Wybrane metody oceny dynamiki układu ruchu człowieka (AWF Warszawa)

Celem niniejszej pracy było opracowanie i uzasadnienie wyboru metod pomiarowych do oceny układu ruchu człowieka przydatnych do celów optymalizacji leczenia i rehabilitacji. Przedstawiono przegląd piśmiennictwa dotyczący metrologicznych aspektów biomechanicznej diagnostyki układu ruchu.

Szczególną uwagę w przeglądzie literatury przedmiotu poświęcono rozwojowi metod diagnostycznych dotyczących oceny cech fizycznych człowieka w Polsce. Dokonano krytycznej analizy metod oceny poręcznej narządu ruchu używanej w klinikach.

Stwierdzono,w kontraście do innowacyjnych metod diagnostyki, jakie stosuje się w sporcie wyczynowym, kliniczna ocena użyteczna narządu ruchu jest oparte tylko na testach nie spełniających warunków wymaganych do obiektywnej oceny funkcjonalnej układu ruchu, czyli nie jest oparte na metodach pomiaru bezpośredniego i zasadach metrologii.

Dokonano wyboru metod pomiarowych przydatnych do oceny siły mięśniowej wybranych stawów. Przeprowadzono pomiary statycznych momentów siły w stawach: łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych i pomiary w trakcie prób stabilograficznych na młodych i zdrowych ochotnikach, w zdecydowanej większości studentach Akademii Wychowania Fizycznego w Warszawie.

Łącznie dla celów niniejszej pracy przebadano 1122 osoby. W pomiarach statycznych momentów sił rozwijanych w stawie łokciowym uczestniczyło 101 kobiet i 99 panów. Pomiarów dokonano na prototypowym stanowisku w pozycji leżenia przodem w położeniach kątowych stawu od pełnego wyprostu co 15° do 165°.

Mierzono momenty sił podczas zginania i prostowania. Pomiarów momentów sił w stawie biodrowym dokonano na 80 kobietach i 80 mężczyznach. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku w pozycji półleżącej na plecach z kątem w stawie biodrowym 130° i tułowiem nachylonym pod kątem 30° do poziomu.

Mierzono momenty sił w trakcie zginania, prostowania, przywodzenia, odwodzenia, rotacji wewnętrznej i rotacji zewnętrznej. Izometryczne momenty sił w stawie kolanowym zbadano u 95 kobiet i 102 mężczyzn.

Pomiary odbyły się na specjalnym stanowisku w pozycji siedzącej z kątami w stawach biodrowych równych 90°. Zmierzono momenty sił podczas zginania i prostowania w kątach stawowych od 90° co 15° do 165°.

Statyczne momenty sił w stawie skokowo-goleniowym zmierzono na 110 kobietach i 110 mężczyznach. Badania przeprowadzono w pozycji siedzącej. Kąty w stawach biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych wynosiły po 90°.

Badania stabilograficzne przeprowadzono na 135 kobietach i 148 mężczyznach. Produkowano 30 sekundowe próby pomiaru drogi środka parcia stóp na podłoże w pozycji stania na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi, na dwóch kończynach z oczami zamkniętymi oraz na prawej i lewej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi, zgodnie z testem Romberga.

W badaniach skoczności uczestniczyło 28 pań i 27 mężczyzn uczennic i uczniów szkół mistrzostwa sportowego siatkarek i siatkarzy. U badanych mierzono wysokość wyskoku na platformie dynamometrycznej, wysokość wyskoku w obronie i ataku, drogę środka parcia stóp na podłoże podczas prób stabilograficznych oraz statyczne momenty sił stawu skokowo-goleniowego.

W badaniach dynamiki stawu łokciowego, w ramach których przeprowadzono pomiary EMG, mięśnia dwugłowego ramienia i mięśnia trójgłowego ramienia, w warunkach statycznych i intensywnych, uczestniczyło 7 panów.

Na podstawie przeprowadzonych, na ludziach zdrowych i nie trenujących wyczynowo, badań statycznych momentów sił stawów łokciowego, biodrowego, kolanowego, i skokowo-goleniowego stwierdzono, iż mężczyźni są niezwykle silniejsi od pań i nie zauważono znamiennych różnic między momentami siły lewej i prawej strony ciała w obu populacjach.

