ARTICOLE ȘTIINȚIFICE
Criterii mecanice de progresie în exercițiile de rotație internă și externă a umărului în plan sagital
Toledo JM; Ribeiro DC; Loss JF
Scoala de Educație Fizică, Universitatea Federală din Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS – Brazilia
Correspondență pentru
ABSTRACT
Introducere: Cunoașterea capacității de producere a cuplului și a forței și a modelelor brațului de moment de-a lungul mișcării, precum și a influenței acestora asupra cuplului produs, sunt esențiale pentru înțelegerea mișcării umane și pot fi de mare folos pentru controlul supraîncărcării impuse structurii mușchi-tendon. Obiectiv: Prezentarea criteriilor mecanice de progresie în exercițiile de rotație internă (IR) și rotație externă (ER) a umărului în plan sagital. Metodă: Șase indivizi au fost evaluați folosind un dinamometru izocinetic și un electrogoniometru. Din datele colectate, au fost calculate cuplul mediu, forța rezultantă medie și brațul de moment mediu ponderat cu ajutorul software-ului SAD32 și Matlab®. Rezultate: Unghiurile la care a avut loc cuplul maxim ER și IR au fost de -34º și 6º, cu valori de 43 Nm și, respectiv, 69 Nm. Vârfurile pentru forța musculară ER și IR au fost la 35º și -14º, iar valorile la aceste unghiuri au fost de 10227 N și, respectiv, 8464 N. Brațul de moment mediu ponderat pentru ER a prezentat un model crescător pe întreaga gamă de mișcare (ROM), iar vârful a fost la sfârșitul ROM, adică la -50º (0,91 cm). Valoarea medie ponderată a brațului de moment pentru IR a fost aproape constantă, cu un vârf la 50º (0,96 cm). Concluzii: Criteriile mecanice de progresie în exercițiile de rotație internă și externă a umărului sunt cuplul, forța și brațul momentului mediu ponderat, deoarece pot fi provocate diferite suprasarcini asupra structurii musculo-tendinoase în funcție de modelele acestora de-a lungul ROM.
Cuvinte cheie: umăr, exercițiu, rotație, reabilitare.
INTRODUCERE
Reabilitarea articulației umărului poate fi dificilă nu numai din cauza funcției sale complexe, care implică integritatea anatomică și funcțională, ci și din cauza contribuțiilor fiziologice și biomecanice ale unor structuri cum ar fi scapula1,2. În general, programele de reabilitare a umărului utilizează, în majoritatea cazurilor, exerciții cu sarcini și intensități progresive, în funcție de tipul de leziune și de intervenția chirurgicală care a fost efectuată1,2,3. Chiar dacă aceste caracteristici sunt decisive pentru progresia exercițiilor, cunoașterea mecanicii articulare este fundamentală pentru alegerea adecvată a exercițiilor3.
Mișcările articulare sunt consecințe ale rotației unui segment în raport cu altul. Acest efect rotațional al unei forțe aplicate se numește cuplu sau moment. Cuplul pe care un mușchi îl generează asupra articulației este influențat de amplitudinea brațului de moment sau de capacitatea de producere de forță a articulației4,5,6.
Brațul de moment (distanța perpendiculară) este cea mai mică distanță dintre linia de acțiune a mușchiului și centrul de rotație al articulației4,7,8,9. Magnitudinea brațului de moment reprezintă avantajul mecanic al unui mușchi într-o articulație, iar măsurarea acestuia poate ajuta la înțelegerea modului în care funcționează mușchiul5.
