VLIV CYKLISTICKÉHO KROKU NA POHYBOVOU SOUSTAVU

Souhrn

Cyklistický krok je důležitým prvkem pohybové aktivity doporučované jako postrehabilitační pohybový režim. Pro pánevní pletenec je rozhodujícím pohybovým stereotypem volná bipedální chůze, která je výsledkem fylogeneze a lidské posturálně pohybové ontogeneze. Toto ovšem neplatí o cyklistickém kroku, kde je generována síla na uměle vytvořeném stroji. Předmětem výzkumu, provedeného prostřednictvím povrchové polyelektromyografie v terénu, bylo sledování vybraných svalů při jízdě v sedle a při jízdě do kopce ze sedla. Jízda ze sedla není běžnými uživateli kola pro svoje nepohodlí oblíbena. Výsledky ukazují určité změny v zapojení sledovaných svalů a potvrzují náležitost doporučení cyklistického kroku při jízdě v sedle v postrehabilitačním pohybovém režimu.

Klíčová slova:
cyklistický krok, jízda ze sedla, elektromyografie

ÚVOD

Jízda na kole je obecně rozšířenou formou lidské lokomoce, a to ve formě uživatelské, rekreační i výkonnostní. Pohyb dolních končetin generujících sílu prostřednictvím převodníku jízdního kola nebo trenažéru je v našich podmínkách všeobecně uznávaným prostředkem léčebné rehabilitace i postrehabilitačního pohybového režimu. Cyklistický krok ve svých alternativách vykazuje různou míru koordinační příbuznosti s krokem při chůzi. Volná bipedální chůze se rozvíjí v řádech miliónů let, zatímco jízda na kole v dnešním pojetí je známa teprve od začátku dvacátého století. Je možno říci, že zatímco chůze je lokomocí pro člověka fylogeneticky přirozenou, jízda na kole je lokomocí umělou, závisející na konstrukci jízdního kola.

Vznik vzpřímené chůze po dvou končetinách bývá spojován s oddělením vývojových větví řádu primátů – druhů Pan a Homo (15). Důkazy o prvních homininech pocházejí z východní a střední Afriky, nejdůležitější jsou poměrně úplné nálezy rodu Ardipithecus z Hadaru v Etiopii z období mezi 5,8 až 4,4 miliónu let, a více jak 6 milionů let staré nálezy rodu Sahelanthropus z Čadu. Základním kritériem pro zařazení fosilních nálezů do lidské linie bylo především přizpůsobení skeletu k dvojnohé chůzi, včetně stavby lebky a polohy velkého týlního otvoru (20). Posazení lebky na páteř prostřednictvím foramen magnum umožnilo vzpřímenou chůzi ve vertikále s optickou horizontální orientací ve směru lokomoce při vzájemně centrovaném postavení segmentů krční páteře (8). Volnou bipedální chůzi je tak možno chápat jako typicky lidskou formu lokomoce člověka, jak uvádí již Janda (5). Volná bipedální chůze vychází ve své podstatě z kvadrupedie a řízení pohybu je organizováno na základě diagonálního zkříženého vzoru suchozemských tetrapodů, rozvíjeného na základě pravolevého vlnění vodních obratlovců od předpokládané doby přechodu živočichů na souš, tedy před 460 miliony let (6, 12, 13). 

PROBLÉM

V praxi léčebné rehabilitace je předepisována jízda na cyklistickém trenažéru a posléze i jízda na kole (dále jen jízda na kole nebo cyklistický krok) jako pohybový režim navazující po ukončení rehabilitace. Obecně rozšířenou formou jízdy na kole je jízda vsedě. Posturální situace je následující: místo opory (PF) je realizováno v místě kontaktu pánve se sedlem a v místě akrálních částí horních končetin na řídítkách. Dolní končetiny generují na pedálech sílu, která otáčí prostřednictvím klik převodníkem. Pohyb ve své podstatě není lokomoční (18), ale fázický. PF ve smyslu lokomoce na akrech dolních končetin není vytvářeno. Že se nejedná o lokomoci přirozenou potvrzuje i fakt, že při cyklistickém kroku k lokomoci nemusí vůbec dojít. Důkazem je cyklistický trenažér, spinning, bicyklový ergometr (1), kdy téměř identický pohyb jako na jízdním kole nevyvolává žádnou propulzní sílu pro lokomoci.

