EMG analýza vlivu vodního prostředí na chůzi u starších osob

Súhrn

Jedná se o experimentální práci, jejímž cílem je určit pomocí povrchové elektromyografie stupeň aktivace vybraných svalů u starších osob při chůzi na suchu a ve vodním prostředí. Jedná se o pilotní studii, které se zúčastnili 4 probandi. Průměrný věk výzkumného souboru činil 67,2. Pomocí povrchové elektromyografie byla snímána aktivita m. tibialis anterior, m. gastrocnemius, m. rectus femoris, m. biceps femoris při chůzi na suchu a ve vodním prostředí. Elektromyografická analýza prokázala, že během chůze ve vodním prostředí se analyzované svaly zapojovaly menší měrou než při chůzi na suchu.

Klíčová slova:
chůze, vodní prostředí, povrchová EMG, WaS-EMG

ÚVOD

Lidstvo se dožívá stále vyššího a vyššího věku a s tím se zvyšuje počet dlouhověkých lidí. Podle statistických údajů žije v České republice 23 % lidí starších 60 let. Důležitá ve stárnoucí populaci je kvalita života, která je ovlivněná více faktory. O tom hovoří i princip Organizace spojených národů (OSN) vzhledem k péči o starší občany: „Je třeba udělat všechno pro to, abychom přidali život rokům, které byly přidány k životu“ (18). Jedním z prostředků jak tohoto docílit je pohybová aktivita, která podpoří jejich fyzické i duševní zdraví. Podle Koláře (8) musí být výběr vhodné pohybové aktivity podřízen zdravotnímu stavu jedince, jeho věku, pohlaví, pohybovým zkušenostem a úrovni zdatnosti. Před zahájením pohybové aktivity by měl jedinec podstoupit interní, zátěžové a základní biochemické vyšetření. Jako vhodné pohybové aktivity ve stáří jsou Maťhovou a Formánkovou (17) doporučovány: chůze (i turistická), běh, tanec, jízda na kole/rotopedu, plavání a aqua gymnastika, Nordic Walking, petanque, jóga a taichi, kondiční a dechová cvičení, kinezioterapie.

Chůze je nejběžnějším typem lokomoce, tedy přesunem těla člověka z místa na místo (8, 24). Jedná se o vysoce automatizovaný pohyb, jehož charakter se odvíjí od struktury těla, proporcí a hmotnosti stejně tak, jako je závislý na kvalitě proprioceptivních informací z periferie a regulačních mechanismech centrální nervové soustavy. Na světě tedy nemohou existovat dva jedinci s absolutně identickou chůzí, a proto je možné člověka podle jeho chůze identifikovat (3, 24). Chůze, ať už turistická nebo pouze procházky, patří mezi aktivity velmi často prováděné staršími pacienty. Její účinek závisí samozřejmě na rychlosti chůze, ale i pomalá chůze do 3 kilometrů za hodinu, která nemá velký metabolicky efekt, nabývá u starších pacientů významného účinku. Stimuluje svalstvo udržující vertikální polohu a také samotné efektory lokomoce. Je při ní adekvátně dynamicky i staticky zatížené svalstvo, vazy i kostra dolní končetiny a páteře. Ovlivňuje prokrvení orgánů dolní poloviny těla, stimuluje respirační a kardiovaskulární systém a snižuje riziko osteoporotických změn skeletu. Chůze je vhodná jako prevence pohybové nedostatečnosti (20). Terapeuticky používaná chůze musí být přizpůsobena léčebnému záměru. Pokud je třeba procvičit více funkce stabilizující, je nutná větší účast centrální nervové soustavy a vhodná je chůze středně rychlá. Pokud je cílem zlepšit logistickou složku, tedy funkci kardiovaskulárního aparátu, doporučuje se chůze rychlá, která neklade takové nároky na stabilizaci vzpřímené polohy (24).

V poslední době se zvýšila popularita cvičení ve vodě, nebo tzv. aqua gymnastiky. Chůze ve vodě se zdá být vhodnou pohybovou aktivitou, která zahrnuje celé tělo, je pravidelná a rytmická. Není zapotřebí zvláštního vybavení a mohou se této aktivity zúčastnit pacienti v téměř jakémkoliv stavu (14). Paní White (25) i Muchová a Janošková (19) ve svých publikacích o cvičení ve vodě vyzdvihují jako pozitivní účinky vodního prostředí posilování velkých svalových skupin, odlehčení kloubů, zvýšení spotřeby energie, kontrolu stability, zvětšení rozsahu pohybu, zlepšení flexibility, snížení spasticity a v neposlední řadě považují za velkou výhodu bezpečnost tohoto prostředí. Cvičení je doporučováno také osobám vyššího věku a chůze s jejími různými modifikacemi je zařazována jako samostatné cvičení.

