VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 15e jaargang 1997, no.3

Transcriptie

1 Auteur(s): C. Doorenbosch, J. Harlaar Titel: Samenwerking door Tegenwerking Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 3 Oorspronkelijke paginanummers: Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para-) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van:

2 SAMENWERKING DOOR TEGENWERKING C. Doorenbosch J.Harlaar Dr. Caroline Doorenbosch, bewegingswetenschapper, AZVU Afd. Revalidatie Amsterdam Ir. Jaap Harlaar, hoofd bewegingslaboratorium, AZVU Afd. Revalidatie Amsterdam Inleiding Een van de aspecten die voorkomen bij samenwerkende spieren tijdens bewegingen is de mogelijk optredende gelijktijdige actie van spieren die een tegengestelde functie hebben rond eenzelfde gewricht, de zogenaamde co-contractie. Vaak is verondersteld dat co-contractie zoveel mogelijk vermeden moet worden, omdat dit (onnodig) teveel energie zou kosten. Immers, elke kracht die tegengesteld is gericht aan het gewenste netto gewrichtsmoment moet overwonnen worden door extra krachten. Ook wordt cocontractie vaak verbonden aan neuromusculaire aandoeningen als symptoom of oorzaak van abnormale en inefficiënte bewegingen, zoals bij spasticiteit. Toch lijken er in vele dagelijkse activiteiten van gezonde personen veel co-contracties op te treden. Daarbij kan gedacht worden aan de zogenaamde functionele cocontractie van biarticulaire spieren, zoals met name in het werk van Van Ingen Schenau is terug te vinden (zie o.a. Ingen Schenau, 1989; Doorenbosch & Ingen Schenau, 1995). Op deze theorie is uitgebreid ingegaan eerder in dit tijdschrift (Faber, 1996). Ook heeft co-contractie in veel voorkomende bewegingen een duidelijk stabiliserende functie. Bijvoorbeeld over de schouder is een stabilisatie door veel co-activatie noodzakelijk om de arm vrij in de ruimte te kunnen bewegen (o.a. Veeger; 1996). Voor gewrichten die arthrokinetisch stabiel zijn kan het soms een vereiste zijn om een grotere stijfheid te creëren afhankelijk van de taakvereisten. Dit speelt een rol bij het opstaan vanuit een stoel. Rond de enkel blijkt er daarbij een sterke co-activatie op te treden, noodzakelijk om de lichaamsbalans te sturen en handhaven wanneer de persoon op twee benen komt te staan (Doorenbosch et al. 1994, 1996). Een grotere stijfheid van gewrichten is ook teruggevonden bij een onderzoek naar de coördinatie tijdens het aanleren van een nieuwe moeilijke taak, zoals het skiën op een skisimulator (Vereijcken et al., 1992). Aanvankelijk is er veel co-contractie rond alle gewrichten. Het is op te vatten als een soort 'bevriezen' van de gewrichten. Naarmate de proefpersonen geoefender werden nam de mate van co-contractie af en werd er soepeler bewogen. Dit is waarschijnlijk herkenbaar bij de herinnering aan de eerste keer op de schaats of ski. Dit fenomeen bij het aanleren van nieuwe complexe bewegingen is zeker te generaliseren en is dus ook terug te vinden in de revalidatie wanneer personen opnieuw allerlei taken moeten leren. Co-contractie wordt dus met name gerelateerd aan taken waarbij controle over gewrichtsstabiliteit van belang is. Nog een voorbeeld waarbij co-contractie een stabiliserende functie heeft, is de toegenomen mate van cocontractie rond de knie na een laesie van de voorste kruisband (VKB) (Barratta et al., 1988; O'Connor, 1993, Sinkjaer et al. 1991; Walla et al., 1985). Door het verlies van de VKB wordt diens stabiliserende functie overgenomen door extra activatie van de hamstrings tijdens bewegingen waarbij met name de knie geextendeerd moet worden, zoals bij een sprong, het gaan, opstaan, trapoplopen etc. Deze gecoördineerde co-contractie van hamstrings met de quadriceps, de actieve stabilisatie, realiseert een 'stijf' gewricht en waarborgt daarmee een stabiele knie. Uiteraard zal een voldoende en goed gecoördineerde aanspanning van alle spieren rond de knie pas na een tijd van revalidatie mogelijk zijn en zal deze, gezien de laesie, niet identiek zijn aan de mate van co-contractie bij gezonde personen. De nieuwe, compensatoire, coördinatie bij VKB-patiënten moet dus aangeleerd worden in functionele bewegingen. Het is mogelijk dat wanneer kniepatiënten blijvende instabiliteitsklachten houden, deze coördinatie niet goed ontwikkeld is. Informatie over de mate van co-contractie tijdens bewegen kan van waardevolle betekenis zijn bij de evaluatie van bv. therapeutische interventies. Bij spastici zou de bepaling van een waarde voor de mate van cocontractie voor en na een bepaalde behandeling (McLellan, 1977) een indicatie kunnen zijn voor de toegenomen ontspanning.

