Функциональная асимметрия параметров кинетики в двигательных циклах нижних конечностей

Синхронизация двигательных циклов нижних конечностей относительно друг друга (межконечност-ная координация) по параметрам кинематики и кинетики определяет скорость ходьбы, оптимизирует минимизацию метаболических затрат [1, 2] и является типичным признаком здоровой ходьбы [3]. Хотя асимметрию походки используют в клинической реабилитации в качестве показателя функционального восстановления, нет единого мнения относительно идеального метода ее оценки [4]. В литературе представлены 12 различных индексов расчета количественной оценки межконечностных различий, многие из которых имеют несколько названий, но индекс асимметрии выступает в качестве общего термина для различных расчетов. Наиболее используемы формулы расчетов индекса:

Индекс 1 = д х 100 % (1) Индекс 2 = (1 - |) х ЮО % (2) Индекс 3 = ~ х ЮО % (3) А - R Индекс 4 =     х ЮО % А + D (4) где A — бóльшая величина, B — меньшая величина [5].

Они дают широкий диапазон результатов, и при сравнении данных необходимо учитывать формулу расчета. Отмечают, что индекс оценки асимметрии (формула 4) работает независимо от того, какая конечность показала лучшие результаты, что важно, когда сложно различить сторону приоритета и рекомендуется, чтобы учесть вклад обеих конечностей [6, 7]. Результат не зависит от выбранной переменной или типа сигнала, математически надежен, чтобы достоверно предоставлять информацию об асимметрии [4].

В спортивной медицине выделяют латеральный фенотип моторной асимметрии, который определяет процесс адаптации к спортивным нагрузкам, связанным с необходимостью быстрой реализации моторных программ [8], и в результатах исследований используют индекс асимметрии, рассчитанный по формуле (3) [9]. Нет единого мнения о критерии нормы функциональной асимметрии силы мышц у спортсменов. Функциональная асимметрия показателя динамометрии мышц разгибателей/сгибате-лей бедра у детей в возрасте 12–13 лет, занимающихся циклическими видами спорта, не превышает 10 % (расчет по формуле (3)) [9]. Допустимы значения асимметрии силы мышц до 20 % (расчет по формуле (3)), что подразумевает преобладание ведущей руки, опорной/толчковой ноги [10]. Но отмечают, что асимметрия свыше 15 % между конечностями уже требует коррекции тренировочного процесса [11]. В асимметрии временных параметров цикла шага ходьбы у взрослых принят диапазон от 0 до 6 % (расчет по формуле (3)) [12]. У спортсменов-бегунов индекс симметрии (расчет по формуле (4)) для длительности шага составил от 0,8 %, для показателя силы реакции опоры (GRF vertical) — 21,4 %, и зависел от уровня их физической подготовки. Обнаружено, что спортсмены-бегуны бегают более симметрично при большей скорости, в то время как у начинающих бегунов отсутствует корреляционная связь со скоростью бега [13].

По данным 3D-видеоанализа походки у здоровых взрослых (возраст — (62,7 ± 11,9) года с индексом массы тела (26,0 ± 2,45)), коэффициент асимметрии (расчет по формуле (4)) амплитуды движения в голеностопном суставе — до 9 %, силы реакции опоры (GRF) в медиальной и сагиттальной плоскости — до 3 %, GRF vertical — до 2 %, опорный толчок — до 8 % [14].

По данным планто-подометрических исследований, предлагают коэффициент межконечностной асимметрии оценивать по упрощенной формуле (1) = B/A, и за норму принять значения более 0,95 [15]. Или по формуле (2) у взрослых обследуемых 20–40 лет норма коэффициента асимметрии для длительности опорного и неопорного периодов цикла шага составляет ≤ 3 % у мужчин и ≤ 5 % у женщин. Допустимы значения асимметрии двуопорного периода до 10 % для мужчин и до 15 % для женщин, показатель асимметрии толчковых параметров шага — ≤ 15 %, асимметрия нагрузки на стопы в статике — ≤ 10 %, при ходьбе — ≤ 5 % [16].