Rozbor aktivace jednotlivých svalů při chůzi je ztížen skutečností, že některé klouby je nutno stabilizovat v několika rovinách a pohyby probíhají trojrozměrně (23). Existuje řada faktorů, které ovlivňují naši chůzi. Véle (24) je rozděluje na vnitřní a zevní. Mezi vnitřní vlivy můžeme zařadit tělesnou stavbu jedince, funkci centrální nervové soustavy a kardiovaskulárního aparátu. Samozřejmě významným faktorem ovlivňující chůzi je také psychický stav jedince. K zevním vlivům patří poté kvalita opory a odpor prostředí. Jinak vypadá chůze na zledovatělém povrchu, na nerovném terénu, chůze do a ze schodů, do a ze svahu nebo ve vodním prostředí. Podle Véleho (24) je chůze ve vodě naprosto odlišná od chůze na souši. Záleží samozřejmě na tom, jaká je hloubka vodního prostředí a zda se voda pohybuje nebo ne. Čím bude hlubší ponor, tím bude podle Archimédova zákona menší působení gravitace a bude docházet i ke zhoršení působení reaktivních sil důležitých pro oporu. Ve vodě je také mnohem větší odpor prostředí oproti pohybu na vzduchu. Při reedukaci chůze tedy není vhodné používat vodní prostředí, protože tento pohybový vzor je ve vodě zcela odlišný než na zemi. Co ale vodnímu prostředí rozhodně upřít nemůžeme, je jeho význam u těžce handicapovaných, pro které je pohyb ve vodě díky redukci gravitace mnohem snadnější a pohyb v ní má rozhodně velký význam psychoterapeutický. Motivace a podpora je pro tyto pacienty v průběhu reedukačního postupu nesmírně důležitá (24).

Chůze je tak složitý a individuálně charakteristický pohyb, že nemáme přesnou vyšetřovací metodu, která by vystihla všechny její složky. Základní vyšetření je aspekcí, kdy si všímáme především: rytmu, pravidelnosti chůze, délky kroku, osového postavení kloubů dolních končetin, postavení nohy a jejího odvíjení od podložky, pohybu těžiště při přenášení váhy těla, souhybu horních končetin, hlavy, trupu a pánve, svalové aktivity, stability a případného používání pomůcek (3, 8, 10).

METODIKA PRÁCE

Charakteristika experimentu

Práce má charakter analyticko-experimentální studie, zahrnující experiment, který je zaměřen na rozdíl normalizované elektromyografické aktivity vybraných svalů při chůzi ve vodním prostředí a na suchu u starších zdravých osob. Experimentu se zúčastnili 4 probandi ve věku 67,2 ± 9,8 let. Probandi byli zvoleni bez ohledu na pohlaví, podmínkou účasti byla absence závažnějšího onemocnění (kardiovaskulární, neurologické apod.) a vážnějších úrazů či operací na dolních končetinách v anamnéze. Při testování nesměli být probandi pod vlivem alkoholu a jiných omamných látek, které by mohly ovlivnit jejich pohybové chování, a nesměli vykazovat známky bolesti či vysoké únavy.

Experiment byl prováděn v laboratoři plaveckých sportů při FTVS UK  s teplotou vody 32 °C. Měření probíhalo v jeden den a předcházelo mu sebrání důležitých anamnestických dat pomocí dotazníku. Na probanda jsme nalepili speciální povrchové bipolární elektrody určené k snímání ve vodním prostředí dle příslušné metodiky (21), v místě vybraných svalů dolní končetiny (obr. 1, obr. 2), jak je uvedeno níže. V úvodu měření bylo na suchu provedeno vyšetření maximální volní kontrakce (MVC) pro všechny měřené svaly dle definovaných pozic svalového testu.

Průběh elektromyografického měření

Měření bylo zahájeno vyšetřením maximální volní kontrakce (MVC) na suchu, a to dle pozic svalového testu. Maximální kontrakce byla prováděna proti odporu a 3x za sebou. Každá trvala 10 sekund a mezi jednotlivými kontrakcemi byla pauza, abychom předešli svalové únavě.

