CC BY
4
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА СИЛУ СГИБАТЕЛЕЙ КИСТИ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ
А.В. ВОРОНОВ, А.А. ВОРОНОВА, П.В. КВАШУК, Р.В. МАЛКИН, Г.Н. СЕМАЕВА, А.В. ШПАКОВ,
ФГБУ ФНЦ ВНИИФК
Аннотация
Соревнования по маунтинбайку проходят по пересеченной местности: подъемы, крутые повороты и спуски. Особенно при спусках спортсмены испытывают вибрацию на руле, связанную с микрорельефом трассы (камни, ямы и другие препятствия). Поставили задачу определить влияние вибрации на мышцы предплечья, удерживающие руль велосипеда. Исследование проводили на лабораторном стенде. В группе испытуемых - спортсмены, у которых сила мышц сгибателей кисти, нормированная на вес тела, составляет 6,17 ± 0,15 Н/кг при частоте вибрации 12 Гц, сила сгибателей не превышает величины 25% от максимальной силы. Если сила мышц сгибателей кисти, зарегистрированная кистевым динамометром, составляет 5,41 ± 0,23 Н/кг, то при увеличении частоты вибрации с 6 до 12 Гц сила сгибателей кисти достигает 36-41% от максимальной силы, что приводит к пережатию кровеносных сосудов и, как следствие
этого, снижению скорости кровотока в мышцах предплечья.
Ключевые слова: сила мышц кисти, электромиограмма, кистевая динамометрия.
INFLUENCE OF VIBRATION ON HAND FLEXION FORCE IN BIKERS
A.V. VORONOV, A.A. VORONOVA, P.V. KVASHUK, R.V. MALKIN, G.N. SEMAEVA, A.V. SHPAKOV,
FSBIFSC VNIIFK
Abstract
Mountain bike competitions are held on rough terrain: ascents, sharp turns and descents. Especially during descents, athletes experience vibration on the steering wheel associated with the microrelief of the track (rocks, pits and other obstacles). We set the task to determine the effect of vibration on the forearm muscles holding the bicycle handlebar. The study was carried out on a laboratory stand. In the group of subjects whose hand flexor muscle strength, normalized by body weight, is 6.17 ± 0.15 N/kg at a vibration frequency of 12 Hz, the flexor force does not exceed 25% of the maximum force. If the strength of the muscles, flexors of the hand, registered by a hand dynamometer is 5.41 ± 0.23 N/kg, then, with an increase in the vibration frequency from 6 to 12 Hz, the strength of the flexors of the hand reaches 36-41% of the maximum force, which leads to compression of blood vessels, and, as a result, a decrease in the speed of blood flow in the muscles of the forearm.
Keywords: hand muscle strength, electromyogram, hand dynamometry.
При преодолении различных препятствий по соревновательной трассе (камни, ямы, подъемы, крутые повороты и спуски) велосипедисты меняют форму посадки. Если мышцы спины и плеча получают нагрузку при педалировании в положении «стоя», когда опора смещается с седла на руль, то мышцы предплечья находятся в постоянном напряжении, особенно при спусках, так как при этом необходимо удерживать руль велосипеда для преодоления микрорельефа трассы. На рис. 1 представлены электромиограммы (ЭМГ) мышц и спектр акселерометра (установлен на правой голени) при спусках на типичной для МТБ-трассе. Частоты, зарегистрированные акселерометром, были в диапазоне от 1 до 11 Гц. Оценку вибрации на силу мышцы предплечья проводили на стенде в лабораторных условиях.
Цель исследования - оценить силу мышц-сгибателей кисти при удержании руля велосипеда в зависимости от частоты вибрации.