Компенсаторные движения при асимметричном характере выполнения биомеханических движений направлены на стабилизацию ритма шага и требуют значительных дополнительных энергозатрат. Эти затраты увеличивают общие метаболические издержки деятельности, критически снижая функциональный резерв [17]. Асимметрия походки, распространенная среди пациентов, приводит к аномальной нагрузке на суставы, повышенному риску падений и снижению эффективности ходьбы [18, 19, 20]. Показатель силы реакции опоры (GRF vertical) широко используют для оценки асимметрии походки у пациентов с односторонней травмой (расчет по формуле (1)), при этом медиолатеральные и переднезадние компоненты силы реакции опоры (GRF) часто игнорируют при анализе асимметрии походки [4]. Определение опороспособности конечности с учетом нагрузки на больную и интактную конечности проводят по формуле (1). Опороспособность конечности считают восстановленной в случае, если по- казатели пострадавшей конечности достигают значения не менее 80 % от здоровой [21]. Уменьшение коэффициента асимметрии временных параметров цикла шага является критерием положительной динамики реабилитационного процесса [22].

Моделирование показало, что кинематическая асимметрия не вызывает устойчивой адаптации локомоции, а добавление асимметричной межконечностной кинетики (опорного толчка) запускает ожидаемую адаптацию. В основе механизмов нейронной пластичности лежит асимметрия параметров кинетики, которая является ключевой переменной для запуска адаптации [23, 24].

Методики тренировки походки, направленные на четко определенные пространственные и временные области межконечностной координации, являются основными в реабилитационном периоде пациентов [25, 26]. Функциональная межконечностная асимметрия с учетом кинетических данных (сила, мощность работы мышц) представляет собой показатель общей функции ходьбы и может быть релевантным параметром при интерпретации клинического анализа походки.

Цель работы — определение реперных значений функциональной асимметрии параметров кинетики в двигательных циклах нижних конечностей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Дизайн исследования — одноцентровое наблюдательное нерандомизированное исследование.

Место проведения : научная лаборатория клиники нейроортопедии и системных заболеваний НМИЦ ТО имени академика Г.А. Илизарова (Курган).

Время исследования : январь 2020 г. — декабрь 2025 г.

Популяция : простая случайная выборка.

В исследовании участвовали 247 человек (94 мужчины, 153 женщины), дети, подростки и взрослые. Обследуемые старше 15 лет вели активный образ жизни с эпизодическим участием в спортивных мероприятиях.

Критерии включения : возраст от трех до 75 лет, отсутствие неврологического и ортопедического диагнозов в анамнезе и на момент обследования.

Критерии невключения : наличие неврологической или ортопедической патологии в анамнезе или на момент обследования.

Для последующего анализа были сформированы возрастные группы:

• —    три–четыре года — 21 человек (10 мальчиков, 11 девочек);

• —    пять–семь лет — 36 человек (19 мальчиков, 17 девочек);

• —    восемь–11 лет — 28 человек (17 мальчиков, 11 девочек);

• —    12–14 лет — 19 человек (10 мальчиков, 9 девочек);

• —    15–17 лет — 40 человек (18 мальчиков, 22 девочки);

• —    18–44 лет — 23 человека (9 мужчин, 14 женщин);

• —    45–60 лет — 27 человек (6 мужчин, 21 женщина),

• —    61–75 лет — 53 человека (5 мужчин, 48 женщин).

Описание методики исследования

В амбулаторных условиях в лаборатории Центра Илизарова проведен компьютерный видеоанализ походки. Обследуемые ходили самостоятельно с опорой на всю стопу босиком на семиметровой дорожке с привычной для них скоростью передвижения. Кинематические параметры походки регистрировали оптическими камерами Qualisys 7+ (восемь камер компании Qualisys) с технологией видеозахвата пассивных маркеров, а кинетические показатели — с использованием шести динамометрических платформ KISTLER (Швейцария). За основу установки светоотражающих маркеров на туловище принята IOR модель. Анализ параметров проводили в программах QTM (Qualisys) и Visual3D (C-Motion) с автоматизированным расчетом значений [27].

