen stieg die Schussgeschwindigkeit (km/h) in der EMSG signifikant sowohl mit einem Anlaufschritt (+13,3±4,5 %) als auch mit 3 Schritten Anlauf (+6,0±3,4 %) an. Diese steigerte sich noch weiter bis zum Retest (1step +16,3±6,7 %, 3step +8,5±7,8 %). Im Gegensatz dazu zeigte die SPG erst im Retest eine signifikante Zunahme der Schussgeschwindigkeit bei einem Schritt Anlauf (+4,8±3,3 %). Bei der KG lagen keine Veränderungen vor.


Die Analyse der Blutparameter zeigte einen signifikanten Anstieg der Kreatinkinase-Aktivität 24 h nach dem GK-EMS-Training. Für das Sprungkrafttraining der SPG lag kein signifikanter Einfluss auf die Kreatinkinase-Aktivität vor. Hinsichtlich IGF-1 zeigten beide Trainingsinterventionen weder direkt nach dem Training (15-30min post) noch 24 Stunden danach (24h post) signifikante Veränderungen zum Eingangswert.


Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Bedeutung der Maximalkraft hinsichtlich der fußballspezifischen Schnelligkeitsaktionen. Eine Steigerung der Maximalkraft in dieser Studie äußerte sich in einem positiven Einfluss auf die Entwicklung der Sprungkraft, der Antrittsschnelligkeit und der Schussgeschwindigkeit. Einige Autoren begründen die Erhöhung der Maximalkraft durch EMS und die daraus erhöhte Bewegungsgeschwindigkeit und Explosivität über eine verbesserte Ansteuerung der Muskulatur bzw. einer bevorzugten Rekrutierung der schnellen Typ-II Muskelfasern. Über die Studiendauer von 18 Wochen konnten keine signifikanten Zunahmen in Körpergewicht und Muskelumfang dokumentiert werden. Eine Steigerung der Maximalkraft ohne Muskelzuwachs deutet ebenfalls auf eine vordergründig neuronale Adaptation hin. Das Ergebnis, dass keine signifikante Reaktion des IGF-1 auf den EMS-Trainingsreiz vorliegt, welches ein Indikator für den Muskelaufbau sein kann, unterstützt ebenfalls diese Annahme. 

GK-EMS-Training in Verbindung mit fußballspezifischen Trainingsinhalten kann die gewohnte Belastungsstruktur im Fußball ergänzen und somit auch noch hochtrainierten Athleten Leistungssteigerungen ermöglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die spezifische Leistungsfähigkeit professioneller Fußballer mit nur 2 GK-EMS Einheiten von je 12min zusätzlich zu 6-7 Fußballtrainings-Einheiten pro Woche effektiv gesteigert werden kann. Aufgrund der Zeitersparnis und Effektivität bietet GK-EMS eine vielversprechende Trainingsalternative zum herkömmlichen Krafttraining im Hochleistungssport. Um weitere Effekte des GK-EMS auf die Leistungsfähigkeit detailliert zu begründen, wird die Wirkungsweise dieser Trainingsmethode auf zellulärer Ebene momentan in einer weiteren Studie an der Deutschen Sporthochschule in Köln untersucht. 


Dr. Heinz Kleinöder
Dr. Heinz Kleinöder ist seit 1990 als Dozent an der Deutschen Sporthochschule Köln am Institut für Trainingswissenschaft und Sportinformatik tätig. Er leitet dort seit 2003 die Abteilung Kraftdiagnostik und Bewegungsforschung. Zu seinen Arbeitsschwerpunkten gehören die Diagnostik konditioneller Fähigkeiten im Leistungssport verschiedener Sportarten und das Kraft- und Techniktraining mit klassischen und innovativen Trainingsmethoden. Eng damit verbunden ist eine langjährige Trainertätigkeit im Hochleistungssport (Tennis). Forschungsschwerpunkte sind die Effekte verschiedener Krafttrainingsmethoden und unterschiedlicher Trainingsmittel (inkl. EMS und Vibration) in Bezug auf Gesundheit und Leistung, aus denen viele Veröffentlichungen hervorgegangen sind. Der Praxistransfer der wissenschaftlichen Ergebnisse erfolgte in viele Sportarten und wurde in zahlreichen Referaten an der Trainerakademie des DOSB in Köln weitergegeben.

 

Koeln Kleinoeder

 

 

 

Info


 

Arbeitsgruppe Kraftdiagnostik und Bewegungsforschung (Institut für Trainingswissenschaft und Sportinformatik, Deutsche Sporthochschule Köln)

Erste Studien zum EMS-Training bereits 2006, untersucht wurden bisher u. a.

  • die Wirksamkeit von EMS-Training bei chronisch herzinsuffizienten Patienten

  • die Auswirkungen von EMS-Training auf die Bewegungsgeschwindigkeit

  • der Einsatz von EMS-Training im Profisport

www.dshs-koeln.de

 

Ausgewähle Literatur

 

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