SCIENTIFIEKE ARTIKELEN
Mechanische criteria voor progressie bij interne en externe rotatie-oefeningen van de schouder in het sagittale vlak
Toledo JM; Ribeiro DC; Loss JF
School voor Lichamelijke Opvoeding, Federale Universiteit van Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS – Brazilië
Correspondentie naar
ABSTRACT
Inleiding: Kennis van de koppel- en krachtproduktiecapaciteit en de momentarmpatronen gedurende de gehele beweging, en hun invloed op het geproduceerde koppel, zijn essentieel voor het begrijpen van de menselijke beweging en kunnen van groot nut zijn voor het beheersen van de overbelasting die wordt uitgeoefend op de spier-peesstructuur. Doelstelling: Mechanische criteria presenteren voor progressie in interne rotatie (IR) en externe rotatie (ER) oefeningen van de schouder in het sagittale vlak. Methode: Zes personen werden beoordeeld met behulp van een isokinetische dynamometer en een electrogoniometer. Uit de verzamelde gegevens werden het gemiddelde draaimoment, de gemiddelde resultante kracht en het gewogen gemiddelde moment arm berekend met behulp van de SAD32 en Matlab® software. Resultaten: De hoeken waarbij de piek van het ER en IR koppel optrad waren -34º en 6º met waarden van respectievelijk 43 Nm en 69 Nm. De pieken voor ER en IR spierkracht lagen bij 35º en -14º, en de waarden bij deze hoeken waren respectievelijk 10227 N en 8464 N. De gewogen gemiddelde arm van het ER-moment vertoonde een stijgend patroon over het gehele bereik van de beweging (ROM) en de piek lag aan het einde van de ROM, d.w.z. bij -50º (0,91 cm). De gewogen gemiddelde arm voor IR was bijna constant met een piek bij 50º (0,96 cm). Conclusie: De mechanische criteria voor progressie in interne en externe rotatie oefeningen van de schouder zijn koppel, kracht en gewogen gemiddelde moment arm omdat verschillende overbelastingen op de spier-pees structuur kunnen veroorzaakt worden volgens hun patronen over de ROM.
Key woorden: schouder, oefening, rotatie, revalidatie.
INLEIDING
Revalidatie van het schoudergewricht kan moeilijk zijn, niet alleen door de complexe functie, waarbij anatomische en functionele integriteit een rol spelen, maar ook door de fysiologische en biomechanische bijdragen van structuren zoals de scapula1,2. In het algemeen maken de revalidatieprogramma’s voor de schouder in de meeste gevallen gebruik van oefeningen met progressieve belastingen en intensiteiten naar gelang van het soort letsel en de uitgevoerde chirurgische ingreep1,2,3. Hoewel deze karakteristieken bepalend zijn voor de progressie van de oefeningen, is kennis van de gewrichtsmechanica fundamenteel voor een juiste keuze van de oefeningen3.
Gewrichtsbewegingen zijn het gevolg van de rotatie van een segment ten opzichte van een ander. Dit rotatie-effect van een toegepaste kracht wordt koppel of moment genoemd. Het koppel dat een spier op het gewricht uitoefent, wordt beïnvloed door het momentarmbereik of de krachtproduktiecapaciteit van het gewricht4,5,6.
De arm van het moment (loodrechte afstand) is de kleinste afstand tussen de lijn van de spieractie en het centrum van de gewrichtsrotatie4,7,8,9. De grootte van de arm vertegenwoordigt het mechanisch voordeel van een spier in een gewricht, en de meting ervan kan helpen bij het begrijpen hoe de spier functioneert5.
