EMG analýza vybraných svalů dolní končetiny a zádových svalů při jízdě na kole ve vodním prostředí a na suchu

Souhrn

Příspěvek předkládá případovou studii, ve které byl u 4 zdravých, záměrně vybraných probandů, za využití povrchové elektomyografie analyzován, zpracován a vyhodnocen vztah svalů dolní končetiny a svalů zádových při jízdě na stacionárním kole ve vodním prostředí a na suchu. Pro zajištění shodných výchozích podmínek pro nastavení kola pro obě prostředí bylo vybráno stacionární vodní kolo Sapilo, které se dá využít i na suchu. Hlavním cílem experimentu bylo porovnání timingu vybraných svalů dolní končetiny (m. biceps femoris, m. gastrocnemius lateralis, m. vastus medialis, m. tibialis anterior) a zádových svalů (mm. paravertebrales dx. a mm. paravertebrales sin. v oblasti bederní páteře) při jízdě na kole ve vodě a na suchu. Výsledky ukazály, že timing svalů je podobný v obou prostředích, avšak vodní prostředí se projevilo ve změně rychlosti šlapání a velikosti svalové aktivity.

Klíčová slova:
povrchová elektromyografie, WaterSurface EMG, timing, vodní kolo

ÚVOD

Možnosti využití vodního prostředí k pohybové aktivitě nám přibližuje sportovní odvětví aquafitnes. V něm jsou ve velké míře používány pomůcky uzpůsobené pro horní končetiny. Existují ale samozřejmě nejrůznější zařízení i pro dolní končetiny. Jedním z nich je vodní kolo, které je běžně v České republice označováno jako aquabike. V současné době lze v několika našich městech navštěvovat veřejně přístupné pravidelné lekce aquabiku - např. v Jablonci nad Nisou nebo Uherském Brodě.

V zahraničí i u nás jsou k dispozici vodní kola, která jsou jiná nejen svým pojmenováním a konstrukcí (např. poolbike, hydrobike, hydrorider), ale někdy i odlišným využitím přesahujícím rámec rekreačního sportu (např. hydrocycle pro tetraplegiky).

Jízda s využitím vodního kola je všeobecně velmi doporučovanou a rovněž velmi oblíbenou aktivitou, a to i přesto, že existují pouze sporadické studie, které by se zabývaly hodnocením účinku této aktivity (13). Předložené sdělení je příspěvkem k objasnění účinků jízdy na vodním kole na pohybový systém, s hlavním zřetelem ke svalovému systému.

METODIKA

Jedná se o případovou studii, v níž bylo využito stacionární vodní kolo Sapilo (obr. 1). Do výzkumného souboru byly zařazeny čtyři studentky fyzioterapie ve věku mezi 23 a 24 lety na základě dobrovolného výběru. Všechny měly pravostrannou dominanci a žádná z nich neměla předchozí zkušenost s profesionální cyklistikou, ani dřívější zkušenost s jízdou na vodním kole. Všechny probandky jsou pouze rekreačními cyklistkami, jejichž styl šlapání odpovídá definici axiálního šlapání (4), který byl patrný při jízdě na suchu i ve vodě. Všechny byly t.č. bez zdravotních komplikací, které by např. bránily vstupu do bazénu (otevřená poranění, ekzémy apod.).

Jako objektivizační metoda byla zvolena povrchová elektromyografie. K pořízení dat byl použit povrchový, telemetrický EMG přístroj TelemyoMini 16 od výrobce Neurodata (vzorkovací frekvence stanovena na 1500 Hz). Pro zajištění elektrod a zesilovače ve vodním prostředí jsme se řídili pokyny dle vypracované metodiky pro WaS-EMG, tj. EMG snímané ve vodním prostředí (10). Teplota vody v bazénu se pohybovala okolo 32°C (±0,5°C) a teplota vzduchu byla cca 28°C (±0,5°C). Hloubka vody dosahovala 125 cm. Nejprve bylo provedeno nastavení kola na suchu pro každou probandku individuálně. Ve vodě bylo druhé kolo nastaveno identicky tak, aby byl dodržen jednotný úhel v kolenních a kyčelních kloubech a úhel náklonu trupu.