Capacitatea de producere de forță a mușchiului în timpul contracției este una dintre proprietățile mecanice care a fost descrisă cel mai mult în studii, deoarece este cea care asigură forța necesară pentru menținerea posturii și începerea mișcărilor10. Capacitatea de producere a forței depinde de mai mulți factori, cum ar fi relația lungime-tensiune, relația forță-velocitate și recrutarea fibrelor (însumarea spațială și temporală). Cu toate acestea, pentru contracțiile maxime la viteză constantă, capacitatea de producere a forței musculare depinde de lungimea mușchiului, iar această „dependență” este legată direct de relația lungime-tensiune a sarcomerului11. Această relație poate fi explicată prin teoria filamentelor glisante12,13 și prin teoria punților încrucișate14,15. Teoria filamentelor glisante presupune că modificările lungimilor sarcomerelor, fibrelor și mușchilor sunt produse de alunecarea miofilamentelor de actină și miozină în interiorul sarcomerelor dinspre punțile încrucișate. Prin urmare, forța maximă care este generată de mușchi se va produce la o lungime a sarcomerului în care suprapunerea dintre actină și miozină va permite cel mai mare număr de punți încrucișate12,13,13,14,15.
Cunoașterea capacității de producere a cuplului și a forței și a brațului de moment pe parcursul mișcării, precum și a influenței acestora asupra comportamentului cuplului produs, sunt esențiale pentru înțelegerea mișcării umane și pot fi de mare folos pentru a controla supraîncărcarea impusă structurii musculo-tendinoase, precum și pentru o mai bună planificare a progresiei exercițiilor într-un program de reabilitare16,17,18.
Obiectivul acestui studiu a fost de a prezenta criterii mecanice pentru progresia exercițiilor de rotație internă (IR) și rotație externă (ER) a umărului, atunci când sunt efectuate în plan sagital.
MATERIALE ȘI METODE
Acest studiu a fost aprobat de Comitetul de Etică al Centrului Universitar Metodist IPA (nr. de înregistrare 1211) și toți participanții au semnat o declarație de consimțământ liber și informat.
Eșantionul a fost alcătuit din șase persoane de sex masculin, cu vârste cuprinse între 22 și 32 de ani (medie: 25,1 ± 4,0) și înălțime între 167 și 192 cm (medie: 182,6 ± 9,8), care făceau în mod regulat activități fizice (cel puțin de două ori pe săptămână). Toate persoanele din eșantion au participat la toate etapele studiului. Umărul evaluat a fost umărul drept (membrul dominant) și niciunul dintre indivizi nu a prezentat antecedente de leziuni sau disfuncții la nivelul umărului evaluat.
Colectarea datelor a constat în măsurarea cuplului maxim ER și IR produs la 60º/sec în plan sagital. Pentru aceasta, a fost utilizat un dinamometru izocinetic (model Cybex Norm, Dataq Instruments, Inc., Ohio, Statele Unite). În scopul înregistrării pozițiilor articulare cu o precizie mai mare, s-a utilizat un electrogoniometru (modelul XM 180, Biometrics Ltd (Cwmfelinfach, Gwent, Regatul Unit), adaptat împreună cu dinamometrul izocinetic. Dinamometrul izocinetic și electrogoniometrul au fost conectate la un microcalculator Pentium III 650 MHz prin intermediul unui convertor analog-digital cu 16 canale. Pentru prelucrarea datelor, au fost utilizate software-ul SAD32 (un sistem de achiziție de date dezvoltat de Laboratorul de măsurători mecanice al Universității Federale din Rio Grande do Sul) și software-ul MATLAB 7.0® (MathWorks Inc, Massachusetts, Statele Unite).
Procedurile de colectare au fost împărțite în cinci faze: pregătire, poziționare, calibrare, familiarizare cu testul și testare.
Pregătirea: încălzirea și întinderea brațului drept.
Posibilizarea indivizilor: decubit dorsal cu brațul drept poziționat la 90º abducție și cotul flectat la 90º.
Calibrarea: intervalele de mișcare (ROM) ER și IR au fost determinate în funcție de ROM maxim la care individul era capabil să producă cuplul maxim. Unghiul zero de rotație pe electrogoniometru a fost stabilit ca fiind unghiul corespunzător poziției de rotație neutră.
Familiarizare: s-au efectuat trei repetări de contracții concentrice submaximale ER și IR.
Test: s-au efectuat cinci repetări ale contracțiilor concentrice maxime ER și IR la o viteză unghiulară de 60º/sec19.