De krachtproduktiecapaciteit van de spier tijdens contractie is één van de mechanische eigenschappen die het meest beschreven is in studies, omdat het de kracht levert die nodig is om de houding te handhaven en bewegingen te beginnen10. De krachtproduktiecapaciteit hangt af van verschillende factoren zoals de lengte-spanningsrelatie, de kracht-snelheidsrelatie en de vezelrecrutering (ruimtelijke en temporele sommatie). Voor maximale contracties bij constante snelheid is de krachtproduktiecapaciteit van de spier echter afhankelijk van de spierlengte en deze “afhankelijkheid” houdt rechtstreeks verband met de lengte-spanningsrelatie van het sarcomeer11. Deze relatie kan worden verklaard door de glijdende filamenttheorie12,13 en de kruisbrugtheorie14,15. De glijdende filamenttheorie gaat ervan uit dat de veranderingen in de lengte van het sarcomeer, de vezel en de spier worden veroorzaakt door het glijden van de actine- en myosine myofilamenten binnen het sarcomeer vanaf de kruisbruggen. Daarom zal de maximale kracht die door de spier wordt gegenereerd optreden bij een sarcomeerlengte waarbij de superpositie tussen de actine en myosine het grootste aantal cross-bridges mogelijk maakt12,13,14,15.
Wetenschap van de koppel- en krachtproduktiecapaciteit en de momentarm gedurende de loop van de beweging, en hun invloed op het geproduceerde koppelgedrag, zijn essentieel voor het begrijpen van de menselijke beweging en kunnen van groot nut zijn voor het beheersen van de overbelasting die wordt uitgeoefend op de spier-pees structuur, alsmede voor een betere planning van de oefenprogressie in een revalidatieprogramma16,17,18.
Het doel van deze studie was om mechanische criteria te presenteren voor de progressie van interne rotatie (IR) en externe rotatie (ER) oefeningen van de schouder, wanneer uitgevoerd in het sagittale vlak.
MATERIALEN EN METHODEN
Deze studie werd goedgekeurd door de Ethische Commissie van het IPA Methodist University Center (registratienr. 1211) en alle deelnemers ondertekenden een vrije en geïnformeerde toestemmingsverklaring.
De steekproef bestond uit zes mannelijke personen, met een leeftijd tussen 22 en 32 jaar (gemiddeld: 25,1 ± 4,0) en een lengte tussen 167 en 192 cm (gemiddeld: 182,6 ± 9,8), die regelmatig fysieke activiteiten ondernamen (ten minste twee keer per week). Alle personen in de steekproef namen deel aan alle stadia van het onderzoek. De geëvalueerde schouder was de rechterschouder (dominante ledemaat) en geen van de individuen had een voorgeschiedenis van blessures of disfuncties in de geëvalueerde schouder.
De gegevensverzameling bestond uit het meten van de maximale ER en IR torsie geproduceerd bij 60º/sec in het sagittale vlak. Hiervoor werd een isokinetische dynamometer gebruikt (model Cybex Norm, Dataq Instruments, Inc., Ohio, Verenigde Staten). Om de gewrichtsposities nauwkeuriger te kunnen registreren, werd gebruik gemaakt van een electrogoniometer (model XM 180, Biometrics Ltd (Cwmfelinfach, Gwent, Verenigd Koninkrijk), die samen met de isokinetische dynamometer werd aangepast. De isokinetische dynamometer en de elektrogoniometer werden via een 16-kanaals analoog-digitaalomzetter aangesloten op een Pentium III 650 MHz microcomputer. Voor de gegevensverwerking werd gebruik gemaakt van de SAD32-software (een door het laboratorium voor mechanische metingen van de Federale Universiteit van Rio Grande do Sul ontwikkeld gegevensverzamelingssysteem) en de MATLAB 7.0®-software (MathWorks Inc, Massachusetts, Verenigde Staten).
De verzamelprocedures waren verdeeld in vijf fasen: voorbereiding, positionering, kalibratie, vertrouwd raken met de test en testen.
Voorbereiding: warming-up en strekken van de rechterarm.
Positionering van de personen: dorsale decubitus met de rechterarm in 90º abductie en de elleboog gebogen in 90º.
Kalibratie: het ER- en IR-bewegingsbereik (ROM) werden bepaald volgens de maximale ROM waarbij de persoon in staat was het maximale draaimoment te produceren. De nulrotatiehoek op de elektrogoniometer werd vastgesteld als de hoek die overeenkomt met de neutrale rotatiepositie.
