VETENSKAPLIGA ARTIKEL
Mekaniska kriterier för progression vid inre och yttre rotationsövningar av axeln i sagittalplanet
Toledo JM; Ribeiro DC; Loss JF
School of Physical Education, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS – Brazil
Correspondens till
ABSTRACT
Introduktion: Kunskap om vridmoment- och kraftproduktionskapacitet och momentarmönster under hela rörelsen, och deras inverkan på det vridmoment som produceras, är väsentlig för att förstå den mänskliga rörelsen och kan vara till stor nytta för att kontrollera den överbelastning som påförs muskel- och senestrukturen. Mål: Att presentera mekaniska kriterier för progression vid övningar i inre rotation (IR) och yttre rotation (ER) av axeln i sagittalplanet. Metod: Sex personer bedömdes med hjälp av en isokinetisk dynamometer och en elektrogoniometer. Från de insamlade uppgifterna beräknades det genomsnittliga vridmomentet, den genomsnittliga resultantkraften och den viktade genomsnittliga momentarmen med hjälp av programvaran SAD32 och Matlab®. Resultat: De vinklar vid vilka det högsta ER- och IR-vridmomentet inträffade var -34º och 6º med värden på 43 Nm respektive 69 Nm. Topparna för ER- och IR-muskelkraft var vid 35º och -14º, och värdena vid dessa vinklar var 10227 N respektive 8464 N. Det viktade medelmomentet för ER uppvisade ett ökande mönster över hela rörelseomfånget (ROM) och toppen var i slutet av rörelseomfånget, dvs. vid -50º (0,91 cm). Det vägda medelmomentet för IR var nästan konstant med sin topp vid 50º (0,96 cm). Slutsats: De mekaniska kriterierna för progression i inre och yttre rotationsövningar av axeln är vridmoment, kraft och vägd medelmomentarm eftersom olika överbelastningar på muskel- och senestrukturen kan orsakas beroende på deras mönster över ROM.
Nyckelord: axel, träning, rotation, rehabilitering.
INLEDNING
Rehabilitering av axelleden kan vara svår inte bara på grund av dess komplexa funktion, som inbegriper anatomisk och funktionell integritet, utan också på grund av de fysiologiska och biomekaniska bidragen från strukturer som t.ex. scapula1,2. Generellt sett används i rehabiliteringsprogrammen för axeln i de flesta fall övningar med progressiv belastning och intensitet i enlighet med den typ av skada och det kirurgiska ingrepp som utförts1,2,3. Även om dessa egenskaper är avgörande för övningsprogressionen är kunskap om ledmekaniken grundläggande för att kunna välja övningar på ett lämpligt sätt3.
Ledrörelser är konsekvenser av rotationen av ett segment i förhållande till ett annat. Denna rotationseffekt av en anbringad kraft kallas för vridmoment eller moment. Det vridmoment som en muskel genererar på leden påverkas av momentarmens räckvidd eller ledens kraftproduktionskapacitet4,5,6.
Momentarmen (vinkelrätt avstånd) är det minsta avståndet mellan muskelverkanslinjen och ledens rotationscentrum4,7,8,9. Storleken på momentarmen representerar den mekaniska fördelen av en muskel i en led, och dess mätning kan hjälpa till att förstå hur muskeln fungerar5.
Muskelns kraftproduktionskapacitet under kontraktion är en av de mekaniska egenskaper som har beskrivits mest i studier, eftersom det är den som ger den styrka som behövs för att upprätthålla hållningen och påbörja rörelser10. Kraftproduktionskapaciteten beror på flera faktorer, t.ex. förhållandet mellan längd och spänning, förhållandet mellan kraft och hastighet och fiberrekryteringen (rumslig och tidsmässig summering). För maximala kontraktioner vid konstant hastighet beror muskelns kraftproduktionskapacitet dock på muskelns längd och detta ”beroende” är direkt kopplat till sarkomerens längd-spänningsförhållande11. Detta förhållande kan förklaras med hjälp av teorin om glidande filament12,13 och teorin om korsbryggor14,15. I teorin om glidande filament antas att förändringarna i sarkomer-, fiber- och muskellängden åstadkoms genom att myofilamenten av aktin och myosin glider in i sarkomeren från korsbryggorna. Därför kommer den maximala kraften som genereras av muskeln att inträffa vid en sarkomerlängd där överlagringen mellan aktin och myosin tillåter det största antalet korsbryggor12,13,14,15.