Poté následovalo měření chůze na souši. Proband byl vyzván k chůzi na patnáctimetrovou vzdálenost v rytmu metronomu 70 kroků za minutu. Průběh chůze byl zaznamenáván EMG a signál byl přenesen do počítačového programu souběžně s videozáznamem.

Následně bylo před vstupem do bazénu zkontrolováno nalepení elektrod, protože po styku s vodou by jejich opětovné přilepení nebylo možné. Potom proband v doprovodu asistenta vešel přístupovými schůdky do bazénu a byl opět vyzván k chůzi, tentokrát v rytmu metronomu 40 kroků za minutu. Hloubka vody byla 120 cm a teplota vody 32 °C. Vak s EMG přístrojem byl přidržován asistentem, abychom co nejvíce snížili riziko případných artefaktů v důsledku pohybů kabelů ve vodním prostředí. Průběh chůze byl opět zaznamenán EMG souběžně s videozáznamem. Poté proband vyšel z bazénu opět po schůdkách.

Metodika sběru dat

Pro měření svalové aktivity byl v tomto experimentu použit telemetrický EMG přístroj TelemyoMini 16 od firmy Neurodata. Ten v základní výbavě obsahuje vlastní EMG přístroj, vysílač se zesilovačem spojený s bipolárními elektrodami a 2 samostatné antény určené k přijímání signálu z vysílače. Současně je pohyb probanda snímán videokamerou. Aby bylo umožněno snímání EMG signálu ve vodním prostředí, je zapotřebí další vybavení. Konkrétně: voděvzdorný vak na EMG zesilovač s vysílačem, speciální bipolární elektrody se sadou oboustranně lepicích štítků důležitých k pevnému přilepení elektrod na kůži, krycí voděvzdorné přelepky na elektrody, lihobenzin, EMG vodivý gel, silikon Universal – Multi-usage (22) a kobercová páska Patex, jejíž používání se osvědčilo v předchozích studiích využívajících WaS-EMG (9).

Výběr svalů

Byla snímána aktivita svalů na pravé dolní končetině, konkrétně: m. tibialis anterior, m. gastrocnemius, m. rectus femoris a m. biceps femoris.

Analýza dat – statistické zpracování dat

Ke zpracování a vyhodnocení naměřených dat bylo použito softwaru MyoResearch XP Master Edition 1. 08. 27 od firmy Noraxon. V tomto programu je možné současné prohlížení získaného signálu z EMG a videonahrávky, což umožňuje využití vizuální kontroly při vyhodnocování.

Signál byl rektifikován a vyhlazen. Při hodnocení maximální volní kontrakce (MVC) byl z každého 10sekundového měření vybrán 2 sekundy ustálený maximální EMG signál. Získané hodnoty ze všech 3 měření byly zprůměrovány, a tím vznikla výsledná MVC každého ze svalů.

Následovala analýza samotné chůze. Signál byl rektifikován a vyhlazen. Podle doporučení Huga (5) bylo z celkového záznamu u každého probanda vybráno 6 krokových cyklů pravé (snímané) dolní končetiny na suchu a ve vodě. Jednotlivé cykly začínaly fází dvojí opory v momentě odvíjení špičky na stojné (snímané) dolní končetině. Na EMG záznamu byl marker umístěn na bázi signálu m. tibialis anterior, poté napočítáno 6 krokových cyklů pravé (snímané) dolní končetiny a na konec hodnoceného záznamu byl znovu umístěn marker, také dle m. tibialis anterior.

Poté byla provedena analýza EMG záznamu, a tím získána průměrná amplituda vybraných 6 kroků. Z této průměrné amplitudy a MVC byl získán údaj o procentuálním zapojení svalu (%MVC) oproti maximální volní kontrakci výpočtem: mean/MVC x 100 = %MVC. Tímto způsobem byly vyhodnoceny všechny snímané svaly (obr. 3).

VÝSLEDKY

Porovnání svalové aktivity při chůzi na suchu

Tabulka 1 znázorňuje normované hodnoty EMG aktivity vybraných svalů u všech probandů při chůzi na suchu. Graf 1 je grafickým znázorněním tabulky 1. U prvního probanda byl nejvíce aktivní m. biceps femoris, u všech ostatních probandů, tedy u 3 ze 4, byl nejvíce aktivním svalem m. rectus femoris. Pouze u probanda 4 jsou stupně aktivace všech svalů dolní končetiny při chůzi na suchu relativně vyrovnané a mezi hodnotami %MVC nejsou velké rozdíly.

