BIOMECHANIKA CHŮZE
Lokomoce Lokomoce je pohyb z místa na místo. Vedle chůze je možné použít vozík, jízdní kolo, autobus… Patří sem také lezení, plazení, … Podmínky pro možnost konání lokomoce: 1. Nepřetržitá generace pohybu nutná k přemístění v prostoru. 2. Udržení dynamické stability během pohybu těla vpřed. 3. Schopnost přizpůsobit se změnám prostředí nebo jiným souběžným požadavkům. 4. Iniciace a terminace lokomočních dějů. M. H. Woollacott 1997
Základní požadavky nutné pro chůzi Rovnováha je schopnost zaujmout vertikální posturu a udržovat balanci. Pohyb je schopnost zahájit a udržovat rytmický krokový mechanismus. Muskuloskeletální systém musí „poskytnout“ intaktní kostní tkáň, dobře fungující klouby a adekvátní svalovou sílu. Svalový tonus musí být dostačující k překonání gravitace, ale na druhé straně musí dovolit provedení pohybu. Reciproční inervace svalů umožňuje odstupňovanou souhru mezi agonisty a antagonisty nutnou pro vykonání pohybu.
Chůze Chůze je způsob pohybu těla z jednoho místa na druhé za střídavé a opakující se výměny polohy dolních končetin, s podmínkou, že alespoň jedno chodidlo zůstává v kontaktu s podložkou. Chůze je řízený pád, ve kterém tělo padá vpřed z pozice stabilní, zajištěné stojnou dolní končetinou, na druhostrannou dolní končetinu.
Chůze Chůze − metoda lokomoce charakteristická obdobími zatěžování a nezatěžování končetin (Kirtley, 2006). Chůze závisí na opakování sekvence svalově kontrolovaných pohybů v kloubech, opakujících se pro každou končetinu, které současně posunují tělo vpřed a udržují stabilitu těla (Perry, 2005). Vzorec chůze nebo běhu je definován jako rytmické posouvání částí těla prováděné za cílem rovnoměrného pohybu dopředu (Rose & Gamble, 1994).
Ontogeneze chůze Ontogeneze lidské motoriky – získávání schopností „najít“ těžiště, udržet anebo měnit jeho polohu v prostoru. CÍLENÁ ZMĚNA TUHOSTI SPOJENÍ SEGMENTŮ ŘÍZENÁ SVALOVOU AKTIVITOU A VYUŽITÍM VLIVU ZEVNÍCH SIL. CNS řídí polohu těžiště prostřednictvím koordinované svalové aktivity. Po narození, kdy nervový systém není ještě zcela vyvinutý, není tedy chůze možná. První kroky mohou být realizovány až v okamžiku, kdy si dítě zajistí kontrolu nad všemi částmi svého těla a je schopno udržet určitý stupeň rovnováhy (Trew, 1997).
Ontogeneze chůze Okolo devátého měsíce je dítě schopno vertikalizace, zpočátku pouze s pomocí opory, ale později dokáže stát i bez ní. Na konci prvního roku dítě začíná prvně „chodit“, nejdříve ve frontální rovině, později je možná chůze vpřed. Za samostatnou bipedální lokomoci lze označit chůzi v okamžiku, kdy je dítě schopno si zajistit své potřeby, například dojít si pro hračku. Zpočátku chodí jedinec z rozšířenou bází opory a kolena jsou extendována. Jakmile je získána větší stabilita a rovnováha, chůze se vyvíjí postupně do vzoru chůze dospělého (Gage, 1991).