Kännedom om vridmoment- och kraftproduktionskapaciteten och momentarmen under rörelsens gång samt deras påverkan på det vridmomentbeteende som produceras är väsentlig för att förstå mänsklig rörelse och kan vara till stor nytta för att kontrollera den överbelastning som muskel- och senestrukturen utsätts för, samt för att bättre kunna planera träningsprogressionen i ett rehabiliteringsprogram16,17,18.
Syftet med denna studie var att presentera mekaniska kriterier för progressionen av övningar i inre rotation (IR) och yttre rotation (ER) av axeln, när de utförs i sagittalplanet.
MATERIAL OCH METODER
Denna studie godkändes av etikkommittén vid IPA Methodist University Center (registreringsnummer 1211) och alla deltagare undertecknade ett fritt och informerat samtycke.
Samplet bestod av sex manliga individer, med åldrar mellan 22 och 32 år (medelvärde: 25,1 ± 4,0) och längd mellan 167 och 192 cm (medelvärde: 182,6 ± 9,8), som regelbundet utövade fysisk aktivitet (minst två gånger i veckan). Alla individer i urvalet deltog i alla steg i studien. Den axel som utvärderades var den högra axeln (dominant lem) och ingen av individerna uppvisade historier av skador eller dysfunktioner i den utvärderade axeln.
Datainsamlingen bestod av att mäta det maximala ER- och IR-vridmomentet som producerades vid 60º/sek i sagittalplanet. För detta användes en isokinetisk dynamometer (Cybex Norm model, Dataq Instruments, Inc., Ohio, USA). För att registrera ledpositioner med större precision användes en elektrogoniometer (modell XM 180, Biometrics Ltd (Cwmfelinfach, Gwent, Storbritannien), som anpassats tillsammans med den isokinetiska dynamometern. Den isokinetiska dynamometern och elektrogoniometern var anslutna till en Pentium III 650 MHz-mikrodator med hjälp av en 16-kanalig analog-digitalomvandlare. För databehandling användes programvaran SAD32 (ett datainsamlingssystem som utvecklats av laboratoriet för mekaniska mätningar vid det federala universitetet i Rio Grande do Sul) och programvaran MATLAB 7.0® (MathWorks Inc, Massachusetts, Förenta staterna).
Insamlingsförfarandena var indelade i fem faser: förberedelse, positionering, kalibrering, testbekantskap och testning.
Förberedelse: uppvärmning och sträckning av höger arm.
Positionering av individerna: dorsaldekubitus med höger arm placerad i 90º abduktion och armbågen böjd i 90º.
Kalibrering: ER- och IR-rörelseomfång (ROM) bestämdes enligt det maximala ROM vid vilket individen kunde producera maximalt vridmoment. Elektrogoniometerns nollrotationsvinkel fastställdes som den vinkel som motsvarar det neutrala rotationsläget.
Familjarisering: Tre repetitioner av submaximala koncentriska ER- och IR-kontraktioner utfördes.
Test: Fem upprepningar av ER- och IR-maximala koncentriska kontraktioner utfördes med en vinkelhastighet på 60º/sek19.
Data om det genererade vridmomentet och vinkeln filtrerades med hjälp av ett digitalt lågpassfilter av tredje ordningen Butterworth med en frekvensavgränsning på 3 Hz för vinkeldata och 10 Hz för vridmomentdata. Efter signalfiltreringen beräknades medelvärdet av de fem upprepningarna. Den konvention som användes för vinkelpositionerna var att ER skulle ha negativa värden och IR skulle ha positiva värden8.
Från ER- och IR-vridmomentvärdena var det möjligt att uppskatta storleken på den resulterande kraft som utövas av de yttre och inre rotationerna, genom förhållandet mellan vridmomentet och momentarmen för krafttillämpningen. Eftersom många muskler kan utföra ER eller IR gjordes en förenkling för att göra det möjligt att bestämma ekvation (1):
T = dp x Fm (1)
I vilken: T = vridmoment, Fm = muskelkraft, dp = momentarm (mellan muskelkraftens verkningslinje och axelns rotationscentrum)8.
