High-intensity resistance training for spaceflight on a dynamometer to maintain bone health : a measuring set-up for the assessment of musculoskeletal loading during single-leg exercises on Multifunctional Dynamometer for Application in Space (MDS)

Abstract

Diese Diplomarbeit befasst sich mit ausgeklügelten technischen Geräten, welche speziell für die körperliche Betätigung während Langzeit-Weltraummissionen entworfen wurden. Aufgrund extremer Lebens- und Arbeitsbedingungen bei anhaltender Mikrogravitation im Rahmen der bemannten Raumfahrt, besteht seit jeher große Nachfrage nach effizienten und allgemein anwendbaren Maßnahmen, um einer fortschreitenden Dekonditionierung des Stütz- und Bewegungsapparats entgegenzuwirken. Dabei spielt die Aufenthaltsdauer in der schwerelosen Umgebung für die Ausprägung von physiologischen Eigenschaften eine gewichtige Rolle. Um die Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Besatzung weitgehend zu erhalten, wird üblicherweise ein durchgehender Behandlungsplan empfohlen. Angemessene Gegenmaßnahmen während des Fluges können entscheidend zum Erfolg einer Expedition beitragen, vor allem bei einer Gesamtflugzeit von über sechs Monaten. Darüber hinaus begünstigen diese maßgeblich den Verlauf des anschließenden Rehabilitationsprozesses. Trainingsanlagen an Bord eines Raumfahrzeugs mit verstellbarer Widerstandsregelung verkörpern einen vielversprechenden Ansatz zur Lösung der dargelegten Problematik. Das "Multifunktionelle Dynamometer für die Anwendung in der Schwerelosigkeit" (MDS) folgt jener Strategie. Diese Entwicklung war Bestandteil des psychosozialen Isolationsprojekts "Mars-500" und diente zuletzt als Forschungsgegenstand für die vorliegende Untersuchung. Zu diesem Zweck wurde ein terrestrischer Messaufbau für die Erfassung kinetischer Daten errichtet und ein vorgegebener Trainingsablauf an 26 Probanden getestet. Das Ziel dieses Laborversuchs ist die Erzeugung von Belastungsspitzen an jenen Knochen, die stark vom Substanzverlust durch die Raumfahrt betroffen sind. Die Abschätzung der inneren Kräfte erfolgte durch ein automatisiertes Auswerteverfahren der Bodenreaktionskräfte (GRF) und anatomischen Orientierungspunkte. Hierfür wurden jeweils die einbeinigen Varianten von Fersenheben (SHR) und Beinpresse (SLP) in sitzender Position ausgewählt, um mit einem verhältnismäßig kleinen Anteil der Muskulatur hohe Widerstandskräfte zu ermöglichen. Diese Übungen wirken schützend auf die Wirbelsäule, funktionieren ohne Überwindung des eigenen Körpergewichts (BW) und lassen somit eine Nachahmung von erzeugten Reizen für die Internationale Raumstation (ISS) zu. Die aktuelle ISS-Trainingsausrüstung unterstützt kein vergleichbares, ausschließlich auf die untere Extremität gerichtetes hochintensives Krafttraining. Dies schreibt dem MDS ein bedeutendes Alleinstellungsmerkmal zu. Die Berechnungen eines theoretischen Modells liefern bemerkenswert hohe dynamische Belastungskräfte für das durchgeführte Training (z.B. 9x BW an der distalen Tibia, 10x BW am Quadrizeps). Bezüglich des grundlegenden Wirkprinzips, kann die vorliegende Arbeit dadurch als stichhaltiger Beweis über herausragende Leistungsmerkmale vom MDS während des Einsatzes im Weltraum angesehen werden. Ferner dienen die erworbenen Erkenntnisse als Grundlage für akademische Diskussionen und wurden bereits bei einer Fachtagung an der Universität von Waterloo in Kanada einer Expertenrunde präsentiert.

This master's thesis deals with sophisticated technological devices, which were specially designed for physical activity during long-term space missions. Due to extreme living and working conditions with prolonged microgravity in the context of human spaceflight, there has always been great demand for efficient and universally applicable measures to counteract a progressive deconditioning of the musculoskeletal system. Thereby the length of stay in a weightless environment plays a prominent role for the manifestation of physiological properties. In order to largely maintain the crew's health and performance, a continuous treatment plan is usually recommended. Adequate in-flight countermeasures may contribute crucially to the expedition's success, especially for a total flight time in excess of six months. Beyond that, they essentially promote the progress of the subsequent rehabilitation process. Exercise facilities aboard a spacecraft with adjustable resistance control represent a promising approach to solve the outlined problem. The "Multifunctional Dynamometer for Application in Space" (MDS) embarks on that strategy. This development was part of the psychosocial isolation project "Mars-500" and most recently served as object of research for the current investigation. For this purpose a terrestrial measuring set-up for the acquisition of kinetic data was established and a predefined training procedure was tested on 26 study participants. The objective of this lab trial is the generation of peak loads at those bones that are badly affected from spaceflight-induced loss of substance. The assessment of internal forces was achieved via an automatic evaluation process for the ground reaction forces (GRF) and anatomical landmarks. Therefore, the single-leg variants of heel raise (SHR) and leg press (SLP) were each selected in seated position, in order to enable high resisting forces with a relatively small proportion of the musculature. These exercises act in a protective way on the spine and they work without overcoming one's own body weight (BW), thus allowing a simulation of produced stimuli for the International Space Station (ISS). The current ISS exercise hardware does not support a comparable, high-intensity resistance training directed exclusively to the lower limb. This attributes a significant unique selling proposition to the MDS. The calculations of a theoretical model generate remarkably high dynamic loading forces for the realised workout (e.g. 9x BW at the distal tibia, 10x BW at the quadriceps). Thus, the work in hand can be considered as crucial evidence for outstanding performance characteristics of the MDS during usage in space, regarding the fundamental operating principle. Moreover the acquired insights serve as a foundation for academic discussions and have already been presented to a group of experts at a symposium at Waterloo University in Canada.