Na očištěnou kůži lihobenzinem jsme umístili elektrody na předem vybrané svaly. Bylo použito šest párových elektrod. Čtyři na svaly nedominantní levé dolní končetiny (m. biceps femoris, m. gastrocnemius lateralis, m. vastus medialis, m. tibialis anterior) a dvě na zádové svaly mm. paravertebrales dx.,  mm. paravertebrales sin. (v oblasti bederní páteře). Všechny elektrody byly aplikovány na střední linii svalového bříška. Bylo třeba dodržet rozestup elektrod o velikosti průměru krycí přelepky (průměr 7 cm).

Samotné měření EMG záznamu při jízdě na vodním kole probíhalo nejprve na suchu, poté ve vodě. Rychlost šlapání byla určena na 60 rpm (otáček za minutu) v obou prostředích. Tempo šlapání bylo udáváno mechanickým metronomem, který byl nastaven na 120 bpm (úderů za minutu), a to z toho důvodu, aby probandky šlapaly stejnoměrně oběma nohama (na jeden úder jedna extenční fáze jedné dolní končetiny). Probandky byly instruovány, aby po celou dobu měření zůstaly v pozici „v sedle“, aby se držely řídítek a udržovaly kadenci šlapání dle úderů metronomu. Přesnost šlapání byla kontrolována vizuálně. Doba šlapání na suchu i ve vodě čítala jednu minutu. Mezi měřeními byla čtyřminutová pauza.

VÝSLEDKY

Vyhodnocením elektromyografických křivek pomocí originálního softwaru MyoResearch XP Master Edition byly stanoveny následující skutečnosti, které byly shodné u všech sledovaných probandů:

1. Časová následnost zapojování svalů je v celkovém porovnání při jízdě na kole na suchu a ve vodě velmi podobná. Je popsána v rámci jednoho cyklistického kroku (4), tj. odpovídajícímu posunu chodidla po pomyslné kružnici o 360° (obr. 2, obr. 3).

V prvních 90°, neboli v I. kvadrantu, se pro sucho i vodu shoduje zapojení m. vastus medialis, m. gastrocnemius lateralis, m. biceps femoris a mm. paravertebrales sin. Jiné je to u mm. paravertebrales dx., které se ve vodním prostředí v rámci I. kvadrantu zapojí navíc.

Mezi 90° a 180°, tj. ve II. kvadrantu, je opět zapojení pro obě prostředí podobné pro m. gastrocnemius lateralis, m. biceps femoris a mm. paravertebrales sin. Ve vodě se pak ukončuje funkce mm. paravertebrales dx. Naopak na suchu se na konci tohoto kvadrantu objevuje zapojení m. vastus medialis, které přetrvává i při přechodu přes 180°.

Timing v rozsahu 180° - 270° odpovídá III. kvadrantu a je podobný pro m. tibialis anterior, mm. paravertebrales dx. Ve vodě se navíc zapojují mm. paravertebrales sin. Funkce m. vastus medialis se na suchu projeví již kolem 180°, kdežto ve vodě se tento sval zapojuje později až v průběhu III. kvadrantu. Činnost svalu na suchu před dosažením 270° již není patrná, na rozdíl od vodního prostředí, kde tvar křivek ukazuje funkci i při přechodu přes 270°.

V posledních 90° (tedy ve IV. kvadrantu) je podobná následnost pro m. tibialis anterior,  mm. paravertebrales dx. Odlišně se chovají mm. paravertebrales sin. ve vodě. Zapojení m. vastus medialis na suchu pokračuje a je zachováno až do následující fáze cyklistického kroku. Ve vodním prostředí se podobně chová m. biceps femoris, který se do funkce dostává během posledních 90° a také zůstává zapojen až do následujícího cyklistického kroku.

Vzhledem k vyšším nárokům na stabilizaci pánve se ve vodním prostředí objevovala kokontrakce mm. paravertebrales dx. a mm. paravertebrales sin. Na suchu tato tendence nebyla zaznamenána.

