1
Spieractiviteit rond het schoudergewricht tijdens het afremmen van de armbeweging bij slaan met en zonder impact in het boksen H. Boukema, D. van Dijk, E. den Dulk, R. Kuperus, B. Luitwieler, A. Mulder, W. Werker Opleiding bewegingstechnologie, Haagse Hogeschool, Johanna Westerdijkplein 75 2521 EP, Postbus 13336 2501 EH Den Haag
Samenvatting Bij boksen wordt er nog wel eens misgeslagen en bij het afremmen van de stoot, door spieren, zouden blessures kunnen ontstaan. Dit wordt mede bevestigd door een onderzoek van Neto et al (2007). Het onderzoek is gedaan met drie gezonde studenten van 18 tot 25 jaar. De stoot waarmee de proefpersonen hebben geslagen is de zogenaamde voorste directe, ook wel bekend als de jab, waarbij er geen romprotatie mag optreden. De hoofdvraag in dit onderzoek is of er een verschil in spieractiviteit rond de schouder is bij stoten op verschillende gewichten. Als theoretisch model is er gewerkt met de wet van behoud van impuls en de wet van behoud van energie. Randvoorwaarden van het model zijn en . De massa van de boksbal wordt hierin gevarieerd van 50 kg tot naderend naar 0 kg. Uitkomsten van het model voorspellen dat er bij misslaan of slaan tegen zeer lichte massa’s een remmende kracht van de arm nodig is, en bij het slaan tegen grote massa’s juist een kracht die de beweging onderhoudt. Het onderzoek is gedaan door de drie proefpersonen elk drie keer tegen 1; 5 en 25 kg te laten slaan. Er is een EMG-signaal gemeten van de m. latissimus dorsi en de m. teres major. Ook zijn alle stoten op film vastgelegd, waaruit de snelheid van de vuist vlak voor impact en de hoekuitslag van de stootzak zijn gemeten. Met behulp van de formules voor kinetische en potentiële energie en de snelheid is berekend hoeveel energie er door het lichaam moet worden opgevangen. Voor alle proefpersonen geldt dat er bij de boksbal van 25 kg minder energie opgevangen moet worden dan bij 1 kg. Bij de EMG-resultaten is een minder duidelijk beeld te zien, er doen zich slechts kleine verschillen voor. Uit de EMG-signalen kwamen geen relatief hoge pieken bij minimale gewichten van de stootzak. Er kan geconcludeerd worden dat de jab niet vaak voor blessures zorgt wanneer er misgeslagen wordt en een dergelijke training met stoten zonder impact is niet noodzakelijk wat betreft blessurepreventie. Het stoten zonder impact kan wel een goede aanvulling zijn binnen een bokstraining, aangezien het lichaam aanzienlijk meer energie moet leveren. Sleutelwoorden: boksen, impact, EMG
1. Inleiding Bij het boksen van een wedstrijd of bij een bokstraining wordt er logischerwijs veel gestoten. Het komt nogal eens voor dat er
misgeslagen wordt of dat er “droog” geoefend wordt (slaan in het luchtledige, ook wel schijnboksen of schaduwboksen genoemd). Een andere vorm van misslaan is terug te
2
vinden bij de populaire spelcomputer Nintendo® Wii. Bij deze spelcomputer heeft de gebruiker een controller in de handen die in de lucht bewogen moet worden om de gewenste beweging te simuleren, die vervolgens in het spel omgezet wordt naar eenzelfde beweging. Het probleem van zowel het misslaan bij boksen dan wel het schijnboksen en het spelen met een Nintendo® Wii is dat er enorme krachten plaatsvinden tijdens de beweging, maar dat er geen object (zoals een stootkussen) is om de beweging af te remmen. De enige kandidaat in het menselijk lichaam om een beweging af te remmen c.q. tegen te gaan is een spier. Het is mogelijk dat er door het misslaan met hoge snelheden blessures kunnen ontstaan. De onderzoeksvraag in dit onderzoek luidt: is er een verschil