ARTICOLI SCIENTIFICI
Criteri meccanici per la progressione negli esercizi di rotazione interna ed esterna della spalla nel piano sagittale
Toledo JM; Ribeiro DC; Loss JF
Scuola di Educazione Fisica, Università Federale di Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS – Brasile
Corrispondenza a
ABSTRACT
Introduzione: La conoscenza della capacità di produzione di coppia e forza e dei modelli di braccio di momento durante il movimento, e la loro influenza sulla coppia prodotta, sono essenziali per la comprensione del movimento umano e possono essere di grande utilità per il controllo del sovraccarico imposto alla struttura muscolo-tendinea. Obiettivo: Presentare i criteri meccanici per la progressione negli esercizi di rotazione interna (IR) ed esterna (ER) della spalla nel piano sagittale. Metodo: Sei individui sono stati valutati utilizzando un dinamometro isocinetico e un elettrogoniometro. Dai dati raccolti, la coppia media, la forza risultante media e il braccio del momento medio ponderato sono stati calcolati utilizzando il software SAD32 e Matlab®. Risultati: Gli angoli in cui si è verificato il picco di coppia ER e IR sono stati -34º e 6º con valori di 43 Nm e 69 Nm, rispettivamente. I picchi della forza muscolare ER e IR erano a 35º e -14º, e i valori a questi angoli erano 10227 N e 8464 N, rispettivamente. Il braccio medio ponderato del momento per ER ha presentato un modello crescente su tutto il range di movimento (ROM) e il picco era alla fine del ROM, cioè a -50º (0,91 cm). Il braccio medio ponderato del momento per IR era quasi costante con il suo picco a 50º (0,96 cm). Conclusioni: I criteri meccanici per la progressione negli esercizi di rotazione interna ed esterna della spalla sono la coppia, la forza e il braccio medio ponderato del momento, perché diversi sovraccarichi sulla struttura muscolo-tendinea possono essere causati in base ai loro schemi durante il ROM.
Parole chiave: spalla, esercizio, rotazione, riabilitazione.
INTRODUZIONE
La riabilitazione dell’articolazione della spalla può essere difficile non solo per la sua complessa funzione, che coinvolge l’integrità anatomica e funzionale, ma anche per i contributi fisiologici e biomeccanici di strutture come la scapola1,2. In generale, i programmi di riabilitazione della spalla fanno uso, nella maggior parte dei casi, di esercizi con carichi e intensità progressivi a seconda del tipo di lesione e della procedura chirurgica che è stata eseguita1,2,3. Anche se queste caratteristiche sono decisive per la progressione degli esercizi, la conoscenza della meccanica articolare è fondamentale per scegliere in modo appropriato gli esercizi3.
I movimenti articolari sono conseguenze della rotazione di un segmento rispetto ad un altro. Questo effetto rotazionale di una forza applicata è chiamato coppia o momento. La coppia che un muscolo genera sull’articolazione è influenzata dal range del braccio del momento o dalla capacità di produzione di forza dell’articolazione4,5,6.
Il braccio del momento (distanza perpendicolare) è la più piccola distanza tra la linea di azione del muscolo e il centro di rotazione dell’articolazione4,7,8,9. La grandezza del braccio del momento rappresenta il vantaggio meccanico di un muscolo in un’articolazione e la sua misurazione può aiutare a capire come funziona il muscolo5.
La capacità di produzione di forza del muscolo durante la contrazione è una delle proprietà meccaniche che è stata descritta più negli studi, perché è ciò che fornisce la forza necessaria per mantenere la postura e iniziare i movimenti10. La capacità di produzione della forza dipende da diversi fattori come la relazione lunghezza-tensione, la relazione forza-velocità e il reclutamento delle fibre (somma spaziale e temporale). Tuttavia, per le contrazioni massime a velocità costante, la capacità di produzione di forza del muscolo dipende dalla lunghezza del muscolo e questa “dipendenza” si riferisce direttamente alla relazione lunghezza-tensione del sarcomero11. Questa relazione può essere spiegata dalla teoria dei filamenti scorrevoli12,13 e dalla teoria dei ponti incrociati14,15. La teoria del filamento scorrevole presuppone che le variazioni di lunghezza del sarcomero, delle fibre e del muscolo siano prodotte dallo scorrimento dei miofilamenti di actina e miosina all’interno del sarcomero dai ponti trasversali. Pertanto, la forza massima generata dal muscolo si verificherà ad una lunghezza del sarcomero in cui la sovrapposizione tra actina e miosina permetterà il maggior numero di ponti incrociati12,13,14,15.
