VIDENSKABELIGE ARTIKEL
Mekaniske kriterier for progression i øvelser til intern og ekstern rotation af skulderen i det sagittale plan
Toledo JM; Ribeiro DC; Loss JF
School of Physical Education, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS – Brazil
Korrespondance til
ABSTRACT
Introduktion: Viden om drejningsmoment- og kraftproduktionskapacitet og momentarmmønstre i hele bevægelsen og deres indflydelse på det producerede drejningsmoment er afgørende for forståelsen af den menneskelige bevægelse og kan være af stor nytte for kontrollen af den overbelastning, der pålægges muskel-sene-strukturen. Formål: At præsentere mekaniske kriterier for progression i øvelser med intern rotation (IR) og ekstern rotation (ER) af skulderen i sagittalplanet. Metode: Seks personer blev vurderet ved hjælp af et isokinetisk dynamometer og et elektrogoniometer. Ud fra de indsamlede data blev det gennemsnitlige drejningsmoment, den gennemsnitlige resultantkraft og den vægtede gennemsnitlige momentarm beregnet ved hjælp af SAD32- og Matlab®-softwaren. Resultater: De vinkler, hvor det maksimale ER- og IR-drejemoment opstod, var -34º og 6º med værdier på henholdsvis 43 Nm og 69 Nm. Toppene for ER- og IR-muskelkraft var ved 35º og -14º, og værdierne ved disse vinkler var henholdsvis 10227 N og 8464 N. Den vægtede gennemsnitlige momentarm for ER udviste et stigende mønster over hele bevægelsesområdet (ROM), og toppunktet var ved slutningen af ROM, dvs. ved -50º (0,91 cm). Den vægtede gennemsnitlige momentarm for IR var næsten konstant med sit højdepunkt ved 50º (0,96 cm). Konklusion: De mekaniske kriterier for progression i øvelser til intern og ekstern rotation af skulderen er drejningsmoment, kraft og vægtet gennemsnitlig momentarm, fordi der kan opstå forskellige overbelastninger af muskel- og senestrukturen afhængigt af deres mønstre i løbet af ROM.
Nøgleord: skulder, øvelse, rotation, rehabilitering.
INDLEDNING
Rehabilitering af skulderleddet kan være vanskelig, ikke kun på grund af dets komplekse funktion, som indebærer anatomisk og funktionel integritet, men også på grund af de fysiologiske og biomekaniske bidrag fra strukturer som f.eks. scapula1,2. Generelt set gør skulderrehabiliteringsprogrammer i de fleste tilfælde brug af øvelser med progressive belastninger og intensiteter i overensstemmelse med den type skade og det kirurgiske indgreb, der blev udført1,2,3. Selv om disse karakteristika er afgørende for øvelsesprogressionen, er viden om ledmekanikken grundlæggende for at kunne vælge øvelserne hensigtsmæssigt3.
Ledbevægelser er konsekvenser af rotationen af et segment i forhold til et andet. Denne rotationseffekt af en påført kraft kaldes drejningsmoment eller moment. Det drejningsmoment, som en muskel genererer på leddet, påvirkes af momentarmens rækkevidde eller leddets kraftproduktionskapacitet4,5,6.
Momentarmen (den vinkelrette afstand) er den mindste afstand mellem musklens virkningslinje og leddets rotationscentrum4,7,8,9. Størrelsen af momentarmen repræsenterer den mekaniske fordel af en muskel i et led, og målingen af den kan bidrage til at forstå, hvordan musklen fungerer5.