Для последующего анализа выбрана длительность цикла шага (сек) как основной показатель временной межконечностной координации во время ходьбы [12, 25].

Параметры кинетики: опорный толчок (Вт/кг) (рис. 1, а); суммарная общая пиковая мощность работы мышц (Вт/кг) как сумма абсолютных величин генерации (концентрическая фаза работы мышц) и релаксации (эксцентрическая фаза работы мышц) тазобедренного, коленного и голеностопного су- ставов [12]; общая механическая эффективность работы мышц (%), определяемая как отношение положительной (генерация) пиковой мощности тазобедренного, коленного и голеностопного суставов

Рис. 1. Схемы определения значений: а — опорного толчка; б — генерации (концентрическая фаза работы мышц) и релаксации (эксцентрическая фаза работы мышц) на графиках кинетики мощности работы мышц коленного сустава

Knee Sagittal Power генерация

фаза работы мышц эксцентрическая

фаза работы мышц концентрическая

Все кинетические параметры мощности работы мышц в формуле расчета включают рычаг (рост, длину сегмента), массу тела (вес) и переменную скорости передвижения [30].

Выходная форма заключения параметров кинетики представлена в цифровом отображении с автоматическим расчетом усредненных данных 7–15 шагов.

Рассчитывали коэффициент асимметрии (КА) между правой и левой нижними конечностями по формуле (4):

А - R Индекс 4 =   | х ЮО %,

А + D где А и Б — значения правой и левой нижней конечностей.

Статистическая обработка данных включала методы описательной статистики (программа AtteStat 12.0.5). Нормальность распределения проверяли по одномерным критериям: Колмогорова, Смирнова, Шапиро – Франсиа, коэффициентам асимметрии и эксцесса. В большинстве выборочных совокупностях гипотеза о нормальности была отклонена, данные описательной статистики представлены в виде медианы и межквартильного размаха: Me [Q1; Q3]. Статистическую значимость различий определяли с использованием непарного критерия Вилкоксона. Для минимизации риска инфляции ошибки I рода при множественных сравнениях (восемь попарных сравнений) значения p для данных переменных скорректированы с помощью поправки Бонферрони ( p < 0,00625). Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез в данном исследовании принимали за α = 0,05.

Во всех возрастных группах проведен корреляционный анализ влияния скорости на функциональную асимметрию суммарной мощности работы мышц и эффективности работы мышц.

На проведение исследований получено разрешение комитета по этике ФГБУ «НМИЦ ТО им. акад. Г.А. Илизарова» (протокол от 17.05.2018 № 2(57)). Исследования проводили в соответствии с этическими стандартами Хельсинской декларации Всемирной медицинской ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека» с поправками 2000 года, «Правилами клинической практики в Российской Федерации», утвержденными Приказом Минздрава РФ от 19.06.2003 года № 266. Родители детей, участвовавших в исследовании, присутствовали при его проведении.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Коэффициент асимметрии кинетики и временных параметров цикла только в возрастной группе три–четыре года статистически отличается от значений в других группах. Все параметры асимметрии с возрастом уменьшаются, стабилизируются с 12-летнего возраста и только после 60 лет имеют тенденцию к увеличению. Медианные значения коэффициента асимметрии длительности цикла шага у детей трех–четырех лет — 1,9 %, в возрастном периоде 12–60 лет — менее 1,0 %, после 60 лет — 1,3 % (табл. 1).

Аналогичная динамика асимметрии параметров кинетики (опорный толчок). У детей трех–четырех лет она максимальная (до 12 %), минимальные значения регистрировали в возрастном периоде 12–44 лет (до 5,5 %), после 60 лет асимметрия увеличивается максимально до 12 %. Между значениями асимметрии опорного толчка и суммарной мощности работы суставных мышц нижних конечностей достоверных различий нет (табл. 1).