Krokový (chůzový) cyklus Krokový cyklus, neboli dvojkrok se skládá ze dvou základních fází (Vaughan, 1992). Je zahájen dopadem jednoho chodidla na podložku a končí opětovným dopadem toho samého chodidla. Krokový cyklus je tedy charakterizován jako časový interval, během kterého je kompletní jedno pořadí pravidelně se opakujících sledů tohoto děje (Gage, 1991). Stojná fáze Švihová fáze
Krokový cyklus • krokový cyklus je rozdělen na 100 procentních bodů • dvouoporová a jednooporová fáze
Krokový cyklus
Krokový cyklus podle Perry 1. Počáteční kontakt – “initial contact”, IC, 0% 2. Stadium zatěžování – “loading response”, LR, 0-10% 3. Mezistoj – “midstance”, MS, 10-30% 4. Konečný stoj – “terminal stance”, TS, 30-50% 5. Předšvihová fáze – “preswing phase”, PSW, 50-60% 6. Počáteční švih – “initial swing”, ISW, 60-70% 7. Mezišvih – “midswing”, MSW, 70-85% 8. Konečný švih – “terminal swing”, TSW, 85-100%
Stojná fáze První dvojí opora − “first double support”
Jedno-oporová fáze − “single support”
Druhá dvojí opora − “second double support”
Stojná fáze Úder paty − “heel strike” − počáteční kontakt Celá noha na podložce − “foot flat” − stádium zatěžování Mezistoj − “midstance” Odlepení paty − “heel off” − konečný stoj Odraz palce − “toe off” − předšvih
Švihová fáze Zrychlení − “acceleration” − počáteční švih
Mezišvih − “midswing”
Zpomalení − “deceleration“− − konečný švih
Počáteční kontakt • nastává v okamžiku, kdy se končetina (pata) dotkne podložky • pata se stává středem otáčení • abnormální modely počátečního kontaktu
Stádium zatěžování • trvá okolo 10 % krokového cyklu • chodidlo se dostává do plného kontaktu s podložkou • tělesná hmotnost je plně přenesena na stojnou končetinu
Střední stoj • trvá od 10 do 30 % krokového cyklu • začíná v okamžiku, kdy kontralaterální noha opustí podložku • posunutí dolní končetiny přes zafixované chodidlo (odpovídající dorzální flexe v kotníku) • zátěž se přesouvá po chodidle do oblasti předonoží
Konečný stoj • nastává od 30 do 50 % krokového cyklu • začíná zdvihem paty • přední část nohy se stává místem, kolem kterého se otáčí celá stojná končetina • končí v okamžiku kontaktu paty kontralaterální nohy s podložkou
Předšvih • trvá posledních 12 % stojné fáze • začíná v okamžiku kontaktu plosky kontralaterální končetiny s podložkou • končí v okamžiku, kdy palec opustí podložku (začátek flexe v kloubu kolenním) • ukončení stojné fáze, tělesná hmotnost je přenesena na druhou končetinu
Počáteční švih • první třetina švihové fáze od 62 do 75 % krokového cyklu • začíná v okamžiku, kdy noha opustí podložku • trvá až do okamžiku maximální flexe v kolenním kloubu • chybějící dorzální flexe vyžaduje zvětšený pohyb v nejbližším kloubu
Střední švih • probíhá ve druhé třetině švihové fáze od 75 do 85 % krokového cyklu • začíná v okamžiku maximální flexe v kolenním kloubu • končí v okamžiku, kdy se tibie dostává do vertikálního postavení
Konečný švih • závěrečná fáze švihu od 85 do 100 % krokového cyklu • koleno se napíná do plné extenze • příprava na kontakt nohy s podložkou • zpomalení pohybu stehna (excentrická aktivace hamstringů a m. glutaeus maximus)
Základní úkoly a cíle • Převzetí hmotnosti těla: – stabilizace končetiny při zatěžování – absorpce nárazů – udržení postupu vpřed
• Jednooporová fáze: – postup vpřed – stabilita při zatížení
• Posun končetiny ve švihové fázi: – zabránění dotyku končetiny s podložkou při švihu – posun končetiny vpřed – příprava končetiny na stojnou fázi
Vliv rychlosti chůze na trvání stojné a švihové fáze • chůze při nižších rychlostech – prodlužuje se čas stojné fáze – zkracuje se čas švihové fáze (vzhledem k trvání krokového cyklu) • kombinace délky kroku a frekvence
Kinematika hlezenního kloubu Tři zhoupnutí v hlezenním kloubu: • plantární flexe těsně po kontaktu nohy s podložkou • postupná dorzální flexe při posunu do středního stoje • plantární flexe při odlepení palce od podložky