La conoscenza della capacità di produrre coppia e forza e del braccio del momento nel corso del movimento, e la loro influenza sul comportamento della coppia prodotta, sono essenziali per la comprensione del movimento umano e possono essere di grande utilità per il controllo del sovraccarico imposto alla struttura muscolo-tendinea, così come per una migliore pianificazione della progressione dell’esercizio in un programma di riabilitazione16,17,18.
L’obiettivo di questo studio è stato quello di presentare i criteri meccanici per la progressione degli esercizi di rotazione interna (IR) ed esterna (ER) della spalla, quando eseguito nel piano sagittale.
MATERIALI E METODI
Questo studio è stato approvato dal Comitato Etico del Centro Universitario IPA Methodist (registrazione n. 1211) e tutti i partecipanti hanno firmato una dichiarazione di consenso libero e informato.
Il campione era composto da sei individui di sesso maschile, con età compresa tra 22 e 32 anni (media: 25,1 ± 4,0) e altezza compresa tra 167 e 192 cm (media: 182,6 ± 9,8), che svolgevano regolarmente attività fisica (almeno due volte a settimana). Tutti gli individui del campione hanno partecipato a tutte le fasi dello studio. La spalla valutata era la spalla destra (arto dominante) e nessuno degli individui ha presentato storie di lesioni o disfunzioni nella spalla valutata.
La raccolta dei dati consisteva nel misurare la coppia massima ER e IR prodotta a 60º/sec nel piano sagittale. Per questo, è stato utilizzato un dinamometro isocinetico (modello Cybex Norm, Dataq Instruments, Inc., Ohio, Stati Uniti). Allo scopo di registrare le posizioni articolari con maggiore precisione, è stato utilizzato un elettrogoniometro (modello XM 180, Biometrics Ltd (Cwmfelinfach, Gwent, Regno Unito), adattato insieme al dinamometro isocinetico. Il dinamometro isocinetico e l’elettrogoniometro erano collegati a un microcomputer Pentium III 650 MHz per mezzo di un convertitore analogico-digitale a 16 canali. Per l’elaborazione dei dati sono stati utilizzati il software SAD32 (un sistema di acquisizione dati sviluppato dal Laboratorio di misure meccaniche dell’Università federale di Rio Grande do Sul) e il software MATLAB 7.0® (MathWorks Inc, Massachusetts, Stati Uniti).
Le procedure di raccolta sono state divise in cinque fasi: preparazione, posizionamento, calibrazione, familiarizzazione alla prova e test.
Preparazione: riscaldamento e stretching del braccio destro.
Posizionamento degli individui: decubito dorsale con il braccio destro posizionato a 90º di abduzione e il gomito flesso a 90º.
Calibrazione: gli intervalli di movimento (ROM) ER e IR sono stati determinati in base al ROM massimo al quale l’individuo era in grado di produrre la coppia massima. L’angolo zero di rotazione sull’elettrogoniometro è stato stabilito come l’angolo corrispondente alla posizione di rotazione neutra.
Familiarizzazione: sono state eseguite tre ripetizioni di contrazioni concentriche submassimali ER e IR.
Test: sono state eseguite cinque ripetizioni di contrazioni concentriche massimali ER e IR ad una velocità angolare di 60º/sec19.
I dati della coppia generata e dell’angolo sono stati filtrati utilizzando un filtro digitale Butterworth di terzo ordine passa-basso con un taglio di frequenza di 3 Hz per i dati dell’angolo e 10 Hz per i dati della coppia. Dopo il filtraggio del segnale, è stata calcolata la media delle cinque ripetizioni. La convenzione utilizzata per le posizioni angolari era che l’ER avrebbe avuto valori negativi e l’IR avrebbe avuto valori positivi8.
Dai valori di coppia ER e IR, è stato possibile stimare l’entità della forza risultante esercitata dalle rotazioni esterne e interne, attraverso il rapporto tra la coppia e il braccio del momento di applicazione della forza. Poiché molti muscoli sono in grado di eseguire ER o IR, è stata fatta una semplificazione, per rendere possibile la determinazione dell’equazione (1):
T = dp x Fm (1)
In cui: T = coppia; Fm = forza muscolare; dp = braccio del momento (tra la linea di azione della forza muscolare e il centro di rotazione della spalla)8.
Per questo, sono stati calcolati i bracci di momento medi di tutti i muscoli rotatori interni ed esterni. Questa media è stata ponderata per l’area fisiologica della sezione trasversale di ogni muscolo, ottenendo così il braccio medio ponderato del momento (WMMA). I muscoli utilizzati per il calcolo erano il sovraspinato, l’infraspinato, il teres minor, il deltoide posteriore, il deltoide medio e il deltoide anteriore per l’ER; e il pettorale maggiore, il latissimus dorsi, il teres major, il deltoide posteriore, il deltoide medio e il deltoide anteriore per l’IR. L’area muscolare fisiologica della sezione trasversale e i bracci di momento dei muscoli sono stati ottenuti dalla letteratura 8.