Таблица 1

Функциональная асимметрия, % Me [Q1; Q3]

Возраст	Длительность шага	Опорный толчок	Суммарная мощность	Эффективность работы
3–4 года	1,9 [1,1; 3,3]; p = 0,00031	8,4 [6,2; 12,6]; p = 0,0036	7,6 [3,1; 12,3]	4,7 [3,3; 7,9]; p = 0,000099
5–7 лет	1,2 [0,9; 2,2]	8,1 [3,3; 11,1]	4,3 [1,3; 10,1]	1,8 [0,9; 5,7]
8–11 лет	1,1 [0,7; 2,0]	4,4 [1,9; 9,1]	3,9 [1,9; 8,1]	2,6 [0,8; 4,7]
12–14 лет	0,9 [0,7; 1,7]	3,5 [1,5; 8,6]	2,7 [1,7; 5,3]	2,3 [0,8; 4,0]
15–17 лет	0,9 [0,0; 1,3]	5,9 [4,1; 9,0]	3,2 [1,7; 5,7]	2,9 [0,7; 3,9]
18–44 года	0,9 [0,8; 1,3]	4,6 [2,0; 8,6]	3,0 [1,5; 5,1]	1,7 [0,8; 3,2]
45–60 лет	0.9 [0,3; 1,7]	3,8 [1,5; 7,8]	3,8 [1,9; 7,3]	2,0 [0,8; 3,5]
61–75 лет	1.3 [0,8; 1,7]	5,7 [1,8; 12,9]	4,9 [2,1; 10,1]	2,8 [0,8; 4,4]

Примечание : p — достоверность отличия относительно группы 18–44 лет.

Асимметрия эффективности работы мышц, начиная с возраста 8–11 лет и все последующие возрастные периоды наблюдений, была стабильна, в среднем составляла 2,5 %. Минимальные значения диапазона min–max (2,4 %) отмечены в возрастной период 18–44 года.

Асимметрия параметров кинетики не зависела от доминирующей стороны конечности в опорном толчке в возрастной группе 18–60 лет:

• —    при доминирующей правой конечности ( n = 27)

• •    коэффициент асимметрии (%) опорного толчка — 3,51 [1,71; 5,86];

• •    суммарной мощности — 4,03 [2,54; 8,18];

• •    суммарной эффективности — 1,46 [0,69; 2,68];

— при доминирующей левой конечности ( n = 23)

• •    коэффициент асимметрии (%) опорного толчка — 5,36 [2,06; 9,84];

• •    суммарной мощности — 3,13 [1,45; 5,66];

• •    суммарной эффективности — 1,96 [0,82; 4,20].

Все различия были статистически недостоверны.

Скорость ходьбы не влияла на функциональную асимметрию мощности и эффективности работы мышц при ходьбе здоровых обследуемых.

Соотношение функциональной асимметрии суммарной мощности и эффективности работы мышц в локомоции представлены на рис. 2, 3. В возрастной группе 18–60 лет коэффициент асимметрии эффективности ходьбы был стабильным (средние значения — 2–3 %), не зависел от величины асимметрии суммарной мощности работы мышц нижних конечностей (рис. 2). В возрастных группах трех–семи лет — величина асимметрии эффективности ходьбы также стабильна (средние значения — 3–4 %) для этой возрастной группы (рис. 3). Только при увеличении асимметрии суммарной мощности работы мышц нижних конечностей свыше 20 % асимметрия эффективности работы мышц увеличивается до 7–9 %.

Рис. 3. Соотношение функциональной асимметрии суммарной мощности и эффективности работы мышц в локомоции в возрастной группе трех–семи лет

Рис. 2. Соотношение функциональной асимметрии суммарной мощности и эффективности работы мышц в локомоции в возрастной группе 18–60 лет

