Vliv asymetrické zátěže na stereotyp běhu

Overview

Jedná se o experimentální práci, jejímž cílem je vyhodnocení elektromyografické aktivity vybraných svalů při běhu bez zátěže a se zátěží na běžeckém pásu a současné posouzení vlivu asymetrické zátěže na stranové rozložení hmotnosti. Výzkum byl proveden na 6 rekreačních běžcích, přičemž zátěž byla umístěna na periferii pravé horní končetiny. Povrchovou elektromyografií byly snímány následující svalové skupiny: m.deltoideus pars anterior, m. trapezius pars ascendens et descendens, paravertebrální svaly bederní páteře, m. gastrocnemius lateralis a m. tibialis anterior. U všech probandů byl naměřen pokles průměrné amplitudy normalizovaného EMG signálu u levostranného m. gastrocnemius lateralis. Snížená míra aktivity tohoto svalu je pravděpodobně výrazem kompenzačního mechanismu těla, který je zapotřebí k zachování stejné délky kroku a výšky těžiště v průběhu letové fáze kroku.

Klíčová slova:
vytrvalostní běh, povrchová elektromyografie, asymetrická zátěž, transport tekutin

ÚVOD

V poslední době se stal vytrvalostní běh velice oblíbenou, takřka masovou záležitostí, přičemž množství rekreačních běžců neustále stoupá. Běh je přirozeným způsobem lidské lokomoce a o jeho pozitivních účincích na fyzický i psychický stav člověka není pochyb. Součástí této poměrně fyzicky náročné aktivity by však měla být také adekvátní hydratace. U kratších běhů je plně dostačující doplnění tekutin před jejich započetím a po ukončení. Problém nastává u dlouhých tratí.

Je-li běžec při překonávání dlouhých vzdáleností odkázán jen sám na sebe, je nucen k využívání různých pomůcek. Na trhu jsou v dnešní době k dispozici různé druhy batohů se zabudovanými rezervoáry na vodu, ledvinky, pásy či nosiče na láhev navlékatelné na ruce. Nejlevnější a zřejmě nejrozšířenější variantou je však obyčejná PET láhev. Zejména ve velkých městech narazíte na běžce s PET láhví či jinou zátěží v ruce poměrně často. Tato skutečnost nás vedla k zamyšlení se nad možnými důsledky tohoto asymetrického zatížení na pohybový aparát. Proto jsme provedli experiment s cílem vyhodnotit elektromyografickou aktivitu vybraných svalů při běhu bez zátěže a se zátěží na běžeckém pásu a současně posoudit vliv asymetrické zátěže na stranové rozložení hmotnosti.

METODIKA

Výzkumný soubor

Experimentu se zúčastnilo 6 rekreačních běžců, z toho 4 ženy a 2 muži ve věkovém rozmezí 20 – 32 let (průměrný věk 25,0). Průměrná výška 173,2 ± 6,84 cm, průměrná váha 63,5 ± 8,67 kg. Všichni probandi byli zdraví, nejevili známky traumatu či jeho následků. V anamnestických údajích se rovněž nenacházely žádné funkční limitace, celková únava, známky nadměrného stresu či přetížení. Pro tuto práci jsme cíleně vybrali osoby, které se pravidelně věnují vytrvalostnímu běhu, abychom předešli komplikacím v podobě nedostatečné fyzické zdatnosti k překonání opakované desetiminutové zátěže. Výhodou tohoto výběru byla i značná stálost pohybového stereotypu běhu, projevující se zejména pravidelností kroku a schopností ekonomicky hospodařit s výdejem energie potřebné k dokončení obou běžeckých částí. Všem účastníkům bylo doporučeno vyhnout se den před měřením nadměrné fyzické aktivitě. Experimentu se zúčastnili dobrovolně a před samotným provedením byli seznámeni s průběhem testování a podepsali informovaný souhlas. Tento projekt byl schválen etickou komisí FTVS UK.

Výběr testovaných svalů

Ke sledování EMG aktivity jsme vybrali svaly z oblasti ramenního pletence, trupu i dolních končetin, aby bylo možné sledovat ovlivnění jednotlivých segmentů těla zátěží a individuální pohybovou strategii. Záměrně jsme volili povrchové, dobře palpovatelné svaly, aby se snížilo riziko překrytí svalové aktivity z jiného svalu, tzv. cross talk. Všechny testované svaly byly snímány bilaterálně. Pro experiment jsme zvolili následující svaly: m. trapezius pars ascendens et descendens, paravertebrální svaly bederní páteře, m. tibialis anterior, m. gastrocnemius lateralis a m. deltoideus pars anterior.