RISULTATI
Il comportamento della coppia ER è presentato nella Figura 1. All’inizio del movimento, c’era un aumento e poi la curva tendeva a rimanere costante nel tratto intermedio del ROM. Dopo aver mantenuto questo plateau, c’è stato un leggero aumento che rappresenta il picco di coppia. Alla fine del movimento, la curva di coppia ha presentato una fase discendente. Il picco di coppia ER si è verificato ad un angolo di -34º, in cui la spalla è ruotata esternamente con una coppia media di 43 Nm (100%).
Il comportamento della WMMA della ER ha presentato una crescita durante tutto il ROM (Figura 2). La massima WMMA dell’ER si è verificata a -50º di rotazione, che corrispondeva a un braccio di momento di 0,91 cm.
Il comportamento della forza muscolare ER risultante potrebbe essere diviso in due fasi (Figura 3): una fase ascendente fino al picco della forza e un’altra fase discendente fino alla fine del movimento. A differenza del comportamento della coppia, la forza di picco si è verificata quando la spalla è stata ruotata internamente, quando è stata allungata, prima di raggiungere la posizione neutra e senza presentare alcun plateau durante tutto il ROM. Il picco di forza ER si è verificato ad un angolo di 35º, con un valore medio di 10227N (100%).
Il comportamento della coppia IR (Figura 4) era molto simile al modello ER (Figura 1). All’inizio del movimento, anche questa curva presentava un aumento e poi tendeva a rimanere costante nel tratto intermedio del ROM. Tuttavia, a differenza della ER, il picco di coppia IR si è verificato ad un angolo approssimativo di 6º durante questo plateau, con una media di 69 Nm (100%), quando la spalla era ruotata internamente. Alla fine del movimento, questa curva di coppia presentava anche una fase discendente.
Il comportamento della WMMA dell’IR era praticamente costante nel corso del ROM (Figura 5). All’inizio del movimento, c’era una fase ascendente, che terminava approssimativamente al tratto intermedio del ROM, quando la WMMA era praticamente costante. C’era poi una nuova fase ascendente, che culminava nel picco WMMA alla fine del movimento. La più grande WMMA dell’IR si è verificata ad una rotazione di 50º, con un braccio di momento di 0,96 cm.
Il comportamento della curva di forza risultante dell’IR (Figura 6) era simile alla curva di coppia dell’IR (Figura 4), ma con grandezze diverse. All’inizio del movimento, anche questa curva presentava un aumento e poi tendeva a rimanere costante durante la sezione intermedia del ROM. Al plateau, il picco di forza dell’IR si è verificato ad un angolo approssimativo di -14º, con una media di 8464N (100%), quando la spalla era ruotata esternamente. Alla fine del movimento, questa curva presentava anche una fase discendente.
DISCUSSIONE
Durante l’ER, è stato osservato che il plateau di coppia che si è verificato a metà del ROM è stato mantenuto a causa del comportamento antagonista della WMMA e della forza ER risultante. Poiché il picco di coppia ER si è verificato quando la spalla è stata ruotata esternamente, si può dedurre che la WMMA era più importante per la generazione della coppia in questo ROM e per il mantenimento del plateau di quanto non lo fosse la relazione tra lunghezza e tensione rappresentata dalla curva della forza risultante. Si può anche notare che il picco di coppia e la forza di picco non si sono verificati agli stessi angoli, poiché dipendevano dal rapporto lunghezza-tensione del muscolo e dal suo rispettivo braccio di momento11.
Il comportamento della curva della forza ER era molto simile al comportamento della curva della relazione lunghezza-tensione del sarcomero che è stato presentato da Gordon et al.20. La forza di picco si è verificato quando la spalla è stata ruotata internamente, quando il muscolo erano leggermente allungato. A questo angolo, si può ipotizzare che i sarcomeri sono in una posizione “eccellente” per la formazione di ponti incrociati. Poiché i muscoli sono leggermente allungati, c’è un contributo degli elementi elastici dei muscoli, alla produzione di forza21,22,23. Dopo questo punto, la forza diminuisce a causa dell’accorciamento muscolare e della ridotta possibilità di formare nuovi ponti trasversali11,23,24.