in spieractiviteit rond de schouder bij stoten op verschillende gewichten? Aan de hand van deze vraag kan een uitspraak gedaan worden of boksers er baat bij hebben om meer te trainen op stoten zonder impact. Veel van de kennis over schouderklachten bij sporters komt voort uit onderzoek bij honkballers. In deze sporttak wordt de schouder extreem zwaar belast, vooral met het versnellen en vertragen van de arm (Hackney [1], Park [2]) In deze onderzoeken komt naar voren dat er in het schoudergewricht sprake is van een zorgvuldige balans tussen mobiliteit en functionele stabiliteit. De spieren die een belangrijk aandeel in deze balans hebben zijn de rotator cuff spieren. Deze kleinere spieren rondom het schoudergewricht zorgen min of meer voor de sturing van het gewricht zodat de primaire bewegers, zoals de m. deltoideus en de m. latissimus dorsi kunnen zorgen voor de kracht. Zodra deze krachtige spieren de remming niet kunnen bewerkstelligen om wat voor reden dan ook, is het denkbaar dat de kleinere spieren rondom het schoudergewricht de enorme tegenkrachten niet kunnen leveren voor de afremming van de beweging. Aanleiding tot dit onderzoek is een artikel van Neto et al [3] over het uitvoeren van een karateslag met en zonder impact. De voornaamste uitkomst van het onderzoek was het advies dat voor krachttraining er beter een oefening met impact uitgevoerd kon worden. 2. Methode In dit hoofdstuk wordt de opzet van het onderzoek uiteengezet. Ook worden de keuzes
voor een verklaard.
aantal
onderzoekselementen
2.1. Uitvoering stoot De stoot waarmee de participanten hebben geslagen is de zogenaamde voorste directe, ook wel bekend als de jab. Er is gekozen om de participant met de voorkeursarm te laten slaan. De voorste directe wordt geslagen met de voorste arm in een rechte lijn richting het doel. De hand ligt op het moment van raken in het verlengde van de arm. De benen staan in een lichte spreidstand waarbij het voorste been gelijk is aan de kant van de voorkeursarm. De romp is maximaal geroteerd zodat alleen de schouder- en armspieren voor zowel de versnelling als de vertraging moeten zorgen.
Figuur 1. Jab
Figuur 2. Weergave model
2.2. Theoretisch model Het stoten met een vuist tegen een boksbal kan gezien worden als een botsing waarvoor de wet van behoud van impuls geldt (vergelijking 1). Voor elke vorm van bewegen geldt ook de wet van behoud van energie (vergelijking 2).
In het wiskundig computerprogramma Maple™ 10 is op basis van deze twee wetmatigheden een model opgesteld van een arm die tegen een stilstaande boksbal gestoten wordt. Randvoorwaarden van het model zijn en . De massa van de boksbal wordt gevarieerd, zodat
3
verderop in het model een voorspelling gedaan kan worden wat de invloed van de massa van de boksbal (naderend naar 0 kg voor het simuleren van misslaan) is op de energie die eventueel door armspieren geleverd moet worden. In figuur 3 is te zien dat volgens de wet van behoud van impuls bij een groter wordende massa van de boksbal, de snelheid die deze gaat krijgen kleiner wordt.
Figuur 5. Snelheden boksbal na botsing volgens beide wetten
Figuur 3. Snelheid boksbal na botsing volgens wet van behoud van impuls
In figuur 4 is hetzelfde effect waar te nemen bij toepassing van de wet van behoud van energie. Als beide grafieken over elkaar heen gelegd worden zoals in figuur 5 gedaan is, zien we dat deze niet hetzelfde verlopen. Het snijpunt van de grafieken is bij m = 4.4 kg (= massa arm). Het ongelijk lopen van de grafieken duidt erop dat de wet van behoud van energie niet correct opgesteld is.