Porovnání svalové aktivity při chůzi ve vodě

Tabulka 2 znázorňuje normované hodnoty EMG aktivity vybraných svalů u všech probandů při chůzi na suchu. Graf 2 je grafickým znázorněním tabulky 2. U prvního probanda byl velmi aktivní m. biceps femoris. U probanda 2 byla svalová aktivace víceméně vyvážená. U probanda 3 převažuje aktivita m. tibialis anterior. U probanda 4 je m. tibialis anterior nejméně zapojovaným svalem, aktivita ostatních svalů je taktéž vyvážená. U 3 ze 4 probandů byl nejméně aktivním svalem m. rectus femoris.

Tabulka 3 je vyjádření procentuálních hodnot svalové aktivity ve vodním prostředí. Hodnoty byly zaokrouhleny na celá čísla. Záporné hodnoty vyjadřují nižší aktivitu zapojení ve vodním prostředí. U všech měřených svalů u všech probandů aktivita ve vodním prostředí poklesla. Pouze u probanda 3 zůstala aktivita m. tibialis anterior téměř stejná. Zvýrazněná jsou pole, kdy došlo u daného probanda k největšímu rozdílu ze všech měřených svalů, popř. ke změnám o více jak 15 %MVC. Graf 3 znázorňuje procentuální rozdíly svalové aktivace při chůzi ve vodě, je tedy grafickým znázorněním tabulky 3. Probandi 1 a 4 mají velice podobný průběh křivky a probandi 2 a 3 také. U posledních dvou jmenovaných je ale mnohem větší rozdíl v aktivaci m. rectus femoris v jednotlivých prostředích. Jinak je trend změny ve vodním prostředí z tohoto grafu jasně viditelný – u všech svalů dochází ke snížení %MVC ve vodním prostředí.

DISKUSE

U všech probandů došlo při chůzi ve vodním prostředí ke snížení normované aktivity (%MVC) u všech měřených svalů dolních končetin (m. tibialis anterior, m. gastrocnemius, m. rectus femoris a m. biceps femoris).

Snížení svalové aktivity ve vodním prostředí potvrzují také další studie zabývající se porovnáním svalové aktivace na suchu a ve vodě ať už při pohybech horních končetin (1, 4, 7) nebo při chůzi na dolních končetinách (11, 12, 13, 14, 15, 16). K odlišným závěrům došla pouze studie Chevutschiho a jeho týmu (6). Výsledky ukázaly, že ve vodním prostředí se m. rectus femoris aktivoval téměř stejně a m. soleus méně než při chůzi na suchu, což neodpovídá tomu, co jsme zaznamenali v tomto experimentu. M. rectus femoris je sval, u kterého jsme zaznamenali v rámci intraindividuálního hodnocení největší pokles %MVC při chůzi ve vodním prostředí ze všech měřených svalů. V rámci interindividuálního hodnocení se snížení jeho aktivace pohybovalo od -8 do -55 %MVC a průměrně došlo ke snížení o celých 33 %MVC. Předpokládám, že k tomuto relativně velkému poklesu došlo v důsledku snížení působení gravitačních sil na probanda. Faktorem, který by na tyto rozdílné výsledky mohl mít vliv, může být odlišná hloubka ponoru probanda při experimentu. V našich podmínkách nebylo možné posouvat se dnem bazénu nebo měnit výšku hladiny vody, proto byli všichni probandi ponořeni do stejné hloubky vody bez rozdílu výšky postavy, zatímco ve studii Chevutschiho a spol. (6) chodili probandi ve vodě dosahující po umbilicus.

Významným faktorem, na který také musíme brát ohled, je rychlost, kterou účastníci v jednotlivých studiích chodili. V naší studii byla rychlost určovaná metronomem, avšak v obou prostředích rozdílná. Při chůzi ve vodním prostředí byla chůze prováděna téměř 2x pomaleji (40 kroků za minutu) než chůze na souši (70 kroků za minutu) a naše výsledky naznačují snížení stupně aktivace jednotlivých svalů při chůzi ve vodě. Masumoto a spol. (11) se snažili porovnat chůzi v těchto dvou prostředích při různých rychlostech. Při pomalejší chůzi ve vodě oproti chůzi na suchu došli ke stejným výsledkům jako my, tedy že aktivita svalů se při chůzi ve vodním prostředí snížila. Když ovšem porovnávali chůzi v těchto dvou prostředích stejnou rychlostí, aktivita svalů ve vodě byla větší než na suchu. Navíc došlo také ke zvýšení odpovědi kardiorespiračního aparátu. Je tedy možné, že pokud bychom zachovali stejnou rychlost, jakou používáme při chůzi na suchu, při chůzi ve vodě by se svaly aktivovaly ještě větší měrou, než při chůzi na suchu stejnou rychlostí. Tento fakt bychom mohli využít při cvičení ve vodním prostředí s cílem posílení svalstva dolních končetin.