Методы исследования
Для оценки влияния низкочастотной вибрации на мышцы верхних конечностей был создан стенд, имитирующий вибрационную нагрузку и состоящий из следующего оборудования: велоэргометр "Сус1ш", виброплатформа "PоwerMan", видеосистема «Видеоанализ-3Б -Биософт», телеметрическая 10-канальная миография «СпортЛаб», ручной динамометр ДК-140. Общий вид методики представлен на рис. 2. В эксперименте приняли участие 6 спортсменов: 4 чел. с квалификацией мс - кмс, 2 чел. - физически активные мужчины, использующие
велосипед в своей тренировке. Мощность педалирования темп педалирования - 70 об/мин. На каждой частоте ис-на велоэргометре "Сус1ш" была в диапазоне 150-250 Вт, пытуемые выполняли 2-3 попытки длительностью 60 с.
Обозначение каналов АЦП на оси ординат миограммы: 1 - m. vastus lateralisR; 2 - m. rectus femorisR; 3 - m. biceps femoris caput longus_R; 4 - m. gastrocnemius medialis_R; 5 - m. latissimus dorsiR; 6 - m. deltoideus_2_R; 7 - m. triceps brachiiR
а
Ускорение по оси Z_R. Спек, окно: Harming. Продл. сигнала: Симметричное продление
4,20-
2,20- -
1,60- - — - -- —
0,800,60- — — -- -- --
—
__|_
0,20-
1 1
1 2 4 5 6 ; 9 10 1 1 12 1 1 4 15 1 1 1 19 20 21 2 23 25
Частота (Гц)
б
Рис. 1. Электромиограммы мышц и спектр акселерометра при спусках на типичной для МТБ-трассе:
Рис. 1, а. С 1-го по 7-й каналы - ЭМГ мышц верхней и нижней конечностей при спуске с горы по соревновательной трассе МТБ; 8-й канал - акселерометр. Рис. 1, б. Спектр акселерометра (пример распечатки с экрана дисплея)
С*)
Рис. 2. Стенд для оценки вибрационной нагрузки на мышцы велосипедистов. Состав стенда: велоэргометр "Сус1из", виброплатформа "PоwerMan"
Диапазон частот виброплатоформы составил: 6,0; 8,5; 10,0 и 12,0 Гц. Вертикальная амплитуда колебания платформы - 1,5 см. Частота регистрации видеосигнала -90 кадров/с, ЭМГ - 1000 Гц. Регистрацию силы кисти и ЭМГ проводили на правой верхней конечности. Сгибатели кисти и пальцев кисти (m. flexor carpi radialis и m. flexor carpi ulnari) расположены близко, одна под другой [1], поэтому приняли, что поверхностная мио-грамма регистрируется одновременно с двух мышц. Силу сгибателей кистей регистрировали с помощью динамометра ДК-140 в соответствии с правилами кистевой динамометрии [2].
Спортсмены выполняли 2-3 попытки с максимальным усилием, отдых между попытками был до полного восстановления. Затем выполняли 3-4 попытки с силой в диапазоне от 20 до 50% максимума с одновременной регистрацией ЭМГ мышц правого предплечья (m. brachioradialis_R; m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris_R).
Пример зарегистрированной ЭМГ мышц предплечья с разной силой сгибания кисти приведен на рис. 3. Рассчитывали среднее значение амплитуды ЭМГ-сигнала при сгибании кисти (на рис. отмечено двумя вертикальными линиями, соответствует силе кисти 373 Н).