Stwierdzono istotną zależność momentów siły od masy ciała. Zaobserwowano, że istnieje związek między momentami sił rozwijanymi przez antagonistyczne grupy mięśniowe tego samego stawu. Dotyczy to zginaczy i prostowników wszystkich badanych stawów, a także odwodzicieli, przywodzicieli i rotatorów stawu biodrowego.

W badaniach stabilograficznych nie stwierdzono różnic w sprawności mechanizmu utrzymywania równowagi między kobietami i mężczyznami, a także pomiędzy lewą i prawą stroną ciała. Stwierdzono wyraźne różnice między wynikami prób wykonywanych na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi, na dwóch kończynach dolnych z oczami zamkniętymi, na jednej kończynie dolnej z oczami otwartymi, a także na jednej kończynie dolnej z oczami zamkniętymi.

Stwierdzono widoczny wpływ wysokości ciała na wyniki prób stabilograficznych. Badania skoczności wraz z pomiarami statycznych momentów sił rozwijanych w stawach skokowogoleniowych i próbami stabilograficznymi, stworzone na siatkarkach i siatkarzach nie pozwoliły na wykazanie wzajemnych związków pomiędzy wynikami tych pomiarów.

Podobnie jak nie wykazano związku między momentami sił zginaczy grzbietowych i podeszwowych stopy a sposobem utrzymywania równowagi w grupach 33 kobiet i 40 mężczyzn. Nie stwierdzono związku między skocznością mierzoną na platformie dynamometrycznej i podczas testu wyskoku dosiężnego w obronie jak i ataku.

Stwierdzono wysokie współczynniki korelacji pomiędzy sygnałem EMG towarzyszącym działaniu mięśni, a momentem siły rozwijanym poprzez mięśnie zarówno w wysiłkach statycznych jak i aktywnych polegających na zginaniu w stawie łokciowym.

aktywność mięśni prostujących, czyli mięśni hamujących ruch zginania, rośnie wraz ze zmniejszeniem obciążenia zewnętrznego. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów polegających na minimalno-czasowym podnoszeniu ciężarków o różnorodnej masie wykazano możliwość pomiaru charakterystyki siła-prędkość w sposób zaproponowany poprzez Hilla (Winters, 1990).

Wykazano, że charakterystyka siłowo-szybkościowa może być pominięta w równaniu ruchu zginania w stawie łokciowym. Wyniki pomiarów dużych grup ludzi młodych i o dobrej kondycji fizycznej, a także przeprowadzone eksperymenty poręczne jak i symulacyjne potwierdzają dużą przydatność pomiarów statycznych momentów sił do oceny narządu ruchu.

Na podstawie wniosków wynikających z przeprowadzonych pomiarów momentów sił mięśniowych opracowano sposoby obliczania wartości normatywnych pozwalających na oceną siły mięśni stawów łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych u pacjentów i ludzi zdrowych.

Opracowane normy oceny siły mięśni uwzględniają wpływ płci, masy ciała oraz w sytuacji stawu łokciowego i kolanowego wpływ kąta stawowego na izometryczne momenty sił. Zakresy norm momentów sił w zależności od płci, masy ciała i kąta stawowego przedstawiono graficznie na wykresach przyjmując jako granice normy zakres: średnia ± 2 SD.

Wyniki badań stabilograficznych posłużyły do przyjęcia sposobu obliczania wartości normatywnych dla prób stania na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi i zamkniętymi i na jednej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi.

Do oceny sposobu utrzymywania równowagi u kobiet i panów zaproponowano ten sam sposób obliczania wartości normatywnych, które uwzględniają typ próby oraz wpływ wysokości ciała na drogę środka parcia stóp na podłoże w trakcie 30 sekundowej próby utrzymywania pionowej pozycji ciała.

Normy stabilograficzne przedstawiono na wykresach przyjmując jako zakres normy: średnią ± 2 SD. Analizując dynamikę ruchu podnoszenia, w znikomym czasie, ciężarków o zróżnicowanej masie stwierdzono szerokie podobieństwo maksymalnego kąta zgięcia w stawie łokciowym dla wszelkich podnoszonych ciężarków.