2. Ve vodním prostředí bylo šlapání pravidelnější oproti šlapání na suchu (obr. 4). Ač byla rychlost šlapání přesně daná údery metronomu, při jízdě na kole na suchu docházelo ke zrychlování či zpomalování některých cyklistických kroků. V průběhu minutového šlapání při rychlosti 60 rpm (tzn. posun chodidla o 360° za 1 s) se fáze cyklistického kroku v některých okamžicích posunula o 0,1-0,2 s. To v přepočtu na stupně, kterými lze timing také popsat, odpovídá 36°-72°. Tato skutečnost představuje posun fáze šlapání téměř o jeden kvadrant. Při jízdě na kole ve vodě se rychlost upravila s přesností na 0,0 - 0,1 s. Vodní prostředí tedy pomáhalo lépe dodržet daný rytmus.

Zeleně je znázorněn EMG záznam pro jízdu na kole na suchu, červeně je znázorněna EMG křivka pro vodní prostředí. Ve spodní části grafu je umístěna časová osa zachycující úsek 0,0000 s – 6,0000 s. V každém řádku jsou záznamy elektrické aktivity jednotlivých svalů (v jednotkách μV). V první sekundě tohoto záznamu si křivky odpovídají, ve druhé sekundě již dochází ke zrychlení cyklistického kroku na suchu, a tím posunu fáze cca o 0,2 s (dobře patrné u LT LAT GASTRO, tedy u m. gastrocnemius lateralis).

3. Při jízdě na kole ve vodě měla svalová aktivita tendenci zvyšovat se u m. biceps femoris, m. tibialis anterior i u mm. paravertebrales dx. i sin. V dostupných studiích, které porovnávají pohyb ve vodním prostředí a na suchu, se hodně rozebírá svalová aktivita ve vztahu k MVC (3, 5, 6, 7, 8, 12). V této práci jsme se však primárně nezabývali porovnáním svalové aktivity, ale timingem. Proto vypočítané hodnoty pro aktivitu jsou brány pouze jako orientační. Vždy byly porovnány hodnoty pouze intraindividuálně. Z hodnot pro m. gastrocnemius lateralis a m. vastus medialis se nedal vyvodit obecný závěr.

DISKUSE

Hug a Dorel (2) řadí aktivitu m. tibialis anterior mezi III. kvadrant a začátek I. kvadrantu následujícího cyklistického kroku. Mezi III. a IV. kvadrantem je aktivita m. tibialis anterior podle Rouffeta a spol. (11). Zapojení ve III. a IV. kvadrantu při jízdě na kole na suchu i ve vodě tímto odpovídala i v našem experimentu.

Druhým jednokloubovým svalem měřeným v této studii byl m. vastus medialis. Měl by se zapojovat mezi 300° a 135° (1), tedy mezi IV. kvadrantem a I. kvadrantem následujícího cyklistického kroku (2). Rouffet a spol. (11) vyvodili pro m. vastus medialis z naměřených hodnot pro jízdu na kole se zátěží a bez zátěže závěr, že se m. vastus medialis deaktivuje před koncem I. kvadrantu při jízdě bez zátěže a ve II. kvadrantu při jízdě na kole se zátěží. Podle našich výsledků mělo vodní prostředí vliv na změnu zapojení při jízdě na kole na suchu a ve vodě. Na suchu mezi IV. a I. kvadrantem a dále mezi II. a III. kvadrantem. Ve vodním prostředí pak činnost svalu připadala na III. až I. kvadrant.

Aktivace m. biceps femoris souvisí s extenzí v kyčelním kloubu (ve fázi extenze) a následně flexí v kolenním kloubu (ve fázi flexe). Podle Hamilla a Knutzena (1) by měl být aktivován cca mezi 5°-265°, tzn. v I., II. i III. kvadrantu. Maximální aktivita by se podle nich měla objevit ve II. kvadrantu. Hug a Dorel (2) ve své rešeršní práci citují autory, kteří uvádějí aktivitu v I. a II. kvadrantu, i jiné, kteří mluví o aktivitě v prvních třech kvadrantech. Rouffet a spol. (11) hodnotí aktivitu m. biceps femoris při jízdě na kole bez zátěže se dvěma peaky aktivity, a to mezi II. a III. kvadrantem a v průběhu IV. kvadrantu u 5 probandů z devíti. Byla u něj také nalezena odlišnost v timingu i ve zvýšení svalové aktivity při šlapání bez zátěže oproti šlapání se zátěží při stejné rychlosti (11). Vzhledem ke všem těmto rozličným výsledkům se dá pouze konstatovat, že funkce m. biceps femoris se tedy mění tak, aby šlapání bylo co nejplynulejší (11). V našem experimentu se na suchu objevovalo zapojení mezi I. a II. kvadrantem. Při jízdě na kole ve vodě se funkce objevila již na konci IV. kvadrantu. Vzhledem k jeho úponu na pánev mohlo toto zapojení ve IV. kvadrantu souviset s vyrovnáváním pohybů vodní hladiny při jízdě na kole ve vodě.