Vliv rychlosti chůze na kinematiku hlezenního kloubu • menší dorzální flexe na konci stoje • třetí zhoupnutí (plantární flexe) nastává dříve • stupeň plantární flexe je mírně vyšší
Kinematika kolenního kloubu • absorpce nárazů, snížení zatížení • zdvih chodidla (flexe), dokončení kroku a příprava na stojnou fázi (extenze)
Kinematika kyčelního kloubu • úhel stehna a vertikály
Kinematika pánve • značky na levé a pravé SIAS a S2 vytváří trojúhelník, který definuje pánev ve třech dimenzích
Náklon pánve • úhel rotace kolem mediolaterální osy pánve • pánev dosahuje 5°náklonu dop ředu
Úklon pánve • redukuje vertikální pohyb trupu → zmenšení energetické náročnosti • je umožněn pouze při „zkrácení“ končetiny, např. při flexi v kolenním kloubu Pelv tilt
• pokles 4° na stranu švihové končetiny
Rotace pánve
Rotace kolem vertikální osy umožňuje dosažení odpovídající délky kroku bez výrazných vertikálních výchylek trupu.
Rotace pánve • při počátečním kontaktu je končetina a její strana pánve v maximu dopředné rotace vzhledem ke středu těla • na konci stojné fáze je tato strana vzadu
Těžiště lidského těla Těžiště je působiště tíhové síly. Základní anatomická poloha − oblast malé pánve, 2-3 křížový obratel.
Těžiště se během chůze dostává před bázi opory – vzniká stav kontinuální nerovnováhy. K zajištění dynamické stability hlavy, horních končetin a trupu je zapotřebí především činnost svalů pánve, kdy svaly hlezna se na tomto řízení podílejí jen minimálně.
Pohyb těžiště těla při chůzi Při normální chůzi opisuje těžiště těla plynulou sinusoidu. Celkový rozsah vertikálního posunu u dospělých jedinců je kolem 5 cm při normální rychlosti chůze. Vrcholy těchto oscilací se objevují přibližně ve středu stojné fáze. Těžiště je v nejnižší poloze v průběhu dvojí opory, kdy jsou obě chodidla v kontaktu s podložkou. Během chůze je jedinec „menší“, proto kdyby procházel tunelem, jehož výška by se přesně shodovala s jeho výškou ve stoji, mohl by projít bez obav, že se uhodí do hlavy. Těžiště těla se posouvá také laterálně, tedy v rovině frontální. Také v této rovině je jeho pohyb charakterizován sinusoidou.
Pohyb těžiště těla při chůzi • v průběhu chůze se tělo chová jako „obrácené kyvadlo“ • pohyb kyvadla je doplněn o použití „pružin“
Kinematika těžiště • k vertikálnímu posunu těžiště dochází dvakrát během dvojkroku • amplituda pohybu závisí na délce kroku, má tendenci se zvyšovat s rychlostí chůze • v anteroposteriorním směru posuzujeme relativní dopředný pohyb těžiště
Pohyb horních končetin • v přirozené rychlosti chůze – pohyb horní končetiny současně s kontralaterální dolní končetinou • při pomalé rychlosti – ve fázi s ipsilaterální končetinou, s dvojnásobnou frekvencí • amplituda se zvyšuje s rostoucí rychlostí – působení proti momentu hybnosti dolních končetin
Reakční síla podložky (GRF) • při klidném stoji – reakční síla podložky je konstantní, její velikost se rovná tíhové síle těla, její směr je opačný • při normální chůzi – reakční síla podložky se během krokového cyklu mění
Frea Fsva
Frea Fsva
Složky reakční síly vertikální složka
smykové složky (předozadní, pravolevá)
Složky reakční síly vertikální složka
anteroposteriorní složka H_Flex H_Sach P_Flex P_Sach
Frea_AP G
H_Flex H_Sach P_Flex P_Sach
Frea_V G 1.3
0.2
1.2 1.1 1.0
0.1
0.9 0.8 0.7
0.0
0.6 0.5 0.4
-0.1
0.3 0.2 0.1
-0.2 0
10
20
30
40
50
60
STANCE PHASE [%]
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
STANCE PHASE [%]
70
80
90
100
Vertikální složka reakční síly A. Během počáteční dvouoporové fáze síla prudce roste jako důsledek zatěžování končetiny. B. Maximum síly je větší než klidová tíhová síla těla. C. Během středního stoje síla klesá pod klidové zatížení. D. Síla znovu roste nad klidový stav v závěru stoje. E. Během konečné dvouoporové fáze síla prudce klesá, což je způsobeno přenesením hmotnosti na druhou končetinu.