Musklens kraftproduktionskapacitet under kontraktion er en af de mekaniske egenskaber, der er blevet beskrevet mest i undersøgelser, fordi det er den, der giver den styrke, der er nødvendig for at opretholde stillingen og påbegynde bevægelser10. Kraftproduktionskapaciteten afhænger af flere faktorer som f.eks. længde-spændingsforholdet, kraft-hastighedsforholdet og fiberrekrutteringen (rumlig og tidsmæssig summation). Ved maksimale sammentrækninger ved konstant hastighed afhænger musklens kraftproduktionskapacitet imidlertid af musklens længde, og denne “afhængighed” hænger direkte sammen med sarkomerens længde-spændingsforhold11. Dette forhold kan forklares ved hjælp af teorien om glidende filamenter12,13 og teorien om tværbroer14,15. I teorien om glidende filamenter antages det, at ændringerne i sarkomer-, fiber- og muskellængden skyldes, at actin- og myosin-myofilamenterne glider ind i sarkomeret fra tværbroerne. Derfor vil den maksimale kraft, der genereres af musklen, opstå ved en sarkomerlængde, hvor superpositionen mellem actin og myosin vil tillade det største antal tværbroer12,13,14,15.
Kendskab til moment- og kraftproduktionskapaciteten og momentarmen i løbet af bevægelsen og deres indflydelse på den drejningsmomentadfærd, der produceres, er afgørende for forståelsen af den menneskelige bevægelse og kan være til stor nytte for kontrollen af den overbelastning, der pålægges muskel-sene-strukturen, samt for en bedre planlægning af træningsforløbet i et rehabiliteringsprogram16,17,18.
Sigtet med denne undersøgelse var at præsentere mekaniske kriterier for progressionen af øvelser i intern rotation (IR) og ekstern rotation (ER) af skulderen, når de udføres i sagittalplanet.
MATERIALER OG METODER
Denne undersøgelse blev godkendt af den etiske komité for IPA Methodist University Center (registreringsnr. 1211), og alle deltagere underskrev en erklæring om frit og informeret samtykke.
Stikprøven bestod af seks mandlige personer med en alder mellem 22 og 32 år (gennemsnit: 25,1 ± 4,0) og en højde mellem 167 og 192 cm (gennemsnit: 182,6 ± 9,8), som regelmæssigt udøvede fysisk aktivitet (mindst to gange om ugen). Alle personer i stikprøven deltog i alle faser af undersøgelsen. Den skulder, der blev evalueret, var den højre skulder (det dominerende led), og ingen af personerne havde skader eller funktionsforstyrrelser i den evaluerede skulder.
Dataindsamlingen bestod i måling af det maksimale ER- og IR-drejemoment, der blev produceret ved 60º/sek. i det sagittale plan. Til dette formål blev der anvendt et isokinetisk dynamometer (Cybex Norm-model, Dataq Instruments, Inc., Ohio, USA). Med henblik på at registrere ledpositioner med større præcision blev der anvendt et elektrogoniometer (model XM 180, Biometrics Ltd (Cwmfelinfach, Gwent, Det Forenede Kongerige), som blev tilpasset sammen med det isokinetiske dynamometer. Det isokinetiske dynamometer og elektrogoniometeret var forbundet til en Pentium III 650 MHz-mikrocomputer ved hjælp af en 16-kanals analog-digitalkonverter. Til databehandling blev der anvendt SAD32-softwaren (et dataindsamlingssystem udviklet af Mechanical Measurements Laboratory of the Federal University of Rio Grande do Sul) og MATLAB 7.0® -softwaren (MathWorks Inc., Massachusetts, USA).
Indsamlingsprocedurerne var opdelt i fem faser: forberedelse, positionering, kalibrering, indlæring af testen og afprøvning.
Forberedelse: Opvarmning og udstrækning af højre arm.
Positionering af personerne: dorsaldekubitus med højre arm placeret i 90º abduktion og albuen bøjet i 90º.
Kalibrering: ER- og IR-bevægelsesomfanget (ROM) blev bestemt i henhold til det maksimale ROM, hvor personen var i stand til at frembringe maksimalt drejningsmoment. Nulrotationsvinklen på elektrogoniometeret blev fastlagt som den vinkel, der svarer til den neutrale rotationsposition.
Familiarisering: Der blev udført tre gentagelser af submaksimale koncentriske ER- og IR-kontraktioner.
Test: Der blev udført fem gentagelser af ER- og IR-maksimale koncentriske sammentrækninger ved en vinkelhastighed på 60º/sek19.
