Jak przewidzieć kontuzję za pomocą EMG?

Wyobraźmy sobie sytuację, w której badacz prosi 55 grających zawodowo (w piłkę ręczną lub nożną) sportowców, aby przez chwilę robili dynamiczne zwody na boki. Zwody są kluczowym elementem obu wspomnianych dyscyplin i służą zmyleniu przeciwnika, co do kierunku, w którym zamierzamy się poruszać.

Ćwiczenie to polega na naprzemiennym wybijaniu się w bok jednonóż:

Jednak zanim zawodnicy rozpoczynają wykonywanie ćwiczenie, badacz dodatkowo umieszcza na ich nogach elektrody od EMG, których zadaniem jest zbieranie informacji, o tym kiedy który mięsień otrzymuje od mózgu rozkaz kurczenia się. Elektrody rozmieszczane są następująco:

Na rysunku widać, że elektrody umieszczone są tak, aby badać sygnały z 5 niezależnych mięśni:

• z 3 powierzchniowych głów mięśnia 4-głowego (przód nogi):
  • VL – vastus lateralis
  • RF – rectus femoris
  • VM – vastus medialis
• z przyśrodkowych i bocznych mięśni kulszowo-goleniowych (tył nogi):
  • ST – semitendinosus
  • BF – biceps femoris

Podejrzenie badacza jest takie, że osoby skłonne do kontuzji będą wykazywały inne wzorce komunikacji mózgu z mięśniami niż osoby niepodatne na kontuzje. Co ważne w momencie wykonywania tego testu wszystkie 55 osób było w pełni zdrowych i nie miało wcześniejszych problemów z więzadłem krzyżowym przednim (ACL).

Badanie przebiegło bez problemów. Badacz zebrał wszystkie dane, które potrzebował, włożył je do szuflady i czekał.

Czekał 2 pełne sezony w trakcie których zawodniczki (badanie dotyczyło kobiet) rozgrywały intensywnie mecze w swoich dyscyplinach. Czekał aż prawdopodobieństwo będzie miało wystarczająco dużo czasu aby zmaterializować się pod postacią kontuzji niektórych zawodniczek. I to kontuzji nie byle jakich, bo nasz dzisiejszy badacz skupiał się na ciężkiej kontuzji jaką jest zerwanie więzadła krzyżowego przedniego (ACL).

Okazało się, że w grupie przetestowanych 55 kobiet, w ciągu 2 sezonów intensywnej gry, aż 5 z nich zerwało ACL.

To był idealny moment, aby wyciągnąć wcześniejsze pomiary z szuflady i sprawdzić, czy ta kontuzjowana piątka, z punktu widzenia wykonanych w przeszłości EMG, ma ze sobą coś wspólnego, co jednocześnie odróżnia ją od pozostałych 50 osób, które nie zerwały ACL.

Po analizie danych okazało się, że 3 z badanych mięśni nie mają żadnego znaczenia: RF, VM, BF.

Jednocześnie pozostałe dwa: (VL i ST) przedstawiały ciekawą zależność:

Wykres ten pokazuje jaki był poziom aktywacji mięśnia pół-ścięgnistego (ST) na 10 ms przed kontaktem stopy z ziemią, w trakcie wykonywania zwodów. (Zaraz wrócimy do tego, dlaczego poziom aktywacji badacz mierzył właśnie w ten sposób).

• 50 pustych w środku kółek oznacza wartości uzyskane przez 50 zawodniczek, które nie zerwały ACL w ciągu kolejnych 2 sezonów.
• 5 iksów oznacza wartości uzyskane przez 5 zawodniczek, które zerwały później ACL.

Już na pierwszy rzut oka widać, że iksy znajdują się raczej w dolnej części rozkładu, a analiza statystyczna to potwierdza.

Tak wygląda analogiczny wykres dla mięśnia obszernego bocznego (VL):

Tym razem zależność jest odwrotna. Iksy znajdują się w strefie wysokich wartości.

Badacz połączył oba wykresy licząc wskaźnik, który jest po prostu różnicą pomiędzy aktywacją VL i aktywacją ST uzyskaną przez daną zawodniczkę. Oto wykres łączący oba powyższe w jeden:

Takie połączenie informacji z dwóch mięśni jeszcze mocniej uwydatniło różnicę, pomiędzy 5 osobami, które zerwały ACL (iksy) i pozostałymi. Okazało się, że:

Osoby, które miały nad-aktywne mięśnie z przodu nogi, w stosunku do mięśni z tyłu nogi, miały znacznie większe ryzyko zerwania ACL.

Zależność ta okazała się na tyle silna, że jeśli zbadamy obecnie jakiegoś zawodnika i jego poziom aktywacji mięśni z przodu nogi (VL) będzie o 33 punkty procentowe większy od poziomu aktywacji mięśni z tyłu nogi (ST), to ma on aż 50% prawdopodobieństwa na zerwanie ACL w ciągu najbliższych dwóch sezonów grania. To bardzo dużo!