Působiště reakční síly
COP (centre of pressure) – průběh při odvalu nohy při chůzi slouží k určení zatížení, k posouzení stavu nohy
Vliv rychlosti chůze na anteroposteriorní složku reakční síly
Vliv rychlosti chůze na vertikální složku reakční síly
Moment síly v kloubu Velikost momentu je ovlivněna • velikostí reakční síly • vzdáleností mezi vektorem reakční síly a kloubem
Moment síly v hlezenním kloubu
Vztah svalové aktivity a působení reakční síly
Poloha vektoru za kolenním kloubem vyvolává aktivitu extenzorů kolenního kloubu (m. quadriceps femoris). V polohách C-D je vektor reakční síly před hlezenním kloubem → aktivitě plantárních flexorů svalů na zadní straně bérce (m. gastrocnemius, m. soleus).
Svalová aktivita, síla Svalová aktivita umožňuje vznik vnitřních momentů síly, které slouží pro: • změny působení reakční síly, • zajištění balance, • zvýšení ekonomičnosti pohybu, • odpovídající rozsah pohybu, • zrychlení a brzdění pohybu končetin (zahájení pohybu, prevence zranění). Při chůzi převládá izometrická a excentrická aktivita svalů nad koncentrickou.
Svalová činnost Počáteční švih Svalová aktivace zajišťuje schopnost měnit rytmus a udržet chodidlo ve vzduchu. Mezišvih Činnost v periodě mezi zrychlením a zpomalením (nebo obráceně), setrvačné síly posouvají končetinu. Svalová aktivita, která je zapotřebí pro tuto činnost, je velmi malá. Konečný švih Svalová aktivita ukončuje švih a připravuje dolní končetinu na stoj.
Uložení elastické energie při běhu • Celková disipace energie při kontaktu nohy = 100 J (m=70 kg; rychlost 4,5 m.s-1). • Při zahájení fáze opory se elastická energie ukládá: – Achilles tendon ~35J – Patellar tendon ~20J – Arch of foot ~17J Celkem ~72J • Téměř ¾ kinetické energie, která by se ztratila při kontaktu nohy, je uložena jako elastická energie ve vazech a šlachách. V dalších fázích je znovu využita jako kinetická energie. • Svaly mohou kontrahovat pomaleji, dochází k redukci spotřeby ATP.
Analýza chůze Reedukace chůze vyžaduje pečlivé stanovení odchylek pacientovy chůze od normálního vzoru svalové aktivity a pohybu v kloubech. Normální chůze je mimořádně účelná z pohledu výdeje energie, a proto, vzhledem k reedukaci, je důležité se snažit co nejvíce napodobit normální vzory pohybu.