Per quanto riguarda l’IR, le curve della coppia e della forza risultante possono essere analizzate simultaneamente a causa del loro comportamento simile. Questo è dovuto al comportamento della WMMA, che rimane più o meno costante, con un tasso di aumento molto basso. Questi risultati sono simili a quelli di Rassier et al.11, che hanno riferito che la relazione coppia-angolo di un muscolo è determinata dalla relazione lunghezza-tensione e dal braccio del momento. Quando il braccio del momento rimane costante per tutto il movimento, il comportamento della curva di coppia riflette la curva della forza risultante. Si può quindi presumere che la relazione lunghezza-tensione sia il principale fattore responsabile del comportamento della coppia IR.
L’obiettivo della riabilitazione è quello di recuperare il ROM e rafforzare i muscoli, soprattutto i rotatori, che sono importanti per stabilizzare e proteggere le strutture articolari dalle lesioni. Gli esercizi devono avere carichi progressivi e rispettare la meccanica di funzionamento dell’articolazione, e un programma di riabilitazione deve essere efficiente per raggiungere gli obiettivi e rispettare le caratteristiche particolari della spalla25. Nel caso specifico della spalla, in cui il movimento di rotazione viene eseguito mediante l’azione sinergica di diversi muscoli, è importante valutare il braccio medio ponderato del momento e la capacità di produzione di forza risultante come criteri di progressione dell’intensità e dei carichi degli esercizi.
Il braccio del momento rappresenta il vantaggio meccanico del muscolo e può essere utilizzato per determinare quali muscoli sono stabilizzatori e quali sono motori primari in una data posizione dell’articolazione. Quando il braccio del momento è zero o vicino a zero, durante la contrazione, il muscolo genera solo compressione e, di conseguenza, funziona come stabilizzatore dell’articolazione. D’altra parte, quando la linea d’azione del muscolo è distante dal centro di rotazione, può essere considerato un motore di movimento primario4.
Kuechle et al.8 hanno riportato che, per i movimenti di rotazione interna ed esterna (abduzione di 90º), i muscoli reclutati con maggior sovraccarico sono il sottoscapolare e il pettorale maggiore durante la rotazione interna e il teres minor e l’infraspinato durante la rotazione esterna. Gli altri muscoli sono meno importanti. L’esecuzione di movimenti in cui un muscolo indebolito è un accessorio (braccio del momento più piccolo) può ridurre il sovraccarico imposto. Nei muscoli motori primari, il carico può essere controllato per mezzo della relazione tra la coppia di resistenza, la capacità di produzione della coppia muscolare, il braccio del momento e il comportamento della forza. L’applicazione della resistenza ad ampiezze con un vantaggio meccanico maggiore e/o un vantaggio nella relazione lunghezza-tensione può promuovere un minor sovraccarico nella struttura muscolo-tendinea. D’altra parte, se la resistenza di picco viene applicata ad ampiezze in cui il braccio del momento e la relazione lunghezza-tensione sono sfavorevoli, ci sarà un maggiore sovraccarico.
Nelle lesioni del teres minor e dell’infraspinato, il carico imposto può variare, modificando così la sezione angolare in cui si verifica il picco di resistenza di coppia. Durante la fase iniziale di un programma di riabilitazione, si raccomanda il rinforzo muscolare, con piccoli carichi al fine di ottimizzare il processo di guarigione16,17. Questo lavoro può essere fatto con il picco di resistenza di coppia situato tra la posizione neutra e quella finale dell’ER, con un’abduzione della spalla di 90º, poiché c’è un vantaggio meccanico in questa sezione (braccio di momento più grande) durante la produzione di coppia e sono necessari livelli di produzione di forza inferiori. Di conseguenza, sarà attivato un numero inferiore di unità motorie, generando così un minor sovraccarico sul muscolo.
Nella fase intermedia della riabilitazione, la coppia di resistenza di picco potrebbe verificarsi tra la posizione neutra e la massima IR poiché, durante questo tratto, il braccio di momento è più piccolo e la capacità di produzione della forza è il principale fattore responsabile della produzione di coppia. Con la stessa coppia di resistenza citata nell’esempio precedente, il teres minor e l’infraspinato saranno sottoposti a un maggiore sovraccarico, poiché un numero maggiore di unità motorie deve essere reclutato per compensare la diminuzione del braccio del momento, con lo scopo di generare la stessa coppia.
CONCLUSIONE
I criteri meccanici di progressione negli esercizi di rotazione interna ed esterna sono la coppia, la forza e il braccio medio ponderato del momento perché, in base al loro comportamento, è possibile promuovere diversi sovraccarichi sulla struttura muscolo-tendinea. Anche se si tratta di elaborazioni teoriche, questi criteri si basano su principi di guarigione muscolo-tendinea. Quindi, questo studio rappresenta un primo passo verso la strutturazione di criteri meccanici per la progressione dei sovraccarichi imposti alla struttura muscolo-tendinea.
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