Datele cuplului generat și ale unghiului au fost filtrate folosind un filtru digital Butterworth de ordinul al treilea de tip low-pass cu o frecvență de tăiere de 3 Hz pentru datele privind unghiul și de 10 Hz pentru datele privind cuplul. După filtrarea semnalului, s-a calculat media celor cinci repetiții. Convenția utilizată pentru pozițiile unghiulare a fost ca ER să aibă valori negative, iar IR să aibă valori pozitive8.
Din valorile cuplului ER și IR, a fost posibilă estimarea mărimii forței rezultante exercitate de rotațiile externe și interne, prin raportul dintre cuplul și brațul momentului de aplicare a forței. Deoarece mulți mușchi sunt capabili să efectueze ER sau IR, s-a făcut o simplificare, pentru a face posibilă determinarea ecuației (1):
T = dp x Fm (1)
În care: T = cuplul; Fm = forța musculară; dp = brațul de moment (între linia de acțiune a forței musculare și centrul de rotație al umărului)8.
Pentru aceasta, s-au calculat brațele de moment medii ale tuturor mușchilor rotatori interni și rotatori externi. Această medie a fost ponderată cu suprafața fiziologică a secțiunii transversale a fiecărui mușchi, rezultând astfel brațul de moment mediu ponderat (WMMA). Mușchii utilizați pentru calcul au fost supraspinosul, infraspinosul, teres minor, deltoidul posterior, deltoidul mijlociu și deltoidul anterior pentru ER; și pectoralul major, latissimus dorsi, teres major, deltoidul posterior, deltoidul mijlociu și deltoidul anterior pentru IR. Suprafața fiziologică a secțiunii transversale a mușchilor și brațele de moment ale mușchilor au fost obținute din literatura de specialitate 8.
REZULTATE
Comportamentul cuplului ER este prezentat în figura 1. La începutul mișcării, a existat o creștere și apoi curba a avut tendința de a rămâne constantă pe secțiunea intermediară a ROM. După menținerea acestui platou, a existat o ușoară creștere reprezentând vârful cuplului. La finalul mișcării, curba cuplului a prezentat o fază descendentă. Vârful cuplului ER a avut loc la un unghi de -34º, la care umărul este rotit extern cu un cuplu mediu de 43 Nm (100%).
Comportamentul WMMA al ER a prezentat o creștere pe toată durata ROM (Figura 2). Cea mai mare WMMA a ER a avut loc la -50º de rotație, care a corespuns unui braț de moment de 0,91 cm.
Comportamentul forței musculare rezultante a ER a putut fi împărțit în două faze (Figura 3): o fază ascendentă până la forța maximă și o altă fază descendentă până la sfârșitul mișcării. Spre deosebire de comportamentul cuplului, forța de vârf a apărut atunci când umărul a fost rotit intern, când a fost întins, înainte de a ajunge în poziția neutră și fără a prezenta niciun platou de-a lungul ROM. Forța maximă a ER a apărut la un unghi de 35º, cu o valoare medie de 10227N (100%).
Comportamentul cuplului IR (Figura 4) a fost foarte asemănător cu modelul ER (Figura 1). La începutul mișcării, această curbă a prezentat, de asemenea, o creștere și apoi a avut tendința de a rămâne constantă pe secțiunea intermediară a ROM. Cu toate acestea, spre deosebire de ER, cuplul maxim IR a avut loc la un unghi aproximativ de 6º în timpul acestui platou, cu o medie de 69 Nm (100%), atunci când umărul a fost rotit intern. La finalul mișcării, această curbă de cuplu a prezentat, de asemenea, o fază descendentă.
Comportamentul WMMA al IR a fost practic constant pe parcursul ROM (Figura 5). La începutul mișcării, a existat o fază ascendentă, care s-a terminat aproximativ la secțiunea intermediară a ROM-ului, când WMMA a fost practic constantă. A existat apoi o nouă fază ascendentă, care a culminat cu vârful WMMA la sfârșitul mișcării. Cea mai mare WMMA a IR a avut loc la o rotație de 50º, cu un braț de moment de 0,96 cm.
