A bokaízület és a plantarflexorok motoros teljesítményre gyakorolt hatása
Doktori értekezés
Kovács Bálint
Testnevelési Egyetem
Sporttudományok Doktori Iskola
Témavezető: Dr. Tihanyi József rector emeritus, DSc
Hivatalos bírálók: Dr. Szabó Tamás egyetemi magántanár, CSc Dr. Karsai István egyetemi adjunktus, PhD
Szigorlati bizottság elnöke: Dr. Pavlik Gábor professor emeritus, DSc Szigorlati bizottság tagjai: Dr. Kiss Rita Mária egyetemi tanár, DSc
Dr. Osváth Péter egyetemi docens, PhD
Budapest
2021
1 Tartalomjegyzék
Rövidítések jegyzéke ... 4
Ábrák jegyzéke: ... 5
1. Bevezetés ... 7
1.1. Témaválasztás indoklás ... 7
1.2. Irodalmi áttekintés ... 8
1.2.1. A bokaízület fő biomechanikai jellemzőinek szerepe ... 8
1.2.2. Futó és szökdelő teljesítményt befolyásoló tényezők ... 9
1.2.3. A szökdelő teljesítményt befolyásoló tényezők ... 11
1.2.4. A futás teljesítményét befolyásoló tényezők... 13
1.2.5. Bokaízület szerepe futás alatt ... 14
1.2.6. Achilles ín morfológiai jellemzőinek hatása... 15
1.2.7. A bokaízületi plantarflexor izom-ín komplexum működésének hatása a futó teljesítményre ... 19
1.2.8. Az Achilles ín erőkarjának befolyása a futás gazdaságosságára ... 22
1.2.9. Irodalmi áttekintés összefoglalása ... 24
2. Célkitűzések és hipotézis ... 26
2.1. A kutatási célok és hipotézisek ... 26
3. Módszerek ... 28
3.1. Vizsgált személyek ... 28
3.1.1. I vizsgálat ... 28
3.1.2. II-III vizsgálat ... 28
3.2. Mérések ... 29
3.2.1 I. Szökdelő teszt ... 29
3.2.1.1. Vizsgálati protokoll ... 29
3.2.1.2. Kinetikai és kinematikai mérések ... 30
3.2.1.3. EMG mérés ... 30
3.2.1.4. Laterális gastrocnemius izomköteghossz változásának mérése ... 31
3.2.1.5. Achilles ín erőkarjának meghatározása ... 31
3.2.2. Adatfeldolgozás... 32
3.2.2.1. Kinematikai és erő adatok feldolgozása ... 32
3.2.2.2. EMG adatfeldolgozás ... 32
3.2.2.3. Ultrahang felvételek elemzése... 33
2
3.2.2.4. Statisztikai elemzés ... 33
3.3. II. Plantarflexor morfológiai vizsgálat ... 34
3.3.1. MRI vizsgálati protokoll ... 34
3.3.2. Ultrahang vizsgálat ... 34
3.3.3. Adatelemzés ... 35
3.3.3.1. MRI képfeldolgozás ... 35
3.3.3.2. Ultrahang képelemzés ... 36
3.3.3.3. Statisztikai elemzés ... 37
3.4. III. Futószalagos vizsgálat ... 37
3.4.1. Vizsgálati protokoll ... 37
3.4.1.1. Adatrögzítés ... 38
3.4.1.2. Kinematikai vizsgálat ... 38
3.4.1.3. EMG vizsgálat ... 39
3.4.1.4. Ultrahang mérés ... 39
3.4.1.5. Futás gazdaságosság mérése ... 39
3.4.1.6. Achilles ín erőkar hosszának becslése ... 39
3.4.2. Adatfeldolgozás... 40
3.4.2.1. Kinematikai elemzés ... 40
3.4.2.2. EMG adatelemzés ... 40
3.4.2.3. Ultrahang felvételek elemzése... 40
3.4.2.4. Erőkar hosszának meghatározása ... 41
3.4.2.5. Statisztikai elemzés ... 42
4. Eredmények ... 43
4.1 I. Szökdelő teszt ... 43
4.2. II. MRI vizsgálat eredményei ... 49
4.3. III. Futószalagos vizsgálat eredményei ... 52
5. Megbeszélés ... 58
5.1. Achilles ín erőkar hossza és a szökdelés eredménye közötti kapcsolat ... 58
5.2. A plantarflexor izom-ín komplexum morfológiai tulajdonságainak futás teljesítményre gyakorolt hatása ... 63
5.3. Achilles ín erőkarjának futás gazdaságosságra gyakorolt hatása ... 67
5.4. Hipotézisek beválásának vizsgálata ... 73
6. Következtetések ... 75
7. Összefoglalás ... 77
3
8. Summary ... 79
9. Irodalomjegyzék ... 81
10. Saját publikációk jegyzéke ... 95
10.1. Az értekezés alapjául szolgáló saját közlemények jegyzéke: ... 95
10.2. Az értekezéshez közvetlenül nem kapcsolódó saját közlemények jegyzéke 95 11. Köszönetnyilvánítás ... 96
4 Rövidítések jegyzéke
ATP – adenozin trifoszfát EMG – elektromyográfia FKP – forgásközéppont
IAAF – international amateur Athletics Federation - Nemzetközi Atlétikai Szövetség MRI – mágneses magrezonancia vizsgálat
MG – Gastrocnemius mediális LG – Gastrocnemius laterális
SMA – simple muscle architecture – izomköteghossz elemző algoritmus SOL – Soleus
SPM – statistical parametric mappig – görbe összehasonlító statisztikai eljárás SSC – stretch shorteniny cycle - nyújtásos rövidüléses izomkontrakció
TA – Tibialis anterior
5 Ábrák jegyzéke:
1. ábra. Achilles ín erőkar MRI felvétel alapján becsült hossza... 16
2. ábra. Eltérő hosszúságú erőkar sematikus rajza ... 18
3. ábra. Vizsgálati eszközök elhelyezkedése egy vizsgálati személyen ... 29
4. ábra. Achilles ín erőkarjának becsélése ... 31
5. ábra. Ultrahang felvétel a laterális gastrocnemiusról (LG) ... 33
6. ábra. Egy vizsgálati személy lábszáráról készült MRI felvétel ... 36
7. ábra. Soleusról (SOL) készült ultrahang felvétel... 37
8. ábra. Vizsgálati beállítás, egy vizsgálati személy a mérő eszközök felszerelése után 38 9. ábra. SMA szoftver által elemzett laterális gastrocnemiusról készült ultrahang képen ... 41
10. ábra. Az Achilles ín erőkarjának meghatározásához használt módszer. ... 42
11. ábra. Talajra érkezés előtt és a talajon tartózkodás ideje alatt rögzített adatok ... 44
12. ábra. Szökdelés alatti szakaszok egymáshoz viszonyított EMG arányszámai a vizsgált izmok szerint ... 46
13. ábra. Korreláció a felugrási magasság és Achilles ín erőkar között ... 48
14. ábra. Korrelációs együtthatók mértéke a független (Felugrási magasság és az Achilles ín erőkar hossz) és függő változók között ... 49
15. ábra. MRI felvételekből meghatározott anatómiai képletek anatómiai keresztmetszeti területe a vizsgált izmok és az Achilles ín, egy személy esetén ... 50
16. ábra. A vizsgált izmok normalizált EMG aktivitása, a támaszfázis két szakaszában54 17. ábra. Futás alatti átlagos térd és bokaízületi szögváltozás valamint a laterális gastrocnemius átlagos izomköteghossz változása támaszfázis alatt... 55
18. ábra. Az Achilles ín erőkar hossza és a vizsgált változók közötti korreláció elemzéshez tartozó ponthalmaz ábra ... 56
19. ábra. Spiriev pontérték alapján meghatározott egyéni legjobb maratoni futó időeredmény (IAAF pontérték) és az oxigénfogyasztás közötti korreláció elemzéshez tartozó ponthalmaz ábra... 57
6 Táblázatok jegyzéke:
1. táblázat. Kinematikai és erőplatón mért adatok (átlag ± szórás) ... 43 2. táblázat. Ízületi szög és izomköteghossz változás a szökdelés alatt ... 45 3. táblázat. Korreláció számítás eredményei a vizsgált függő változók és a független változóként jelölt felugrási magasság és az Achilles ín erőkarja között ... 47 4. táblázat. A vizsgálók közötti megbízhatósági tesz (ICC) eredményei, és a hozzá tartozó 95%-os konfidencia intervallumok ... 49 5. táblázat. A mért és számolt (átlag és szórás) morfológiai és szerkezeti paraméterei a plantarflexor izom-ín komplexumnak ... 51 6. táblázat. A maratoni teljesítmény és a plantarflexor izom-ín komplexum morfológiai paraméterei közötti kapcsolatok mértéke ... 52 7. táblázat. A mért változók átlag és szórás adatai. ... 53
7 1. Bevezetés
1.1. Témaválasztás indoklás
A futás, mint alapmozgásforma meghatározó szerepet játszik a hétköznapi életben és a versenysportban egyaránt. A modern kori sportmozgásokkal foglalkozó biomechanikai vizsgálatok jelentős része a futómozgás mechanikai törvényszerűségeit írja le, hogy megértsük hogyan is jön létre a futó mozgása. A sporttudomány alapvető célja az emberi teljesítmény mögött húzódó élettani, biomechanikai, mentális stb.
folyamatok megértése, ezek okainak feltárása és új módszerek kidolgozása, amely elősegíti a sportteljesítmény javulását. Ezért ezek a vizsgálatok legtöbb eseteben arra fokuszálnak, hogy feltárják mitől lehet jobb a futóteljesítmény. Ez a kérdés engem személyesen is motivál, hiszen én is versenyszerűen futottam, és jelenleg versenyfutók felkészítésében segédkezem. Ezért, úgy gondolom, a teljesítményt befolyásoló okok vizsgálata engem is segíthet a futás mechanizmusának elmélyült megértésében, valamint hatékonyabb felkészítés megtervezéséhez.