Časově prostorové parametry • rychlost • frekvence • délka kroku a délka dvojkroku
Časově prostorové parametry Rytmus (kadence, frekvence) je definován počtem kroků za standardní časovou jednotku (počet kroků/min). Délka kroku (step length) je určena vzdáleností mezi stejnými body na obou chodidlech (obvykle patách), během dvojité končetinové opory. Délka dvojkroku (lenght stride) je vymezena vzdáleností mezi dvěma po sobě jdoucími dopady chodidla té samé nohy. Kroková báze (walking base) je vzdálenost mezi chodidly, obvykle měřená od středu paty. Rychlost chůze (walking speed) je průměrná rychlost dosažená po přibližně třech krocích vyjádřená v jednotkách vzdálenost/čas (m.s-1).
Kinematické parametry • • • •
úhel poloha (posunutí) rychlost zrychlení
Označení bodů na dolních končetinách (Vaughan, 1992)
Pilotní studie: chůze osob s roztroušenou sklerózou mozkomíšní C
B
Kinogram krokového cyklu u zdravého jedince (C) a pacienta se spasticko-ataktickou kvadruparézou (B) A
C
Grafické znázornění pohybu plosky nohy u pacienta se spastickou paraparézou (A) a u zdravého jedince (C)
C
B
Grafické porovnání pohybu pravého a levého zápěstí u zdravé osoby (C) a u pacienta se spasticko-ataktickou kvadruparézou (B) Součást individuálního kineziologického rozboru pohybové poruchy a hodnocení jejího vývoje. Kvantifikace poruch chůze, které mohou být při běžném vyšetření označeny za hraniční nebo nejisté. Využití v oblasti klinického výzkumu, hodnocení účinnosti farmakoterapeutické léčby při poruchách hybnosti. Hodnocení a výzkum metod kinezioterapie a fyzikální terapie v léčebné rehabilitaci.
Analýza chůze – Parkinsonova choroba PCH PCH1
60
50
úhel [°]
40
Rozsah pohybu v levém loketním kloubu u pacienta s Parkinsonovou chorobou před (PCH) a po (PCH1) absolvování pohybové terapie
30
20
10 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
čas [s]
PCH PCH1
0.64 0.62
vzdálenos t [ m ]
0.60 0.58 0.56 0.54 0.52 0.50 0.48 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 čas [s ]
1.0
1.2
1.4
Vzdálenost pravého a levého zápěstí v průběhu jednoho dvojkroku u pacienta s Parkinsonovou chorobou před (PCH) a po (PCH1) absolvování pohybové terapie
Analýza chůze s holí Rozsah pohybu v kyčelním kloubu u probanda III při chůzi s holí a bez hole
40.0
pravá bez hole levá bez hole pravá s holí levá s holí
30.0
20.0
úhel [°]
10.0
0.0
-10.0
-20.0
-30.0
-40.0 0
10
20
30
40
50
60
procenta krokového cyklu
70
80
90
100
Analýza kontaktních tlakových sil
Analýza kontaktních tlakových sil A1 rozdíl v závěru 30 s intervalu (5,5 kg; P) Na pravé noze je rozložení tlaků příznivější, využití vnější části chodidla. Na levé rychlý přesun zatížení z paty na oblast předonoží.
Analýza chůze − hemiparéza Předozadní složka reakční síly u zdravé osoby
Analýza chůze − hemiparéza Záznam Fy složky reakční síly u osoby s hemiparézou
Analýza chůze − hemiparéza
Záznam vertikální složky (Fz) reakční síly osoba s hemiparézou
zdravá osoba
Literatura: • Ayyappa, E. (1997). Normal Human Locomotion, Part 1: Basic Concepts and Terminology. Journal of Prosthetics & Orthotics, 9(1), pp. 10-17. • Kirtley, Ch. (2006). Clinical gait analysis. Theory and practice. London: Elsevier Churchill Livingstone. • Perry, J. (2004). Normal Gait. In D. G. Smith, J. W. Michael, & J. H. Bowker (Eds.), Atlas of Amputations and Limb Deficiencies Surgical, Prosthetic, and Rehabilitation Principles (3rd ed.), pp. 367–384. Rosemont: AAOS. • Rose, J., & Gamble, J.S. (Eds.) (1994). Human walking (2nd ed.). Baltimore: Williams & Wilkins.