Dataene for det genererede drejningsmoment og vinklen blev filtreret ved hjælp af et digitalfilter af tredje ordens Butterworth-filter med lavpas med en frekvensgrænseværdi på 3 Hz for vinkeldataene og 10 Hz for drejningsmomentdataene. Efter signalfiltreringen blev gennemsnittet af de fem gentagelser beregnet. Den anvendte konvention for vinkelpositionerne var, at ER skulle have negative værdier og IR skulle have positive værdier8.
Fra ER- og IR-drejningsmomentværdierne var det muligt at estimere størrelsen af den resulterende kraft, der udøves af de eksterne og interne rotationer, gennem forholdet mellem drejningsmomentet og momentarmen for kraftudøvelse. Da mange muskler er i stand til at udføre ER eller IR, blev der foretaget en forenkling, således at det blev muligt at bestemme ligning (1):
T = dp x Fm (1)
I hvilken: T = drejningsmoment; Fm = muskelkraft; dp = momentarm (mellem muskelkraftens virkningslinje og skulderens rotationscentrum)8.
Til dette formål blev de gennemsnitlige momentarme for alle de interne rotator- og eksterne rotatormuskler beregnet. Dette gennemsnit blev vægtet med det fysiologiske tværsnitsareal for hver muskel, hvilket resulterede i den vægtede gennemsnitlige momentarm (WMMA). De muskler, der blev anvendt til beregningen, var supraspinatus, infraspinatus, teres minor, posterior deltoideus, middle deltoideus og anterior deltoideus for ER, og pectoralis major, latissimus dorsi, teres major, posterior deltoideus, middle deltoideus og anterior deltoideus for IR. Musklernes fysiologiske tværsnitsareal og momentarme blev hentet fra litteraturen 8.
RESULTATER
Den ER drejningsmomentadfærd er vist i figur 1. I begyndelsen af bevægelsen var der en stigning, hvorefter kurven havde en tendens til at forblive konstant i den mellemliggende del af ROM’en. Efter at have fastholdt dette plateau var der en lille stigning, der repræsenterede momentets højdepunkt. Ved bevægelsens afslutning viste drejningsmomentkurven en nedadgående fase. ER-momenttoppen indtraf ved en vinkel på -34º, hvor skulderen roteres eksternt med et gennemsnitligt drejningsmoment på 43 Nm (100 %).
Ved opførslen af ER’s WMMA viste vækst i hele ROM (figur 2). Den største WMMA af ER opstod ved -50º rotation, hvilket svarede til en momentarm på 0,91 cm.
Den resulterende ER-muskelkrafts adfærd kunne opdeles i to faser (Figur 3): en opadgående fase op til spidskraften og en anden nedadgående fase ned til slutningen af bevægelsen. I modsætning til drejningsmomentadfærden opstod spidskraften, når skulderen blev internt roteret, når den blev strakt, før den nåede den neutrale position, og uden at præsentere noget plateau i hele ROM’en. ER-topkraften opstod ved en vinkel på 35º med en middelværdi på 10227 N (100 %).
Den IR-drejningsmomentadfærd (figur 4) var meget lig ER-mønsteret (figur 1). I begyndelsen af bevægelsen viste denne kurve også en stigning og havde derefter en tendens til at forblive konstant i den mellemliggende del af ROM’en. Men til forskel fra ER opstod IR-topmomentet ved en vinkel på ca. 6º under dette plateau med et gennemsnit på 69 Nm (100 %), når skulderen var internt roteret. Ved bevægelsens afslutning havde denne drejningsmomentkurve også en nedadgående fase.
Adfærdigheden af WMMA i IR var praktisk talt konstant i løbet af ROM (figur 5). I begyndelsen af bevægelsen var der en opadgående fase, som sluttede omtrent i den mellemliggende del af ROM, hvor WMMA var praktisk talt konstant. Derefter fulgte en ny opadgående fase, som kulminerede ved WMMA-toppen ved bevægelsens afslutning. Den største WMMA i IR opstod ved en rotation på 50º med en momentarm på 0,96 cm.