W sposób zaproponowany przez Hilla (Winters, 1990) wyszczególniono charakterystykę maksymalnych szybkości zginania w stawie łokciowym w zależności od obciążenia. Podjęto próbę identyfikacji charakterystyki siła - szybkość zginania w stawie łokciowym.

Zadanie pozostało zrealizowane przy założeniu, na podstawie literatury, znajomości charakterystyki siłowo-szybkościowej prostowników tego stawu. Wyniki identyfikacji i symulacji komputerowych skłaniają do stwierdzenia, że w równaniu ruchu opisującym dynamikę zginania w stawie łokciowym charakterystyka siłowo-prędkościowa mięśni nie występuje.

Wyniki symulacji komputerowych zginania w stawie łokciowym potwierdzają możliwość predykcji ruchów aktywnych, minimalno-czasowych, na podstawie zmierzonych charakterystyk statycznych momentów siły mięśni i sygnałów EMG traktowanych jako sygnały sterujące.

Brak zależności pomiędzy statycznymi momentami sił a wynikami testów koordynacyjnych wskazują na konieczność autonomicznej oceny potencjału siłowego człowieka i jego zdolności koordynacyjnych. Te dwa aspekty, siłowy i technologiczny, funkcjonowania układu ruchu są w całości niezależne i powinny być osobno oceniane.

Brak zależności, u siatkarzy, między skocznością mierzoną przy pomocy platformy dynamometrycznej, a skocznością mierzoną rutynowo z zastosowaniem testów wyskoku dosiężnego potwierdza teorię Bernsteina o doskonaleniu procesów sterowania ruchami i był przesłanką wyboru metody oceny potencjału siłowego pacjentów przy użyciu pomiarów momentów sił mięśniowych w warunkach statycznych oraz wyboru sposobu oceny koordynacji w trakcie jednego z najszczególniej automatycznych nawyków ruchowych, jakim jest utrzymywanie pionowej pozycji ciała.

Reasumując należy stwierdzić, iż wyniki przeprowadzonych badań własnych umożliwiają konkluzję,prawidłowa ocena funkcjonalna narządu ruchu w warunkach klinicznych wymaga użycia dwóch niezależnych metod pomiarowych: do oceny cech fizycznych i do oceny zdolności koordynacyjnych pacjenta.

Za najważniejszą cechę fizyczną, z punktu widzenia leczenia i usprawniania narządu ruchu uznano siłę mięśni wybranych zespołów mięśniowych mierzoną w warunkach statycznych, a za najważniejszą cechę koordynacyjną drogę środka parcia stóp na podłoże podczas utrzymywania pionowej pozycji ciała.

Krótsza droga środka parcia świadczy o produktywniejszym mechanizmie utrzymywania równowagi. Opracowano i sprawdzono na ludziach zdrowych protokoły badań statycznej siły mięśniowej jak i drogi parcia stóp na podłoże podczas prób stabilograficznych.

Stwierdzono brak różnic statystycznych między siłą rozwijaną poprzez zespoły mięśniowe prawej i lewej strony ciała, podobnie jak nie wykryto różnic w sposobie utrzymywania równowagi w trakcie stania na prawej i lewej kończynie, u pań i mężczyzn.

Potwierdzono bezsporny fakt mówiący o tym, że mężczyźni, w odniesieniu do wartości przeciętnych dysponują większą siłą mięśniową aniżeli kobiety. Nie stwierdzono znamiennych statystycznie różnic w sposobie utrzymywania równowagi między młodymi oraz zdrowymi kobietami i mężczyznami.

Opracowano, w formie wzorów matematycznych, wartości normatywne do oceny siły mięśniowej w zależności od płci, masy ciała i kąta stawowego, a także wartości normatywne do oceny prób stabilograficznych zależne jedynie od wysokości ciała.

Na przykładach symulacji komputerowych dynamiki zginania w stawie łokciowym potwierdzono pokaźne znaczenie diagnostyczne charakterystyk momentów sił mięśniowych mierzonych w warunkach statycznych. Wykazano podobieństwo kształtu charakterystyki siłowo-prędkościowej uzyskanej w trakcie podnoszenia ciężarków o rozmaitej masie z maksymalną prędkością do charakterystyk siłowo-prędkościowych uzyskanych przez Fenna i Marsha w 1935 roku na szkieletowym mięśniu izolowanym żaby (Fenn i Marsh, 1935).