För detta beräknades de genomsnittliga momentarmarna för alla inre rotator- och yttre rotatormusklerna. Detta medelvärde viktades med varje muskels fysiologiska tvärsnittsarea, vilket resulterade i den viktade medelmomentarmen (WMMA). De muskler som användes för beräkningen var supraspinatus, infraspinatus, teres minor, posteriora deltoideus, mellersta deltoideus och främre deltoideus för ER och pectoralis major, latissimus dorsi, teres major, posteriora deltoideus, mellersta deltoideus och främre deltoideus för IR. Musklernas fysiologiska tvärsnittsarea och momentarmar hämtades från litteraturen 8.
RESULTAT
Det ER-vridmomentbeteendet presenteras i figur 1. I början av rörelsen skedde en ökning och sedan tenderade kurvan att förbli konstant över den mellanliggande delen av ROM. Efter att ha bibehållit denna platå, skedde en liten ökning som representerar vridmomenttoppen. I slutet av rörelsen uppvisade vridmomentkurvan en nedåtgående fas. ER-momenttoppen inträffade vid en vinkel på -34º, då axeln roterades externt med ett genomsnittligt vridmoment på 43 Nm (100 %).
Beteendet för WMMA i ER uppvisade tillväxt under hela ROM (figur 2). Den största WMMA för ER inträffade vid -50º rotation, vilket motsvarade en momentarm på 0,91 cm.
Det resulterande muskelkraftbeteendet hos ER kunde delas in i två faser (figur 3): en stigande fas upp till toppkraften och en annan fallande fas ner till rörelsens slut. Till skillnad från vridmomentbeteendet inträffade toppkraften när axeln var internt roterad, när den var utsträckt, innan den nådde det neutrala läget och utan att uppvisa någon platå under hela ROM. ER-toppkraften inträffade vid en vinkel på 35º, med ett medelvärde på 10227N (100 %).
Det IR-vridmomentbeteendet (figur 4) var mycket likt ER-mönstret (figur 1). I början av rörelsen uppvisade även denna kurva en ökning och tenderade sedan att förbli konstant under den mellanliggande delen av ROM. Till skillnad från ER inträffade dock IR:s maximala vridmoment vid en ungefärlig vinkel på 6º under denna platå, med ett medelvärde på 69 Nm (100 %), när axeln var internt roterad. I slutet av rörelsen uppvisade denna vridmomentkurva också en nedåtgående fas.
Beteendet hos WMMA i IR var praktiskt taget konstant under loppet av ROM (figur 5). I början av rörelsen fanns det en uppåtgående fas som slutade ungefär vid den mellanliggande delen av ROM, då WMMA var praktiskt taget konstant. Därefter följde en ny uppåtgående fas som kulminerade vid WMMA-toppen i slutet av rörelsen. Den största WMMA för IR inträffade vid en rotation på 50º, med en momentarm på 0,96 cm.
Beteendet hos den resulterande IR-kraftkurvan (figur 6) liknade IR-momentkurvan (figur 4), men med olika storheter. I början av rörelsen uppvisade även denna kurva en ökning och tenderade sedan att förbli konstant under den mellanliggande delen av ROM. Vid platån inträffade toppkraften för IR vid en ungefärlig vinkel på -14º, med ett medelvärde på 8464N (100 %), när axeln var externt roterad. I slutet av rörelsen uppvisade denna kurva också en nedåtgående fas.
DISKUSSION
Under ER observerades att den vridmomentplatå som uppstod i mitten av ROM bibehölls på grund av det antagonistiska beteendet hos WMMA och den resulterande ER-kraften. Eftersom ER-toppmomentet inträffade när axeln var externt roterad kan man dra slutsatsen att WMMA var viktigare för vridmomentgenerering i denna ROM och för upprätthållandet av platån än vad förhållandet mellan längd och spänning, som representeras av kurvan för den resulterande kraften, var. Det kan också noteras att det maximala vridmomentet och den maximala kraften inte inträffade vid samma vinklar, eftersom de berodde på muskelns längd-spänningsförhållande och dess respektive momentarm11.