Z vývojového úhlu pohledu nalézáme zásadní rozdíly mezi jízdou na kole a bazální formou lokomoce dospělého člověka – chůzí:

Jízda na kole není součástí fylogenetického vývoje primátů. Nenacházíme ani alternativy, ani nižší vývojové fáze tohoto fenoménu.

Cyklistický krok není výsledkem vývoje individua v rámci posturálně pohybové ontogeneze.

Z řečeného vyplývají další souvislosti. Jízda na kole je umožněna rozvojem civilizace a jejími objevy (4). Souvisí s objevem kola, s rozvojem stroje, převádějícího sílu dolních končetin na otáčivý pohyb a se stavbou pozemních komunikací. Prudký rozvoj fenoménu zvaného cyklistika, a to ve formě uživatelské i ve formě rekreační a výkonnostní, zaznamenáváme od začátku 20. století. Civilizační vliv měl zajisté příliš krátkou dobu na to, aby jízda na kole, která je jimi umožněna, mohla zanechat stopy v základním archetypu pohybového programu lokomoce člověka, vytvářeného přibližně 7 milionů let. A ve svém širším rámci – tedy jako lokomoce suchozemských obratlovců – dokonce 450 milionů let (14).

Uživatel kola, nikoliv výkonnostní sportovec, se obvykle již v dětském věku naučí cyklistický axiální krok. Znamená to, že síla vyvíjená na pedál směřuje více do axis, osy převodníku, šlapání je jakoby „pístové“. Pro axiální krok je typická poloha paty za horní úvratí pod úrovní pedálu. Snížená pata může odpovídat stereotypu chůze, kdy dokrok je realizován rovněž na patu. Tento pohybový stereotyp se člověk jednou provždy naučí v dětství a později jej nezapomíná. Může to souviset se vztahem axiálního cyklistického kroku ke kroku při chůzi, která je pevně fixovaným a přirozeným pohybovým stereotypem lidské lokomoce. Axiální cyklistický krok je málo účinný, vektor síly směřuje více do osy převodníku (3). Pokročilý cyklista nebo závodník generuje sílu účinněji, vektor síly směřuje ideálně po tečně převodníku, výraz užívaný v praxi zní, že jezdec „šlape dokulata“ (11). Tangenciální směr vektoru síly dolní končetiny a snaha o „kulaté šlapání“ vystihuje termín radiální cyklistický krok. Ten není předmětem našeho výzkumu. Předpokládáme, že naprostou většinu účastníků postrehabiltačního pohybového režimu netvoří výkonnostní cyklisté. Většina uživatelů jízdního kola, tedy i pacienti po rehabilitaci, realizují axiální cyklistický krok.

Největší podíl při jízdě na kole tvoří jízda, kdy cyklista sedí na sedle. Při ztížených podmínkách, zvláště při jízdě do kopce, se užívá jízdy ze sedla. Cyklista přenáší těžiště těla vpřed, přibližně o 30 % se zvyšuje zatížení předních končetin při opoře řídítka. Jsou užívány těžší převody, snižuje se frekvence kroku. Je opuštěna opora na sedle, dolní končetiny pracují v mírně odlišném koordinačním vzorci.

Náš výzkum si klade za cíl získat informace o míře koordinační příbuznosti axiálního (tedy v populaci běžně užívaného, nezávodního) cyklistického kroku a cyklistického kroku při jízdě ze sedla s krokem ve volné bipedální chůzi.

Toto zjištění by mohlo přispět k pochopení možných koordinačních odlišností obou forem cyklistického kroku užívaných běžnou populací. V porovnání s volnou bipedální chůzí (chápanou jako základní, tedy přirozený pohybový stereotyp lokomoce, realizované prostřednictvím pánevního pletence) bude možné formulovat možný vliv na pohybovou soustavu pacienta. 

