Biomechanika chůze před a biomechanika chůze a běhu po přetržení Achillovy šlachy

Kapitola demonstruje na základě případové studie opětovný návrat k pravidelnému tréninku v původní kvalitě, a to u rekreačního sportovce po léčbě ruptury Achillovy šlachy. Cílem studie je srovnat biomechaniku hlezenního kloubu při běhu na operované a neoperované dolní končetině čtyři roky po operaci ruptury Achillovy šlachy. Studovaný subjekt navštívil biomechanickou laboratoř měsíc před zraněním a během čtyřech let po zranění. Operace, následná rehabilitace a čtyři roky trvající běžecký tréninkový program u studovaného rekreačního sportovce nedosáhly úplného odstranění následků ruptury Achillovy šlachy, přestože subjektivně uvádí jen minimální potíže při běhu. Jak kinematika, tak kinetika pohybu postižené končetiny se liší od končetiny nepostižené. U tohoto subjektu jsou při pravidelném běhu zvýšeny biomechanické rizikové faktory pro zranění z přetížení.

Achillova šlacha je největší šlachou lidského těla. Její přetržení je devastující zranění, které zapříčiňuje funkční deficit svalově šlachového komplexu musculus triceps surae (Bressel, Larsen, McNair, & Cronin, 2004). Přetržení Achillovy šlachy se nejčastěji vyskytuje při sportu. Počet případů tohoto zranění narostl během desíti let z poměru 2 ze 100 000 jedinců na 12 ze 100 000 jedinců. Typicky se toto zranění objevuje u mužů ve čtvrté až páté dekádě života a obvyklým mechanizmem vzniku jsou pohybové aktivity, které obsahují excentrické zatížení s následnou explozivní plyometrickou prací musculus triceps surae (Hess, 2010).

I po dvou letech od zranění přetrvává funkční deficit svalově šlachového komplexu musculus triceps surae, nezávisle na léčebném přístupu (Molle, Lind, Movin, & Karlsson, 2002). Na operovaných Achillových šlachách vybraných zvířat se ukázaly významné strukturální změny (Eriksen, Pajala, Leppilahti, & Risteli, 2002). Navíc byla také prokázána jejich nižší tuhost, síla a viskoelasticita (Liu, Yang, al-Shaikh, & Lane, 1995). Cílem léčby ruptury Achillovy šlachy je opětovný návrat k původní kvalitě života, ke kterému také patří sportovní aktivity. Fundamentálním pohybem při sportu je běh, který se často stává prostředkem k získání zdravotně orientované zdatnosti. Jestliže však víme, že svalově šlachový komplex operovaného musculus triceps surae má funkční deficit ještě dva roky po operaci (Bressel, Larsen, McNair, & Cronin, 2004), bude ovlivněna také biomechanika běhu? Je možné, že u operované končetiny po operaci Achillovy šlachy jsou zvýšené biomechanické rizikové faktory, které by mohly následně vyvolávat další patologie svalově kosterního systému?

Cílem studie je srovnat biomechaniku hlezenního kloubu při běhu na operované a neoperované dolní končetině čtyři roky po operaci ruptury Achillovy šlachy u rekreačního sportovce, který pravidelně běhá a u něhož byla diagnostikována atrofie svalové hmoty na musculus triceps surae postižené končetiny. S vědomím strukturálních a funkčních změn u operovaných Achillových šlach předpokládáme, že se při běhu projeví funkční deficit na atrofované končetině oproti končetině neatrofované.