Beteendet hos ER-kraftkurvan var mycket likt beteendet hos kurvan för sarkomerens längd-spänningsförhållande som presenterades av Gordon et al.20. Toppkraften inträffade när axeln var internt roterad, när muskeln var något utsträckt. Vid denna vinkel kan man spekulera i att sarkomererna befinner sig i ett ”utmärkt” läge för bildandet av korsbryggor. Eftersom musklerna är lätt utsträckta bidrar de elastiska delarna av musklerna till kraftproduktionen21,22,23. Efter denna punkt minskar kraften på grund av muskelförkortningen och på grund av den minskade möjligheten att bilda nya tvärbroar11,23,24.
Med avseende på IR kan kurvorna för vridmomentet och den resulterande kraften analyseras samtidigt på grund av deras liknande beteende. Detta beror på WMMA:s beteende, som förblir mer eller mindre konstant, med en mycket låg ökningstakt. Dessa resultat liknar dem från Rassier et al.11, som rapporterade att vridmoment-vinkelförhållandet för en muskel bestäms av längd-spänningsförhållandet och momentarmen. När momentarmen är konstant under hela rörelsen återspeglar vridmomentkurvans beteende den resulterande kraftkurvan. Man kan därför anta att förhållandet mellan längd och spänning är den viktigaste faktorn för IR:s vridmomentbeteende.
Målet med rehabilitering är att återfå ROM och stärka musklerna, särskilt rotatorerna, som är viktiga för att stabilisera och skydda ledstrukturerna från skador. Övningarna måste ha progressiva belastningar och respektera mekaniken för ledfunktion, och ett rehabiliteringsprogram måste vara effektivt för att uppnå målen och respektera axelns särdrag25. I axelns särskilda fall, där rotationsrörelsen utförs med hjälp av synergistisk verkan av olika muskler, är det viktigt att utvärdera den viktade medelmomentarmen och den resulterande kraftproduktionskapaciteten som kriterier för progression i övningars intensitet och belastning.
Momentarmen representerar muskelns mekaniska fördel och kan användas för att avgöra vilka muskler som är stabilisatorer och vilka som är primärmotorer i ett givet ledläge. När momentarmen är noll eller nära noll under kontraktion genererar muskeln endast kompression och fungerar följaktligen som en ledstabilisator. När muskelns aktionslinje däremot ligger långt från rotationscentrumet kan den anses vara en primär rörelsemotor4.
Kuechle et al.8 rapporterade att de rekryterade musklerna med störst överbelastning vid inre och yttre rotationsrörelser (abduktion på 90º) är subscapularis och pectoralis major vid inre rotation och teres minor och infraspinatus vid yttre rotation. De andra musklerna är mindre viktiga. Genom att utföra rörelser där en försvagad muskel är accessorisk (mindre momentarm) kan man minska den pålagda överbelastningen. I de primära motoriska musklerna kan belastningen kontrolleras med hjälp av förhållandet mellan motståndsvridmomentet, muskelns vridmomentproduktionskapacitet, momentarm och kraftbeteende. Tillämpning av motstånd vid amplituder med större mekanisk fördel och/eller en fördel i förhållandet mellan längd och spänning kan främja mindre överbelastning i muskel- och senestrukturen. Om toppmotståndet å andra sidan appliceras vid amplituder där momentarmen och förhållandet mellan längd och spänning är ogynnsamma, kommer överbelastningen att bli större.
Vid skador på teres minor och infraspinatus kan den påförda belastningen variera, vilket ändrar det vinkelavsnitt vid vilket det maximala vridmomentmotståndet uppstår. Under den inledande fasen av ett rehabiliteringsprogram rekommenderas muskelförstärkning med små belastningar för att optimera läkningsprocessen16,17. Detta arbete kan göras med det maximala motståndsvridmomentet beläget mellan ER:s neutralläge och slutläge, vid en axelabduktion på 90º, eftersom det finns en mekanisk fördel i denna sektion (större momentarm) under vridmomentproduktionen och lägre kraftproduktionsnivåer behövs. Följaktligen kommer ett lägre antal motoriska enheter att aktiveras, vilket genererar mindre överbelastning på muskeln.
I rehabiliteringens mellanfas kan det maximala motståndsvridmomentet inträffa mellan det neutrala läget och den maximala IR eftersom momentarmen under denna sektion är mindre och kraftproduktionskapaciteten är den viktigaste faktorn som ansvarar för vridmomentproduktionen. Med samma vridmomentmotstånd som anges i det tidigare exemplet kommer teres minor och infraspinatus att utsättas för större överbelastning, eftersom ett större antal motoriska enheter måste rekryteras för att kompensera för minskningen av momentarmen, i syfte att generera samma vridmoment.