To genialne badanie, na którym się dziś opieramy zostało przeprowadzone na prawdę na uniwersytecie w Kopenhadze w 2009 r. tym samym kładąc podwaliny dla lepszego zrozumienia przyczyn kontuzji.

Wyniki z tego badania potwierdzają teorię, że mięśnie z przodu uda (4-głowe) możemy traktować jako motor odpowiedzialny za siłę naszego wybicia, a mięśnie z tyłu uda (kulszowo-goleniowe) jako motor odpowiedzialny za zdolność do amortyzacji w trakcie lądowania.

• Z jednej strony, aby być lepszym sportowcem, trzeba poprawiać jakość mięśni z przodu uda, gdyż to one dają nam dynamikę i zdolność wybicia się szybciej / wyżej niż przeciwnik, co sprawia, że osiągamy lepsze wyniki.
• Z drugiej jednak, aby być bezpieczniejszym sportowcem, trzeba poprawiać jakość mięśni z tyłu uda, gdyż to one dają nam dynamiczną stabilizację i potencjał amortyzacyjny.

Na chłopski rozum można o tym pomyśleć tak, że jeśli mój przód i tyłu uda będzie podobnie aktywny to np. będę w stanie wybić się w górę na 25 cm i z takiej wysokości bezpiecznie wylądować. Jeśli jednak moje mięśnie 4-głowe będą dwa razy bardziej zachęcane do pracy niż mięśnie kulszowo-goleniowe to będę w stanie wybić się w górę na 50 cm, ale moje zdolności amortyzacyjne wystarczają tylko na zamortyzowanie spadku z wysokości 25 cm, więc będę prowokował przeciążenia.

Dysbalans w drugą stronę nie jest tak groźny, gdyż jeśli będę w stanie zamortyzować spadanie z 50 cm, a jednocześnie będę w stanie się wybić tylko na 25 cm to po prostu nie będę w pełni wykorzystywał możliwości swojego ciała, ale będę bezpieczny z punktu widzenia dzisiejszego wskaźnika.

Niestety populacyjnie, mamy tendencję do oddryfowywania w kierunku niebezpiecznego dysbalansu (nad-aktywne 4-głowe, zbyt mało aktywne kulszowo-goleniowe). To właśnie dlatego tak niebezpieczna jest próba uprawiania dynamicznego sportu, gdy wcześniej przez wiele lat wieczory przesiadywaliśmy na kanapie.

Zanim skończymy pozostaje jeszcze kwestia niecodziennego doboru momentu, którym badacz mierzył parametry komunikacji mózg-mięsień. Robił to na 10 ms przed uderzeniem stopy o podłoże, co oznacza, że na nogę w tym momencie nie działała jeszcze żadna siła związana z reakcją podłoża. Czy w takim momencie noga nie powinna być po prostu rozluźniona?

Nie. Potwierdzają to badania które mówią, że:

• Czas reakcji człowieka na bodźcie wizualne / dźwiękowe to ok. 200-250 ms.
• Najszybszy czas reakcji mózgu na bodźce propriocepcyjne to ok. 60 ms.
• Moment, w którym koszykarze w trakcie gry zrywali ACL (bez kontaktu z przeciwnikiem) występował od 17ms do 50 ms od kontaktu z podłożem.

Co to oznacza? Nasz układ nerwowy nie jest na tyle szybki, aby reagować na bodźce w czasie rzeczywistym.

W praktyce radzimy sobie w ten sposób, że na podstawie wcześniejszych doświadczeń i informacji odbieranych przez zmysły nasz mózg jeszcze przed danym wydarzeniem (np. uderzeniem o ziemię) ustala plan działania i wysyła rozkazy do mięśni. Taka „pre-aktywacja” pozwala ciału zareagować poprawnie w pierwszych kilkudziesięciu milisekundach. Przypomina to trochę komunikację osób kontrolujących odległą misję kosmiczną z Ziemi. Mogą oni wysyłać komunikaty do sondy kosmicznej, ale z racji odległości, czas potrzebny na dotarcie komunikatu do celu jest na tyle duży, że nie da się nią sterować w czasie rzeczywistym.

To niesamowite jak przed każdym lądowaniem, mózg wysyła do mięśni wstępne nastawy, które uważa za odpowiednie, a następnie życzy mięśniom powodzenia, gdyż kolejny raz „porozmawiają” już po fakcie uderzenia.

Jeśli jeszcze przed uderzeniem o ziemię mózg niepoprawnie przygotował mięśnie, rośnie ryzyko kontuzji.

Właśnie dlatego poziom aktywacji mięśnia mierzony jest w tym wypadku jako pre-aktywacja na 10 ms przed faktycznym momentem uderzenia.