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Sportlern und Musikern auf die Finger geguckt

Falsche oder zu intensive Beanspruchung an den Sehnen und Gelenken der Finger können sowohl bei Klavierspielern als auch Sportkletterern zu Überlastungssyndromen, Entzündungen oder gar Arthrosen an den Fingern führen. Der Sportwissenschaftler Prof. Hartmut Riehle erforscht an der Universität Konstanz, welche internen Kräfte dabei an den Fingerendgelenken wirken und wie ihre Verteilung auf die biologischen Fingerstrukturen erfolgt. Seine biochemischen Analysen sollen dazu dienen, präventive Maßnahmen abzuleiten, die Überlastungsschäden bei Musikern und Sportlern verhindern können.

Mithilfe von Kraftsensoren und Infrarot-Markern wurden Finger- und Gelenkbewegungen umfangreich aufgezeichnet und gemessen. © Hartmut Riehle

Statische und dynamische Belastungen der menschlichen Hand haben durch die Komplexität der funktionell-anatomischen Strukturen und komplexen Biomechanik des Zusammenwirkens von Gelenken, Muskeln, Sehnen und Bändern der Finger häufig eine unphysiologische Beanspruchung oder gar Schädigung des biologischen Materials (Pathomechanismus) zur Folge. Insbesondere bei Sportkletterern treten aufgrund eines falschen, statischen oder zu intensiven Trainings Überlastungssyndrome auf sowie anhaltende und immer wiederkehrende Mikrotraumatisierungen, die unter anderem zur Paratendonitis, Tendovaginitis, Tendosynovitis sowie zu Entzündungen und Arthrosen an den Fingergelenken führen können. Auch Meisterpianisten sowie Amateur-Klavierspieler weisen an der Hand immer wieder Beschwerden auf, da die Finger am Musikinstrument unter höchster räumlicher und zeitlicher Präzision hohen Belastungen ausgesetzt sind.

„Die Belastung und Beanspruchung der beiden Gruppen ist unterschiedlich, das heißt, bei den Sportkletterern handelt es sich um eine eher statische Überbelastung, die in den Gelenken der End- und Mittelphalangen sowie den Ringbändern des Zeige-, Mittel- und Ringfingers zu sportartspezifischen Schäden führen können. Hierbei kann extremes Klettern aufgrund der Anpassungsvorgänge zu Verdickungen der Fingerbeugesehnen und der Seitenbänder sowie einer Osteophytenbildung an den Gelenken als Reaktion der extremen Zug- und Scherbelastungen des Knochens führen“, berichtet Prof. Hartmut Riehle.

Um sowohl Musiker als auch Sportkletterer vor derartigen Folgen zu bewahren, betreibt der Sportwissenschaftler an der Universität Konstanz vergleichende biomechanische Analysen der Fingergliedknochen, der sogenannten Phalangen. Mit speziellen Sensoren messen er und sein Forscherteam die Kräfte, die an den Endphalangen auftreten. Des Weiteren wird sowohl unter Verwendung eines mathematischen Fingermodells als auch anhand experimentell ermittelter Daten berechnet, welche internen Kräfte an den Phalangen auftreten und wie ihre Verteilung auf die biologischen Fingerstrukturen erfolgt. „Neben der Entschlüsselung von Kraftübertragungsmechanismen und der Arbeitsweise der kinematischen Kette der Phalangen erhoffen wir uns, eine Einsicht in gelenkstabilisierende Prozesse zu erhalten“, so der Forscher. Die gewonnen Erkenntnisse sollen darüber hinaus Auskunft geben, Pathomechanismen zu beschreiben und eine Simulation von Gelenkbewegungen der Hand vorzunehmen.