Technické vybavení

Pro měření svalové aktivity vybraných svalů byl použit telemetrický EMG přístroj TeleMyomini 16 od firmy Neurodata a jednorázové samolepící Ag/AgCl elektrody AMBU Blue Sensor P, které jsou opatřeny vodivým gelem, s celkovými rozměry 40,8x34 mm a průměrem adhezivní plochy 34 mm. EMG signál byl synchronizovaný s videozáznamem pořízeným videokamerou Canon, model MVX 300 s rozlišením 1,3 Mpix. Běžecká část experimentu proběhla na motorovém běžeckém pásu značky Tunturi T80 s rozměry pásu 52x152 cm a k hodnocení stranové symetrie zatěžování dolních končetin byly využity dvě osobní mechanické váhy.

Provedení experimentu

Experiment byl proveden v prostorách laboratoře na katedře fyzioterapie FTVS UK. Probandi byli nejdříve vyzváni k celkovému rozcvičení a protažení. Poté byli 3x zváženi na dvou váhách a následně jsme jim připevnili EMG elektrody bilaterálně na m. trapezius pars ascendens et descendens, m. deltoideus pars anterior, paravertebrální svaly bederní páteře v úrovni L3–L4, m. gastrocnemius lateralis a m. tibialis anterior. Povrchové elektrody jsme přilepili bipolárně na svalová bříška příslušných svalů paralelně s průběhem svalových vláken tak, aby se bílé okraje elektrod dotýkaly (obr. 1, obr. 2).

Po připojení kabelů jsme pro všechny testované svaly provedli 3x svalový test dle Jandy, k určení maximální volní kontrakce (MVC). Následně jsme vysílací zařízení připevnili k pasu probanda a fixovali ho leukoplastí k levé dolní končetině. Všechny kabely byly taktéž fixovány hypoalergenní leukoplastí k pokožce nebo oděvu.

Každý proband běžel ve vlastní sportovní obuvi na běžeckém trenažéru konstantní rychlostí 10 km/hod po dobu 10 minut (obr. 3). Po 20minutové přestávce byla každému testovanému subjektu vložena do pravé ruky 0,5 l láhev zcela naplněná vodou a proband byl vyzván k opakovanému běhu na běžeckém trenažéru konstantní rychlostí 10 km/hod po dobu 10 minut. Na závěr byl každý testovaný jedinec opětovně 3x zvážen na dvou váhách.

Elektrická aktivita vybraných svalů byla snímána po celou dobu běhu bez zátěže i se zátěží, přičemž EMG záznam byl synchronizován s videozáznamem. Přenos signálu byl realizován telemetricky. Vzorkovací frekvence činila 1500 Hz a pásmové rozmezí pro vlastní měření bylo 5–500 Hz (15).

Analýza dat

Vyhodnocení a zpracování dat povrchové EMG bylo provedeno pomocí programu MyoResearch XP Master Edition 1.06.21 Noraxon Inc. USA. EMG signál běhu bez zátěže i se zátěží jsme rektifikovali a normalizovali k maximální volní kontrakci (MVC) a následně analyzovali normalizované průměrné amplitudy jednotlivých svalů v označeném intervalu. Ten sestával vždy z 9 pohybových cyklů m. gastrocnemius lateralis l. sin. U každého probanda jsme analyzovali 4 takovéto intervaly, a to ve 2. a poslední minutě běhu bez zátěže a se zátěží. Hodnoty průměrné amplitudy ve 2. a poslední měřené minutě jsme zprůměrovali a poté statisticky zpracovali pomocí dvouvýběrového párového T - testu.

Hodnoty tří měření stoje na dvou váhách byly u každého probanda zprůměrovány a následně porovnány rozdíly zatížení před a po běžecké části. Pro určení statistické významnosti naměřených hodnost byl rovněž použit dvouvýběrový párový T–test.

VÝSLEDKY

V rámci experimentu bylo možné sledovat různé strategie vyrovnání se s asymetrickou zátěží. Pro testování byly záměrně zvoleny bilaterální svaly ramenního pletence (m. deltoideus pars anterior, m. trapezius pars ascendes et descendes), trupu (paravertebrální svaly bederní páteře) a dolních končetin (m. tibialis anterior, m. gastrocnemius lateralis), aby bylo možné alespoň orientačně pozorovat účinky běhu a asymetrické zátěže na pohybový aparát.

Reakce každého probanda na zátěž v pravé horní končetině byly velice variabilní, jak dokazují data uvedená v tabulce 1. Pouze u jednoho testovaného svalu byl zaznamenán trend poklesu průměrné amplitudy při běhu se zátěží, a to u levostranného m. gastrocnemius lateralis. Taktéž je zajímavé si povšimnout kompenzačních mechanismů v oblasti bederní páteře. U probandů 1, 2 a 3 byl zaznamenán nárůst aktivity paravertebrálních svalů bederní páteře po aplikaci zatížení na periferii pravé horní končetiny, zatímco u probandů 4, 5 a 6 k žádným výrazným změnám v této oblasti nedošlo.