Metoda

Subjekt měření

Muž, rekreační sportovec ve věku 35 let, o hmotnosti 83 kg a výšce 1.84 m, měl akutně přetrženou levou Achillovu šlachu v červnu roku 2008 při tenise. Jeden den po tomto zranění se podrobil operačnímu zákroku, při němž byla přetržená Achillova šlacha sešita otevřenou operační technikou sešitím. Po skončení rehabilitace započal subjekt měření s pravidelnou pohybovou aktivitou. Postupně se dopracoval ke svému obvyklému objemu tréninku 30 až 50 km běhu týdně. Tělesnou hmotnost 96 kg, která se u něj skokově zvýšila bezprostředně po zranění vlivem nedostatku pohybu, postupně snížil na 83 kg v době této studie. Vývoj BMI v průběhu pětiletého sledování je zobrazen na grafu 9. V současné době při běhu subjektivně nevnímá téměř žádné potíže. Nicméně maximální obvod nepostiženého bérce činí 41 cm a maximální obvod postiženého bérce činí 38 cm. Na postižené končetině je délka Achillovy šlachy o 3.5 cm větší a její šířka v nejužším místě o + 0.5 cm (2 cm a 2.5 cm) větší, než je na nepostižené končetině. Při výkonnostním závodě v běhu na 10 km zaběhl v čase 43.23 s a maximální spotřeba kyslíku VO2max, měřená na běžeckém ergometru při zátěžovém testu, byla stanovena na VO2max = 55.7 ml/kg/min při maximálním mechanickém výkonu 512 W a maximální tepové frekvenci HRmax = 179 b/min,což souhlasí se stavem aerobní zdatnosti před zraněním.

Graf 9 Vývoj Body mass indexu v průběhu jednoho roku před operací a čtyř let po operaci Achillovy šlachy, svislá plná čára označuje dobu zranění

Protokol

Participant absolvoval šedesát návštěv fyziologické a funkčně antropologické laboratoře za účelem měření BMI v průběhu pětiletého období (graf 9) a testu maximální spotřeby kyslíku. Biomechanickou laboratoř navštívil subjekt měření čtyřikrát. V květnu roku 2008 měsíc před úrazem a v roce 2012 čtyři roky po úraze byla prováděna dynamická analýza chůze. Participant se podrobil nácviku chůze přes silové plošiny na 15 m dlouhém chodníku. Následně svou přirozenou rychlostí chůze vykonal pět pokusů přes silové plošiny. Pokus byl akceptován, pokud levá i pravá dolní končetina v jednom krokovém cyklu realizovala stojnou fázi na silové plošině. Následovalo měření biomechaniky běhu, které bylo naplánováno až ve chvíli, kdy subjekt měření dosáhl původní úrovně BMI (pod 25 kg/m2) a aerobní zdatnosti před operací vyjádřené výsledkem VO2max (nad 50 ml/kg/min) a desetikilometrovým během na atletickém stadionu (pod 45 min). Vždy po zahřátí a rozcvičení běžel subjekt přirozeným způsobem 5 minut na běžeckém ergometru rychlostí 2.4 m·s-1. Následně byla rychlost pásu ergometru zvýšena na 3.2 m·s-1 a po dvou minutách na 4.0 m·s-1. Při každé ze tří rychlostí běhu byl pořízen minutový záznam kinematiky a dynamiky běhu (obr. 20). Subjekt měření pravidelně trénuje na běžeckém trenažéru a je zvyklý běhat na běžeckém pásu. V této studii jsme se zaměřili na rozbor běhu při rychlosti 3.2 m·s-1, což je přirozená rychlost běhu studovaného jedince při tělesných cvičeních. Před samotným měřením byly na kůži bérce a nohy umístěny bilaterálně reflexní značky o průměru 19 mm. Konkrétně byly kalibrační reflexní značky umístěny na laterální a mediální epikotyl femuru, laterální a mediální maleolus na neutrální běžnou běžeckou botu mizuno posteriorně za calcaneus a nad první a pátou hlavu metatarsu nohy. Navíc byly na bérce umístěny klastry, tuhé destičky se shlukem čtyř reflexních značek, a další dvě polohové reflexní značky kaudálně a laterálně na calcaneus.

Obr. 20 Ilustrativní fotografie analýzy běhu v biomechanické laboratoři Centra diagnostiky lidského pohybu

Experimentální nastavení

Funkční antropologie a fyziologie

Pro měření body mass indexu bylo využito bio-impedančního přístroje (TANITA 418 MA, USA). Test maximální spotřeby kyslíku byl proveden na přístroji Lode Valiant motor-driven treadmill (Groningen, Nederland).

Chůze

Dvě silové plošiny Kistler (9286AA, Švýcarsko), zabudovány v podlaze, byly maskovány stejnou barvou povrchu jako okolní podlaha 15 m dlouhého chodníku v biomechanické laboratoři.