Adfærdigheden af den resulterende IR-kraftkurve (figur 6) svarede til IR-momentkurven (figur 4), men med forskellige størrelser. I begyndelsen af bevægelsen viste denne kurve også en stigning og havde derefter en tendens til at forblive konstant i den mellemliggende del af ROM’en. På plateauet opstod IR’s maksimale kraft ved en vinkel på ca. -14º med en middelværdi på 8464 N (100 %), når skulderen blev eksternt roteret. Ved bevægelsens afslutning udviste denne kurve også en nedadgående fase.
DISKUSSION
Under ER blev det observeret, at det drejningsmomentplateau, der opstod i midten af ROM, blev opretholdt på grund af den antagonistiske adfærd af WMMA og den resulterende ER-kraft. Da ER-topmomentet opstod, når skulderen blev eksternt roteret, kan det udledes, at WMMA var vigtigere for momentgenerering i denne ROM og for opretholdelse af plateauet end det forhold mellem længde og spænding, der repræsenteres af kurven for den resulterende kraft. Det kan også bemærkes, at det maksimale drejningsmoment og den maksimale kraft ikke opstod ved de samme vinkler, da de var afhængige af muskelens længde-spændingsforhold og dens respektive momentarm11.
Kurvens opførsel af ER-kraftkurven lignede meget opførslen af kurven for sarkomerens længde-spændingsforhold, som blev præsenteret af Gordon et al.20. Den maksimale kraft opstod, når skulderen blev internt roteret, når musklen var let strakt. Ved denne vinkel kan det spekuleres, at sarkomererne befinder sig i en “fremragende” position for dannelse af tværbroer. Da musklerne er let strakte, er der et bidrag fra de elastiske elementer i musklerne til kraftproduktionen21,22,23. Herefter falder kraften på grund af muskelforkortelsen og på grund af den reducerede mulighed for at danne nye tværbroer11,23,24.
Med hensyn til IR kan kurverne for drejningsmomentet og den resulterende kraft analyseres samtidig på grund af deres lignende opførsel. Dette skyldes WMMA’s opførsel, som forbliver mere eller mindre konstant med en meget lav stigningstakt. Disse resultater svarer til resultaterne fra Rassier et al.11 , som rapporterede, at en muskels moment-vinkelforhold er bestemt af længde-spændingsforholdet og momentarmen. Når momentarmen forbliver konstant under hele bevægelsen, afspejler drejningsmomentkurvens opførsel den resulterende kraftkurve. Det kan således formodes, at forholdet mellem længde og spænding er den vigtigste faktor, der er ansvarlig for drejningsmomentets IR-adfærd.
Målet med genoptræning er at genvinde ROM og styrke musklerne, især rotatorerne, som er vigtige for at stabilisere og beskytte ledstrukturerne mod skader. Øvelserne skal have progressive belastninger og respektere mekanikken i leddets funktion, og et rehabiliteringsprogram skal være effektivt for at nå målene og respektere skulderens særlige karakteristika25. I det specifikke tilfælde af skulderen, hvor rotationsbevægelsen udføres ved hjælp af synergistisk virkning af forskellige muskler, er det vigtigt at evaluere den vægtede gennemsnitlige momentarm og den resulterende kraftproduktionskapacitet som kriterier for progression i øvelsernes intensitet og belastninger.
Momentarmen repræsenterer musklens mekaniske fordel og kan bruges til at bestemme, hvilke muskler der er stabilisatorer, og hvilke der er primære motorer i en given ledposition. Når momentarmen er nul eller tæt på nul under kontraktion, genererer musklen kun kompression og fungerer derfor som en ledstabilisator. Når musklens aktionslinje derimod er langt fra rotationscentret, kan den betragtes som en primær bevægelsesmotor4.