3 Ook kan de mate van co-contractie een aanwijzing zijn in hoeverre een bepaalde complexe beweging is aangeleerd. En in het voorbeeld van de VKB-patiënten zal de mate van co-contractie een belangrijke parameter kunnen zijn in hoeverre de knie actief gestabiliseerd kan worden, hetgeen van groot belang is voor het uitvoeren van allerlei taken en dus inzicht geeft in de prognose wat betreft terugkeer in het arbeidsproces of het behalen van het gewenste sportniveau. De vraag die uit het bovenstaande naar voren komt is: hoe bepaal je de mate van co-contractie? Observatie en/of palpatie tijdens functionele bewegingen is niet alleen onhandig, het levert ook geen goede objectieve maat op. De veelgebruikte methode bij biomechanische analyse, inverse dynamica met behulp van een segmentenmodel, levert uiteindelijk alleen netto momenten op en geen informatie over individuele spierbijdragen daaraan. Echter, door het gebruik van oppervlakte-emg kunnen de aanspanningspatronen van de betrokken spieren tijdens bewegen nauwkeurig worden geregistreerd. Dit levert dan kwalitatief een duidelijk beeld van de spiercoördinatie op tijdens die beweging. Om oppervlakte EMG bruikbaar te maken voor het bepalen van een maat voor co-contractie is vervolgens een kwantitatieve procedure noodzakelijk. Dit betreft het ontwikkelen van een calibratiemethode om het absolute niveau van EMG signalen om te kunnen zetten in een waarde van de uitgeoefende spierkracht (EMG-kracht model). Wanneer daarmee de spierkrachtwaarden van beide antagonisten bekend zijn, is het eenvoudig de co-contractie te kwantificeren. Voor een goed begrip zal de relatie tussen EMG, kracht en bewegen hieronder worden uiteengezet. EMG, kracht en bewegen Kinesiologisch EMG is de benaming voor een techniek waarbij de grootte van het (oppervlakte) EMG bij willekeurige aanspanning tijdens een beweging wordt gemeten. Via electrodes worden de elektrische signalen die actieve spieren uitzenden geregistreerd, waarbij de grootte van het EMG signaal de mate van aanspanning van de desbetreffende spier reflecteert. Het ruwe EMG is een elektrisch ruisachtig signaal dat door gelijkrichten en filteren een goede indruk geeft van de relatieve aanspanning (Figuur 1). Van dit bewerkte EMG (in de literatuur ook wel SRE (Smooth Rectified EMG) of Linear Envelope genoemd) is op voorhand onbekend hoe de relatie met de uitgeoefende spier kracht is. Voor het bepalen van deze EMG-kracht- relatie - hoeveel microvolt (EMG) komt overeen met hoeveel Newton (uitgeoefende kracht door die spier) - is een EMG-kracht model noodzakelijk, zoals o.a. voor de kuitspieren is ontwikkeld door Hof (1981). Aan de basis van dit model staan de 'calibratiemetingen', waarmee een constante per spier (C) wordt bepaald tussen het SRE-nivo en de bijdrage van die spier. Deze constante of EMG-kracht relatie is afhankelijk van de electrodeplaatsing, de lengte en de contractiesnelheid van de spier. Deze constante zal individueel per meetsessie vastgesteld moeten worden en is afhankelijk van de gewrichts hoek en hoeksnelheid. Figuur 1. De drie grafieken geven van boven naar beneden het volgende weer: A. Ruw EMG-signaal zoals direct is afgeleid van de spieren mbv oppervlakte EMG tijdens verschillende contracties. B. Het ruwe EMG signaal van A. gelijkgericht (alle waarden positief). C. Het gelijkgerichte EMG-signaal (B) via een laagdoorlaat filter resulteert dit in een Smooth Rectified EMG of een Linear Envelope (uit: Winter et al., 1980).