Video 1 Model chůze v programu Visual 3D

Běh

Polohy reflexních značek v kalibrovaném prostoru laboratoře byly zaznamenávány optoelektronickou stereofotogrammetrií o soustavě osmi infračervených kamer s frekvencí 247 Hz (Qualisys, Oqus 100, Švédsko). Kinetika byla měřena pomocí běžeckého ergometru Bertec s integrovaným měřením reakčních sil na podložce s frekvencí 1235 Hz. Kinematická a kinetická data byla časově a prostorově synchronizována. Před samotným měřením byla vytvořena globální souřadná soustava pomocí pravoúhlého kalibračního zařízení o známých polohách referenčních markrů. Výzkum byl proveden v biomechanické laboratoři za standardizovaných podmínek.

Video 2 Model běhu v programu Visual 3D

Analýza dat

Kinetická a kinematická data byla zpracována v programu Visual3D (C-motion, Rockville, MD, USA, obr. 21). Rozsah sledovaného pohybu při běhu byl vymezen kontaktní reakční silou 50 N na levé a pravé noze ve stojné fázi běhu. Počátek stojné fáze levé a pravé nohy byl poslední měřený okamžik bezoporové fáze, ve kterém reakční síla nepřekročila 20 N, a konec jako okamžik, ve kterém vertikální reakční síla byla naposledy větší než 20 N. Krokový cyklus běhu byl definován dvěma po sobě následujícími opakovanými ději, ve kterých naposledy reakční síla levé nohy, která končila švihovou fázi, nepřekročila 20 N. Z každého ze dvou oddělených měření v laboratoři biomechaniky bylo analyzováno 5 krokových cyklů. Segmenty dolních končetin byly modelovány jako komolé kužely. Lokální souřadné soustavy jednotlivých segmentů byly definovány při statickém kalibračním záznamu v přirozeném stoji. Zaznamenané polohy referenčních značek v čase byly filtrovány low-pass filtrem (fourth-order Butterworth filter) s frekvencí 12 Hz a analogové data, ze kterých byly výpočtem získány silové data, byly filtrovány s frekvencí 50 Hz. Ze vzájemných poloh lokálních souřadných soustav nohy a bérce byly získány úhlové dráhy, úhlové rychlosti a úhlové zrychlení. Výstupní moment síly v sagitální rovině hlezenního kloubu, ve které je moment síly při běhu největší v porovnání s transverzální a frontální rovinou byl vypočítán takto:

Přičemž M_hx představuje výstupní reakční moment síly v hlezenním kloubu, F_grfz a F_grfy představují vertikální a anteroposteriorní reakční síly v hlezenním kloubu v lokálním souřadném systému bérce, r_hz-g je délka mezi středem proximálního kloubu a těžištěm nohy, r_hz-cop je délka mezi středem proximálního kloubu a bodem aplikace reakční síly podložky.

Takzvaný inerciální moment  můžeme pro segment nohy vypočítat z měřené úhlové rychlosti segmentu a kartézských složek symetrického tenzoru momentu setrvačnosti nohy. Výstupní hlezenním kloubem přenášený výkon byl vypočítán jako součin okamžitého výstupního momentu síly a úhlové rychlosti v sagitální rovině. Výstupní výkon je vyjádřen v lokálním souřadném systému bérce pomocí Cardanovy sekvence Xyz. Negativní výkon představuje absorbci energie prostřednictvím výstupní excentrické svalové akce a pozitivní výkon generaci energie prostřednictvím výstupní koncentrické svalové akce. Z dynamické analýzy chůze byly pro další zpracování využity maxima antero-posteriorních reakčních sil na podložce při plantární flexi na postižené a nepostižené končetině.

Obr. 21 Model bérců a nohou vytvořený v programu Visual-3D

Statistická analýza

Věcná významnost byla posuzována pomocí indexu velikosti vlivu (ES – effect of size). Dle Hopkinse (2002) znamená ES (effect of sizes) velikost vlivu < 0,2 zanedbatelný, 0,2-0,6 malý, 0,6-1,2 střední 1,2-2,0 vysoký, 2,0-4,0 velmi vysoký a > 4,0 téměř perfektní vliv. Všechny statistické výpočty byly provedeny v programu IBM SPSS 20.