Mint a legtöbb emberi mozgás, úgy a futómozgás hatékonyságát és teljesítményét is számos tényező befolyásolja (1). Futás során az alsó végtag izmainak erőkifejtése és munkavégzése révén halad a kívánt pályán a test tömegközéppontja a nehézségi erő ellenében (2–4). Bár a futás kivitelezésében mindhárom alsó végtagi ízület részt vesz, a futás sebességének függvényében változik domináns szerepük (5). Az alacsonyabb intenzitású (sebességű) tartós futás esetén a bokaízületnek kiemelt jelentősége van, hiszen a propulziós erő legnagyobb részét a bokaízületet mozgató izmok hozzák létre (2,4,6).
Ebből adódóan az elmúlt évtizedben jelentős számú kutatás tűzte ki célul, hogy feltárja a bokaízület és bokafeszítő izmok morfológiai és funkcionális jellemzői, mely paraméterek befolyásolják a futás teljesítményét, gazdaságosságát és hatékonyságát különböző sebességű futások alatt. Természetesen a futás eredményességét a másik két futás szempontjából releváns ízület (térd, csípő) és az ezen ízületeket mozgató izmok morfológiája és működési törvényszerűségei is befolyásolják. Ezért nehézségekbe ütközik annak megállapítása, hogy izoláltan mekkora a szerepe a bokaízületnek és lábszár izmainak a talajra gyakorolt erőhatásban és a tömegközéppont haladási sebességének létrehozásában. Az utóbbi időben, néhány vizsgálatban azt a megoldást választották, hogy a vizsgált személyeket arra kérték, hogy pároslábon szökdeljenek úgy, hogy a csípő- és
8
térdízület lehetőleg ne hajlítsák be. Ez az egyszerű mozgás lehetőséget biztosít a bokaízület kvázi izolált szerepének a tanulmányozására.
A felmerült kérdések megválaszolása céljából kutatásunkat három részre bontottuk. Az első vizsgálat célja az Achilles ín erőkar hosszának lábszár izom-ín komplexumra gyakorolt hatását kívántuk megvizsgálni egy dominánsan bokaízületből végrehajtandó feladat során, amely a futáshoz hasonló nyújtásos-rövidüléses típusú izomkontrakcióval jön létre. A szökdelés és futás alatti izom-ín interakció hasonlóságai mellett az eltéréseket is figyelembe kell venni, azaz az erőkifejtés nagysága, időtartama, és sebessége is nagyobb szökdelés esetén.
Második vizsgálatunkban a plantarflexorok morfológiai paraméterei és a maratoni futás teljesítménye közötti kapcsolatot vizsgáltuk, hiszen a plantarflexor izom erejének nagysága és az izom élettani keresztmetszete között erős kapcsolat van (7). Ezért a bokaízületi forgatónyomatékra is jelentőst hatást gyakorolhat.
Harmadik vizsgálatunkban az Achilles ín erőkarjának a futás gazdaságosságra gyakorolt hatását, valamint a lábszár izom-ín komplex-el való interakcióját vizsgáltuk.
1.2. Irodalmi áttekintés
1.2.1. A bokaízület fő biomechanikai jellemzőinek szerepe
Jelen ismereteink szerint az emberi test felépítése az évezredek során jelentős változásokon ment keresztül. Az egyik ilyen evolúciós változás a bokaízületet is érinti.
Nevezetesen, a sarokcsont mérete az emberi faj fejlődési szakaszai során folyamatosan csökkent, ami feltételezések szerint előnyös volt a hosszantartó futások szempontjából.
Ugyanis, a rövidebb sarokcsont rövidebb Achilles ín erőkarral párosul (8). A rövidebb erőkar pedig tartós, alacsony vagy közepes sebességű futás esetén alacsonyabb energiafelhasználást eredményez (9–11). A sarokcsont mérete és az Achilles ín erőkarjának hossza befolyásolhatja az ízületi forgatónyomaték során kifejtett erő nagyságát, ugyanis azonos körülmények között a hosszabb erőkar alacsonyabb erőkifejtést eredményezhet. A két változó közötti kapcsolatot számos kutatócsoport vizsgálta az elmúlt években. A közölt eredmények azonban nem egységes álláspontot tükröznek. Egyes vizsgálatokban az eredményekből azt a következtetést vonták le, hogy a rövid erőkar az előnyös (9–11), míg más vizsgálatok a hosszabb erőkar előnyét emelték ki (12). Bonyolítja a képet, hogy egy vizsgálatban nem találtak kapcsolatot a két változó
9
között (13). Továbbá a boka ízületi forgatónyomatékot a kifejtett izomerő nagysága is meghatározza, ami függ az izom jellemzőitől. Azonban hosszútávfutók plantarflexor izom-ín komplexum morfológiai tulajdonságai és a futás közötti kapcsolatát tudomásunk szerint komplex módon még nem vizsgálták. A plantarflexor izmok szerkezeti jellemzői és a futás teljesítménye közötti összefüggéssel kapcsolatban csekélyszámú adat áll rendelkezésre. Wessebecher és Ahn (14) nem találtak különbséget a gastrocnemius izmok vastagságában futó és nem futó csoport összehasonlítva. Ennek oka lehet, hogy a gastrocnemius izom állóképességi futóterhelés hatására nem reagál hipertrófiás adaptációval vagy elér egy plató értéket, amit ilyen típusú terhelés során el lehet érni. A rövidebb soleus izomköteghossz kapcsolatban állhat a jobb futóteljesítménnyel, mert kedvezőbb kontrakciós körülmények (az erő-megnyúlás görbe optimális zónájában) között képes az izomköteg dolgozni (15,16). Ezért kutatásunk további célja, hogy megvizsgáljuk a plantarflexor izom-ín komplexum szerkezeti jellemzői és a futás teljesítménye közötti kapcsolatot. Továbbá nem egyértelmű, hogy a hosszabb (17,18) vagy a vastagabb Achilles-ín (19,20) előnyös-e futás teljesítménye szempontjából.
1.2.2. Futó és szökdelő teljesítményt befolyásoló tényezők
A futás és szökdelés, mint mozgás sok hasonlóságot mutatnak a mozgás kivitelezésében. Mindkét mozgásforma esetében nagy szerep jut a bokaízületre, és azt működtető izom ín komplexumra. Ezért az alsó végtag működését befolyásoló tényezőket érdemes áttekinteni, hiszen dominánsan itt történik a propulziós erő kifejtése. Mindkét mozgás során az izomkötegek jellemzően az erő-megnyúlás kapcsolat alapján értendő optimális zónában minimális hosszváltozással kontrahálódnak (4,21) ezáltal az Achilles ínra hárítva az izom-ín komplexumban bekövetkező hosszváltozás nagyobb részét a támasz fázis első felében (ízületek behajlása). Ez hozzájárul az ínban tárolt nyújtási energia növeléséhez, azaz nagyobb mértékben csökkenthető az izomkontrakció metabolikus energia igénye (21,22) a támasz fázis második felében (ízületek kinyúlása), vagy nagyobb mechanikai teljesítmény elérésére lesz képes a bokaízület. Ezért meghatározó tényező az izomerő (23) és az izom szerkezeti tulajdonságai (24,25), az izom rost összetétele (26), az izom-ideg kapcsolat (intra és intermuszkuláris koordináció) (27), az ín mechanikai (merevség, nyúlékonyság) (10,28–30) és alaktani jellemzői (vastagság, hossz) (18–20,31), és a mozgás technikai kivitelezése (32,33). Ezen paraméterek egyaránt befolyásolják a futás és szökdelés teljesítményét. Azonban az
10
azonosságokat figyelembe véve jelentős különbségek is adódnak. A szökdelés talajon tartózkodási ideje rövidebb (30,32), mint a közepes iramú futás alatti támaszfázis hossza (5). Ebből adódóan az izomkontrakció időtartama rövidebb és az izom kontrakciósebessége nagyobb, azaz eltérő kontraktilis körülmények között történik a feladat végrehajtása. Továbbá fontos kiemelni, hogy a szökdeléseket a publikált vizsgálatok túlnyomó részében maximális intenzitással hajtják végre a lehető legnagyobb felugrási magasság elérése érdekében. Ez azt jelenti, hogy az erőkifejtés mértéke közel maximális, s mindezt rövid idő alatt (180-200 ms) kell teljesíteni, ezért a robbanékonyerő szerepe domináns. Ezzel szemben közepes iramú (3-6 m-1) futás esetén az erőkifejtés szubmaximális, illetve a talajon tartózkodás ideje hosszabb (200-300 ms) ezáltal az izom kontrakció időtartama és sebessége kisebb.