Ganzkörperanalysen mittels Infrarot

Im Rahmen der Studien wurde auch die Sitzhaltung der klavierspielenden Probanden miteinbezogen. © Hartmut Riehle

Insgesamt 18 Meister- bzw. Konzertpianisten der Musikhochschule Trossingen, im Schnitt zwischen 20 und 30 Jahren, werden im Rahmen der Studien unter die Lupe genommen. „In einem ersten Experiment haben wir Belastungen der Finger bei verschiedenen Übungen aus der klassischen Klavier- und Orgelschule gemessen“, erklärt Prof. Hartmut Riehle. Wichtig hierbei war es, gleichzeitig gegensinnige Bewegungen in beliebigen Fingerkombinationen und extrem hohen Bewegungsfrequenzen (Triller) sowie bei schwierigen Stücken von unter anderem Franz Liszt und J.S. Bach durch Kraftsensoren zu messen. Die Fingerbewegungen der beiden Hände wurden dabei mit einem Infrarot-Bewegungsanalysesystem digital per Kamera aufgenommen und auf einen Rechner übertragen. „Kräfte, die an den Gelenken und Sehnen wirken, können nicht direkt gemessen werden, so haben wir Kraftsensoren auf den Tasten aufgebracht, die sich auf das Fingermodell übertragen lassen, um damit die Beanspruchung der Finger beim Pianospiel berechnen zu können“, konstatiert Riehle. Durch die Infrarot-Sensoren konnten die Forscher über sofortige Informationen online verfügen. Auch wurden die Töne, die während des Drückens der Tasten erfolgen sowie die Sitzhaltung der Musiker in die Analysen miteinbezogen.

Simulations-Skelettmodell der Bewegung der oberen Extremitat. links) = Skelett, rechts) = Skelett mit Markern (schematisch) © Hartmut Riehle

Eine Rolle spielte bei den Studien ebenfalls die Aufzeichnung der Pulsfrequenz. „Das ermöglicht uns eine Aussage über die Intensität und Belastung des Pianisten während eines Konzertes“, so der Konstanzer Sportwissenschaftler. Da kinematographische und dynamometrische Analysen zur Messung der Kraft während eines Konzertes nicht möglich sind, wurden die Pulsfrequenzmessungen sowohl beim Training als auch bei Konzerten gemessen, um Vergleiche zu den biomechanischen Messungen im Labor zu ermöglichen. „Erstaunlicherweise wurden hierbei hohe Frequenzen festgestellt, die mit einem Tennisspieler vergleichbar sind“, betont Riehle. Aufbereitet wurden die Daten durch ein SPSS-Statistik-Programm. Die Studie wird anschließend mit gleichem Equipment an Sportkletterern durchgeführt.

Kraftschonende Techniken im Visier

Prof. Dr. Hartmut Riehle ist Sportwissenschaftler an der Universität Konstanz © Michael Statnik

Im Rahmen der biomechanischen Untersuchungen bei den Musikern zeigte sich bisher, dass die aufzubringenden Kräfte höher sind als angenommen und dass unter Anwendung verschiedener Techniken diese Kräfte vermindert werden können, ohne die Qualität des Tons zu verändern. „Eines der Resultate belegt, dass beispielsweise ein Finger beim Spielen eines Tons auf dem Klavier durchschnittlich eine mittlere Kraft von 100 bis 200 Newton (piano-forte) und 300 bis 500 Newton (fff) aufbringen muss“, fasst Prof. Hartmut Riehle zusammen. So ergab außerdem der Gesamtimpuls p eines Stückes von Franz Liszt 10.415 [N*s]. Interessanterweise betrug dabei die mittlere Herzfrequenz während eines Klavierkonzertes konstant über 72 Minuten hinweg durchschnittlich 170 Schläge pro Minute. Beim Spielen der berühmten Wanderer-Fantasie von Franz Schubert wurde innerhalb von Messungen mit der Tasten-Sensorik unter anderem ersichtlich, dass unterschiedliche Kraft- und Impulswerte beim Spielen der Akkorde innerhalb eines Akkords (bei einem Akkord werden alle vier Tasten gleichzeitig angeschlagen) vorliegen, da die Differenzierung in den Fingern einen wichtigen Aspekt bei Pianisten darstellt.

Schon bald erhoffen sich die Forscher weitere wichtige Erkenntnisse zur Prävention von Musikern und Sportlern. „Rund 60 bis 70 Prozent der Klavierspieler klagen über Schäden in den Gelenken, dem möchten wir entgegen wirken, denn überraschenderweise weiß niemand so recht, wie Klavierspielen gesundheitsbewusst gespielt aber auch gelehrt werden muss“, fügt Prof. Hartmut Riehle hinzu. Ende des Jahres soll das Projekt abgeschlossen sein.

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