Wybrane metody oceny dynamiki układu ruchu człowieka

Celem niniejszej pracy było opracowanie i uzasadnienie wyboru metod pomiarowych do oceny układu ruchu człowieka przydatnych do celów optymalizacji leczenia i rehabilitacji. Przedstawiono przegląd piśmiennictwa dotyczący metrologicznych aspektów biomechanicznej diagnostyki układu ruchu. Szczególną uwagę w przeglądzie literatury przedmiotu poświęcono rozwojowi metod diagnostycznych dotyczących oceny cech fizycznych człowieka w Polsce. Dokonano krytycznej analizy metod oceny funkcjonalnej narządu ruchu stosowanej w klinikach. Stwierdzono, że w porównaniu do zaawansowanych metod diagnostyki, jakie stosuje się w sporcie wyczynowym, kliniczna ocena funkcjonalna narządu ruchu opiera się wyłącznie na testach nie spełniających warunków wymaganych do obiektywnej oceny funkcjonalnej układu ruchu, czyli nie opiera się na metodach pomiaru bezpośredniego i zasadach metrologii. Dokonano wyboru metod pomiarowych przydatnych do oceny siły mięśniowej wybranych stawów. Przeprowadzono pomiary statycznych momentów siły w stawach: łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych oraz pomiary podczas prób stabilograficznych na młodych i zdrowych ochotnikach, w zdecydowanej większości studentach Akademii Wychowania Fizycznego w Warszawie. Łącznie dla celów niniejszej pracy przebadano 1122 osoby. W pomiarach statycznych momentów sił rozwijanych w stawie łokciowym uczestniczyło 101 kobiet i 99 mężczyzn. Pomiarów dokonano na prototypowym stanowisku w pozycji leżenia przodem w położeniach kątowych stawu od pełnego wyprostu co 15° do 165°. Mierzono momenty sił podczas zginania i prostowania. Pomiarów momentów sił w stawie biodrowym dokonano na 80 kobietach i 80 mężczyznach. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku w pozycji półleżącej na plecach z kątem w stawie biodrowym 130° i tułowiem nachylonym pod kątem 30° do poziomu. Mierzono momenty sił podczas zginania, prostowania, przywodzenia, odwodzenia, rotacji wewnętrznej oraz rotacji zewnętrznej. Izometryczne momenty sił w stawie kolanowym zbadano u 95 kobiet i 102 mężczyzn. Pomiary odbyły się na specjalnym stanowisku w pozycji siedzącej z kątami w stawach biodrowych równych 90°. Zmierzono momenty sił podczas zginania i prostowania w kątach stawowych od 90° co 15° do 165°. Statyczne momenty sił w stawie skokowo-goleniowym zmierzono na 110 kobietach i 110 mężczyznach. Badania przeprowadzono w pozycji siedzącej. Kąty w stawach biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych wynosiły po 90°. Badania stabilograficzne przeprowadzono na 135 kobietach i 148 mężczyznach. Wykonano 30 sekundowe próby pomiaru drogi środka parcia stóp na podłoże w pozycji stania na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi, na dwóch kończynach z oczami zamkniętymi oraz na prawej i lewej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi, zgodnie z testem Romberga. W badaniach skoczności uczestniczyło 28 kobiet i 27 mężczyzn uczennic i uczniów szkół mistrzostwa sportowego siatkarek i siatkarzy. U badanych mierzono wysokość wyskoku na platformie dynamometrycznej, wysokość wyskoku w obronie i ataku, drogę środka parcia stóp na podłoże podczas prób stabilograficznych oraz statyczne momenty sił stawu skokowo-goleniowego. W badaniach dynamiki stawu łokciowego, w ramach których przeprowadzono pomiary EMG, mięśnia dwugłowego ramienia i mięśnia trójgłowego ramienia, w warunkach statycznych i dynamicznych, uczestniczyło 7 mężczyzn. Na podstawie przeprowadzonych, na ludziach zdrowych i nie trenujących wyczynowo, badań statycznych momentów sił stawów łokciowego, biodrowego, kolanowego, i skokowo-goleniowego stwierdzono, że mężczyźni są istotnie silniejsi od kobiet i nie zauważono znamiennych różnic pomiędzy momentami siły lewej i prawej