Легенда 0
Проаюфданнш j Мрабопасигкала Средние Сластршнмй ¡
ВСЕ ЭМГ Платф-1 Платф-2 Платф-3
J д Eqaaemi
W граи*
п. rectus femo-ris -i
п. biceps capuit longus
i
п. brachii radialis 1
J n, carpi radialis i
Параметры траееторий
Траектории Начале Конец [кадры] [кадры И
■
Отдельная траектория
41«
'Ф1
Д
Mm
6 - m, triceps
7 - т. brach» radialis pVV*
8 - m, carpi radialis /\/"'
«ÍÉÉÉÉ
0,0 1,1 2,1 ш 4,2 5.3 6,3 7,4
Í5 10, 5 Время (с)
10,5 , 11,6 12,6 13.7 14,7 15,8 16,8 17,9 18,Э 20,0
6
7
8
Рис. 3. ЭМГ мышц верхней правой конечности при регистрации силы кистевым динамометром ДС-140: Сверху вниз на ЭМГ: 6 канал - m. triceps brachii R; 7 канал - m. brachioradialis R; 8 канал - m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris. Сила мышц, зарегистрированная ДК-140, слева на право: 177 Н, 373 Н, 216 Н (распечатка с экрана дисплея). Значение амплитуды ЭМГ-сигнала: левая граница (белая вертикальная линия) = 8,70 с;
правая граница (черная вертикальная линия) = 11,14 с
Результаты
На профиль ЭМГ влияют положение электродов на мышце, межэлектродное расстояние, анатомические и морфологические особенности строения мышцы: диаметр и сила мышечных волокон; расположение различного типа волокон в мышце; физиологический поперечник мышц; максимальная сила мышцы; толщина кожно-жирового слоя между мышцей и электродом [3, 4]. В связи с перечисленными выше факторами
исследования
рассматривали не абсолютные значения ЭМГ мышц верхней конечности, а нормированные на ее максимум (рис. 4).
Предположили, что кистевой динамометр регистрирует только силу m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris. В табл. 1 представлены значения средней амплитуды (СрЭМГ), максимальной силы и амплитуды ЭМГ при развитии максимального усилия (СрЭМ^^).
20
40 60 80
Амплитуда ЭМГ (% от максимума)
100
120
A m. triceps brachii Ж m. brachiioradialis
• m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris
Рис. 4. Зависимость между ЭМГ и силой, построенная по результатам кистевой динамометрии
0
Таблица 1
Средняя максимальная амплитуда ЭМГ при развитии максимального усилия, максимальная сила и средняя амплитуда ЭМГ, зарегистрированная на вибрационном стенде для выбранных мышц
№ п/п Испытуемый Максимальная сила (Н) СрЭМ^ (мкВ) СрЭМГ при работе на вибрационном стенде (мкВ)
1 Ар-ев 373 471 55
2 Ал-ин 304 191 60
3 Шп-ов 461 622 70
4 Са-ва 353 151 38
5 Ск-на 353 701 40
6 Ма-ин 540 209 60
По результатам регистрации ЭМГ мышц предплечья и силы построили уравнение регрессии. Положение электродов на мышцах верхней конечности при педалировании на вибрационном стенде и кистевой динамометрии было неизменным. Поэтому, зная амплитуду ЭМГ при педалировании с разной частотой вибрационной платформы, можно оценить влияние частоты вибрации на силу сгибателей кисти по регрессионному уравнению (1):
Ffl = 0,8091х СРЭМГ- х100 + 16,859 ,
СрЭМГМ4Х
где: Ffl - сила m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris (% от максимума);
СрЭМГ; - среднее значение амплитуды ЭМГ сгибателей кисти за один оборот педалей (мкВ);
СрЭМГмлх - максимальное значение амплитуды ЭМГ m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris при проявлении максимального усилия (кистевая динамометрия) (мкВ).
Максимальную силу, зарегистрированную ДК-140, нормировали на вес тела. По результатам измерения силы участники эксперимента (6 чел.) были разбиты на две группы. В первую группу вошли спортсмены с силой сгибателей кисти 6,17 ± 0,15 Н/кг (Ар-ев, Скр-на, Шп-ов). Во вторую - с относительной силой кисти 5,41 ± 0,23 Н/кг (Ал-ин, Ма-ин и Са-ва).
На рис. 5 представлены результаты исследования. У спортсменов первой группы при увеличении вибрации до 12 Гц сила мышц предплечья не превышает 25% максимальной. Во второй группе при увеличении частоты вибрации с 6 до 20 Гц сила сгибателей кисти при удержании руля может достигать величины 36-41% от максимальной силы (рис. 5). При изменении частоты вибрации с 0 до 12 Гц сила m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris увеличивается на 12% (n = 6) по сравнению с педалированием без вибрации (нижний рис. 5).