Obecně ke zvýšení normované svalové aktivity došlo pouze v experimentu Kotalíkové (9). Byla porovnávána chůze na suchu a ve vodě u probanda s Parkinsonovou nemocí a ke zvýšení normované svalové aktivity došlo průměrně o 4 %. Výsledky této studie naznačují, že u osob s tímto neurologickým onemocněním nedochází ke změně pohybových vzorů v důsledku postižení motorického řízení.

Při pohledu na grafické znázornění průběhu procentuálního rozdílu svalové aktivity (graf 3) se nám nabízejí dva různé vzorce aktivace m. rectus femoris. U všech probandů jeho aktivita klesla, ale u dvou probandů o mnohem více než u zbývajících dvou. Při přehrání videozáznamu z experimentu jsme si všimli u těchto dvou skupin několika rozdílů. Zaprvé probandi 2 a 3, u kterých došlo k výraznějšímu snížení aktivity m. rectus femoris při chůzi ve vodě, drželi po celou dobu měření ve vodě horní končetiny nad hladinou, v přibližně 70° abdukci v ramenním a flexi v loketním kloubu. Můžeme se jen domnívat, zdali tento fakt mohl ovlivnit aktivitu svalů v oblasti kyčelního a kolenního kloubu. Teoreticky tím mohlo dojít k zapojení jiných svalových skupin při stabilizaci kyčelního kloubu při chůzi ve vodě, a to konkrétně gluteálního svalstva. Tato domněnka je podpořena i druhým zaznamenaným rozdílem. U probandů 2 a 3 byla při chůzi ve vodě výraznější extenční fáze dolní končetiny, oproti probandům 1 a 5, u kterých téměř chyběla. Toto zjištění ukazuje na různé strategie přizpůsobení stereotypu chůze vodnímu prostředí.

Vzhledem k výsledkům této i předchozích studií, zabývajících se problematikou rozdílné svalové aktivace při pohybu na souši a ve vodním prostředí, nemohu úplně souhlasit s autorkami publikací o cvičení ve vodním prostředí (19, 25), že je tento druh aktivity vhodný k posilování svalů. Bylo by vhodné doplnit informace o parametrech prováděného pohybu – např. rychlost. I přesto ale má vodní prostředí své nezastupitelné místo v oblasti rehabilitace a rekondice.

ZÁVĚR

Pohybová terapie ve vodním prostředí je již mnoho let součástí rehabilitačních programů, přičemž starší osoby jsou častými účastníky této fyzické aktivity. Cvičební jednotky jsou vedené fyzioterapeuty, a proto považuji za důležité, aby věděli nejen o tom jaké fyzikální vlastnosti voda má, ale také jak se aktivují svaly během pohybu ve vodě, a na základě těchto znalostí dokázali určit, která cvičení budou zařazovat do své aquaterapeutické praxe.

Výsledky tohoto experimentu ukazují na snížení aktivity svalů dolních končetin při chůzi ve vodě v porovnání s chůzí na suchu. Domnívám se, že než navrhneme jedinci, aby začal cvičit ve vodě, je třeba se zamyslet, zdali je to pro něho vhodná aktivita a s jakým cílem mu toto doporučujeme. Existují jedinci, kteří vodu nesnášejí a necítí se v ní dobře. V takovém případě je na pováženou, zdali bude pohyb v ní opravdu přispívat ke zlepšení jeho stavu nebo naopak. Vždy tedy musíme při doporučování pohybových aktivit uvažovat individuálně.

Tento článek byl napsán za podpory grantového projektu PRVOUK č. 38.

Studie vznikla v rámci Programu rozvoje vědních oblastí na Univerzitě Karlově č. P38 Biologické aspekty zkoumání lidského pohybu.

Adresa ke korespondenci:

MUDr. David Pánek, Ph.D.

Katedra fyzioterapie UK FTVS

J. Martího 31

162 52 Praha 6

panek@ftvs.cuni.cz