M. gastrocnemius lateralis by se měl aktivovat mezi 30° a 270° (1), tj. mezi počátkem I. kvandrantu a koncem III. kvadrantu (2). M. gastrocnemius lateralis v našem experimentu nevykazoval odlišnosti v zapojení v rámci kvadrantů. U všech probandek byla nalezena svalová funkce mezi I. a II. kvadrantem při jízdě na kole na suchu i ve vodě.

V publikované literatuře se autoři běžně v souvislosti s vodním prostředím zajímají spíše o míru svalové aktivity, ne o timing. Kaneda a spol. (3) měřili svalovou aktivitu trupových a peripelvických svalů při chůzi ve vodě v porovnání s chůzí na suchu. Mm. paravertebrales měly tendenci zvyšovat svoji aktivitu při chůzi ve vodě na všech třech úrovních individuálně zvolené rychlosti (pomalé, střední a rychlé). Tato tendence zvyšování aktivity mm. paravertebrales dx. i sin. se objevila i v námi předkládaných výsledcích u jízdy na kole ve vodě oproti jízdě na suchu – snad také vzhledem k vyšším nárokům na stabilizaci pánve.

Při posuzování aktivity mm. paravertebrales bychom se měli zaměřit i na hloubku vody v bazénu. Hloubka vody v bazénu ve studii Kaneda a spol. (3) byla 1,1 m, probandi měli průměrnou tělesnou výšku 168 cm. Tyto hodnoty přibližně odpovídaly i našemu experimentu, na rozdíl od práce Masumota a spol. (5), kde výška vodní hladiny dosahovala až k processus xiphoideus. Výsledky mm. paravertebrales v oblasti čtvrtého bederního obratle i ostatních měřených svalů pak vykazovaly trend snižování aktivity při chůzi ve vodě. Autoři odkazují na myšlenku, že s nadlehčením váhy vztlakovou silou se snižuje citlivost receptorů (snížené vnímání gravitace).

Veneziano a spol. (14) upozorňují na odlišnost výsledků, které byly pořízeny při ponoru celého těla a při ponoření pouze některé části těla (např. předloktí). Podle autorů obvykle prezentované snížení amplitudy ve vodním prostředí při celkovém ponoření neodpovídá výsledkům při částečně ponořené končetině. Při částečném ponoření jsou podle nich totiž hodnoty RMS (root mean square) z vodního prostředí i ty, pořízené na vzduchu, stejné. Nutno podotknout, že tento závěr je pro izometrickou kontrakci.

Vsedě na kole se celková hmotnost těla rozloží mezi čtyři opěrné plochy – sedlo, řídítka a šlapky. Při jízdě na kole ve vodě se navíc hmotnost ještě více redukuje díky vztlakové síle, a to opět na všech čtyřech opěrných plochách, protože vodní kolo je celé ponořené pod hladinou. Tím jsou ponořené celé dolní končetiny, ale trupové svalstvo je nad vodní hladinou. Námi prezentované výsledky spíše ukazují tendenci ke zvyšování svalové aktivity při jízdě na kole ve vodě. U m. biceps femoris a m. tibialis anterior vlivem vodního prostředí, u mm. paravertebrales dx. a sin. vlivem zvýšených nároků na stabilizaci pánve. Zvýšení hodnot svalové aktivity může souviset s hodnocením specifického, anizometrického pohybu a také s výškou vody v bazénu, resp. se zcela ponořenými dolními končetinami. Shono a spol. (12) při porovnání výsledků stejných rychlostí pro chůzi na suchu a ve vodě hodnotili aktivitu pro m. tibialis anterior, m. vastus medialis a m. biceps femoris vyšší pro vodní prostředí, zatímco aktivitu pro m. gastrocnemius medialis a m. rectus femoris považují za stejné.