4 Calibratiemethode Geschikte calibratiemetingen moeten voldoen aan de eis dat de constante C voor elke individuele spier apart en onafhankelijk bepaald moet worden. Dus voor het bepalen van de constante van twee antagonisten zijn twee calibratiemetingen nodig. Hiervoor kan bv. een isokinetische dynamometer (bv. KinCom of Cybex) gebruikt worden. Dit zal hieronder worden toegelicht aan de hand van metingen rond de knie van de twee belangrijkste antagonisten, quadriceps en hamstrings. Voor dit onderzoek is voorlopig aangenomen dat een bepaalde electrodeplaatsing en bij bepaalde spierlengte (i.e. gewrichtshoek phi)) er een lineaire relatie is tussen het SRE en de spierkracht (gemeten als een bijdrage aan het gewrichtsmoment). De invloed van de snelheid is voorlopig buiten beschouwing gelaten. De isokinetische snelheid op de dynamometer werd zodanig gekozen dat deze min of meer overeenkomt met die van de te meten functionele beweging (hier: verticale sprong). Het geleverde moment tijdens de isokinetische knieextensie en -flexie op een dynamometer wordt geregistreerd. Voor deze (monoarticulaire) beweging kan aangenomen worden dat het extensiemoment uitgeoefend op de dynamometer toe te schrijven is aan de geleverde kracht van de quadriceps en het flexiemoment aan de hamstrings. Zo kan per kniehoek de constante C bepaald worden per spier. Sterk vereenvoudigd ziet dit er als volgt uit: C ext ( ) = EMG ( ) / M ext ( ) (C ext is constante van extensoren) C flex ( ) = EMG ( ) / M flex ( ) (C flex is constante van flexoren) (1a) (1b) De waarden van deze (individuele) constanten kunnen vervolgens gebruikt worden om het EMG van deze spieren om te zetten in kracht tijdens de hieropvolgende meting van de functionele bewegingen. De hele meetsessie (calibratie + de meting van functionele beweging) met een overzicht van de benodigde analyses parameters wordt in het schema van figuur 2 verduidelijkt. Gewrichts- en spiermomenten Om een beweging in een gewricht mogelijk te maken moeten er (netto) gewrichtsmomenten geleverd worden. Deze netto momenten zijn het resultaat van alle krachten die rond dat gewricht werken, waarvan het grootste deel is toe te schrijven aan de spieren. Iedere spier levert een spiermoment dat gelijk is aan de spierkracht vermenigvuldigd met de afstand van de spier tot de gewrichtsas. Afhankelijk van de verhouding van die twee antagonisten zal het gewricht extenderen of flecteren. In een formule ziet de relatie tussen gewrichtsmoment en spiermoment er als volgt uit. M gewricht = M ext - M flex (2) Zoals in figuur 2 is te zien is het uiteindelijke resultaat van de meetsessie in ons voorbeeld dat de relatieve bijdragen van de beide gemeten spieren bekend is. Figuur 2. Schematisch overzicht van het EMG-krachtmodel. Aan de linkerzijde staat het stroomdiagram van de ijkmeting (calibratie) en aan de rechterzijde het protocol van de meting van functionele bewegingen (hier bv verticale sprong of hinkelen). De samenhang tussen beide metingen is zichtbaar met de pijlen vanaf de constanten C flex en C ext, bepaald via de calibratie en toegepast op de EMG resultaten tijdens de sprong. Uiteindelijk resulteert dit in een waarde van de co-contractie index. Ter validering wordt de som van beide spiermomenten vergeleken en het netto kniemoment berekend via inverse dynamica.