METODY

Výzkum je pojat jako intraindividuální komparativní analýza cyklistického kroku axiálního a cyklistického kroku při jízdě ze sedla na straně jedné a kroku v rámci volné bipedální chůze na straně druhé. Všechny pohybové aktivity probíhají v terénu a jsou sledovány pomocí povrchové elektromyografie (dále jen EMG) se synchronizovaným videozáznamem. Pro EMG záznam bylo užito mobilního zařízení na bázi EMG, neseného přímo na těle sportovce s následující specifikací:

Vzorkování 200 vzorků/s, spodní filtr 29 Hz, horní filtr 1200Hz. 7 dvojic plochých elektrod o průměru 7 mm se vzdálenostmi středů 25 mm, uzemnění, ukládání dat do vlastní paměti bez telemetrického přenosu, délka měření 5, 10, 20, 40, 80, 160 s. Časová konstanta pro zvolený charakter vyhlazení křivky byla zvolena ϕ = 0,04 s.

Design výzkumu

Případová studie se zabývala komparativní, intraindividuální analýzou tří rozdílných forem lokomoce prováděnou na jedné měřené osobě. Nesledovanou proměnnou je rychlost lokomoce, manipulovanou proměnnou je axiální krok v sedle, jízda ze sedla a volná bipedální chůze.

Byla zkoumána jedna osoba, dlouholetý (35 let) uživatel jízdního kola a bývalý učitel cykloturistiky na FTVS UK v Praze. Expertně bylo posouzeno probandovo provedení rozdílného cyklistického kroku, jako vhodné pro výzkum. Expertní posouzení provedli tři profesionální učitelé cyklistiky na FTVS UK v Praze.

Měření každé ze tří sledovaných činností bylo provedeno 6krát ve 20sekundových intervalech měření se 3minutovými přestávkami pro přenos dat ze záznamníku do PC. Z každé činnosti bylo hodnoceno 60 pracovních (krokových) cyklů. Vše realizováno na vodorovném asfaltovém povrchu, za bezvětří a při teplotě 12 °C.

Byly měřeny svaly na pravé straně. Jsou uvedeny v tabulce 1 i s nastavením citlivosti snímacích kanálů.

VÝSLEDKY

V tabulce 2 jsou uvedeny fázové posuny maximálních korelací nástupů aktivace měřených svalů v rámci průměrného kroku v intervalu -50 % až +50 %, vztažené ke svalu m. tibialis anterior.

Graf 1 ukazuje EMG záznam aktivity vybraných svalů v průběhu dvou vybraných kroků u axiálního cyklistického kroku, a to při jízdě ze sedla a při chůzi. V grafu jsou uvedeny hodnoty plochy pod křivkou průměrného kroku v pracovní veličině [mV*sec]. Výběr dvou kroků byl zvolen pro ilustraci návaznosti cyklického pohybu.

Na obrázku 1 je ukázka jízdy v sedle, jízdy ze sedla a chůze ve fázi dokončení fáze nákroku, resp. odpovídající dokončení fáze nákroku.

DISKUSE

Při posouzení hodnot fázových posunů začátků aktivace svalů uvedených v tabulce 2 nacházíme u svalů m. gluteus maximus a m. adductor magnus významné posuny počátků aktivace u obou forem jízdy na kole oproti chůzi. U svalu m. gluteus maximus činí rozdíl 34 při jízdě v sedle, resp. 39 % při jízdě ze sedla; u svalu m. adductor magnus nacházíme rozdíly 65 % při jízdě v sedle, resp. 48 % při jízdě ze sedla. Tyto vysoké rozdíly nám znemožňují užít získané hodnoty k posouzení míry koordinační příbuznosti jízdy v sedle, resp. jízdy ze sedla a volné bipedální chůze. Zde se pravděpodobně dostáváme k podstatě rozdílu mezi pohybovými stereotypy chůze a jízdy na kole obecně (např. dle m. tibialis anterior).

Lze však vysledovat obecnou tendenci, kdy k chůzi má blíže jízda v sedle (axiální krok) než jízda ze sedla. Timig nástupů svalové aktivace svalu m. gluteus medius ukazuje rozdíl mezi chůzí a jízdou v sedle 8%, při jízdě ze sedla rozdíl 16%. Obdobná situace je u svalu vastus medialis, rozdíl při jízdě v sedle 3%, rozdíl při jízdě ze sedla 13%. Nástup aktivace svalu m. gastrocnemius je obdobně při jízdě v sedle blíže k chůzi s rozdílem 2% než při jízdě ze sedla s rozdílem 6%. Nevýznamné rozdíly ve vzdálenosti počátků aktivace při jízdě v sedle a při jízdě ze sedla nacházíme u svalu vastus lateralis - 5%, resp. 6%.