Vyšetření stoje na dvou váhách před běžeckou částí experimentu a bezprostředně po jejím ukončení neprokázalo trend zvýšeného/sníženého zatížení levé nebo pravé dolní končetiny (tab. 2.).

DISKUSE

Tento experiment nenavazuje ani úzce nekoresponduje s žádnou z předchozích studií, neboť problematika asymetrické zátěže byla zkoumána povětšinou jen z pohledu chůze nebo stoje.

Změny lokomočního stereotypu v souvislosti se zvýšeným ať již symetrickým nebo asymetrickým zatížením byly zkoumány většinou kinematickými metodami (7, 14). Pro objektivizační metodu povrchové elektromyografie jsme se rozhodli z důvodu možnosti sledování změn v elektrické aktivitě testovaných svalů, které by kinematickými metodami byly jen těžko postřehnutelné.

Na rozdíl od mnohých autorů, zabývajících se studiem běhu pomocí EMG, kteří analyzovali elektrickou aktivitu výhradně na svalech dolních končetin (6, 8, 11, 17), jsme se rozhodli umístit elektrody povrchové EMG i na svaly trupu a ramenního pletence. To nám umožnilo sledovat mnohem komplexnější odpověď řídících mechanismů na zatížení v podobě individuální pohybové strategie. Testované svaly jsme vybrali na základě několika následujících studií a dostupných poznatků o jejich aktivaci.

Vliv zátěže na kinematiku dolních končetin byl zkoumán z několika aspektů. Bylo zjištěno, že asymetrická zátěž zavěšená na jednom rameni narušuje koordinaci dolních končetin, zejména je-li nesena křížem přes tělo (18). Zátěž také vede ke snížení stability dolních končetin, která navíc závisí na fázi chůzového cyklu (1). Při symetrické zátěži dochází ke zvětšení exkurzí kyčelního kloubu a omezení rotací pánve a hrudní páteře v transverzální rovině, což vede ke zkrácení kroku a zvýšení jeho frekvence (7). Asymetrická zátěž je zodpovědná za změny stereotypu chůze na zatížené i nezatížené straně těla (14). Na základě výsledků těchto studií jsme předpokládali změny elektromyografické aktivity na svalech dolních končetin, které se nakonec ukázaly jako nejvýznamnější. M. gastrocnemius lateralis jsme vybrali z důvodu jeho výrazné aktivity v průběhu stojné fáze a jeho antagonistu m. tibialis anterior pro převládající aktivitu ve fázi letové (8, 11). Jejich prolínající se doba aktivace nám tak umožnila sledovat celý pohybový cyklus běhu.

Chansirinukor prokázal, že zátěž přesahující 15 % tělesné hmotnosti, nesená na ramenou, má vliv na změnu postavení krční páteře a ramenních kloubů (5). Abychom se přesvědčili, zda toto tvrzení platí i pro břemeno nižší hmotnosti, avšak umístěné dále od trupu, aplikovali jsme elektrody na m. deltoideus pars anterior, m. trapezius pars ascendens et descendens. Obvzláště u horní části trapézového svalu, pro který je typická zvýšená reaktivita ve stresových situacích, jsme očekávali nárůst aktivity při zatížení stejnostranné končetiny. V průběhu asymetrického zatížení jsme však nezaznamenali žádné významné změny v normalizované průměrné amplitudě EMG signálu u žádného z těchto tří svalů.

Umístění elektrod na paravertebrální svaly v oblasti bederní páteře jsme zvolili z důvodu jejich úzkého vztahu k etiopatogenezi vertebrogenních poruch. Tyto posturální svaly jsou při běhu velice aktivní, účastní se vzpřímeného držení těla a mnohdy jsou v hypertonu. Bolesti zad v souvislosti s nesením břemene při lokomoci se staly předmětem zkoumání řady studií, ať již se jednalo o zatížení asymetrické (16) nebo symetrické (4,12). Nejnovější studie navíc prokázaly, že asymetrické zatížení horních končetin při lokomoci klade výrazně vyšší nároky na bederní páteř (9).

Výzkumem vlivu symetrické a asymetrické zátěže při lokomoci na lidský organismus se zabývala celá řada autorů. Byl prokázán vliv zátěže na energetické nároky při chůzi (3) i běhu (13), které stoupají se vzrůstající vzdáleností zátěže od trupu (10). Dále bylo zjištěno, že jednostranná zátěž souvisí s narušením koordinace končetin při chůzovém cyklu (18) a se zhoršením stability (1, 2). Navíc působí větší kompresní silou na páteř (9), mění kinematické parametry zatížené i nezatížené strany těla (14), vede ke změně postury (5, 16) a může být příčinou bolestí zad (16). Symetrická zátěž je pro člověka ve všech ohledech výhodnější, nicméně stereotyp lokomoce ovlivní také (2, 7) a v závislosti na hmotnosti (4) a časových aspektech zatížení (12) byla rovněž prokázána souvislost s bolestmi zad.