További különbség, a boka és a térdízületi szögváltozás mértéke. Pároslábú szökdelés során törekedni kell a térdhajlítás nélküli végrehajtásra. Ugyanakkor a korábbi vizsgálatokból az látszik, hogy térdrögzítő használata nélkül minimális térdhajlással tudják végrehajtani a szökdelést a személyek (21,29,30,34,35). Ennek ellenére a térdízületi szögelfordulás mértéke kisebb, mint közepes iramú futás alatt (5). A térdízületi behajlás mértéke jelentősen befolyásolhatja a kétízületi gastrocnemius izomok működését függőleges felugrás (33) és futás közben (36,37).
Vizsgálatunk fő változója az Achilles ín erőkarjának a hossza. Az erőkar izom-ín interakcióra gyakorolt hatását viszonylag kontrollált körülmények között lehet vizsgálni pároslábú szökdelés közben. A dolgozat szempontjából releváns eredmények interpretációjában figyelembe vesszük a futómozgással mutatott hasonlóságokat és különbségeket. Ezért a szökdelő teszt eredményei más perspektívában is értékes információval szolgálnak. Az Achilles ín erőkarjának futó teljesítményre gyakorolt hatását futás közben vizsgáljuk. Mechanikai értelemben erőkar hossza jelentősen befolyásolja az ízületi forgatónyomaték mértékét (23,38), ezért futás során ahol a bokaízületnek domináns szerepe van a propulziós erőkifejtésben érdemes feltárni milyen hatása van az erőkar hosszának az izom-ín interakcióra. Az ezzel foglalkozó kutatások eredményei ellentmondásosak (9–13). Elképzelésünk szerint ennek oka, az is lehet, hogy a vizsgált változók paramétereinek különböző kombinációja egyaránt társulhat eredményes futó teljesítménnyel.
11
Az ízületi forgatónyomatékot az erőkar hossza és a kifejtett erő nagysága határozza meg. Az izomerő nagysága erős kapcsolatot mutat az izom morfológiai paramétereivel (térfogat, tömeg, anatómiai és élettani keresztmetszet) (7,23,39,40). Ezért az izom alaktani mutatói hatást gyakorolnak az erőkifejtés mértékére. Némi ellentmondást jelenthet az a felvetés miszerint a nagyobb izomtömeg nagyobb energiaigényt is jelent, azaz tartós időtartamú futás esetén, ahol a metabolikus energiafelhasználás alacsony tartása a cél, a nagyobb izomtömeg kedvezőtlen hatású lehet. Azonban érdemes megkülönböztetni az energiafelhasználás szempontjából a különböző rosttípusú izmokat. A dominánsan lassú rostú izmok energiafelhasználása alacsonyabb, mivel időarányosan kevesebb kereszthíd kapcsolatot létesítenek a zömében gyorsrostokat tartalmazó izmokkal ellentétben, ami alacsonyabb energiafelhasználással társul (41,42). Tehát a dominánsan lassúrostokat tartalmazó soleus izom (43) térfogata és tömege nőhet jelentős energiaigény növekedés nélkül (42), azonban az erőkifejtési képessége javulhat, ezáltal növelve a bokaízületi forgatónyomaték mértékét. A futás összetettebb mozgásforma, mint a szökdelés, és számos egyéb faktor befolyásolja, amit érdemes figyelembe venni.
1.2.3. A szökdelő teljesítményt befolyásoló tényezők
Az egyszerű ugrások és szökdelések gyakran előforduló alapelemei a sportmozgásoknak. A szökdelés egyszerűen végrehajtható feladatnak tűnik, azonban élettani és biomechanikai faktorok összehangolt működésére van szükség a kimagasló teljesítmény eléréséhez (21). A felugrási magasságot számos tényező befolyásolja. A lábizmok szerkezete és izomrost összetétele (26,44,45), a felugrás koordinált mozgáskivitelezése (32,46), az ízületek behajlásának és kinyúlásának a nagysága (33), a szökdelés frekvenciája (27,47), a lábfej geometriája (48,49), illetve az ín morfológiai és mechanikai tulajdonságai (50) jelentős hatással vannak a felugrási teljesítményre. A szökdelés alatti munkavégzést dominánsan a bokaízület feszítő izmai (plantarflexorok) végzik (21,50). A bokaízület legnagyobb plantarflexor izmait három izom alkotja a gastrocnemius laterális és mediális valamint a soleus. Annak ellenére, hogy a három izom tapadási helye az Achilles ínon található, jelentős különbségek vannak köztük az izom szerkezetét, méretét és rostösszetételét (51) tekintve. Az áthidalt ízületek számában is különböznek az izmok, míg a kétízületi gastrocnemius laterális és mediális, a femur condyluszain, az egyízületi soleus a tibia hátsó és felső részén tapad, ami befolyásolhatja
12
az egyes izmok részvételi arányát a szökdelés alatti erőkifejtésben. A szökdelés nagymértékben aktiválja a plantarflexor izmokat és a hozzá tartozó Achilles ínat, amely lehetővé teszi az izom-ín interakció vizsgálatát dinamikus körülmények között. A folyamatosan ismételt bilaterális szökdelés ideális feladat az erőkar dinamikus izommunkára (felugrási teljesítményre) gyakorolt hatásának vizsgálatára (21). A felugrási magasság nagysága elsősorban a bokafeszítő izmok erőkifejtésének nagyságától függ abban az esetben, ha a térdízületben minimális az ízületi hajlítás mértéke.
Feltételezhetően, ebben az esetben a gastrocnemius, mint kétízületi izom is hatékonyan részt tud venni. Minthogy a szökdelés során a bokaízületi szögváltozás kismérvű, feltételezhető, hogy az izomrostok hosszváltozása elhanyagolható és a nyújtó hatás elsősorban az Achillesz ínat érinti. Érdekes módon, annak ellenére, hogy a plantarflexoroknak döntő hatása van az ugrás eredményére kevés tanulmány foglalkozott az Achilles ín erőkarjának szökdelő teljesítményre gyakorolt hatásával (48,52). Watanabe és mtsai (52) nem találtak kapcsolatot az erőkar hossza és a felugrási magasság között.
Azonban a rövidebb erőkarral rendelkező röplabdázók jelentősen magasabbra ugrottak, mint a hosszabb erőkarral rendelkező nem sportolók, és a közel azonos erőkar hosszal rendelkező hosszútávfutók. Nem meglepő, hogy a röplabdázók nagyobb felugrási magasságot értek el, függetlenül az erőkar hosszától, hiszen a szökdelést tekinthetjük a röplabda sportág specifikus mozgásának. Következésképpen, jelentősen nagyobb felugrási magasságuk nem hozható összefüggésbe az Achilles ín erőkarjának hosszával.
Werkhoven és Piazza (48) pozitív korrelációt találtak a sarok hossza (jó indikátora az erőkar hosszának) és a felugrási magasság között. A felugrást a vizsgált személyek plantarflexióval végezték, azaz a bokaízület kinyújtását nem előzte meg az izom megnyújtása. Baxter és Piazza (23) izometriás és izokinetikus körülmények között vizsgálta az Achilles ín erőkarja és a plantarflexorok erőkifejtése közötti kapcsolatot.
Hasonlóan az előző kutatási eredményekhez, arról számoltak be, hogy a hosszabb erőkarral rendelkező személyek nagyobb forgatónyomaték létrehozására voltak képesek 210 fok-s szögsebességnél. Minthogy mindkét vizsgálatban az ugrás, illetve a dinamikus erőkifejtés csak izomrövidüléssel történt (koncentrikus kontrakció) az eredmények jól összevethetők Nagano és Komura (38) eredményével. Az eredmények azonban ellentétesek. Míg az in vivo vizsgálatokon kapott eredmények a hosszabb erőkar előnyét
13
mutatták, addig a matematikai modell alapján végzett szimuláció a rövid erőkar hatásosságát mutatta ki (38).