5 Sommeren van de spiermomenten van de quadriceps en de hamstrings levert dus een netto kniemoment op (formule 2). Door de functionele beweging ook op video of film vast te leggen en tevens de voetreactiekrachten op de nemen mbv een krachtenplatform, kan het netto kniemoment ook berekend worden via een biomechanische analyse (segmentenmodel). Deze methode is al vele jaren toegepast in vele onderzoeken naar complexe bewegingen (zie Ingen Schenau, 1989 voor review) en geeft een goede schatting van het benodigde netto knie moment voor die beweging. Deze waarde wordt dan als referentie gebruikt om te controleren of de gebruikte methode van calibratie en meten een valide waarde oplevert voor berekende spiermomenten. Maat voor co-contractie Met een goede schatting van de relatieve bijdragen van de antagonisten is het nu vrij eenvoudig om een waarde toe te kennen aan de mate van co-contractie. De waarden kunnen uitgedrukt worden in een co-contractie index (Doorenbosch et al., 1995). Deze ziet er als volgt uit: CI = 1- (M ag - M ant ) / (M ag + M ant ) (3) met (M ag - M ant ) en (M ag + M ant ) respectievelijk het verschil en de som van de tegengestelde spiermomenten (agonist en antagonist). De CI-waarde kan variëren tussen 0 en 1. Een waarde van 1 betekent dat de beide antagonisten een even groot moment leveren (volledige co-contractie). Een waarde van 0 betekent een pure reciproke activatie, i.e. de antagonist is 'uit' als de agonist 'aan' is. Experiment Bovenstaande methode kan bijvoorbeeld gebruikt worden om het fenomeen van de actieve stabilisatie bij VKB-patiënten te onderzoeken. Het doel van deze experimenten is tweeledig. Ten eerste krijgen we een goede indruk in hoeverre de beschreven methode een bruikbare is voor deze metingen. Ten tweede zal bij een voldoende voor de methode een meer kwantitatief inzicht verkregen worden over toegenomen co-contractie bij VKB patiënten. De meeste literatuur hierover geeft slechts een kwalitatieve weergave hierover (Barratta et al., 1988; O'Connor, 1993, Sinkjaer et al. 1991; Walla et al., 1985). Deze studies gaven indicaties dat een hogere co-contractie sterk correleerde met hogere scores op verschillende functionele testen. In het pilot-experiment is met gebruik van het EMG-kracht model de mate van co-contractie tijdens een verticale sprong bij een gezonde en een (uitgerevalideerde) VKB-patiënt onderzocht. De methode is gehanteerd zoals in het schema van Figuur 2 is weergegeven. Ten aanzien van de methode is het belangrijk te vermelden dat het verschil tussen de sommatie van de spiermomenten (via calibratiemeting) en het berekende netto kniemoment (via segmentenmodel) tijdens de sprong slechts een klein verschil liet zien (validatie). Dit geeft aan dat de gehanteerde methode op het eerste gezicht een goed bruikbare methode is, die uiteraard nog verder verfijnd dient te worden in de toekomst, zoals o.a. de toevoeging van de afhankelijkheid van de contractiesnelheid van de betrokken spieren. De resultaten van de berekende spiermomenten zijn terug te vinden in figuur 3. Figuur 3. Weergave van de spiermomenten zoals berekend met het beschreven EMG-kracht model voor een gezonde persoon (links) en voor een uitgerevalideerde VKB-patiënt. De momenten zijn uitgezet tegen de tijd, vanaf doorbuigen tot aan het moment van loskomen van de grond tijdens het uitoefenen van een verticale sprong. De lichtgrijze positieve waarden geven het moment van de quadriceps weer en de negatieve lichte curve representeert het spiermoment van de hamstrings. De donkere curve is het netto kniemoment (sommatie van beide spiermomenten).