Figuur 4. Snelheid boksbal na botsing volgens wet van behoud van energie
De wet van behoud van impuls schrijft voor dat de som van massa maal snelheid van alle betrokken elementen voor de botsing hetzelfde is als na de botsing. In deze formule kan geen verlies optreden, slechts in de vorm van vervorming van de boksbal. Aangezien deze bij de wet van behoud van energie ook niet is meegenomen, zit hier geen fout. Aangezien er voor de botsing alleen een beweging van de arm plaatsvindt, is de linkerkant van de formule correct opgesteld. Aan de rechterzijde van de formule ontbreekt dus nog een invloed op het systeem. Deze invloed is Eoverig genoemd (vergelijking 3). Omdat de vervorming van de boksbal al was vereenvoudigd uit de formules, is er nog slechts één mogelijkheid waar de overgebleven energie vandaan kan komen: de arm. Aangezien de arm niet direct stilstaat na de botsing met de boksbal, moet deze beweging meegenomen worden in de berekening. Eoverig komt als term aan de rechterzijde van de berekening voor wet van behoud van energie te staan. De verandering van impuls kan gebruikt worden voor het berekenen van de kracht die de arm moet leveren (vergelijking 4). Het product -1 voor de verandering van de impuls gedeeld door de tijdsduur van de krachtleverantie zorgt voor de omrekening van reactiekracht naar actiekracht voor de arm.
4
Figuur 7. Kracht in de arm voor het leveren van de overige energie
Het model voorspelt dat er bij misslaan of slaan tegen zeer lichte massa’s een remmende kracht van de arm nodig is, en bij het slaan tegen grote massa’s juist een kracht die de beweging ondersteunt.
Figuur 6. Verloop overige energie bij oplopende massa boksbal
In figuur 6 is het verloop van Eoverig te zien, waarbij opvalt dat de grafiek de x-as snijdt bij m = 4.4 kg (= massa arm). Figuur 7 illustreert het verloop van de kracht in de arm voor de variabele t (tijd waarin de arm Eoverig moet leveren). Deze kracht is voor verschillende massa’s van boksballen berekend, zowel massa’s zwaarder als massa’s lichter dan de massa van de arm. Hiermee wordt gesimuleerd wat het verschil is tussen slaan tegen een massa en slaan in de lucht, gelijk aan misslaan. Voor de boksbal met een massa lichter dan de massa van de arm is te zien dat er een kracht naar links geleverd moet worden. Dit betekent dat er een voor de beweging remmende kracht geleverd moet worden. Voor boksballen met een massa zwaarder dan de massa van de arm voorspelt het model dat er een kracht naar rechts geleverd moet worden, dit noemen we een bewegingsondersteunende kracht. Deze kracht blijft de beweging zodanig aansturen dat de reactiekracht van de boksbal op de arm opgeheven wordt.
2.3. Participanten Drie gezonde studenten van 18 tot 25 jaar. participeerden vrijwillig in het onderzoek, (n = 3 mannelijke studenten). De participanten werden binnen de Haagse Hogeschool geselecteerd. Geen van de participanten had op dat moment een blessure of functieprobleem die de gevraagde arbeid ook maar op enige wijze zou kunnen belemmeren of beïnvloeden. 2.4. Design Het onderzoek werd uitgevoerd in het lokaal RZ 2.19 van de Haagse Hogeschool te Den Haag. In dit lokaal werd getracht de onderzoeksomstandigheden zo constant mogelijk te houden. Er werd met boksballen van verschillende gewichten getest, namelijk 1, 5 en 25 kilogram. Per participant werd per gewicht van boksbal drie maal geslagen. 2.5. Meetinstrumenten Een twee kanaals EMG-recorder (ME3000, Mega Electronics, Finland) werd gebruikt voor het meten van EMG-signalen van de spieren rond de schouder (m. teres major en m. latissimus dorsi). Beide spieren liggen dermate oppervlakkig dat een EMG-signaal met oppervlakte-elektrodes meetbaar is. Deze
5
spieren hebben allebei een retroflecterend effect op de arm. De voorste directe vraagt een anteflexie van de arm en bij het bereiken van de eindstand moet de arm afgeremd worden door een antagonist, wat in dit geval de retroflectoren zijn. Er is specifiek gekozen voor de m. teres major en de m. latissimus dorsi omdat dit spieren zijn die geschikt zijn voor een oppervlakt EMGmeting. Dit in tegenstelling tot spieren van de rotator-cuff, die een diepere ligging hebben en daardoor niet geschikt zijn voor een oppervlakte EMG meting. De gebruikte elektrodes (Kendall, tyco/healthcare, 45mm) voor het meten van het EMG-signaal werden op een geschoren en met alcohol gereinigde huid geplaatst. Het scheren en reinigen van de huid verbetert het meetniveau (de impedantie van de huid wordt hiermee lager dan 10k ). De plaatsing van de elektrodes ging als volgt: • m. teres major: op het midden van de lengte van het oppervlakkig gelegen gedeelte van de spierbuik worden twee elektrodes vlak naast elkaar geplaatst. • m. latissimus: voor deze spier geldt hetzelfde principe als voor de m. teres major. • referentie-elektrode: de referentieelektrode werd op de spina scapulae geplaatst. De proefpersonen zijn tijdens de metingen met een camera gefilmd. De camera die hiervoor gebruikt is, is de Sony Handycam 3.0 megapixels. Deze beelden zijn geanalyseerd met het programma Silicon Coach®. Met behulp van dit programma zijn de snelheid van de vuist op het moment van impact en de hoekuitslag van de stootzak bepaald.