1.2.4. A futás teljesítményét befolyásoló tényezők
Az állóképességi futás teljesítményét élettani, antropometriai és biomechanikai tényezők kombinációja befolyásolja. Verseny távfutásban az adott táv minél rövidebb idő alatt történő teljesítése a cél. Ezért a futóteljesítmény vizsgálata szükségszerű lehet, hogy feltárjuk melyek azok a változók, amelyek célzott modulálásával jobb eredmények érhetők el. Azaz a futóteljesítményt befolyásoló tényezők megértése alapul szolgálhat a futók hatékonyabb felkészítéshez. Az állóképességi teljesítmény leggyakrabban használt élettani mutatója a maximális oxigén felvétel (VO2max) nagysága. Világklasszis távfutók átlagosan 75 ml perc-1 kg-1 maximális oxigénfelvétellel rendelkeznek, amelynek 80%-a körüli nagyságával futják le a maratoni távot (53). Ez a paraméter jól korrelál a futóteljesítménnyel, ha eltérő képességű futókat vizsgálunk (54). Mindazonáltal elit távfutók közötti különbség kimutatására már nem feltétlenül a legalkalmasabb mutató (55,56). Ezért a kutatók egy másik, jobb előrejelző mutatót használnak, ami szenzitív a magasan edzett elit futók közötti különbség kimutatására is. Meghatározott időtartamú, sebességű (szubmaximális) és távolságú futás alatt mért energiafelhasználás mértékét a futás gazdaságosságnak hívják (9,57,58). Ezt leggyakrabban az aerob zóna felső részén történő szubmaximális futás oxigénfogyasztásával jellemzik (59). Az oxigénfogyasztásból indirekt módon következtetünk a metabolikus energiafelhasználásra, ezért a megadott távot (azonos sebességgel) alacsonyabb oxigénfogyasztással teljesítő futót gazdaságosabb futónak tekintjük. Ezzel a mutatóval az egész gazdaságosság bruttó értékét jellemezzük, a futás metabolikus, kardiórespiratórikus, biomechanikai és neuromuszkuláris összetevőire utalva (59). Ez a mutató szintén erősen korrelál a futóteljesítménnyel (57,60,61) és akár megbízhatóbb előrejelző változó lehet a VO2max-nál (1,55,56). A futás gazdaságosságot meghatározó tényezőkről a dolgozat későbbi részében részletesebben foglalkozunk.
A futóteljesítményt befolyásoló faktorokat feloszthatjuk módosítható és nem módosítható változókra (1). A genetikailag meghatározott antropometriai paraméterek (testmagasság, láb és lábszár hossz, Achilles ín erőkarjának hossza) nem változtathatók, azonban bizonyos élettani paraméterek (oxigén felvétel, izom-ideg kapcsolat, ínban
14
tárolható nyújtási energia mértéke, izomerő nagysága, futó technika) célzott intervencióval fejleszthetők, ezáltal növelve a futóteljesítményt. Ezenkívül a környezeti tényezők is hatással vannak a futó teljesítményére (42), valamint egyéb mentális tényezők is meghatározók. Megismételve vizsgálatunk fókusza az alsó végtag működésére irányul, ezért az állóképességi futás szempontjából legfontosabb a boka ízület és az azt működtető izom-ín komplexum működését szeretnénk részletesebben kifejteni, kontextusba helyezve a kutatás céljaival.
1.2.5. Bokaízület szerepe futás alatt
A bokaízület meghatározó szerepet tölt be futások alatti munkavégzésben, mivel a propulziós erőközlés legnagyobb részét ez az ízület végzi (2–4). Az ízület a felépítése, és az azt működtető izom-ín rendszer biomechanikai jellemzői nagymértékben befolyásolhatják a hatékony és gazdaságos futóteljesítményt. A szakirodalmi eredmények alapján is az látszik, hogy a lábfej és a lábszár morfológiai felépítése jelentős hatással lehet a bokaízület működésére. A lábszár körfogata (62), az Achilles ín erőkarjának hossza (8–12), az Achilles ín vastagsága (18–20) és hossza (17), a soleus izomköteg hossza (15) kapcsolatban áll a távfutó teljesítménnyel. A plantarflexor izmok anatómiai és élettani keresztmetszeti területe, valamint az Achilles ín keresztmetszete hatással van az izom-ín egység biomechanikai jellemzőire (7,23,63). Feltételezhetően az izom és az ín keresztmetszeti területének aránya is befolyással bír a futás gazdaságos munkavégzésére (64).
A gastrocnemius izomköteg hossza (24), és az Achilles ín erőkarja (48,49,65) szintén hatással van a vágtafutás és a függőleges felugrás alatt kifejtett boka ízületi forgatónyomaték mértékére. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy az alsó végtag szerkezeti jellemzőinek személyek közötti variabilitása különböző alkalmazkodást tesz lehetővé eltérő motoros feladatok elvégzéséhez. A lábszár/láb szerkezete és a motoros teljesítmény közötti kapcsolatnak a megértése fontos következtetések levonására ad lehetőséget. A kisebb láb-erőkar hossz arány (gear ratio), más szóval áttételi arány, jobb futás gazdaságossággal mutat kapcsolatot (11). Ez az arány befolyásolja a gastrocnemius erőkifejtésének és hosszváltozásának mértékét, s ezáltal hatással van az energiafelhasználás mértékére. A láb-erőkar hossz arányszám 2-ről 1,5-re való csökkentése (a láb hosszának csökkentésével és az erőkar hosszának megtartásával)
15
körülbelül 40%-al csökkentheti a plantarflexor izmok energia felhasználását (66), feltéve, hogy a rövidülés mértéke azonos. Abban az esetben is csökkenhet az energiafelhasználás mértéke, ha az erőkar hosszának növelésével csökkentjük az arányszámot, akkor ugyanúgy kisebb erőkifejtés jön létre. Adott ízületi szögelfordulás esetén azonban nagyobb lesz az izom-ín komplexum hosszváltozása, ami miatt nem lesz ekkora nagyságú az energiamegtakarítás (42). A személyek közötti különbségek, az alsó végtag morfológiai mutatóit tekintve, megmagyarázhatják az élvonalbeli és az átlagos sporteredményeket elérők közötti teljesítménybeli különbségeket. Fontos kihangsúlyozni, hogy a szerkezeti jellemzők működésre gyakorolt hatásának jobb megértése egy adott feladat esetében hozzásegíthet megérteni, hogyan fejleszthető az adott feladat/mozgás teljesítménye.
1.2.6. Achilles ín morfológiai jellemzőinek hatása
Az Achilles ín helyváltoztató mozgások alatt képes nyújtási energiát tárolni és visszanyerni, ami növeli a plantarflexor izom-ín egység mechanikai és metabolikus hatékonyságát (67,68). In vivo tanulmányok alapján látható, hogy az ín morfológiai és mechanikai jellemzői a terhelés típusától függően eltérő módon változnak (69,70).
Elfogadott álláspont, hogy ezen adaptációs folyamatok javítják az ín mechanikai működésesét és csökkentik a sérülések kialakulásának kockázatát (19,71). Ezért az Achilles ín helyváltoztató mozgások alatti működése gyakran vizsgált terület. Az ínra ható nyújtó erők gyaloglás közben elérik a testsúly négyszeresét (2600 N), futás vagy ugrás közen pedig akár a nyolcszorosát (3100-5330 N) is (56,72–74).
Az Achilles ín a calcaneus posterior oldalának alsó felén tapad és a triceps surae izom disztális végén ered. Emiatt megkülönböztethetünk mediál-gastro-Achilles, latero-gastro- Achilles és soleus-Achilles ínat (18). A gastrocnemius izmok disztálisan az Achilles ínban folytatódnak, ahol az ín egy része folytonos átmentet képez a mélyebben elhelyezkedő soleus izommal. A soleus izom disztális vége után viszont már csak tiszta ín található a tapadási helyig. Az Achilles ín hosszában régió specifikus keresztmetszettel bír. A keresztmetszeti terület a disztális régióban 51-85%-al nagyobb, mint a proximális területen, amelyből következik, hogy az ín hosszában különbségek vannak a szerkezeti jellemzőkben is (75). Hosszútávfutók esetében jelentősen nagyobb az Achilles ín disztális régiójának keresztmetszet nagysága nem futó személyekhez és vágtafutókhoz képest (18–
20).
16
A helyváltoztató mozgáshoz szükséges erőkifejtést a vázizomzat végzi (76). Ezt az erőt az izom az ínra fejti ki, amely továbbítja azt a csontrendszerre, amely következtében létrejön a mozgás. A vázizmok az ínakon keresztül a csontokon erednek és tapadnak. Az eredési és tapadási pont közötti vonalba esik az erőkifejtés vonala. Az ízület forgás középpontja és az erőhatás vonala közötti legrövidebb merőleges távolságot nevezzük az izom erőkarjának. A bokaízület forgásközéppontja (szélességi tengelye) és az Achilles ín erőhatás vonala közötti legrövidebb merőleges egyenest tekintjük az Achilles ín erőkarjának (9) (1. ábra).
1. ábra. Achilles ín erőkar MRI felvétel alapján becsült hossza
Az ízületi forgás középpont fehér ponttal van jelölve, az Achilles ín erőkarját sárga vonallal, míg az Achilles ín becsült erőhatás vonalát zölddel jelöltük.
