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 praktycznej narządu ruchu stosowanej w klinikach.

Stwierdzono,w kontraście do zaawansowanych metod diagnostyki, jakie stosuje się w sporcie wyczynowym, kliniczna ocena ergonomiczna narządu ruchu opiera się tylko na testach nie spełniających warunków wymaganych do obiektywnej oceny funkcjonalnej układu ruchu, czyli nie opiera się 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 pań 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 w trakcie zginania i prostowania. Pomiarów momentów sił w stawie biodrowym dokonano na 80 paniach 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, a także rotacji zewnętrznej. Izometryczne momenty sił w stawie kolanowym zbadano u 95 kobiet i 102 panów.

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. Stworzono 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 i na prawej i lewej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi, zgodnie z testem Romberga.

W badaniach skoczności uczestniczyło 28 kobiet 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 w trakcie prób stabilograficznych i 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 dynamicznych, uczestniczyło 7 mężczyzn.

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

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

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

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

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

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

Wykazano, iż charakterystyka siłowo-szybkościowa może być pominięta w równaniu ruchu zginania w stawie łokciowym. Wyniki pomiarów obszernych grup ludzi młodych i o korzystnej kondycji fizycznej i przeprowadzone eksperymenty użyteczne 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 i w przypadku 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: przeciętna ± 2 SD.

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

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

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

W sposób zaproponowany przez Hilla (Winters, 1990) wskazano charakterystykę maksymalnych szybkości zginania w stawie łokciowym w zależności od obciążenia. Podjęto próbę identyfikacji charakterystyki siła - prędkość 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 intensywnych, 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 techniczny, funkcjonowania układu ruchu są w pełni niezależne i powinny być osobno oceniane.

Brak zależności, u siatkarzy, pomiędzy skocznością mierzoną za pomocą 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 podczas jednego z najszczególniej automatycznych nawyków ruchowych, jakim jest utrzymywanie pionowej pozycji ciała.

Reasumując należy stwierdzić, iż wyniki przeprowadzonych badań własnych pozwalają na konkluzję,poprawna ocena użyteczna narządu ruchu w warunkach klinicznych wymaga wykorzystania 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 szanowano siłę mięśni wybranych zespołów mięśniowych mierzoną w warunkach statycznych, a za najważniejszą cechę koordynacyjną drogę środka parcia stóp na podłoże w trakcie 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 pomiędzy siłą rozwijaną przez 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 panów.

Potwierdzono bezsporny fakt mówiący o tym, iż mężczyźni, w odniesieniu do wartości średnich dysponują pokaźniejszą siłą mięśniową niż kobiety. Nie stwierdzono znamiennych statystycznie różnic w sposobie utrzymywania równowagi pomiędzy 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 tylko od wysokości ciała.

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