KONKLUSION
De mekaniska kriterierna för progression i inre och yttre rotationsövningar är vridmomentet, kraften och den viktade genomsnittliga momentarmen, eftersom det utifrån deras beteende är möjligt att främja olika överbelastningar av muskel-sena-strukturen. Även om det rör sig om teoretiska utarbetanden är dessa kriterier baserade på principer för muskel-sena-helande. Denna studie utgör således ett första steg mot att strukturera mekaniska kriterier för progressiva överbelastningar av muskel-sena-strukturen.
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. Grundläggande principer för axelrehabilitering: Conservative to Postoperative Management. Arthroscopy. 2002;15(9):29-39.
3. Hayes K, Ginn KA, Walton JR, Szomor ZL, Murrell GAC. En randomiserad klinisk studie som utvärderar effekten av fysioterapi efter rotatorcuffreparation. Australian Journal of Physiotherapy. 2004;50:77-83.
4. Otis JC, Jiang CC, Wickiewicz TL, Peterson MGE, Warren RF, Santner TJ. Förändringar i momentarmarna hos rotatorcuff- och deltoidmusklerna vid abduktion och rotation. Journal of Bone and Joint Surgery. 1994;76(5):667-76.
5. Liu J, Hughes RE, Smutz WP, Niebur G, An KN. Rollerna för deltoideus- och rotatorcuffmusklerna vid lyftning av axeln. Klinisk biomekanik. 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. Klinisk biomekanik. 2002;17:499-505.
7. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Morrey BF, An KN. Skuldermuskelmomentarmar under horisontell böjning och upphöjning. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 1997;6:429-39.
8. Kuechle DK, Newman SR, Itoi E, Niebur GL, Morrey BF, An KN. Relevansen av axelmuskulaturens momentarm med avseende på axial rotation av glenohumeralleden i fyra positioner. Klinisk biomekanik. 2000;15:322-9.
9. Graichen H, Englmeier KH, Reiser M, Eckstein F. En in vivo-teknik för att bestämma 3D-muskulära momentarmar i olika ledpositioner och under muskelaktivering av supraspinatus. Klinisk biomekanik. 2001;16:389-94.
10. Proske U, Morgan L. Bidrar tvärbryggor till spänningen under sträckning av 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. Strukturella förändringar i muskler under kontraktion. Interferensmikroskopi av levande muskelfibrer. 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. Muskelstruktur och teorier om kontraktion. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
15. Huxley AF, Simmons RM. Förslag till mekanism för kraftgenerering i strimmiga 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. 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. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 1987;9(6):217-22.
19. Divir Z. Isokinetik för axelmusklerna. In: Divir Z. Isokinetik: Muskeltestning, tolkning och kliniska tillämpningar. Edinburg: Churchill Livingstone; 1995. s. 171-91.
20. Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ. Variationen i isometrisk spänning med sarkomerlängden i muskelfibrer från ryggradsdjur. Journal of Physiology. 1966;184:170-92.
21. Herzog W, Schachar R, Leonard TR. Karakterisering av den passiva komponenten av kraftförstärkning efter aktiv sträckning av skelettmuskulatur. The Journal of Experimental Biology. 2003;206:3635-43.
22. Rassier DE, Herzog W, Wakeling J, Syme DA. Stretchinducerad, steady-state kraftförstärkning i enskilda skelettmuskelfibrer överstiger den isometriska kraften vid optimal fiberlängd. Journal of Biomechanics. 2003;36:1309-16.
23. Schachar R, Herzog W, Leonard TR. Effekterna av muskelsträckning och -förkortning på isometrisk kraft på den nedåtgående lemmen av kraft-längdsförhållandet. Journal of Biomechanics. 2004;37:917-26.
24. Enoka RM. Kontroll av muskelkraft. I Enoka RM. Neuro-mekanisk grund för kinesiologi. Champaign: Human Kinetics Books; 1988. s.155-78.
25. Jobe FW, Moynes DR, Brewster CE. Rehabilitering av instabila axelleder. Orthopedic Clinics of North America. 1987;18(3):473-82.