Mechanikai értelemben az ízületi forgatónyomaték kifejtésének mértéke az izom erőkarjának hossza és az izom által kifejtett erő szorzata (38). Minthogy, az erőkar hossza adott személynél és adott ízületi szögben megközelítőleg állandó, a forgatónyomatékot az erő változása befolyásolja elsősorban. Ugyanakkor, különböző személyek adott izmának erőkarja nagyon különböző lehet. Hosszabb erőkar, például, kompenzálhat kisebb erőt. Az izom aktív állapotban minden esetben forgatónyomatékot hoz létre az adott ízületnél. Minthogy az izom forgatónyomatéka a külső erő (pl. gravitációs erő) nyomatékával áll párban, az izom és a külső erőkarjának aránya fordítottan arányban áll az izom és a külső erő arányával. Minél kisebb a külső erő és az izomerő aránya, annál kisebb erőt kell kifejteni az izomnak a külső erőhöz viszonyítva. Amennyiben az izom forgatónyomatéka nagyobb, mint a külső erőnek, akkor elmozdulás jön létre az adott
17
ízületben (az izom rövidül, koncentrikus kontrakció). Amikor az izom forgatónyomatéka kisebb, mint a külső erő forgatónyomatéka, akkor az ízület behajlik (az izom megnyúlik, excentrikus kontrakció). Abban az esetben, ha elmozdulás jön létre az ízületben, akkor a szögsebesség nagysága a forgatónyomatékok arányától, végsősoron az erőkarok arányától függ, amely fordítottan befolyásolja az erők arányát. Vagyis, ha az erőkarok aránya kicsi, akkor ugyanazon nagyságú erővel szemben az izom gyorsabban tud kontrahálódni, nagyobb lesz a sebesség, Hill (77) erő-sebesség kapcsolatát meghatározó egyenlete szerint.
Ezen ismeretek alapján Nagano és Komura (38) egy matematikai modell segítségével vizsgálták a soleus izomhoz tartozó (Achilles ín) erőkar hosszváltozásának hatását az izom erőkifejtésére, forgatónyomatékára, a mechanikai munkavégzésre és teljesítményre koncentrikus és excentrikus kontrakciók alatt, 0 és 210 fok-s közötti állandó szögsebességet alkalmazva, amelyet 10 fok-s-ként növeltek. Arról számoltak be a szerzők, hogy koncentrikus kontrakció (plantarflexió) során az izomerő, a forgatónyomaték és a mechanikai munka a sebesség növelésével csökkent. A visszaesés mértéke azonban nagyobb volt hosszabb erőkarnál, mint normál vagy rövid erőkarhossznál. 90 fok-s sebesség felett jelentősen nagyobb erőt, forgatónyomatékot és mechanikai teljesítményt ért el a soleus izom, amikor az erőkar rövidebb volt. A mechanikai teljesítmény eléréséhez, kis sebességeknél (90 fok-s), a hosszabb erőkar, míg nagy sebességeknél (210 fok-s) a rövid erőkar volt előnyösebb. Excentrikus kontrakciók során a sebesség növelésével a soleus izom egyre nagyobb mechanikai teljesítményre volt képes minden erőkar hosszúságnál, de a hosszú erőkar minden esetben előnyösebb volt, mint a rövid (2. ábra).
18
2. ábra. Eltérő hosszúságú erőkar sematikus rajza
Adott ízületi szögváltozás (α) esetén a rövidebb erőkarhoz (k1) tartozó elfordulás következtében megtett út (d1) kisebb, mint a hosszabb erőkarhoz (k2) tartozó elfordulás
esetén (d2) FKP – forgásközéppont.
Felvetődik a kérdés, hogy a szimulációs eredmények hogyan használhatók, hasznosíthatók az ember legtermészetesebb mozgásainak (járás, kis és nagy sebességű, futás, valamint szökdelések, ugrások) biomechanikai vizsgálatában? Nagano és Komura (38) modelljében állandó szögsebességet használt és az excentrikus és koncentrikus kontrakciót külön-külön vizsgálta. Ezek a feltételek az előbb említett természetes mozgások során nem teljesülnek. Egyrészt, az izom rövidülését (koncentrikus kontrakció) mindig megelőzi az izom megnyújtása (excentrikus kontrakció), és a kettő közötti átkapcsolás nagyon rövid idejű (78,79). Valójában az excentrikus és koncentrikus kontrakció összekapcsolódás egy új kontrakció típus, amit nyújtásos-rövidüléses ciklusnak (strech-shortening cycle) neveznek. Ugyanis, az izom erőkar hossza nem változik a mozgások során, vagy csak nagyon kis mértékben. Következésképpen, ha a hosszú erőkar előnyös az izomnyújtás alatt, akkor előnytelen az izomrövidülés során. és fordítva. Másrészről, az ízületek behajlításának és kinyúlásának sebessége nem állandó.
Ebből kiindulva Nagano és Komura (38) vizsgálatának, egyébként korrekt, eredményei nem használhatók fel a járás, futás és ugrás egyéni különbségeinek magyarázatára.
Feltehetően ez lehet oka annak, hogy e tekintetben az irodalmi eredmények ellentmondásosak. Baxter és Piazza (23) pozitív korrelációt találtak az Achilles ín erőkarjának hossza és maximális izometriás és különböző szögsebességű izokinetikus plantarflexió között. Ugyancsak erős kapcsolatot mutatott az plantarflexorok izomtérfogata és a bokaízületi forgatónyomaték, azaz a hosszabb erőkar és nagyobb
19
izomtérfogat nagyobb mértékű ízületi forgatónyomatékot eredményezett, ami ellentmond Nagano és Komura (38) eredményeinek. Mint ahogy korábban kifejtettük, elkülönülten koncentrikus és excentrikus izommunkát természetes körülmények között ritkán végez az ember. Leggyakrabban nyújtásos-rövidüléses izomkontrakciók formájában kerülnek végrehajtásra a helyváltoztató mozgások (pl. járás, futás, ugrás).
Ezért az elmúlt két évtizedben növekedett azon vizsgálatok száma, amely az erőkar hosszának dinamikus mozgásokra gyakorolt hatását vizsgálta.
Futás és szökdelés közben a bokaízületnek jelentős szerepe van a testtömeg előre és felfele irányuló propulziós erőkifejtésében (4,6,21,80). A fent említett vizsgálatok alapján feltételezhető, hogy az Achilles ín erőkarjának fontos szerepe van a helyváltoztató mozgások teljesítményére. Vizsgálatunk első lépéseként az erőkar izom-ín interakcióra kifejtett hatását vizsgáljuk meg. A páros lábú repetitív szökdelés alkalmas ennek a hatásnak a tesztelésre, hiszen egyénileg és nagy mértékben terheli az Achilles ínat (testtömegtől és izomerőtől függően). Bár a szökdelés egyszerűen végrehajtható feladatnak tűnik, a végrehajtás jól koordinált agonista és antagonista koaktivációt igényel.
A talajon tartózkodás alatt (fékezés-elrugaszkodás) a plantarflexor izmok követik a nyújtásos-rövidüléses ciklusra jellemző izommunkát, azaz talajra érkezést megelőzően előfeszülnek, majd megnyúlnak a fékezés alatt és rövidülnek az elrugaszkodás közben (81). A szökdelő mozgás jól modellezi a helyváltoztató mozgásokra jellemző izom-ín interakciót, ami alkalmassá teszi az erőkar teljesítményre gyakorolt hatásának a vizsgálatára.
1.2.7. A bokaízületi plantarflexor izom-ín komplexum működésének hatása a futó teljesítményre
A bokaízület generálja a futáshoz szükséges propulziós nyomaték legnagyobb részét 3-7 ms-1 sebességű futás alatt (4,80), ami megfelel az állóképességi futások sebességének. Ezért az itt kifejtett izommunka energiaigényének csökkentése meghatározó lehet a gazdaságos futás kialakításában. Általánosan elfogadott elmélet, hogy az Achilles ín elasztikus elemként viselkedik futás közben és nagy mértékben hozzájárul a kontraktilis elemek munkájának csökkentéséhez az elasztikus energia tárolás-visszanyerés mechanizmusa révén, amely a futás energia igényének jelentős csökkentését eredményezi (22,67). Korábbi becslések alapján az Achilles ín és
20
talpboltozat szalagjai képesek eltárolni és hasznosítani a mozgási energia 35% és 17%- át közepes iramú futás alatt (82). Alexander (67) számitásai szerint egy 70 kg-os ember 16 km-h sebességű futás esetén, az ízületi behajlás alatti összes energia több mint felét képes eltárolni az Achilles ínban és a lábboltozat szalagjaiban.
Az ínban tárolt energia mértéke függ az ínra ható erő nagyságától és az ín mechanikai és morfológiai jellemzőitől (42,83). Távfutók jelentősen nagyobb disztális Achilles ín keresztmetszettel rendelkeznek nem távfutókhoz (18,19) és vágtafutókhoz képest (20), ami feltételezi, hogy az ín vastagsága kapcsolatban állhat az elasztikus energia hatékonyabb felhasználásával. Egy vastagabb ín adott mértékű megnyújtásához nagyobb húzóerőre van szükség, mint egy vékonyabb ín esetén, azonban az ínban tárolt elasztikus energia mértéke is nagyobb. Feltételezhető, hogy a vastagabb ín előnyös lehet, azonban a megnyújtáshoz szükséges nagyobb erőkifejtésnek nagyobb energiaigénye is van.