Při sledování změn plochy pod EMG křivkou průměrného kroku je nutno sledovat tabulku 1, kde jsou uvedena nastavení citlivosti snímacích kanálů. Hodnoty jsou pak přepočítány na stejné, většinové měřítko. Z posouzení plochy pod EMG křivkou průměrného kroku vyplývá, že u chůze narůstá významně EMG amplituda m. gluteus medius (158 mV*s, dále jen bez pracovní veličiny) a vzdaluje se významně oběma typům jízdy na kole. Jízda v sedle vykazuje vyšší hodnotu pod EMG křivkou (47) než jízda ze sedla (21). Je evidentní, že při jízdě ze sedla přebírají značnou část pravolevé stabilizace pohybové soustavy paže, je známo, že při jízdě ze sedla se těžiště jezdce přesouvá vpřed. Zapojení svalu m. gluteus medius je tak zřejmě blíže k chůzi u jízdy v sedle. Což je ovšem paradoxní vzhledem k místu opory na sedle. Rovněž charakter křivky vykazuje při jízdě ze sedla více tonicko posturální charakteristiku než jízda v sedle. Více fázický charakter EMG křivky m. gluteus medius posouvá charakter zapojení svalu opět blíže k chůzi. Více sakadovaný nábor při jízdě ze sedla vykazují rovněž svaly vastus lateralis, m. gastrocnemius a m. tibialis anterior. Tím se opět pohybový stereotyp cyklistického kroku při jízdě v sedle paradoxně (existence opory na sedle) více přibližuje pohybovému stereotypu chůze než pohybovému stereotypu cyklistického kroku při jízdě ze sedla.

Plocha pod EMG křivkou svalu (jakožto odhad odevzdané práce) m. tibialis anterior  přibližuje k chůzi více jízdu ze sedla, což se zdá logické vzhledem k opuštění opory na sedle.

EMG křivka svalu m. gluteus maximus opisuje výrazně nejnižší plochu při chůzi (19), zatímco při jízdě v sedle (34) a jízdě ze sedla (38) se obě formy cyklistického kroku opět vzdalují a ukazují na specifiku lokomoce na jízdním kole, jíž je vyšší aktivace m. gluteus maximus. I zde je však jízda v sedle blíž k chůzi než jízda ze sedla.

Z hlediska posouzení plochy pod EMG křivkou je nejzajímavější zapojení svalu m. adductor magnus. Při chůzi je plocha pod EMG křivkou zdaleka nejvyšší (670), při jízdě v sedle (59) a při jízdě ze sedla (41) jsou významně nižší. Při chůzi není vytvořena opora horních končetin o řídítka, tím jsou zvýšeny nároky na adduktorovou skupinu svalů. Zde nacházíme nejvyšší míru rozdílu v zapojení mezi chůzí a cyklistickým krokem obecně u sledovaných svalů. Při jízdě v sedle je zmíněný sval aktivován více, udržuje pohyb dolní končetiny v sagitální rovině při fixaci pánve na sedle. Při jízdě ze sedla EMG plocha klesá, v kyčelním kloubu je dovolena přirozená abdukce femuru při narůstající flexi. Pohyb dolní končetiny (kolene) je sice veden v sagitální rovině, ale pánev uvolněná ze sedla uhýbá a umožňuje abdukci femuru v kyčelním kloubu při narůstající flexi.

Vastus medialis dosahuje nejvyšších hodnot (206) u ukazatele plochy pod EMG křivkou při jízdě v sedle. Je to opět určitý paradox, neboť zatížení kolenního kloubu by mělo být hypoteticky nejnižší ze všech tří sledovaných forem lokomoce. Zde nacházíme odpověď, proč je jízda na kole vhodná pro rehabilitační a postrehabilitační pohybový režim. Trofika a tonus svalu vastus medialis jsou pevně, přímo a časově bezprostředně svázány s funkčním stavem kolenního kloubu. Tento stabilizátor kolenního kloubu je hypertrofován u výkonnostních cyklistů a při přerušení tréninku lze sledovat snižování trofiky svalu v řádu dnů. Totéž je možné sledovat u pacientů po úrazu kolenního kloubu. Jízda ze sedla dosahuje stále ještě vyšších hodnot (170) plochy pod EMG křivkou než běžná chůze (73). Ale již nyní je zřejmé, že s odstraněním opory na pánvi tato hodnota klesá. Pro rehabilitaci tak spatřujeme jako nejhodnotnější formu lokomoce jízdu v sedle.