Comportamentul curbei forței IR rezultante (Figura 6) a fost similar cu curba cuplului IR (Figura 4), dar cu magnitudini diferite. La începutul mișcării, această curbă a prezentat, de asemenea, o creștere și apoi a avut tendința de a rămâne constantă în timpul secțiunii intermediare a ROM. În platou, forța maximă a IR a avut loc la un unghi aproximativ de -14º, cu o medie de 8464N (100%), atunci când umărul a fost rotit extern. La finalul mișcării, această curbă a prezentat, de asemenea, o fază descendentă.
DISCUȚII
În timpul ER, s-a observat că platoul de cuplu care a avut loc la mijlocul ROM-ului a fost menținut din cauza comportamentului antagonist al WMMA și al forței rezultate din ER. Deoarece cuplul maxim al ER a avut loc atunci când umărul a fost rotit extern, se poate deduce că WMMA a fost mai importantă pentru generarea cuplului în acest ROM și pentru menținerea platoului decât a fost relația lungime versus tensiune reprezentată de curba forței rezultante. De asemenea, se poate observa că vârful de cuplu și vârful de forță nu au avut loc la aceleași unghiuri, deoarece acestea au depins de relația lungime-tensiune a mușchiului și de brațul de moment respectiv11.
Comportamentul curbei forței ER a fost foarte asemănător cu comportamentul curbei relației lungime-tensiune a sarcomerului care a fost prezentată de Gordon et al.20. Forța maximă a avut loc atunci când umărul a fost rotit intern, când mușchiul a fost ușor întins. La acest unghi, se poate specula că sarcomerii se află într-o poziție „excelentă” pentru formarea punților încrucișate. Deoarece mușchii sunt ușor întinși, există o contribuție din partea elementelor elastice ale mușchilor, la producerea forței21,22,23. După acest punct, forța scade din cauza scurtării mușchilor și din cauza posibilității reduse de formare de noi punți încrucișate11,23,24.
În ceea ce privește IR, curbele de cuplu și de forță rezultantă pot fi analizate simultan, datorită comportamentului lor similar. Acest lucru se datorează comportamentului WMMA, care rămâne mai mult sau mai puțin constant, cu o rată de creștere foarte mică. Aceste constatări sunt similare cu cele ale lui Rassier et al.11, care au raportat că relația cuplu-unghi a unui mușchi este determinată de relația lungime-tensiune și de brațul de moment. Atunci când brațul de moment rămâne constant pe tot parcursul mișcării, comportamentul curbei cuplului reflectă curba forței rezultante. Astfel, se poate presupune că relația lungime-tensiune este principalul factor responsabil pentru comportamentul cuplului IR.
Obiectivul reabilitării este de a recupera ROM și de a întări mușchii, în special rotatorii, care sunt importanți pentru stabilizarea și protejarea structurilor articulare împotriva leziunilor. Exercițiile trebuie să aibă sarcini progresive și să respecte mecanica de funcționare a articulației, iar un program de reabilitare trebuie să fie eficient pentru a atinge obiectivele și a respecta particularitățile umărului25. În cazul specific al umărului, în care mișcarea de rotație se realizează prin acțiunea sinergică a diferiților mușchi, este important să se evalueze brațul de moment mediu ponderat și capacitatea de producere a forței rezultante ca și criterii de progresie în intensitatea și sarcinile exercițiilor.
Brațul de moment reprezintă avantajul mecanic al mușchiului și poate fi folosit pentru a determina ce mușchi sunt stabilizatori și care sunt motoare primare într-o anumită poziție articulară. Atunci când brațul de moment este zero sau aproape de zero, în timpul contracției, mușchiul generează doar compresie și, în consecință, funcționează ca un stabilizator al articulației. Pe de altă parte, atunci când linia de acțiune a mușchiului este îndepărtată de centrul de rotație, acesta poate fi considerat ca fiind un motor de mișcare primară4.