Wenning: drie herhalingen van ER en IR submaximale concentrische contracties werden uitgevoerd.
Test: vijf herhalingen van maximale concentrische contracties van de ER en IR werden uitgevoerd met een hoeksnelheid van 60º/sec19.
De gegevens van het gegenereerde koppel en de hoek werden gefilterd met een laag-doorlaat derde-orde Butterworth digitaal filter met een frequentie-afsnijding van 3 Hz voor de hoekgegevens en 10 Hz voor de koppelgegevens. Na de signaalfiltering werd het gemiddelde van de vijf herhalingen berekend. De conventie die voor de hoekposities werd gebruikt, was dat de ER negatieve waarden en de IR positieve waarden zouden hebben8.
Uit de ER en IR torsiewaarden kon de grootte van de resulterende kracht, uitgeoefend door de externe en interne rotaties, geschat worden door de verhouding tussen het torsie en het moment van krachtuitoefening. Aangezien vele spieren in staat zijn ER of IR uit te voeren, werd een vereenvoudiging doorgevoerd, zodat vergelijking (1) kon worden bepaald:
T = dp x Fm (1)
Waarin: T = koppel; Fm = spierkracht; dp = momentarm (tussen de actielijn van de spierkracht en het rotatiecentrum van de schouder)8.
Daartoe werden de gemiddelde momentarmen van alle interne rotator- en externe rotatorspieren berekend. Dit gemiddelde werd gewogen met de fysiologische dwarsdoorsnede van elke spier, wat resulteerde in de gewogen gemiddelde momentarm (WMMA). De voor de berekening gebruikte spieren waren de supraspinatus, infraspinatus, teres minor, deltoideus posterior, deltoideus middle en deltoideus anterior voor ER; en de pectoralis major, latissimus dorsi, teres major, deltoideus posterior, deltoideus middle en deltoideus anterior voor IR. De fysiologische dwarsdoorsnede van de spieroppervlakte en de momentarmen van de spieren werden uit de literatuur gehaald 8.
RESULTATEN
Het koppelgedrag van de ER wordt voorgesteld in figuur 1. Aan het begin van de beweging was er een toename, waarna de curve de neiging vertoonde constant te blijven over het tussenliggende deel van de ROM. Nadat dit plateau was gehandhaafd, was er een lichte toename die de koppeltop vertegenwoordigde. Aan het einde van de beweging vertoonde de draaimomentcurve een dalende fase. De draaimomentpiek ER deed zich voor bij een hoek van -34º, waarbij de schouder uitwendig wordt geroteerd met een gemiddeld draaimoment van 43 Nm (100%).
Het gedrag van de WMMA van de ER vertoonde groei over de gehele ROM (figuur 2). De grootste WMMA van de ER trad op bij -50º rotatie, hetgeen overeenkwam met een momentarm van 0,91 cm.
Het resulterende spierkrachtgedrag van de ER kon worden verdeeld in twee fasen (figuur 3): een opgaande fase tot aan de piekkracht en een neergaande fase tot aan het einde van de beweging. In tegenstelling tot het torsie gedrag, trad de piekkracht op wanneer de schouder intern geroteerd werd, wanneer deze gestrekt was, voor het bereiken van de neutrale positie en zonder enig plateau gedurende de ROM. De ER piekkracht trad op bij een hoek van 35º, met een gemiddelde waarde van 10227N (100%).
Het koppelgedrag van de IR (figuur 4) leek sterk op het ER-patroon (figuur 1). Aan het begin van de beweging vertoonde deze curve ook een toename en had daarna de neiging constant te blijven gedurende het tussenliggende deel van de ROM. Echter, anders dan bij de ER, trad het IR piekkoppel op bij een hoek van ongeveer 6º tijdens dit plateau, met een gemiddelde van 69 Nm (100%), wanneer de schouder inwendig geroteerd was. Op het einde van de beweging vertoonde ook deze draaimomentcurve een dalende fase.