Pro získání celkového přehledu o míře koordinační příbuznosti mezi zkoumanými formami lokomoce byla vytvořena tabulka 3. Zkoumané svaly byly sdruženy do skupin podle společné pravděpodobné práce na podkladě místa rozhodující aktivace v rámci průměrného pracovního kroku. Zde jasně vidíme podobnost cyklistického axiálního kroku, tedy při jízdě v sedle, s krokem při volné chůzi. I když tvarově je cyklistický krok jízdy ze sedla a v sedle velmi podobný, jsou si koordinačně mnohem blíže krok při chůzi a cyklistický krok při jízdě v sedle, jak ukazuje tabulka 3. Při jízdě ze sedla se timing svalu m. gluteus medius synchronizuje s aktivací v 1. skupině. Zapojuje se více v posturálním režimu, nepracuje v časově výlučném režimu oproti většině ostatních zkoumaných svalů, jako je tomu při chůzi a při jízdě v sedle. Jeho odlišný timing při jízdě ze sedla si lze vysvětlit specifickou posturální situací, kdy při přesunu těžiště jezdce vpřed v rámci soustavy člověk stroj je výrazně akcentována opora na akrech horních končetin. 

ZÁVĚR

1. Výrazný koordinační rozdíl mezi cyklistickým krokem ze sedla a v sedle na jedné straně a krokem při volné chůzi na straně druhé nacházíme ve výrazné změně timingu svalů m. gluteus maximus a m. adductor magnus. Pro rozdíl koordinace mezi cyklistickým krokem obecně a krokem při chůzi hovoří i odhad větší odevzdané práce svalu m. gluteus maximus při jízdě na kole.
2. Z amplitudy EMG křivky odhadovaná největší práce svalu vastus medialis je nalezena při jízdě v sedle. Pro rehabilitační praxi i pro postrehabilitační pohybový režim při problémech v kolenním kloubu je tato aktivita nejpřínosnější.
3. Při opuštění opory na sedle klesne hodnota plochy pod EMG křivkou u svalu m. adductor magnus při jízdě ze sedla (uvolnění místa opory dovoluje zevní rotaci a abdukci při vzrůstající hodnotě flexe v kyčelním kloubu), aby při volné chůzi řádově vrostla. Nejnižší hodnota při jízdě ze sedla souvisí zřejmě s větší oporou horních končetin o uchopená řídítka.
4. Podle kroskorelačního srovnání rozhodujících nástupů aktivací měřených svalů má jízda v sedle podobné charakteristiky jako volná chůze. Jízda ze sedla se vzdaluje odlišným timingem a snížením plochy pod křivkou u důležitého stabilizátoru pánve – m. gluteus medius.

Jízda ze sedla odlišně zatěžuje oblast pánve a dolních končetin. Pro rehabilitační a postrehabilitační pohybový režim má podstatně menší význam než jízda v sedle. Ta se svými koordinačními charakteristikami více blíží k volné chůzi, jejíž nácvik a dosažení správného stereotypu je cílem rehabilitace pánve a dolních končetin. Z  didaktického hlediska má jízda ze sedla význam pro obohacení pohybových stereotypů při jízdě na kole. Z hlediska režimu práce při rekreačním a výkonnostním pojetí cyklistiky je místo jízdy ze sedla nezastupitelné, pomáhá překonávat obtížnější úseky, kde musí být na pedál kola vyvinuta větší síla.

Výzkum je podpořen grantem Grantové agentury České republiky pod označením GAČR 406/08/1449 a Výzkumným záměrem UK v Praze, FTVS, podporovaným MŠMT pod označením MSM 0021620864.  Autoři děkují katedře anatomie a biomechaniky UK v Praze, FTVS, za  zpracování dat v programu Matlab. 

Doc. PaedDr. Bronislav Kračmar, CSc.

FTVS UK

J. Martího 31

162 52  Praha 6

e-mail: bkracmar@email.cz