Az izom energiafelhasznlálás mértékét befolyásolják az izom alapvető müködési törvényszerüségei (izom-megnyúlás, erő-sebesség kapcsolat), az aktiv motoros egységek száma és a kereszthíd kapcsolatok száma. A dominánsan gyorsrostú izom térfogat specifikus energiaígénye nagyobb izometriás és koncentrikus kontrakció alatt, mivel nagyobb számú kereszthíd kötés-leválás történik egységnyi idő alatt, mint a lassú rostokban (84,85). Az erőkifejtés energia felhasználásának mértéke szintén függ az aktiv izomrostok átlagos hosszától. Azonos rosttípusú izmok esetén, hasonló körülmények között (azonos izom aktivációs szint és kontrakciós sebesség) a rövidebb izomrostokkal (kevesebb szarkomer sorban kapcsolva) rendelkező izom várhatóan arányosan kevesebb ATP felhasználásával fog müködni a hosszabb izomrosttal rendelekző izomhoz képest (86). Az aktív izmok energiafelhasználása jelenti nagyrészt a futás energiaigényét, ezért az izomtömeg illetve az izomtömeg és zsír tömeg aránya szintén hatást gyakorol az futás energiafelhasználására (J m-1). Adott sebesség esetén a kisebb izomtömeg alacsonyabb hőtermeléssel és relatív alacsonyabb izom aktivációval járhat, ami csökkenti az abszolút energiafelhasználás mértékét (42).
Az izomerőkifejtés képessége kapcsolatban van az izom anatómiai és élettani keresztmetszetével (7,23,87). Anatómiai keresztmetszet alatt az izomhasat ferdén átmetsző (axiális/longitudinális) síkon mért területet értjük, amelyet rendszerint az izom
21
legnagyobb szeletén mérnek. Az élettani keresztmetszet tollazott szerkezetű izmok esetében alkalmazzuk. Élettani keresztmetszet alatt az izomkötegre merőleges síkon mért legnagyobb területet értjük. A fent említett okokból a plantarflexorok mérete morfológiailag adaptálódhat a folyamatos terhelésre. Ennek ellentmond, hogy nem találtak különbséget távfutók és nem futók gastrocnemius izom vastagságában (14). A soleus izom esetében azonban ilyen összehasonlításról nem tudunk, ami valószínűleg az izom anatómiai elhelyezkedéséből adódik, mivel nehezen hozzáférhető költséges noninvazív vizsgálat nélkül. Ha feltételezzük, hogy a távfutók vastagabb ínnal rendelkeznek, és ezen ín megnyújtásához nagyobb erőkifejtés szűkséges, akkor meg kell vizsgálnunk, hogy hogyan maradhat gazdaságos egy ilyenfajta konstrukció. Ha a folyamatos távfutó terhelésre nincs hatással a gastrocnemius izom vastagságára (14), akkor feltételezhető, hogy a soleus izom befolyása megnövekszik. Általános megközelítésben az állóképességi terhelésnek nincs jelentős hipertrofizáló hatása az izomra rövidtávon, hosszútávú hatása azonban nem ismert. Abban az esetben, ha az Achilles ín vastagsága az állóképességi terhelés hatásra alakul ki, a megnövekedett nyújtáshoz szükséges erő kifejtéséhez alkalmazkodhat a soleus izom. A lassú rost típusú izmok térfogat specifikus energiaigénye alacsonyabb, mert a lassú izmok időarányosan kevesebb kereszthidat képeznek (42). Ezért nagyobb izomtömeg nem feltétlenül párosul jelentős energiaigény növekedéssel.
Az izom és az ín mechanikai jellemzőit is befolyásolja azok morfológiai paraméterei (64), ezért a keresztmetszeti arányuk hatással lehet az izom-ín interakcióra és ebből adódóan a futás teljesítményére. Korábbi, kadaver és in vivo állat vizsgálatok alapján megállapítottak egy optimális izom-ín keresztmetszeti arányszámot, amely emlősök esetén 35 (64,87). Ezt az arányt humán mintán in vivo még nem állapították meg legjobb tudomásunk szerint.
Az izomerő nagysága, ami az ínra, mint nyújtó erő hat, függ a futás sebességétől, és az ízület szögelfordulás mértékétől (88). Az erőközlés energiaigényét mérsékelni lehet, ha az izomkötegek az erő-megnyúlás összefüggés mentén az optimális izomköteg hosszúságon végzik a kontrakciókat. Ez összhangban van korábbi megfigyelésekkel, miszerint a gastrocnemius és soleus izmok közepes iramú futás közben minimális köteghosszváltozással (feltételezhetően az erő-megnyúlás görbe optimális szakaszán), kvázi izometriás körülmények között működnek (4,80,81,89). A minimális
22
köteghosszváltozás alacsonyabb kontrakciós sebességet eredményez, ami kedvezőbb kontrakciós körülményeket tesz lehetővé az erő-sebesség összefüggés alapján (77), mivel a nagyobb izomköteg rövidülési sebesség növeli a kontrakció energiaigényét (41).
Rövidebb izomköteg alacsonyabb energiaigény mellett képes megtartani az izom feszülését (42,82), ami szintén csökkentheti a futás energiaigényét. Tehát, feltételezhető hogy az izom-ín komplexum hosszváltozása futás alatt leginkább az ín hosszváltozásával valósul meg, ami lehetővé teszi az ínban mint passzív elasztikus elemben történő nyújtási energia tárolását és visszanyerést, amelyet számítógépes modell vizsgálatok eredményei is alátámasztanak (4,80,90).
1.2.8. Az Achilles ín erőkarjának befolyása a futás gazdaságosságára
A futás energiaigényét elsősorban az izomkontrakciókhoz szükséges energiafelhasználás határozza meg, ami a testtömeg megtámasztásához és mozgatásához szükséges (91). Tehát, az áltagos izomerő (és ezáltal a futás energiaigénye) kapcsolatban van a függőleges irányú erőkomponensek, teherkar és erőkar hosszával (82,92). Ebből kifolyólag az Achilles ín erőkar hossza is jelentős hatással lehet az ízületi forgatónyomaték nagyságára, hiszen mechanikai értelemben az erőkifejtés és az erőkar hosszának a függvénye. Az erőkar hossza függ az ízületi szöghelyzettől is (88), ezért a talajra érkezés alatti bokaízületi szög meghatározza az erőkar aktuális hosszát. Elit maratonfutók jelentős többségénél sarokkal történő talajfogási mintázatot figyelhető meg (93). A sarokkal történő talajfogás jellemzően neutrális vagy enyhén dorsiflexált bokaízülettel történik (5,94). Eltérő talajfogási mintázatok estén eltérő Achilles ín erőkarhossz lehet előnyős, nevezetesen a saroktalpas futók jelentősen rövidebb erőkarral rendelkeznek az előtalpas talajfogással futókkal összehasonlítva (14).
Az elmúlt két évtizedben számos kutatás foglalkozott az Achilles ín nyugalmi helyzetben mért erőkarjának hossza és a futó teljesítmény közötti kapcsolattal, de az irodalomban található eredmények ellentmondásosak. Több vizsgálat negatív kapcsolatot talált a futás gazdaságosság és az Achilles ín erőkar között (8–11). A rövid erőkar növeli az Achilles ínra ható nyújtó erőt ezáltal növelve az ínban tárolható nyújtási energia nagyságát, azonban ez nem feltétlenül társul alacsonyabb oxigén fogyasztással (13).
Ennek oka az lehet, hogy a nagyobb nyújtási erő következtében az izom metabolikus költsége is nagyobb lesz, amely becslések alapján nagyobb mértékű lehet, mint az ínban
23
tárolt plusz nyújtási energia (13). Számítógépes modell alapján nagy ízületi szögsebességgel történő ízületi nyújtás alatt rövidebb erőkarhoz alacsonyabb mértékű izomrövidülés és kontrakció sebesség mellett nagyobb ízületi nyomaték társulhat, amely kedvező kontrakciós körülményeknek köszönhető (38), ami alacsonyabb izom aktivációs szintet eredményezhet. Azonban ízületi behajlás (excentrikus kontrakció) alatt a hosszabb erőkar bizonyul előnyösebbnek (38), ami kedvező lehet az ínban tárolt nyújtási energia növelésének. Futás alatt azonban az ízületi behajlás-kinyúlás folyamatos követi egymást, ezért a modellben leírt kapcsolatok nem biztos, hogy érvényesülnek futás alatt is.
Hosszabb erőkarral kisebb izomerőkifejtésre van szükség ezáltal csökken az izom energiaigénye is és az Achilles ínra ható nyújtóerő is (13). Kenyai távfutók jelentősen hosszabb Achilles ín erőkarral rendelkeznek japán távfutókhoz képest és szignifikáns korrelációt mutat az egyéni legjobb futó teljesítményükkel (12). Ez a kapcsolat csak a két csoportot összevonva érvényes, csoporton belül azonban nem találtak kapcsolatot az erőkar hossza és futás teljesítménye között (12). Nem egyértelmű miért ellentmondásosak az irodalmi eredmények az Achilles ín erőkar hossza, valamint a futás teljesítménye között, de bizonyos, hogy komplex hatásmechanizmus áll fent. Nem egyértelmű, mekkora hatása van a futó teljesítményre az Achilles ín erőkarjának hosszának, azonban az eddigi irodalmi adatok alapján meghatározó tényező lehet.