6 De vergelijking laat zien dat er bij de patiënt een verhoogde co-contractie is van de hamstrings met de quadriceps (de grijze gedeelten in de figuur beschrijven de co-contractie en het zwarte deel is het effectieve netto kniemoment). Uitgedrukt in gemiddelde CI-waarden geeft dat de gezonde persoon een CI heeft van 0.2 en de patiënt een CI van 0.45 voor de verticale sprong. Blijkbaar is het voorkomen van deze co-contractie zeer functioneel en een vereiste om weer normaal te functioneren tijdens werk en/of sport. De waarde van CI is te gebruiken als maat voor actieve stabilisatie rond de knie en dan toe te passen ter evaluatie van de ontwikkeling van deze functionele co-contractie bij VKB-patiënten tijdens en na het revalidatieproces. De aanpassing van het lichaam lijkt er dus op gericht dat de tegenwerking van de antagonisten een zeer functionele samenwerking is, namelijk een voorwaarde voor een stabiele knie ter compensatie van het verlies van de kruisband. Praktische toepassing Om een EMG-krachtmodel voor de kwantificatie van co-contractie klinisch te kunnen toepassen moet het aan een aantal voorwaarden voldoen. Ten eerste moet het geschikt zijn om meer inzicht te geven in een (veel voorkomend) klinisch probleem. Het moet dus iets extra's bieden naast de al gebruikte methodes. Verder moet het zo min mogelijk parameters bevatten die per patiënt per meting steeds opnieuw bepaald moeten worden. Met andere woorden, de methodes om deze parameters te bepalen moeten zo eenvoudig mogelijk zijn in verband met de tijdsbesteding en een minimale belasting voor de patiënt. Een andere voorwaarde voor klinisch gebruik van het model is dat de aannamen die er aan ten grondslag liggen ook gelden voor de patiëntengroep waar het voor gebruikt wordt. Tenslotte moeten de bepalingen die met het model worden gedaan, gestandaardiseerd worden, zodat de resultaten vergeleken kunnen worden met andere resultaten van dezelfde patiënt in de tijd of met andere patiënten. Om aan al deze voorwaarden te kunnen voldoen zal het theoretisch model, dat geimplementeerd wil worden in de praktijk, zo gereduceerd en compact mogelijk moeten zijn. Er zullen dus beperkingen opgelegd moeten worden, zodanig dat daarbij in acht genomen moet worden dat het antwoord op de klinische vraagstelling nog voldoende valide is. Zo is in het voorbeeld van de VKB-patiënt het aantal spieren beperkt tot twee antagonisten, alhoewel er veel meer spieren werkzaam zijn rond de knie. Onderzoek zou moeten uitwijzen in hoeverre deze twee spieren representatief genoeg zijn voor de beantwoording van de vraag: hoe groot is de actieve stabilisatie bij VKBpatiënten; het antwoord als evaluatieparameter. Dit geldt ook voor de toenemende mogelijkheden om het EMG-krachtmodel te verfijnen, door o.a. de snelheidsafhankelijkheid in het model op te nemen, en steeds gedetailleerder biomechanisch te laten lijken op de werking van een echte spier. Dit zal op den duur steeds uitgebreidere calibratiemetingen vereisen om aan alle onbekende parameters een waarde toe te kennen (zie bv. Hof, 1981) en dit komt het gebruiksgemak in de kliniek niet ten goede. Onderzoek naar gevoeligheid van de parameters, oftewel: welke parameters zeggen het meest over de werking van de betreffende spier, kan uiteindelijk leiden tot een zo groot mogelijke reductie, waardoor het model eenvoudig doch valide is toe te passen in de praktijk. Tot slot Met dit artikel hebben we laten zien dat het kwantificeren van co-contractie tijdens functionele bewegingen mogelijk is. Hiermee