Kuechle et al.8 au raportat că, pentru mișcările de rotație internă și externă (abducție de 90º), mușchii recrutați cu cea mai mare supraîncărcare sunt subscapularul și marele pectoral în timpul rotației interne și teres minor și infraspinatus în timpul rotației externe. Ceilalți mușchi sunt mai puțin importanți. Efectuarea unor mișcări în care un mușchi slăbit este accesoriu (braț de moment mai mic) poate reduce suprasarcina impusă. La mușchii motori primari, sarcina poate fi controlată prin intermediul relației dintre cuplul de rezistență, capacitatea de producere a cuplului muscular, brațul de moment și comportamentul forței. Aplicarea rezistenței la amplitudini cu un avantaj mecanic mai mare și/sau un avantaj în relația lungime-tensiune poate favoriza o supraîncărcare mai mică în structura mușchi-tendon. Pe de altă parte, dacă rezistența de vârf este aplicată la amplitudini la care brațul de moment și relația lungime-tensiune sunt nefavorabile, va exista o supraîncărcare mai mare.
În leziunile teresului minor și ale infraspinosului, sarcina impusă poate varia, modificând astfel secțiunea unghiulară la care apare vârful de rezistență la cuplu. În timpul fazei inițiale a unui program de reabilitare, se recomandă întărirea musculară, cu sarcini mici, pentru a optimiza procesul de vindecare16,17. Această muncă se poate face cu vârful de rezistență la cuplu situat între pozițiile neutră și finală a ER, la o abducție a umărului de 90º, deoarece există un avantaj mecanic în această secțiune (braț de moment mai mare) în timpul producerii cuplului și sunt necesare niveluri mai mici de producere a forței. În consecință, va fi activat un număr mai mic de unități motorii, generând astfel o supraîncărcare mai mică a mușchiului.
În faza intermediară a reabilitării, vârful cuplului de rezistență ar putea avea loc între poziția neutră și IR maximă, deoarece, în timpul acestei secțiuni, brațul de moment este mai mic și capacitatea de producere a forței este principalul factor responsabil pentru producerea cuplului. Cu același cuplu de rezistență ca cel citat în exemplul anterior, teres minor și infraspinatus vor fi supuse unei supraîncărcări mai mari, deoarece un număr mai mare de unități motorii trebuie să fie recrutate pentru a compensa scăderea brațului de moment, cu scopul de a genera același cuplu.
CONCLUZIE
Criteriile mecanice de progresie în exercițiile de rotație internă și externă sunt cuplul, forța și brațul de moment mediu ponderat, deoarece, pe baza comportamentului lor, este posibil să se promoveze diferite supraîncărcări asupra structurii musculo-tendinoase. Deși sunt elaborări teoretice, aceste criterii se bazează pe principiile de vindecare a mușchiului-tendonului. Astfel, acest studiu reprezintă un prim pas spre structurarea unor criterii mecanice de progresie în ceea ce privește supraîncărcările impuse asupra structurii mușchi-tendon.
1. Kibler WB, McMullen J, Uhl T. Strategii de reabilitare a umărului, orientări și practică. Clinici ortopedice din America de Nord. 2001;32(3):527-38.
2. Rubin BD, Kibler WB. Principii fundamentale de reabilitare a umărului: Conservative to Postoperative Management. Artroscopie. 2002;15(9):29-39.
3. Hayes K, Ginn KA, Walton JR, Szomor ZL, Murrell GAC. Un studiu clinic randomizat de evaluare a eficacității fizioterapiei după repararea manșetei rotatorilor. Australian Journal of Physiotherapy (Jurnalul australian de fizioterapie). 2004;50:77-83.
4. Otis JC, Jiang CC, Wickiewicz TL, Peterson MGE, Warren RF, Santner TJ. Modificări ale brațelor de moment ale manșetei rotatorilor și ale mușchilor deltoizi cu abducție și rotație. The Journal of Bone and Joint Surgery. 1994;76(5):667-76.
5. Liu J, Hughes RE, Smutz WP, Niebur G, An KN. Rolul mușchilor deltoidieni și al manșetei rotatorilor în ridicarea umărului. Biomecanică clinică. 1997;12(1):32-8.