Figuur 8. Bovenaanzicht meetopstelling
3. Resultaten De metingen van de proefpersonen zijn op camera vastgelegd. Aan de hand van de filmbeelden zijn de volgende gegevens bepaald: snelheid van de hand op het moment van impact en de hoekuitslag van de stootzak. Met de volgende formules is berekend welke energie opgevangen moet worden door het lichaam: • • • In tabel 1 is per proefpersoon weergegeven hoeveel energie opgevangen moest worden door het lichaam, bij verschillende gewichten. Tabel 1. Energie in Joule opgevangen door het lichaam
1 kg 5 kg 25 kg
pp1 69.61 41.34 37.16
pp2 91.00 70.30 15.90
pp3 48.10 39.28 19.37
6
Figuur 12. EMG-waarden proefpersoon 3
Figuur 9. Energie in Joule opgevangen door het lichaam
In de onderstaande tabel staan de gemeten EMG-waarden van de verschillende proefpersonen. Tabel 2. EMG-waarden in mV
1 kg 5 kg 25 kg
pp1 lat tmj
0,12 0,10 0,11
0,21 0,24 0,25
pp2 lat tmj
0,09 0,09 0,09
0,23 0,21 0,16
pp3 lat tmj
0,13 0,10 0,07
lat = latissimus dorsi tmj = teres major
Figuur 10. EMG-waarden proefpersoon 1
Figuur 11. EMG-waarden proefpersoon 2
0,12 0,10 0,10
Bij proefpersoon 1 blijft de activiteit van de m. latissimus dorsi ongeveer gelijk en de activiteit van de m. teres major neemt toe. Bij proefpersoon twee blijft de activiteit van de m. latissimus dorsi ook gelijk en de activiteit van de m. teres major neemt, in tegenstelling tot proefpersoon 1, af. Bij proefpersoon 3 neemt de activiteit van de m. latissimus dorsi af en de activiteit van de m. teres major blijft nagenoeg gelijk. 4. Discussie Uit het theoretische model komt naar voren dat de spieren de grootste energie moeten leveren, wanneer het gewicht van de stootzak laag is. Deze energie is het laagst wanneer het gewicht van de stootzak gelijk is aan het gewicht van de arm. Wanneer het gewicht hierna toeneemt, zal volgens het theoretische model de energie ook toenemen tot een bepaald gewicht van de zak. Bij stootzakken tussen de 20 en 50 kg zijn de verschillen relatief klein en ongeveer gelijk. De waardes die zijn berekend aan de hand van de filmbeelden zien er iets anders uit dan vooraf was gedacht. Het klopt dat de energie, die opgevangen moet worden door de spieren, het hoogst is bij een gewicht van 1 kg. Dit is te verklaren door te stellen dat het gewicht van de stootzak de arm niet voldoende afremt en dat het lichaam energie moet leveren om de arm te remmen. Maar als het gewicht van de zak toeneemt, neemt de energie die opgevangen moet worden door de spieren af. Dit is anders dan het theoretische model, maar hierin werd geen rekening gehouden met indrukking van de stootzak. Uit de praktijk blijkt dus dat er minder energie geleverd moet worden door de rugspieren, als er geslagen wordt op een zwaardere stootzak. De arm wordt in dit geval voldoende afgeremd en er is alleen spieractiviteit nodig om de klap op te vangen. Dit is echter niet heel duidelijk terug te zien in het EMG-signaal van de rugspieren. Bij
7
proefpersoon 1 wordt het EMG-signaal hoger naarmate het gewicht van de zak toeneemt. Dit staat lijnrecht tegenover de bevindingen, die komen uit de berekeningen met de filmbeelden. Bij proefpersoon 2 neemt de activiteit van de m. teres major af, naarmate het gewicht hoger wordt. Dit klopt, als gekeken wordt naar de energie die is berekend uit de filmbeelden. Bij proefpersoon 3 neemt juist de activiteit van de m. latissimus dorsi af. Dit komt overeen met de resultaten uit de filmbeelden. Er kan dus niet echt een duidelijk