is in een pilot-experiment aangetoond dat de mate van co-contractie hoger is bij een VKB-patient, vergeleken met een gezonde persoon. In hoeverre deze mate van de actieve stabilisatie bij VKB patiënten, zoals voorgesteld in bovenstaande, een voorspellende waarde heeft ten aanzien van instabiliteitsklachten en het functionele nivo en ook in hoeverre co-contractie trainbaar is, zal een uitgebreide onderzoeksopzet vergen. Hierin zouden dan VKB-patiënten langdurig gevolgd moeten worden vanaf het trauma tot aan zo lang mogelijk daarna. Op die manier zal de individuele ontwikkeling van de actieve stabilisatie in relatie tot functioneel niveau in kaart gebracht kunnen worden. Individuele aanpassingen ten aanzien van fysiotherapeutische nabehandeling is dan mogelijk en hiermee zal uiteindelijk op individuele basis de prognose en voortgang goed gevolgd kunnen worden, waarbij de gevolgschade van VKB-laesies, zoals chronische knieklachten en instabiliteit, voorkomen wordt. LITERATUUR Baratta R., Solomonov M., Zhou BH.,Letson D., Chuinard R., D'Ambrosia R. (1988) Muscular co-activation. The role of the antagonist musculature in maintaining knee stability. Am.J.Sports Med. 16(2),

7 Doorenbosch C.A.M., Harlaar J., Roebroeck M.E. & Lankhorst G.J. (1994). Two strategies of transferring from sit-to-stand; the activation of mono- and biarticular muscles. J. Biomech. 11, Doorenbosch C.A.M. & Ingen Schenau G.J. (1995). The role of mono- and biarticular muscles during contact control tasks in man. Hum. Mov. Science. 14, Doorenbosch C.A.M., Harlaar J., Ingen Schenau G.J. van (1995). Stiffness control for lower leg muscles in directing external force. Neuroscience Letters, 202, Doorenbosch C.A.M., Harlaar J., Roebroeck M.E. (1996). De invloed van extreme rompflexie bij het opstaan vanuit een stoel op de belasting van de knie. Nederlands Tijdschrift voor Fysiotherapie, 106 (4), Doorenbosch, C.A.M. (1996) Muscle co-ordination in force control of leg movements. Proefschrift Vrije Universiteit Amsterdam Faber, H. (1996) Efficiente besturing van vrijheidsgraden. Versus,tijdschrift voor fysiotherapie, 14 (5), Hof, A.L. (1984) EMG and muscle force: an introduction. Hum Mvmt Sci, 3, Ingen Schenau, G.J. van (1989) From rotation to translation. : constraints on multi-joint movements and the unique action of biarticular muscles. Hum Mvmt Sci, 8, McLellan DL. (1977) Co-contraction and stretch reflexes in spasticity during treatment with Baclofen. J Neurol Neurosurg and Psych, 40, O'Connor JJ. (1993) Can muscle co-contraction protect knee ligaments after injury or repair? J Bone Joint Surg 75-B(1), Sinkjaer T., Arendt-Nielsen L. (1991) Knee stability and muscle coordination in patients with anetrior Cruciate Ligament Injuries; an elctromyographic approach. J.Electromyogr and Kinesiol 1(3) Veeger, HEJ (1996) Plafonds witten zal altijd zwaar werk blijven. p uit: Stilstaan bij bewegen; wetenschappelijke antwoorden op vragen uit de wereld van het menselijk bewegen. Red. J. de Koning & G. Savelsbergh. Segment Uitgeverij Beek Vereijcken, BR, Emmerik EEA van, Whiting HTA, Newell KM (1992) Free(z)ing degrees of freedom in skill aquisition. J. Mot. Behavior, 24, Walla DJ, Albright JP., McAuley E., Martine RK., Eldridge V., El-Khoury G. (1985) Hamstring control and the unstable anterior cruciate ligament deficient knee. Am.J.Sports Med. 13(1), Winter DA, Rau G, Kadefors R, Broman H, De Luca CJ (1980) Units, terms and standards in the reporting of EMG research. Report by teh ad-hoc committee of the ISEK.