strony ciała w obu populacjach. Stwierdzono istotną zależność momentów siły od masy ciała. Zaobserwowano, że istnieje związek pomiędzy momentami sił rozwijanymi przez antagonistyczne grupy mięśniowe tego samego stawu. Dotyczy to zginaczy i prostowników wszystkich badanych stawów oraz odwodzicieli, przywodzicieli i rotatorów stawu biodrowego. W badaniach stabilograficznych nie stwierdzono różnic w sprawności mechanizmu utrzymywania równowagi pomiędzy kobietami i mężczyznami oraz pomiędzy lewą i prawą stroną ciała. Stwierdzono istotne różnice pomiędzy wynikami prób wykonywanych na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi, na dwóch kończynach dolnych z oczami zamkniętymi, na jednej kończynie dolnej z oczami otwartymi oraz na jednej kończynie dolnej z oczami zamkniętymi. Stwierdzono istotny wpływ wysokości ciała na wyniki prób stabilograficznych. Badania skoczności wraz z pomiarami statycznych momentów sił rozwijanych w stawach skokowogoleniowych i próbami stabilograficznymi, wykonane na siatkarkach i siatkarzach nie pozwoliły na wykazanie wzajemnych związków pomiędzy wynikami tych pomiarów. Podobnie jak nie wykazano związku pomiędzy momentami sił zginaczy grzbietowych i podeszwowych stopy a sposobem utrzymywania równowagi w grupach 33 kobiet i 40 mężczyzn. Nie stwierdzono związku pomiędzy skocznością mierzoną na platformie dynamometrycznej i podczas testu wyskoku dosiężnego w obronie jak i ataku. Stwierdzono wysokie współczynniki korelacji pomiędzy sygnałem EMG towarzyszącym działaniu mięśni, a momentem siły rozwijanym przez mięśnie zarówno w wysiłkach statycznych jak i dynamicznych polegających na zginaniu w stawie łokciowym. Aktywność mięśni prostujących, czyli mięśni hamujących ruch zginania, rośnie wraz ze zmniejszeniem obciążenia zewnętrznego. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów polegających na minimalno-czasowym podnoszeniu ciężarków o różnej masie wykazano możliwość pomiaru charakterystyki siła-szybkość w sposób zaproponowany przez Hilla (Winters, 1990). Wykazano, że charakterystyka siłowo-szybkościowa może być pominięta w równaniu ruchu zginania w stawie łokciowym. Wyniki pomiarów dużych grup ludzi młodych i o dobrej kondycji fizycznej oraz przeprowadzone eksperymenty praktyczne jak i symulacyjne potwierdzają dużą przydatność pomiarów statycznych momentów sił do oceny narządu ruchu. Na podstawie wniosków wynikających z przeprowadzonych pomiarów momentów sił mięśniowych opracowano sposoby obliczania wartości normatywnych pozwalających na oceną siły mięśni stawów łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych u pacjentów i ludzi zdrowych. Opracowane normy oceny siły mięśni uwzględniają wpływ płci, masy ciała oraz w przypadku stawu łokciowego i kolanowego wpływ kąta stawowego na izometryczne momenty sił. Zakresy norm momentów sił w zależności od płci, masy ciała i kąta stawowego przedstawiono graficznie na wykresach przyjmując jako granice normy zakres: średnia ± 2 SD. Wyniki badań stabilograficznych posłużyły do przyjęcia sposobu obliczania wartości normatywnych dla prób stania na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi i zamkniętymi oraz na jednej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi. Do oceny sposobu utrzymywania równowagi u kobiet i mężczyzn zaproponowano ten sam sposób obliczania wartości normatywnych, które uwzględniają rodzaj próby oraz wpływ wysokości ciała na drogę środka parcia stóp na podłoże podczas 30 sekundowej próby utrzymywania pionowej pozycji ciała. Normy stabilograficzne przedstawiono na wykresach przyjmując jako zakres normy: średnią ± 2 SD. Analizując dynamikę ruchu podnoszenia, w minimalnym czasie, ciężarków o różnej masie stwierdzono duże podobieństwo maksymalnego kąta zgięcia w stawie łokciowym dla wszystkich podnoszonych