6. Wilde LD, Audenaert E, Barbaix E, Audenaert A, Soudan K. Consecințele alungirea mușchiului deltoidian asupra performanței mușchiului deltoidian: studiul computerizat. Biomecanică clinică. 2002;17:499-505.
7. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Morrey BF, An KN. Brațele de moment ale mușchilor umărului în timpul flexiei și ridicării orizontale. Journal of Shoulder and Elbow Surgery (Jurnalul de chirurgie a umărului și cotului). 1997;6:429-39.
8. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Niebur GL, Morrey BF, An KN. Relevanța brațului de moment al mușchilor umărului în ceea ce privește rotația axială a articulației gleno-humerale în patru poziții. Biomecanică clinică. 2000;15:322-9.
9. Graichen H, Englmeier KH, Reiser M, Eckstein F. O tehnică in vivo pentru determinarea brațelor de moment muscular 3D în diferite poziții ale articulației și în timpul aplicării activării musculare la supraspinos. Biomecanică clinică. 2001;16:389-94.
10. Proske U, Morgan L. Contribuie punțile încrucișate la tensiunea din timpul întinderii mușchiului pasiv? Journal of Muscle Research and Cell Motility. 1999;20:433-42.
11. Rassier DE, MacIntosh BR, Herzog W. Dependența de lungime a producției de forță activă în mușchiul scheletic. Jurnalul de fiziologie aplicată. 1999;86(5):1445-57.
12. Huxley AF, Niedergerke R. Modificări structurale în mușchi în timpul contracției. Microscopia de interferență a fibrelor musculare vii. Nature. 1954;173:971-3.
13. Huxley H, Hanson J. Modificări ale striațiilor încrucișate ale mușchiului în timpul contracției și întinderii și interpretarea lor structurală. Nature. 1954;173:973-6.
14. Huxley AF. Structura musculară și teorii ale contracției. Prog Biophys Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
15. Huxley AF, Simmons RM. Mecanismul propus de generare a forței în mușchiul striat. Nature. 1971;233:533-8.
16. Wilk KE, Harrelson GL, Arrigo C. Reabilitação do Ombro. În: A: 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. Leziuni ale umărului. În: O.S: Zachazewski JE, Magee DJ, Și Quillen WS. Athletic Injuries and Rehabilitation (Leziuni atletice și reabilitare). 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 (Studiu comparativ al cuplului generat de mușchii rotatori interni și externi ai umărului în diferite poziții și la viteze diferite). The Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy (Jurnalul de kinetoterapie ortopedică și sportivă). 1987;9(6):217-22.
19. Divir Z. Izocinetica mușchilor umărului. În: A: Divir Z. Isokinetic: Testarea mușchilor, interpretare și aplicații clinice. Edinburg: Churchill Livingstone; 1995. p. 171-91.
20. Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ. Variația tensiunii izometrice cu lungimea sarcomerelor în fibrele musculare vertebrate. Journal of Physiology. 1966;184:170-92.
21. Herzog W, Schachar R, Leonard TR. Caracterizarea componentei pasive a sporirii forței în urma întinderii active a mușchiului scheletic. Jurnalul de biologie experimentală. 2003;206:3635-43.
22. Rassier DE, Herzog W, Wakeling J, Syme DA. Creșterea forței indusă de întindere, în regim staționar, în fibrele musculare scheletice unice depășește forța izometrică la lungimea optimă a fibrelor. Journal of Biomechanics. 2003;36:1309-16.
23. Schachar R, Herzog W, Leonard TR. Efectele de întindere și scurtare a mușchilor asupra forței izometrice pe membrul descendent al relației forță-lungime. Journal of Biomechanics. 2004;37:917-26.
24. Enoka RM. Controlul forței musculare. În Enoka RM. Bazele neuro-mecanice ale kinesiologiei. Champaign: Human Kinetics Books; 1988. p.155-78.
25. Jobe FW, Moynes DR, Brewster CE. Reabilitarea instabilităților articulației umărului. Clinici ortopedice din America de Nord. 1987;18(3):473-82.