Ezekben a vizsgálatokban az Achilles ín erőkar hosszának meghatározása azonos módon történt, nevezetesen a fotó alapú felvételeket oldal síkban készítették, neutrális helyzetben lévő bokaízületről. Ezzel ellentétben a futás teljesítményének meghatározásához különböző módszereket alkalmaztak a kutatók. Legtöbb esetben a futás alatti oxigénfogyasztást mérték (9–11,13), az alkalmazott sebességek azonban nagyon eltérőek voltak (9-16 km-h). Az egyéni futó teljesítmény meghatározásához versenyidőket a Nemzetközi Atlétikai Szövetség által is használt Spiriev féle táblázatban megadott pontértékszámra váltották át (a statisztikai számolások egyszerűsítése miatt). Ez a pontszám pozitív kapcsolatot mutatott a futás gazdaságossági paraméterrel egyes eredmények alapján (12), de más kutatók nem találtak kapcsolatot a két vizsgált paraméter között (11). A futás gazdaságossága és a futás teljesítmény között többen szoros kapcsolatot mutattak ki (95,96). Mooses és mtsai (11), viszont kenyai futók esetében nem találtak kapcsolatot a két változó között. Feltételezhetően a kapcsolat hiánya annak tudható be, hogy hosszabb idő telt el a vizsgálat és a versenyek között
24
egyrészt, másrészt, nem tudható, hogy a vizsgálat során beállított állandó futósebesség és a verseny alatti átlagsebesség mennyiben volt azonos.
Az erőkar hossza nemcsak a futás gazdaságossal mutat közvetlen kapcsolatot. Az erőkar hossza befolyásolja az erőkifejtés nagyságát (13), és ezáltal az izom-ín komplexum működésére is hatással van. Rövidebb erőkarhoz magasabb Achilles ín stiffness érték (10), kisebb izomköteg és ín megnyúlás párosulhat (12).
1.2.9. Irodalmi áttekintés összefoglalása
A fent említett vizsgálatok rámutatnak arra, hogy a láb különböző paraméterei hatással vannak a szökdelő és futó teljesítményre. Középpontba helyeztük az Achilles ín erőkarját, ami befolyásolhatja a bokaízületi forgatónyomaték mértékét. Felmerül a kérdés, hogy a rövidebb vagy a hosszabb erőkar lehet előnyös szökdelés vagy futás esetén, azonban erre vonatkozóan ellentmondásosak a közölt eredmények. Az irodalmi eredmények nagyobb része alapján előnyös lehet a rövidebb erőkar hosszútávfutók és sprinterek esetén (8–11,65), de ezt az összefüggést nem minden eseteben tudják megerősíteni (12,13). Lehetséges magyarázat lehet, hogy a rövidebb erőkar esetén a támasz fázis első felében nagyobb húzóerőt fejt ki az izom az Achilles ínra, ami így több nyújtási energiát tud eltárolni, de kísérletes vizsgálatban ez nem társult alacsonyabb oxigénfogyasztással (13).
Általánosan elfogadott elmélet, hogy az ínban tárolt nyújtási energia a támaszfázis második felében csökkenti a kontraktilis elemek munkáját, ezzel csökkentve a futás energiaigényét (4,9,22). A nagyobb nyújtási erő létrehozásához azonban nő a kontraktilis elemek metabolikus energiaigénye, amely lehetséges, hogy nagyobb, mint az a többlet nyújtási energia, amit nyerünk az ín megnyújtásával (13,41). Ugyanakkor az ínban tárolt elasztikus energia mértéke nem csak a megnyúlás mértékétől függ, hanem az ín szerkezeti és mechanikai jellemzőitől is (pl.: keresztmetszet, stiffness).
Ennek ellentmond Sano és mtsai (97) valamint van Werkhoven és Piazza (48) eredményei, amely alapján az feltételezhető, hogy a hosszabb erőkar előnyös lehet.
Bilaterális szökdelő teszten nagyobb függőleges emelkedést érnek el értek el a hosszabb sarokkal rendelkező személyek is (48). Sano és mtsai (12) pozitív kapcsolatot találtak az erőkar hossza és a futóteljesítmény között, azonban ez csak a kenyai és japán futókból
25
álló csoport összevonása esetén volt érvényes. A kenyai futók jelentősen hosszabb erőkarral és jobb futóteljesítménnyel rendelkeztek, ezért az összevont csoport alapján számolt korreláció fenntartásokkal kell kezelni. Ezt támasztja alá, hogy a csoporton belüli korreláció analízis nem mutatott kapcsolatot a változók között. Ez alapján nem vonható le a következtetés miszerint a kenyai futók a hosszabb erőkar miatt tudnak jobb futóteljesítményt nyújtani.
A pároslábú szökdelés és az állóképességi futás között izomműködés szempontjából sok hasonlóságot fedezhetünk fel. Elsősorban a plantarflexorok végzik a mechanikai munkát nyújtásos rövidüléses izomkontrakcióval, ami az Achilles ínat is igénybe veszi. Ezen jellemzők lehetővé teszik, hogy megvizsgáljuk a plantarflexorok izom-ín interakcióját dominánsan egy ízületben létrehozott dinamikus mozgás közben és az erőkar hosszának a felugrási teljesítményre gyakorolt hatását. Az ízületi forgatónyomatékot az izom erőkifejtésének képessége is meghatározza, ami függ az izom szerkezeti felépítésétől is (7,15,23). Ezért érdemes megvizsgálni a távfutók plantarflexor morfológiáját is. Tudomásunk szerint még nem közöltek eredményeket a plantarflexorok izom-ín komplexum morfológiai jellemzői, keresztmetszetük aránya és a futás gazdaságosság/teljesítménye közötti kapcsolatról.
26 2. Célkitűzések és hipotézis
Vizsgálatuk célja, hogy átfogó módon megvizsgálja az Achilles ín erőkar szökdelő és futó teljesítményre gyakorolt hatását, valamint szökdelés és futás alatti izom ín interakcióra gyakorolt hatását. Továbbá a lábszár morfológiai jellemzőinek lehetséges kapcsolatát a futó teljesítménnyel és futás gazdaságossággal. A szakirodalomban található kérdések megválaszolására az alábbi célokat és hipotéziseket fogalmaztuk meg:
2.1. A kutatási célok és hipotézisek 1. vizsgálat.
A vizsgálati célja. Az Achilles ín erőkar hosszúságának a bokafeszítő izmok aktivációs szintjére és ezen keresztül a páros lábas, függőleges irányú, folyamatos szökdelés eredményére gyakorolt hatásának vizsgálata. Továbbá annak megállapítása, hogy az erőkar, az izom-ín együttes hosszváltozása és a gastrocnemius laterális izomköteg nyugalmi hossza együttesen milyen hatással van a függőleges felugrás nagyságára.
I. Hipotézis
I/a. Feltételeztük, hogy az Achilles ín erőkarjának hossza és a felugrási magasság között nincs erős, közvetlen kapcsolat, de közvetetten, a felugrási magasságot befolyásoló egyéb tényezőkön keresztül hatással van az emelkedés mértékére.
2. vizsgálat.
A vizsgálat célja. A futás gazdaságosságát és hatékonyságát befolyásoló tényezők (Achilles ín erőkar, gastrocnemius laterális hosszváltozása, a gastrocnemius mediális és laterális, soleus izmok, izomköteg hosszúság, bokaízületi kinematika) vizsgálata két, állandó sebességű futás alatt. Az Achilles ín erőkar hatásának vizsgálata a bokaízület kinematikájára és gastrocnemius laterális izomköteg hosszváltozására.
II. Hipotézisek
II/a Feltételeztük, hogy a soleus morfológiai paraméterei erősebb kapcsolatot mutatnak a futó teljesítménnyel, mint gastrocnemiusok ugyanazon paraméterei.
27
II/b Feltételeztük, hogy azok a futók, akik nagyobb anatómiai és élettani soleus keresztmetszettel, rövidebb soleus izomköteg hosszal rendelkeznek, rövidebb idő alatt teljesítik a maratoni távot.
II/c Feltételeztük, hogy az Achilles ín vastagsága pozitív korrelációt mutat a futó teljesítménnyel.
II/d Feltételeztük, hogy a nagyobb izom-ín keresztmetszeti arány jobb futó teljesítménnyel áll kapcsolatban.
3. Vizsgálat.
A vizsgálat célja. A futás gazdaságosságát és hatékonyságát befolyásoló tényezők (Achilles ín erőkar, A plantarflexorok élettani keresztmetszet, az Achilles ín keresztmetszeti terület és a területarány befolyásának vizsgálata a maratoni futás eredményére. Továbbá annak megállapítása, hogy a gastrocnemius vagy a soleus izom morfológiai jellemzőinek van-e jelentősebb hatása a maratoni futás eredményére.
III. Hipotézisek
III/a Feltételeztük, hogy azok a futók, akik hosszabb Achilles ín erőkarral és vastagabb Achilles ínnal rendelkeznek, gazdaságosabban futnak.
III/b Feltételeztük, hogy a gazdaságosabban futóknál alacsonyabb EMG aktivitás és kisebb mértékű izomköteghossz változás várható, ami az alacsonyabb energiafogyasztásra utal.
III/c Feltételeztük, hogy a hosszabb Achilles ín erőkarral rendelkező futók kisebb mértékben hajlítják és nyújtják a bokaízületüket a futás támaszfázisában.