Při šlapání nebyla zajištěna zpětná vazba tak, jak to např. uvádějí Rouffet a spol. (11). Pouze bylo vizuálně hodnoceno, zda probandka dodržuje kadenci dle úderů metronomu. Kadence kontrolovaná pohledem při provádění experimentu byla správná, ovšem při vyhodnocování výsledků se ukázalo, že šlapání nebylo vždy s přesností na 1,0 s. Pouhým pohledem však nelze odlišit změny v rychlosti v desítkách sekundy, ke kterým docházelo. Centrální nervová soustava totiž neustále vyhodnocuje aktuální stav motorického systému a při správné motivaci se snaží o dosažení co nejlepšího splnění zadaného úkolu. Centrální nervová soustava neustále pohyb ladí (v našem případě ladění představuje zpomalení/zrychlení pohybu o 0,1-0,2 s), proto se při šlapání objevovaly odchylky pouze při přechodu do dalšího cyklistického kroku. To, že bylo šlapání ve vodě přesnější, ukazuje pozitivní vliv vodního prostředí na přesnější dodržení zvoleného rytmu.

Nitka (9) se zabýval hlubokým stabilizačním systémem páteře a povrchovými paravertebrálními svaly při sedu na židli a na balančním míči. Říká, že nároky na stabilizaci vsedě na balančním míči jsou vyšší, ale je zapojen hluboký stabilizační systém, a tím je aktivita mm. paravertebrales nižší. Vodní prostředí by se do jisté míry také dalo považovat za balanční. Ovšem vzhledem k náklonu trupu vsedě na kole s oporou horních končetin o řídítka tomu naměřená aktivita mm. paravertebrales dx. a sin. neodpovídá.

ZÁVĚR

V předložené práci byl hodnocen a porovnáván vliv dvou různých prostředí – „vody a vzduchu“ – při jízdě na stacionárním kole vzhledem k timingu vybraných svalů a jejich aktivitě. Pro nízký počet probandů však nelze výsledky absolutně zevšeobecňovat, ale můžeme z nich usuzovat na možné tendence vzhledem k chování sledovaných svalů. Navíc uvedené tendence jsou vztaženy na konkrétní pohyb, proto se naše závěry nemusí shodovat s jinými definovanými pohyby.

Byl stanoven cíl porovnat timing vybraných svalů dolní končetiny a zádových svalů při jízdě na kole ve vodě a na suchu. Již dříve byla dokázána změna zapojení svalů dolní končetiny při dosahování konstantní rychlosti při různé zátěži u jízdy na stacionárním kole (11). Rozdílná zátěž, kterou disponují voda a vzduch, se zřejmě výrazněji neprojeví v ovlivnění timingu, a proto v celkovém zhodnocení chování všech sledovaných svalů je časový sled zapojení podobný.

Je možné se domnívat, že na zvýšení svalové aktivity, která byla ohodnocena při jízdě ne kole ve vodním prostředí, má velký vliv kombinace zejména pevného umístění kola na dně bazénu a výška vodní hladiny. Svaly dolních končetin byly zcela ponořené, mm. paravertebrales dx. i sin. se nacházely převážně nad vodní hladinou.

Umístěním vodního kola do větší hloubky, např. po processus xiphoideus, by mohlo dojít ke snížení hodnot aktivity mm. paravertebrales dx. i sin. a snad i ostatních svalů dolní končetiny.

Příspěvek vznikl s podporou VZ MŠMT ČR MSM 0021620864.

Autoři děkují paní Kateřině Stýblové za zapůjčení vodního kola pro provedení experimentu.

Doc. PaedDr. Dagmar Pavlů, CSc.

Katedra fyzioterapie FTVS UK

J. Martího 312

162 62 Praha 6