Kuechle et al.8 rapporterede, at for de interne og eksterne rotationsbevægelser (abduktion på 90º) er de rekrutterede muskler med størst overbelastning subscapularis og pectoralis major under intern rotation og teres minor og infraspinatus under ekstern rotation. De andre muskler er mindre vigtige. Udførelse af bevægelser, hvor en svækket muskel er en accessorisk muskel (mindre momentarm), kan reducere den pålagte overbelastning. I de primære motoriske muskler kan belastningen styres ved hjælp af forholdet mellem modstandsmomentet, musklens momentproduktionskapacitet, momentarm og kraftadfærd. Anvendelse af modstand ved amplituder med større mekanisk fordel og/eller en fordel i længde-spændingsforholdet kan fremme en mindre overbelastning i muskel-sene-strukturen. På den anden side vil der være større overbelastning, hvis den maksimale modstand påføres ved amplituder, hvor momentarmen og længde-spændingsforholdet er ugunstige.
I skader på teres minor og infraspinatus kan den pålagte belastning variere og dermed ændre det vinkelafsnit, ved hvilket den maksimale momentmodstand opstår. I den indledende fase af et genoptræningsprogram anbefales muskulær forstærkning med små belastninger for at optimere helingsprocessen16,17. Dette arbejde kan udføres med det maksimale modstandsmoment placeret mellem ER’s neutrale og endelige positioner ved en skulderabduktion på 90º, da der er en mekanisk fordel i dette afsnit (større momentarm) under drejningsmomentproduktionen, og der er behov for lavere kraftproduktionsniveauer. Følgelig vil et lavere antal motoriske enheder blive aktiveret, hvorved der genereres mindre overbelastning af musklen.
I den mellemliggende fase af genoptræningen kan det maksimale modstandsdrejningsmoment opstå mellem den neutrale position og den maksimale IR, da momentarmen i dette afsnit er mindre, og kraftproduktionskapaciteten er den vigtigste faktor, der er ansvarlig for drejningsmomentproduktionen. Med samme momentmodstand som nævnt i det tidligere eksempel vil teres minor og infraspinatus blive udsat for større overbelastning, da et større antal motoriske enheder skal rekrutteres for at kompensere for faldet i momentarmen med det formål at frembringe det samme drejningsmoment.
KONKLUSION
De mekaniske kriterier for progression i øvelser i intern og ekstern rotation er drejningsmomentet, kraften og den vægtede gennemsnitlige momentarm, fordi det på grundlag af deres adfærd er muligt at fremme forskellige overbelastninger af muskel-sene-strukturen. Selv om der er tale om teoretiske uddybninger, er disse kriterier baseret på principper for muskel-sene-heling. Denne undersøgelse er således et første skridt i retning af at strukturere mekaniske kriterier for progression i de overbelastninger, der pålægges muskel-sene-strukturen.
1. Kibler WB, McMullen J, Uhl T. Rehabiliteringsstrategier, retningslinjer og praksis for skulderrehabilitering. Orthopedic Clinics of North America. 2001;32(3):527-38.
2. Rubin BD, Kibler WB. Grundlæggende principper for genoptræning af skulderen: Conservative to Postoperative Management: Conservative to Postoperative Management. Arthroscopy. 2002;15(9):29-39.
3. Hayes K, Ginn KA, Walton JR, Szomor ZL, Murrell GAC. Et randomiseret klinisk forsøg, der evaluerer effektiviteten af fysioterapi efter rotatorcuff-reparation. Australian Journal of Physiotherapy. 2004;50:77-83.
4. Otis JC, Jiang CC, Wickiewicz TL, Peterson MGE, Warren RF, Santner TJ. Ændringer i momentarmene i rotatormanchetten og deltoideusmusklerne ved abduktion og rotation. The Journal of Bone and Joint Surgery. 1994;76(5):667-76.
5. Liu J, Hughes RE, Smutz WP, Niebur G, An KN. Rollen af deltoideus- og rotatorcuffmuskler ved skulderelevation. Clinical Biomechanics. 1997;12(1):32-8.
6. Wilde LD, Audenaert E, Barbaix E, Audenaert A, Soudan K. Consequences of deltoid muscle elongation on deltoid muscle performance: the computerized study. Clinical Biomechanics. 2002;17:499-505.
7. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Morrey BF, An KN. Skuldermuskelmomentarme under horisontal fleksion og elevation. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 1997;6:429-39.
8. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Niebur GL, Morrey BF, An KN. Relevansen af skuldermusklernes momentarm med hensyn til aksial rotation af det glenohumerale led i fire positioner. Clinical Biomechanics. 2000;15:322-9.
9. Graichen H, Englmeier KH, Reiser M, Eckstein F. En in vivo teknik til bestemmelse af 3D muskulære momentarme i forskellige ledpositioner og under muskulær aktivering af supraspinatus. Clinical Biomechanics. 2001;16:389-94.
10. Proske U, Morgan L. Bidrager tværbroer til spændingen under strækning af en passiv muskel? Journal of Muscle Research and Cell Motility. 1999;20:433-42.
11. Rassier DE, MacIntosh BR, Herzog W. Length dependence of active force production in skeletal muscle. Journal Applied Physiology. 1999;86(5):1445-57.
12. Huxley AF, Niedergerke R. Strukturelle ændringer i muskler under kontraktion. Interferensmikroskopi af levende muskelfibre. Nature. 1954;173:971-3.
13. Huxley H, Hanson J. Ændringer i tværstriber i muskler under sammentrækning og strækning og deres strukturelle fortolkning. Nature. 1954;173:973-6.
14. Huxley AF. Muskelstruktur og teorier om sammentrækning. Prog Biophys Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
15. Huxley AF, Simmons RM. Forslag til mekanisme for kraftgenerering i tværstribede muskler. Nature. 1971;233:533-8.
16. Wilk KE, Harrelson GL, Arrigo C. Reabilitação do Ombro. In: Andrews JR, Harrelson GL, Wilk KE. Reabilitação Física das Lesões Desportivas. 3ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan; 2005. s. 545-622.
17. Magee DJ, Reid DC. Shoulder Injuries (Skulderskader). In: Zachazewski JE, Magee DJ, And Quillen WS. Athletic Injuries and Rehabilitation. Philadelphia: Saunders; 1996. s. 509-39.
18. Walmsley RP, Szibbo C. A Comparative Study of the Torque Generated by the Shoulder Internal and External Rotator Muscles in Different Positions and at Varying Speeds (En sammenlignende undersøgelse af det moment, der genereres af skulderens interne og eksterne rotatormuskler i forskellige positioner og ved varierende hastigheder). The Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 1987;9(6):217-22.
19. Divir Z. Isokinetik af skuldermusklerne. In: Divir Z. Isokinetik: Muskeltestning, fortolkning og kliniske anvendelser. Edinburg: Churchill Livingstone; 1995. s. 171-91.
20. Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ. Variationen i isometrisk spænding med sarkomerlængden i hvirveldyrs muskelfibre. Journal of Physiology. 1966;184:170-92.
21. Herzog W, Schachar R, Leonard TR. Karakterisering af den passive komponent af kraftforøgelse efter aktiv strækning af skeletmuskulatur. The Journal of Experimental Biology. 2003;206:3635-43.
22. Rassier DE, Herzog W, Wakeling J, Syme DA. Strækinduceret, steady-state kraftforøgelse i enkelte skeletmuskelfibre overstiger den isometriske kraft ved optimal fiberlængde. Journal of Biomechanics. 2003;36:1309-16.
23. Schachar R, Herzog W, Leonard TR. Virkningerne af muskeludstrækning og -forkortning på isometrisk kraft på den nedadgående gren af kraft-længdeforholdet. Journal of Biomechanics. 2004;37:917-26.
24. Enoka RM. Kontrol af muskelkraft. I Enoka RM. Neuro-mekanisk grundlag for kinesiologi. Champaign: Human Kinetics Books; 1988. s.155-78.
25. Jobe FW, Moynes DR, Brewster CE. Rehabilitering af ustabilitet i skulderleddet. Orthopedic Clinics of North America. 1987;18(3):473-82.