conclusie worden getrokken aan de hand van de EMGwaarden. Verwacht werd dat er een hoog signaal te zien was, wanneer er werd geslagen op een minimaal gewicht. De verschillen zijn echter minimaal en komen maar overeen met de berekeningen bij 2 van de 3 proefpersonen. Er is ook geslagen op een stuk papier dat was opgehangen, maar omdat dit ook geen duidelijke EMG-signalen opleverde en omdat hiermee niet mee gerekend kon worden, is dit niet verder in dit artikel opgenomen. In dit geval kan er beter gekeken worden naar het model dat is opgesteld aan de hand van de filmbeelden. De EMG-metingen zijn niet erg betrouwbaar. Enerzijds omdat er maar gemeten wordt met een frequentie van 10 Hz en anderzijds omdat het hier gaat om een snelle dynamische beweging. Het meten van spieractiviteit gaat beter wanneer het gaat om een statische contractie. Daarbij komt nog dat de MVC-waarde (Maximaal Vrijwillige Contractie) niet gemeten is, en er dus niets concreets gezegd kan worden over de gevonden EMG-signalen tijdens het meten van de proefpersonen. Het meten van de MVC-waarde was niet mogelijk, doordat er in het gebied rond de scapula meerdere spieren zitten die meerdere effecten hebben over de arm of het scapula. Het meten van de MVC-waarde van een specifieke spier is, met de in dit onderzoek beschikbare middelen, niet te bepalen. Tevens is het bepalen van een MVC vooral geschikt voor statische contracties. 5. Conclusie Er werd in dit onderzoek gekeken naar de spieractiviteit van de spieren bij het stoten op verschillende gewichten. Er werd aangenomen dat er blessures ontstaan, wanneer een bokser misslaat tijdens een gevecht. Volgens het model en de berekeningen uit de praktijk klopt
het dat het lichaam en de schouder de grootste energie moet leveren wanneer er wordt geslagen op een klein gewicht. Dit is te vergelijken met een situatie wanneer de bokser misslaat. In dit onderzoek is er getest aan de hand van een voorste directe stoot. Deze stoot is gekozen, omdat dit voor de berekeningen een relatief gemakkelijke beweging is en omdat dit voor de proefpersonen een goed uit te voeren beweging is. Van te voren werd gedacht, dat er bij bokstrainingen mogelijk vaker getraind zou kunnen worden zonder stootkussen, zodat de spieren beter ‘getraind’ zijn tegen misslaan. Uit de EMG-signalen kwamen geen relatief hoge pieken bij minimale gewichten van de stootzak. Er wordt echter wel getwijfeld over de uitkomst van deze metingen. De energieberekeningen en het model geven wel aan dat, stoten op een minimaal gewicht, aanzienlijk meer energie vergt van het lichaam dan stoten op een relatief zwaar gewicht. Het trainen, waarbij in het luchtledige wordt gestoten, kan dus een aanvulling zijn op een ‘normale’ training, aangezien het zwaarder voor het lichaam is. Maar wat betreft blessurepreventie kan geconcludeerd worden dat het niet noodzakelijk is om ook op deze manier te trainen. Dit onderzoek concentreerde zich op een directe voorwaartse stoot. Er kunnen geen uitspraken worden gedaan over andere stoten. Literatuurlijst [1] Hackney R.G., Advances in the understanding of throwing injuries of the shoulder, Br J Sports Med 1996; 30:282-288 [2] Park S., The shoulder in baseball pitching: biomechanics and related injuries, NYU Hospital for joint diseases, 2002 [3] Neto O.P, Magini M, Pacheco M.T.T. Electromyographic study of a sequence of Yau-Man Kung Fu palm strikes with and without impact, Journal of Sports Science and Medicine, 2007