Výsledky

Z měření dynamické analýzy přirozené chůze vyplývá, že nebyl významný rozdíl v maximu anteroposteriorní reakční síly na podložce v propulzní fázi před zraněním mezi pravou a levou dolní končetinou (225±11 N a 222±6 N, ES = 0.01). Čtyři roky po operaci však bylo anteroposteriorní maximum reakční síly na podložce větší na končetině nepostižené (224±5 N) než na končetině postižené (209±5 N, ES = 3). V tabulce 12 jsou prezentovány výsledky závisle proměnných sledovaných v období, ve kterém sledovaný rekreační běžec dosáhl původní výkonnosti, VO2max a BMI.

Tabulka 12 Indexy velikosti vlivu postižení na vertikální, předozadní a mediolaterální reakční síly, působící na postiženou a nepostiženou nohu ve stojné fázi běhu rychlostí 3.2 m·s-1; průměry a směrodatné odchylky reakčních sil jsou stanoveny z pěti pokusů.

Diskuse

Rozdíly v charakteristikách pohybu dolních končetin při běhu jsou uváděny za příčinu zranění z přetížení (Baur, Divert, Hirschmueller, Mueller, Belli, & Mayer, 2004). Silnou stránkou studie je evidence zcela symetrické funkce plantární flexe vyjádřené maximem anteroposteriorní reakční síly na podložce při chůzi sportovce před zraněním. Studie tak byla jedinečnou příležitostí pochopit změny v biomechanice pohybu člověka při základní lokomoci s odstupem čtyř let, kdy sledovaný jedinec znovu nabyl původní aerobní zdatnost, běžeckou výkonnost a body mass index, jako před úrazem. Předpoklad, že se při běhu projeví funkční deficit na atrofované končetině oproti končetině neatrofované se potvrdil. Jak výstupní generovaný hlezenním kloubem přenášený výkon, tak momenty síly plantární flexe ve stojné fázi jsou větší na nepostižené končetině. Funkční deficit se projevuje zejména při odraze z nepostižené končetiny. Toto zjištění souhlasí se studií, v níž byla studována žena před a po operaci ruptury Achillovy šlachy, jejíž postižený hlezenní kloub jeden rok po operaci vykazoval redukovaný výkon plantární flexe (–21%) a nižší moment plantární flexe (–6%), a to ve srovnání s nepostiženou končetinou (Silbernagel, Willy, & Davis, 2012). Navíc výstupní výkon v kolenním kloubu postižené končetiny v sagitální rovině byl v této studii větší jak v absorbční (+24.7%), tak v generační (+10%) stojné fázi. Koleno tak u této ženy zřejmě nahrazovalo nedostatečnou funkci svalů hlezenního kloubu.

Věcně významně vyšší pasivní i aktivní maximum vertikální reakční síly podložky, působící na postiženou dolní končetinu oproti končetině nepostižené, může být rizikovým faktorem zranění z přetížení při běhu (Hreljac, 2004). Bylo zjištěno, že chronicky postižené končetiny běžců tendinopatií Achillovy šlachy jsou vystaveny stejně velkým vertikálním reakčním silám podložky jako končetiny kontrolní skupiny (Baur, Divert, Hirschmueller, Mueller, Belli, & Mayer, 2004). V této studii však u osmi běžců s postiženou Achillovou šlachou nebyla prokázána atrofie musculus triceps surae ani funkční deficit dorsálních flexorů. Vyšší reakční síly při běhu subjektu měření v naší studii jsou tedy pravděpodobně způsobeny spíše dlouhodobě přetrvávajícím funkčním deficitem plantárních a dorsálních flexorů, nežli poraněním Achillovy šlachy. Funkční deficit svalově šlachového komplexu a atrofie svalů bérce jsou častým doprovodným postižením pacientů po operaci Achillovy šlachy.