Het gedrag van de WMMA van de IR was vrijwel constant in de loop van de ROM (figuur 5). Aan het begin van de beweging was er een oplopende fase, die ongeveer eindigde bij het tussenliggende deel van de ROM, toen de WMMA praktisch constant was. Daarna volgde een nieuwe opwaartse fase, die culmineerde in de WMMA-piek aan het eind van de beweging. De grootste WMMA van de IR trad op bij een rotatie van 50º, met een momentarm van 0,96 cm.
Het gedrag van de resulterende IR krachtcurve (figuur 6) was vergelijkbaar met de IR torsiecurve (figuur 4), maar met verschillende groottes. Aan het begin van de beweging vertoonde deze curve ook een toename en had daarna de neiging constant te blijven gedurende het tussenliggende deel van de ROM. Op het plateau trad de piekkracht van de IR op bij een hoek van ongeveer -14º, met een gemiddelde van 8464N (100%), wanneer de schouder uitwendig geroteerd was. Op het einde van de beweging, vertoonde deze curve ook een dalende fase.
DISCUSSIE
Tijdens de ER werd waargenomen dat het draaimoment plateau dat in het midden van de ROM optrad, gehandhaafd bleef vanwege het antagonistische gedrag van de WMMA en de resulterende ER kracht. Aangezien het ER piekkoppel optrad wanneer de schouder uitwendig werd geroteerd, kan worden afgeleid dat de WMMA belangrijker was voor het genereren van het koppel in deze ROM en voor het behoud van het plateau dan de lengte versus spanningsrelatie die werd weergegeven door de kromme van de resulterende kracht. Ook kan worden opgemerkt dat het piekkoppel en de piekkracht niet bij dezelfde hoeken optraden, aangezien zij afhankelijk waren van de lengte-spanningsrelatie van de spier en zijn respectieve momentarm11.
Het gedrag van de ER-krachtcurve leek sterk op het gedrag van de curve van de lengte-spanningsrelatie van de sarcomeer dat werd gepresenteerd door Gordon et al.20. De piekkracht trad op wanneer de schouder inwendig werd geroteerd, wanneer de spier licht gestrekt was. Bij deze hoek kan worden gespeculeerd dat de sarcomeren zich in een “uitstekende” positie bevinden voor de vorming van cross-bruggen. Aangezien de spieren lichtjes gestrekt zijn, is er een bijdrage van de elastische elementen van de spieren, tot de krachtproductie21,22,23. Na dit punt neemt de kracht af door de spierverkorting en door de verminderde mogelijkheid om nieuwe kruisbruggen te vormen11,23,24.
Wat de IR betreft, kunnen de curven van het koppel en de resulterende kracht gelijktijdig worden geanalyseerd wegens hun gelijkaardig gedrag. Dit is het gevolg van het gedrag van de WMMA, die min of meer constant blijft, met een zeer lage toenamesnelheid. Deze bevindingen zijn vergelijkbaar met die van Rassier et al.11, die rapporteerden dat de torsie-hoekrelatie van een spier wordt bepaald door de lengte-spanningsrelatie en de momentarm. Wanneer de momentarm constant blijft gedurende de beweging, weerspiegelt het gedrag van de koppelcurve de resulterende krachtcurve. Er kan dus worden aangenomen dat de lengte-spanningsrelatie de belangrijkste factor is die verantwoordelijk is voor het gedrag van het IR-koppel.
Het doel van de revalidatie is het herstel van de ROM en de versterking van de spieren, vooral de rotatoren, die belangrijk zijn voor de stabilisatie en de bescherming van de gewrichtsstructuren tegen letsels. De oefeningen moeten progressieve belastingen hebben en de mechanica van de gewrichtswerking respecteren, en een revalidatieprogramma moet efficiënt zijn om de doelstellingen te bereiken en de bijzondere kenmerken van de schouder te respecteren25. In het specifieke geval van de schouder, waarin de rotatiebeweging wordt uitgevoerd door middel van synergetische actie van verschillende spieren, is het belangrijk om het gewogen gemiddelde moment arm en de resulterende kracht productiecapaciteit te evalueren als criteria voor progressie in de intensiteit en de belastingen van de oefeningen.