Horní končetiny mají při běhu pomocnou funkci. Flexe ramenního kloubu pomáhá opačné dolní končetině při odrazu, na kterém má největší podíl m. triceps surae. Proto se domníváme, že zátěž umístěná na periferii horní končetiny vede ke zvýšení momentu setrvačnosti a k nárůstu kinetické energie, která je nápomocná při odrazu kontralaterální dolní končetiny, a tudíž není pro dosažení letové fáze zapotřebí takové aktivity m. gastrocnemius lateralis jako při běhu bez zatížení. Snížená míra aktivity tohoto svalu by tak mohla být kompenzačním mechanismem těla, který je zapotřebí k zachování stejné délky kroku a výšky těžiště v průběhu letové fáze. Pokud by zůstala aktivita levostranného m. gastrocnemius lateralis totožná jako při běhu bez zátěže, bylo by zřejmě patrné kromě asymetrické délky kroku také ovlivnění frekvence kroku a usuzujeme, že činnost párových svalů na levé a pravé straně těla by vykazovala známky výrazné asymetrie. Podobná situace by zřejmě nastala i v případě, kdy by bylo použito břemeno o vyšší hmotnosti. V souladu s našimi domněnkami je i tvrzení Windhama a Ludwiga, kteří říkají, že asymetrie mohou být vyústěním individuálních kompenzačních mechanismů (19).

Vliv asymetrické zátěže na rozložení tělesné hmotnosti jsme nezaznamenali zřejmě z důvodu krátkého vystavení subjektu asymetrickému zatížení. Je také možné, že aplikovaná zátěž byla pro následnou změnu rozložení tělesné hmotnosti příliš nízká. Při delším nebo pravidelném asymetrickém zatížení však nelze vyloučit, že by k většímu zatížení jedné dolní končetiny došlo.

ZÁVĚR

Jedním z důvodů, proč je běh považován za velice zdraví prospěšnou aktivitu, je množství svalových skupin zapojených do jeho realizace a nepřítomnost jednostranného zatížení. Adekvátní hydratace běžce však představuje značný problém, který je možné řešit několika způsoby. Ve všech ohledech je nejlepší variantou pověřit transportem tekutin jinou osobu nebo vybrat pro dlouhý trénink terén s přirozeným výskytem pitné vody. Dalším řešením je výběr některé z hydratačních pomůcek. Batohy s rezervoáry na vodu a pásy na nádobu s vodou jsou výhodnější z hlediska jejich umístění v blízkosti těžiště těla. Značnou nevýhodou je však jejich mnohdy nestabilní připevnění k trupu, při němž dochází k iritaci pokožky a různým oděrkám. Nejen z tohoto důvodu, ale i s ohledem na cenu a dostupnost volí běžci nejčastěji obyčejnou láhev, jejíž vliv na stereotyp běhu byl předmětem našeho zkoumání.

S ohledem na zvýšenou aktivitu paravertebrálních svalů bederní páteře, která sice nebyla označena jako statisticky významná, avšak u tří probandů z celkových šesti vykázala výrazné změny, neshledáváme asymetrickou zátěž za vhodné řešení. Na základě výsledků se můžeme domnívat, že pravidelný běh s asymetrickou zátěží by vedl ke svalovým dysbalancím, přetížení bederní páteře či dřívějšímu vzniku degenerativních změn. Narušení přirozeného stereotypu běhu navíc klade vyšší nároky na koordinaci pohybu a může být příčinou zranění. Běžcům, kteří se i přesto rozhodnou pro tento transportní mechanismus, je možné doporučit alespoň pravidelné střídání horních končetin v nesení zátěže nebo symetrické zatížení v podobě dvou menších nádob, po jedné v každé ruce.  

Dále je nutné zmínit, že v rámci této práce jsme se zabývali danou problematikou ze specifického pohledu a pro komplexní závěry by bylo zapotřebí rozsáhlejšího výzkumu, který by zohledňoval například měnící se obsah tekutiny a její přelévání uvnitř nádoby. Také by bylo zajímavé provést porovnání vlivu různých typů hydratačních pomůcek na stereotyp běhu a jeho energetické nároky při různé rychlosti běhu a době jeho trvání nebo sledovat změny vyvolané vyšším asymetrickým či symetrickým zatížením.

Příspěvek vznikl s podporou VZ MŠMT ČR MSM 0021620864.

Program rozvoje vědních oblastí na Univerzitě Karlově P38.

Adresa pro korespondenci:

MUDr. David Pánek, Ph.D.

Katedra fyzioterapie FTVS UK

J. Martího 31

162 52 Praha 6

e-mail: panek@ftvs.cuni.cz