28 3. Módszerek
3.1. Vizsgált személyek 3.1.1. I vizsgálat
Huszonnyolc személy (N=28) jelentkezett a vizsgálatban való részvételre (9 nő és 19 férfi átlag és szórás 21,8 ± 4,0 év, 1,80 ± 0,8 cm, 80,2 ± 6,1 kg). A vizsgálati személyek közül senkinek nem volt alsóvégtagi fájdalma vagy sérülése a mérést megelőző két évben.
Minden vizsgálati személy írásos nyilatkozatot tett arról, hogy a vizsgálatban önként vesz részt és azt bármikor elhagyhatja, miután írásbeli és szóbeli tájékoztatást kaptak a vizsgálatban való részvétel kockázatiról. A vizsgálatokat a Helsinki Deklaráció kritériumainak eleget téve és a Testnevelési Egyetem Etikai Bizottságának jóváhagyásával végeztük (TE-KEB/No5/04/2017).
3.1.2. II-III vizsgálat
A vizsgálatban tíz (N=10) magyar maraton futó vett részt (átlag és szórás 29±3,8 év, 177,1±8,9 cm, 65,4±5,8 kg), akiknek egyéni legjobb versenyeredménye 888,0±184,0 IAAF pont (Nemzetközi Atlétikai Szövetség, Spiriev pontérték) ami 2 óra 26 perc alatt teljesített maratonnak felel meg. A futók nemzetközi és hazai szinten versenyeznek, a heti átlagos edzésmennyiségük 120-200 km. Az egyéni legjobb időeredményüket a vizsgálatot megelőző két évben érték el és ezalatt az időszak alatt nem történt jelentős változás a testtömegben, ezért feltételezhetően a lábszár morfológiai összetétele sem változott nagymértékben. A vizsgálati személyek alsó végtagi sérülésektől és fájdalomtól mentesek voltak az elmúlt két évben. Minden vizsgálatban résztvevő személyt írásban és szóban tájékoztattunk a vizsgálat menetéről és a lehetséges kockázatokról. Ezt követően aláírásukkal nyilvánították ki önkéntes részvételüket a vizsgálatban. A vizsgálati protokoll megfelel a Helsinki Deklaráció humán vizsgálatokra vonatkozó kritériumainak, amelyet a Testnevelési Egyetem etikai bizottsága is jóvá hagyott (TE-KEB/No07/2018).
29 3.2. Mérések
3.2.1 I. Szökdelő teszt 3.2.1.1. Vizsgálati protokoll
A mérési eszközök beállítása és felszerelése után a vizsgálati személyek tíz percet tekertek 80 watt teljesítménnyel egy kerékpár ergométeren bemelegítés céljából. Ezt követően részletesen elmagyaráztuk a személyeknek a szökdelés pontos végrehajtási módját annak ellenére, hogy a személyeknek volt gyakorlati tapasztalata a végrehajtási módról. Annak ellenőrzésére, hogy megértették a végrehajtás technikáját, a személyek bemutatták a páros lábas szökdelést. A szökdelést mezítláb csípőre tartott kézzel végezték a személyek. A feladat bokából történő 10-12 folyamatos szökdelést foglalt magában, amelyet maximális intenzitással kellett végrehajtani. A vizsgálati személyeket arra kértük, hogy dominánsan bokából végezzék a szökdeléseket minimális térdhajlítás mellett egyenes törzzsel. A végrehajtás közben egyidejűleg rögzítettük a kinematikai és kinetikai adatokat, a gastrocnemius laterális (LG) izomköteg hosszváltozását és a plantarflexor izmok elektromos aktivitását (3. ábra). A szökdelő protokoll előtt felvételt készítettünk a vizsgálati személyek jobb bokájáról az Achilles ín erőkarja meghatározásához.
3. ábra. Vizsgálati eszközök elhelyezkedése egy vizsgálati személyen 1. Ultrahang 2. EMG elektródák 3. Reflektív markerek 4. Erőplató
30 3.2.1.2. Kinetikai és kinematikai mérések
A vizsgálatban résztvevő személyek a szökdeléseket 0,6x0,4 m felületű Kistler típusú erőplatón hajtották végre (Kistler Force Platform System 92-81 B, Svájc). A függőleges irányú talajreakcióerő adatokat 1000 Hz-es mintavételi frekvenciával rögzítettük. Videófelvételeket készítettünk oldal síkban 120 Hz mintavételi frekvenciával a boka és térd ízület kinematikai adatainak rögzítéséhez. A felvételhez használt kamerát (Sony IMX240) egy méter magas állványon rögzítettük, amely négy méterre a vizsgálati személy oldalsíkjára merőlegesen helyeztük el. Az ízületi szöghelyzetek meghatározása céljából négy darab, 1,5 cm átmérőjű reflektív markert helyeztünk el a jobb lábon a következők szerint: 1. ötödik metarsausra, 2. malleolus lateralisra, 3. tibia lateralis condylusra, 4. trochanter majorra (3. ábra). A mérések előtt egy 2x1 méteres referencia állványról készítettünk felvételt a kinematikai adatfeldolgozáshoz szükséges koordináta rendszer meghatározásához. A felvételek 2D elemzéséhez Skillspector (version 1.2.4, Denmark) szoftvert használtunk.
3.2.1.3. EMG mérés
Az izmok elektromos aktivitását TeleMyo telemetriás készülékkel rögzítettük (Noraxon U.S. Inc., Scottsdale, Az, USA) 1000 Hz-es mintavételi frekvenciával. Az elektródák felhelyezése előtt a vizsgált izmok elektróda felhelyezési helyén a bőrfelületet megborotváltuk, vékony szemcsés csiszolóvászonnal az elhalt hámsejteket a bőr felületéről eltávolítottuk, majd alkoholos fertőtlenítővel letöröltük a megfelelő bőrellenállás (>5 ohm) elérése érdekében. Tíz mm átmérőjű ezüst-ezüst klorid anyagú bipoláris elektródákat használtunk (Blue Sensor M-00-S/25, Ambu, Dánia) és 20 mm távolságra helyeztük el az elektróda párokat a soleus, a mediális és laterális gastrocnemius izomhasra. Az elektródák felhelyezése során elsősorban a Semian ajánlásokat (98) követtük. Az egyes izmok EMG aktivitásának egymásra gyakorolt zavaró hatását (áthallás) azzal csökkentettük, hogy az elektródák pontos helyét ultrahang felvétel alapján optimalizáltuk. A soleus izom esetében az izom laterális oldalára helyeztük fel az elektródapárt, hogy csökkentsük a közelben lévő izmokról származó elektromos aktivitás zavaró hatását (99). A laterális gastrocnemius esetében az elektródákat az izomhas közepétől kissé a laterális oldal irányában helyeztük fel, úgy hogy az ultrahang mérőfejet optimális helyzetben tudjuk rögzíteni (ultrahang rögzítés részletes leírását lásd később).
A föld elektródát a patella feletti bőrfelületre helyeztük fel. A mozgási műtermékek
31
minimalizálása érdekében az elektródákhoz csatolt kábeleket ragasztószalaggal a lábszárhoz rögzítettük.
3.2.1.4. Laterális gastrocnemius izomköteghossz változásának mérése
A szökdelés alatti laterális gastrocnemius izomköteghosszváltozás megfigyeléséhez B-módú ultrahangfelvételeket készítettünk (6 cm-es lineáris mérőfej, 7.5 MHz szkenner frekvencia, Hitachi-Aloka EUB 405 plus, Japán). A mérőfejet megközelítőleg a laterális gastrocnemius izomhas közepére helyeztük fel a jobb lábszáron. Egyedi készítésű rögzítőt és ragasztószalagot használtunk a rögzítés megerősítéséhez, hogy minimalizáljuk a mérőfej elmozdulását a bőrfelületen szökdelés közben. Saját készítésű szinkronizáló egységet alkalmaztunk a kinematikai, erőplató, EMG és ultrahang adatok egyidejű rögzítéséhez.
3.2.1.5. Achilles ín erőkarjának meghatározása
Fénykép alapú módszert alkalmaztunk az Achilles ín erőkar hosszának meghatározásához (9). A vizsgálati személyek ülő helyzetben helyezkedtek el 90 fokos térd és bokaízületi szöghelyzetben. A külboka (laterális malleolus) és belboka (mediális malleous) legkiemelkedőbb pontját jelölő tollal megjelöltük. A jobb láb alatt referencia blokkot helyeztünk el, amelynek oldalán számskálát helyeztünk el 1 cm-es beosztással.
Felvételt készítettünk egy méteres távolságból a lábszár külső és belső oldaláról a vizsgálati személy jobb lábának oldalsíkjában (4. ábra). A felvételen a megjelölt pont Achilles íntól való vízszintes távolságát mértük meg. A külső és belső oldalról készült felvételek alapján mért adatok átlagával jellemeztük az erőkar hosszát (4. ábra). A felvételeket ImageJ szoftverben elemeztük (v. 1.8.0_112, USA 2006).
4. ábra. Achilles ín erőkarjának becsélése
Fehér vonallal jelöltük az erőkar hosszát, a belső és külső oldalról mért adatok átlagával számoltunk. A bel és külboka legkiemelkedőbb pontját tollal megjelöltük, majd a
képelemzés során a pont és az Achilles ín közötti távolságot lemértük.