De momentarm vertegenwoordigt het mechanisch voordeel van de spier en kan worden gebruikt om te bepalen welke spieren stabilisatoren zijn en welke primaire motoren in een gegeven gewrichtspositie. Wanneer de arm van het moment nul of bijna nul is, genereert de spier tijdens de contractie alleen compressie en functioneert hij bijgevolg als een gewrichtsstabilisator. Anderzijds, wanneer de actielijn van de spier ver verwijderd is van het rotatiecentrum, kan hij beschouwd worden als een primaire bewegingsmotor4.
Kuechle et al.8 rapporteerden dat, voor de interne en externe rotatiebewegingen (abductie van 90º), de gerekruteerde spieren met de grootste overbelasting de subscapularis en pectoralis major zijn tijdens interne rotatie en de teres minor en infraspinatus tijdens externe rotatie. De andere spieren zijn minder belangrijk. Het uitvoeren van bewegingen waarbij een verzwakte spier een accessoire is (kleinere momentarm) kan de opgelegde overbelasting verminderen. In de primair motorische spieren kan de belasting worden gecontroleerd door middel van de relatie tussen het weerstandsmoment, de koppelproductiecapaciteit van de spier, de momentarm en het krachtgedrag. De toepassing van weerstand bij amplitudes met een groter mechanisch voordeel en/of een voordeel in de lengte-spanningsrelatie kan een geringere overbelasting in de spier-peesstructuur bevorderen. Aan de andere kant, als de piekweerstand wordt toegepast bij amplitudes waarbij de momentarm en de lengte-spanningsrelatie ongunstig zijn, zal er een grotere overbelasting zijn.
In letsels van de teres minor en infraspinatus kan de opgelegde belasting variëren, waardoor de hoeksectie waarin de piekweerstand optreedt verandert. In de beginfase van een revalidatieprogramma wordt spierversterking aanbevolen, met kleine belastingen, om het genezingsproces te optimaliseren16,17. Dit werk kan gedaan worden met het piek weerstandskoppel gesitueerd tussen de neutrale en eindstand van de ER, bij een schouderabductie van 90º, aangezien er een mechanisch voordeel is in dit gedeelte (grotere moment arm) tijdens de koppelproductie en er lagere krachtproductieniveaus nodig zijn. Dientengevolge zal een lager aantal motorunits worden geactiveerd, waardoor minder overbelasting van de spier wordt gegenereerd.
In de tussenfase van de revalidatie zou de piek van het weerstandskoppel zich kunnen voordoen tussen de neutrale positie en de maximale IR, aangezien tijdens dit gedeelte de momentarm kleiner is en de krachtproductiecapaciteit de belangrijkste factor is die verantwoordelijk is voor de productie van het koppel. Bij dezelfde koppelweerstand als in het eerdere voorbeeld zullen de teres minor en infraspinatus aan een grotere overbelasting worden blootgesteld, omdat een groter aantal motoreenheden moet worden gerekruteerd om de afname van de momentarm te compenseren, met als doel hetzelfde koppel te genereren.
CONCLUSIE
De mechanische criteria voor progressie in interne en externe rotatie oefeningen zijn het koppel, de kracht en de gewogen gemiddelde momentarm omdat, gebaseerd op hun gedrag, het mogelijk is om verschillende overbelastingen op de spier-pees structuur te bevorderen. Hoewel dit theoretische uitwerkingen zijn, zijn deze criteria gebaseerd op principes van spier-pees genezing. Deze studie is dus een eerste stap naar het structureren van mechanische criteria voor progressie in de overbelastingen die op de spier-pees structuur worden uitgeoefend.