Z výsledků kinematiky je patrné, že subjekt měření provádí první kontakt s podložkou na postižené končetině s větší dorzální flexí v hlezenním kloubu. Přičemž McClay a Manal (1998) naměřili u osmnácti zdravých běžců dorsální flexi při kontaktu menší než 5°, čemuž se blíží v této studii výsledky nepostižené končetiny. Předpokládáme, že subjekt měření se prostřednictvím větší dorzální flexe v hlezenním kloubu snaží kompenzovat nedostatečnou funkci dorzálních flexorů. Nedostatečná funkce dorzálních flexorů, jako je například musculus tibialis anterior, zapříčiňuje příliš rychlý pokles nohy na podložku, čímž je negativně ovlivněn odval chodidla. Z hlediska vytváření momentu dorsální flexe je postižená končetina při prvním kontaktu ve výhodnější poloze o pět stupňů ve větší dorzální flexi. Rameno momentu vnější síly v hlezenním kloubu se při větší dorzální flexi zmenšuje. Menší rameno vnější síly znamená menší vnější moment síly. Menší vnější moment síly způsobuje pomalejší pokles nohy na podložku, což můžeme pozorovat na nižší úhlové rychlosti těsně po kontaktu s podložkou (obr. 22). Nižší úhlová rychlost v hlezenním kloubu vytváří výhodnější podmínky pro vytváření vnitřního momentu síly dorzálních flexorů. Lidské svaly jsou schopny produkovat větší sílu při nižších rychlostech. Proto je pro dorzální flexory postižené končetiny výhodnější počáteční poloha ve větší dorzální flexi. Tento způsob provedení prvního kontaktu následně vyvolává větší první maximum vertikální reakční síly podložky na postižené končetině oproti končetině nepostižené. Běh se tak stává pro postiženou končetinu rizikový z hlediska impaktních sil (Hreljac, 2004). Dalším vysvětlením větší dorzální flexe při prvním kontaktu může být delší Achillova šlacha a atrofie plantárních flexorů (vyšetření MRI, obr. 23) na nepostižené končetině. Tato elongace a atrofie může negativně ovlivňovat svalově šlachové interakce a celý cyklus zkrácení a protažení při stojné fázi postižené končetiny.

Obr. 22 Průměrné křivky úhlové rychlosti, momentu síly v hlezenním kloubu a výstupního výkonu v hlezenním kloubu ve stojné fázi (n = 5). Přerušovaná křivka znázorňuje průměr postižené končetiny a plná křivka a plocha znázorňuje průměr a směrodatnou odchylku nepostižené dolní končetiny.

Obr. 23 Transverzální řez nepostiženým bércem (vlevo) a postiženým bércem (vpravo) čtyři roky po operaci v době, kdy bylo dosaženo původní aerobní zdatnosti VO2max, BMI a sportovní výkonnosti. Výsledek magnetické rezonance. Na postižené dolní končetině můžeme sledovat především atrofii musculus soleus a gastrocnemius.

Shrnutí

Operace, následná rehabilitace a čtyři roky trvající běžecký tréninkový program u studovaného rekreačního sportovce nedosáhly úplného odstranění následků ruptury Achillovy šlachy, přestože subjektivně uvádí jen minimální potíže při běhu. Jak kinematika, tak kinetika pohybu postižené končetiny se liší od končetiny nepostižené. Funkční svalový deficit se projevuje především nižším výstupním momentem síly plantární flexe a nižším generovaným výstupním výkonem při odraze ve stojné fázi postiženého hlezenního kloubu. Postižená končetina realizuje první kontakt s podložkou ve větší dorzální flexi, což následně negativně ovlivňuje odval chodidla a vyvolává tak větší pasivní i aktivní maximum vertikální reakční síly na podložce. Maxima vertikální reakční síly jsou tedy větší na postižené dolní končetině a jsou zvýšeným rizikovým faktorem zranění z přetížení při pravidelném běhu. Důvodem pro realizaci prvního kontaktu s podložkou ve větší dorzální flexi postiženého hlezenního kloubu v porovnání s nepostiženým kloubem může být prodloužená Achillova šlacha a nedostatečná funkce plantárních a dorzálních flexorů.