ciężarków. W sposób zaproponowany przez Hilla (Winters, 1990) wyznaczono charakterystykę maksymalnych prędkości zginania w stawie łokciowym w zależności od obciążenia. Podjęto próbę identyfikacji charakterystyki siła – szybkość zginania w stawie łokciowym. Zadanie zostało zrealizowane przy założeniu, na podstawie literatury, znajomości charakterystyki siłowo-szybkościowej prostowników tego stawu. Wyniki identyfikacji i symulacji komputerowych skłaniają do stwierdzenia, że w równaniu ruchu opisującym dynamikę zginania w stawie łokciowym charakterystyka siłowo-szybkościowa mięśni nie występuje. Wyniki symulacji komputerowych zginania w stawie łokciowym potwierdzają możliwość predykcji ruchów dynamicznych, minimalno-czasowych, na podstawie zmierzonych charakterystyk statycznych momentów siły mięśni i sygnałów EMG traktowanych jako sygnały sterujące. Brak zależności pomiędzy statycznymi momentami sił a wynikami testów koordynacyjnych wskazują na konieczność autonomicznej oceny potencjału siłowego człowieka i jego zdolności koordynacyjnych. Te dwa aspekty, siłowy i techniczny, funkcjonowania układu ruchu są całkowicie niezależne i powinny być osobno oceniane. Brak zależności, u siatkarzy, pomiędzy skocznością mierzoną za pomocą platformy dynamometrycznej, a skocznością mierzoną rutynowo z zastosowaniem testów wyskoku dosiężnego potwierdza teorię Bernsteina o doskonaleniu procesów sterowania ruchami i był przesłanką wyboru metody oceny potencjału siłowego pacjentów przy użyciu pomiarów momentów sił mięśniowych w warunkach statycznych oraz wyboru sposobu oceny koordynacji podczas jednego z najbardziej zautomatyzowanych nawyków ruchowych, jakim jest utrzymywanie pionowej pozycji ciała. Reasumując należy stwierdzić, że wyniki przeprowadzonych badań własnych pozwalają na konkluzję, iż prawidłowa ocena funkcjonalna narządu ruchu w warunkach klinicznych wymaga zastosowania dwóch niezależnych metod pomiarowych: do oceny cech fizycznych i do oceny zdolności koordynacyjnych pacjenta. Za najważniejszą cechę fizyczną, z punktu widzenia leczenia i usprawniania narządu ruchu uznano siłę mięśni wybranych zespołów mięśniowych mierzoną w warunkach statycznych, a za najważniejszą cechę koordynacyjną drogę środka parcia stóp na podłoże podczas utrzymywania pionowej pozycji ciała. Krótsza droga środka parcia świadczy o sprawniejszym mechanizmie utrzymywania równowagi. Opracowano i sprawdzono na ludziach zdrowych protokoły badań statycznej siły mięśniowej jak i drogi parcia stóp na podłoże podczas prób stabilograficznych. Stwierdzono brak różnic statystycznych pomiędzy siłą rozwijaną przez zespoły mięśniowe prawej i lewej strony ciała, podobnie jak nie wykryto różnic w sposobie utrzymywania równowagi podczas stania na prawej i lewej kończynie, u kobiet i mężczyzn. Potwierdzono bezsporny fakt mówiący o tym, że mężczyźni, w odniesieniu do wartości średnich dysponują większą siłą mięśniową niż kobiety. Nie stwierdzono znamiennych statystycznie różnic w sposobie utrzymywania równowagi pomiędzy młodymi oraz zdrowymi kobietami i mężczyznami. Opracowano, w formie wzorów matematycznych, wartości normatywne do oceny siły mięśniowej w zależności od płci, masy ciała i kąta stawowego oraz wartości normatywne do oceny prób stabilograficznych zależne wyłącznie od wysokości ciała. Na przykładach symulacji komputerowych dynamiki zginania w stawie łokciowym potwierdzono duże znaczenie diagnostyczne charakterystyk momentów sił mięśniowych mierzonych w warunkach statycznych. Wykazano podobieństwo kształtu charakterystyki siłowo-szybkościowej uzyskanej podczas podnoszenia ciężarków o różnej masie z maksymalną prędkością do charakterystyk siłowo-szybkościowych uzyskanych przez Fenna i Marsha w 1935 roku na szkieletowym mięśniu izolowanym żaby (Fenn i Marsh, 1935).