о
50 45 40 35 30 25 20
Ар-ев Ал-ин
о- Скр-на Ма-ин
8 10 12 Частота виброплатформы (Гц) Шп-ов ■й— Са-ва
50
я
Л 45
I 40
| 35
30
£ 25
® 20 s
О
14
8 10 12 Частота виброплатформы (Гц)
-■О-- Группа 1 (n = 3) Группа 2 (n = 3)
— Все участники (n = 6)
Рис. 5.
Верхний рис. Влияние вибрации на силу при педалировании с постоянной мощностью 150 Вт в двух группах испытуемых.
Нижний рис. Относительная сила и изменение относительной силы
сгибателей кисти
Заключение
Для преодоления различных препятствий по соревновательной трассе (камни, ямы, подъемы, крутые повороты и спуски) велосипедисты МТБ в отличие от гонок по шоссе прикладывают значительные усилия для удержания руля. При увеличении частоты вибрации с 6 до 12 Гц при относительной силе мышц предплечья < 5,41 ± 0,23 Н/кг сила m. flexor carpi radialis + m. flexor carpi ulnaris может достигать величины 36-41% от максималь-
ной силы, что приводит к пережатию кровеносных сосудов и, как следствие этого, снижению скорости кровотока в мышцах предплечья. Нарушение локального кровообращения является причиной развития гипоксии [5, 6], усиления лактатного метаболизма и существенно ускоряет развитие утомления. Велосипедистам дисциплины «Маунтинбайк» необходимо иметь силу сгибателей кисти не менее 6,2 Н/кг.
Литература
1. Винсет, П. Большой атлас анатомии. - М.: АСТ, 2020. - 192 с.
2. Пронина, Н.В. Методические указания и задания к лабораторной работе «Исследование и количественная оценка функционального состояния мышц методом динамометрии» по дисциплине «Физика, математика» для студентов медицинских и фармацевтических специальностей. - Симферополь, 2016. - 11 с.
3. Basmajian, J.V., De Luca, CJ. Muscles alive. Their functions revealed by electromyography. Baltimore: Williams and Wilkins Waverly Press, 1985. - 675 p.
4. Hof, A.L. EMG and muscle force: an introduction // Human movement Science. - 1984. -Vol. 3. - Pp. 119— 153.
5. Barcroft, H, Greenwood, B, Whelan, R.F. Blood flow and venous oxygen saturation during sustained counteraction of the forearms muscles // Journal of Physiology (London). - 1968. - Vol. 168. - Pp. 848-856.
6. Joyner, M.J., Casey, D.P. Regulation of Increased Blood Flow (Hyperemia) to Muscles During Exercise: A Hierarchy of Competing Physiological Needs // Physiology Review. -2015. - Vol. 13. - No. 2. - Pp. 549-601.
References
1. Vincet, P. (2020), The Big Atlas of Anatomy, Moscow: AST, 192 p.
2. Pronina, N.V. (2016), Methodological guidelines and tasks for the laboratory work "Research and quantitative assessment of the functional state of muscles by dynamometry" in the discipline "Physics, mathematics" for students of medical and pharmaceutical specialties, Simferopol, 11 p.
3. Basmajian, J.V. and De Luca, C.J. (1985), Muscles alive. Their functions revealed by electromyography, Baltimore: Williams and Wilkins Waverly Press, 675 p.
4. Hof, A.L. (1984), EMG and muscle force: an introduction, Human movement Science, vol. 3, pp. 119-153.
5. Barcroft, H., Greenwood, B. and Whelan, R.F. (1968), Blood flow and venous oxygen saturation during sustained counteraction of the forearms muscles, Journal of Physiology (London), vol. 168, pp. 848-856.
6. Joyner, M.J. and Casey, D.P. (2015), Regulation of Increased Blood Flow (Hyperemia) to Muscles During Exercise: A Hierarchy of Competing Physiological Needs, Physiology Review, vol. 13, no. 2, pp. 549-601.
e*)