1. Kibler WB, McMullen J, Uhl T. Shoulder rehabilitation strategies, guidelines and practice. Orthopedic Clinics of North America. 2001;32(3):527-38.
2. Rubin BD, Kibler WB. Fundamental Principles of Shoulder Rehabilitation: Conservative to Postoperative Management. Arthroscopie. 2002;15(9):29-39.
3. Hayes K, Ginn KA, Walton JR, Szomor ZL, Murrell GAC. Een gerandomiseerd klinisch onderzoek naar de werkzaamheid van fysiotherapie na rotator cuff reparatie. Australisch Tijdschrift voor Fysiotherapie. 2004;50:77-83.
4. Otis JC, Jiang CC, Wickiewicz TL, Peterson MGE, Warren RF, Santner TJ. Changes in the moment arms of the rotator cuff and deltoid muscles with abduction and rotation. The Journal of Bone and Joint Surgery. 1994;76(5):667-76.
5. Liu J, Hughes RE, Smutz WP, Niebur G, An KN. Roles of deltoid and rotator cuff muscles in shoulder elevation. Klinische Biomechanica. 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. Klinische Biomechanica. 2002;17:499-505.
7. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Morrey BF, An KN. Shoulder muscle moment arms during horizontal flexion and elevation. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 1997;6:429-39.
8. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Niebur GL, Morrey BF, An KN. The relevance of the moment arm of shoulder muscles with respect to axial rotation of the glenohumeral joint in four positions. Klinische Biomechanica. 2000;15:322-9.
9. Graichen H, Englmeier KH, Reiser M, Eckstein F. An in vivo technique for determining 3D muscular moment arms in different joint positions and during muscular activation application to the supraspinatus. Klinische Biomechanica. 2001;16:389-94.
10. Proske U, Morgan L. Dragen cross-bridges bij tot de spanning tijdens rek van passieve spieren? 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. Tijdschrift voor Toegepaste Fysiologie. 1999;86(5):1445-57.
12. Huxley AF, Niedergerke R. Structurele veranderingen in spieren tijdens contractie. Interferentiemicroscopie van levende spiervezels. Nature. 1954;173:971-3.
13. Huxley H, Hanson J. Changes in cross-striations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation. Nature. 1954;173:973-6.
14. Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
15. Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. 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. p. 545-622.
17. Magee DJ, Reid DC. Schouderletsels. In: Zachazewski JE, Magee DJ, And Quillen WS. Atletische blessures en revalidatie. Philadelphia: Saunders; 1996. p. 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. Tijdschrift voor Orthopedische en Sportfysiotherapie. 1987;9(6):217-22.
19. Divir Z. Isokinetiek van de schouderspieren. In: Divir Z. Isokinetiek: Spiertesten, interpretatie en klinische toepassingen. Edinburg: Churchill Livingstone; 1995. p. 171-91.
20. Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ. The variation in isometric tension with sarcomere length in vertebrate muscle fibres. Tijdschrift voor Fysiologie. 1966;184:170-92.
21. Herzog W, Schachar R, Leonard TR. Characterization of the passive component of force enhancement following active stretching of skeletal muscle. Journal of Experimental Biology. 2003;206:3635-43.
22. Rassier DE, Herzog W, Wakeling J, Syme DA. Stretch-induced, steady-state force enhancement in single skeletal muscle fibers exceeds the isometric force at optimum fiber length. Tijdschrift voor Biomechanica. 2003;36:1309-16.
23. Schachar R, Herzog W, Leonard TR. The effects of muscle stretch-ching and shortening on isometric force on the descending limb of the force-length relationship. Tijdschrift voor Biomechanica. 2004;37:917-26.
24. Enoka RM. Controle van spierkracht. In Enoka RM. Neuro-mechanische Basis van Kinesiologie. Champaign: Human Kinetics Books; 1988. p.155-78.
25. Jobe FW, Moynes DR, Brewster CE. Rehabilitation of Shoulder Joint Instabilities. Orthopedic Clinics of North America. 1987;18(3):473-82.