ОБСУЖДЕНИЕ

C. Bishop et al. рассчитывали индекс асимметрии по формула (4), так как он независим от того, какая конечность показала большие результаты, и позволяет учесть вклад обеих конечностей [6]. Для количественного отражения асимметрии походки общеприняты временные параметры цикла шага. По данным литературы, метаболическая мощность асимметрии временных параметров цикла шага (длительность шага) примерно в 2,5 раза выше, чем затраты на асимметрию пространственных параметров (длины шага) [31]. В нашей работе выбран временной параметр межконечностной асимметрии, — длительность цикла шага. Коэффициенты асимметрии параметров кинетики и длительности цикла шага только в возрастной группе трех–четырех статистически отличается от значений в группах до 60 лет. С 12 и до 60-летнего возраста коэффициенты асимметрии были стабильны: длительность цикла шага — до 1,5 %; опорный толчок — до 12,0 %; суммарная мощность работы мышц — до 7,5 %; суммарная эффективность работы мышц — до 5,5 %. Более высокие значения асимметрии временных параметров цикла шага у детей, полученные в исследовании, согласуется с данными литературы [32]. По мере роста и развития детей их двигательная координация улучшается, а симметричность движений отражает повышение её эффективности и адаптивность к сложным двигательным задачам [33].

Постоянство межконечностной асимметрии параметров кинетики рассматривают как критерий адаптации к созреванию двигательных паттернов [34]. Опубликованные исследования показывают, что симметричность длины шага и скорость походки стабилизируются в возрасте от пяти до 13 лет с незначительными изменениями после семи лет [35]. Полученные нами значения асимметрии мощностных параметров цикла шага у детей также согласуются с данными литературы, где рассматривалась асимметрия сокращения мышц по данным ЭМГ при ходьбе: у детей асимметрия уменьшается с 9,7 % в возрастной группе двух–шести лет до 2,7 % к 10–14 годам [36]. С возрастом у детей происходит не только улучшение координации, но и более эффективное распределение мышечных усилий, что, в свою очередь, может способствовать лучшему контролю над движениями. Увеличенный диапазон показателей функциональной асимметрии у детей в возрасте от трех до шести лет отражает естественную изменчивость и динамичность развития опорно-двигательного и нейро-мышечного аппарата. В процессе роста дети проходят через разные стадии моторного развития, и их способности к выполнению движений могут значительно варьироваться. Возрастная модуляция рефлексов обеспечивает функциональную зрелость локомоторного поведения, позволяя подавлять или усиливать автоматические реакции, является неотъемлемой частью человеческой походки и абсолютно необходима для нормальной функции походки с плавными движениями [37].

В данной работе не выявлено влияние доминирования одной из конечностей на величину показателя асимметрии эффективности ходьбы, что согласуется с данными литературы [38].

У лиц старше 60 лет увеличение параметров функциональной асимметрии связано с проприоспиналь-ными сенсомоторными процессами и может быть результатом спинальной реорганизации спинномозговых мотонейронов при здоровом старении [24, 39].

В зависимости от скорости ходьбы меняются временные, пространственные и кинетические параметры цикла шага, но их функциональная асимметрия не зависит от скорости ходьбы здоровых обследуемых. Выявленное отсутствие корреляционных взаимосвязей между показателями межконечностной асимметрии параметров кинетики и длительности цикла шага согласуется с опубликованными данными: в зависимости от скорости ходьбы не меняется функциональная асимметрия мощности работы суставных мышц [40], временных параметров цикла шага [41], не выявлена связь величины асимметрии временных параметров шага с функциональными результатами и мышечной работоспособностью [42], не выявлено влияние возраста и скорости на асимметрию временных параметров цикла шага у детей с четырех до 10 лет [43], отсутствуют значимые связи между функциональной межконеч-ностной асимметрией сгибателей / разгибателей коленного сустава и пиковой мощностью, средней скоростью и силой, проявляемой в многосуставном билатеральном ациклическом движении, а также с экономичностью и эффективностью унилатеральных циклических движений у биатлонистов высокого класса [9].

При анализе корреляционной взаимосвязи между показателями суммарной мощности работы мышц и эффективности работы мышц во всех возрастных группах определяется общая тенденция. Стабильная величина коэффициента асимметрии эффективности работы мышц — 2–3 % в возрастной группе 18–60 лет, и 3–4 % — в возрастных группах трех–семи лет (рис.2, 3). Стабильность данного показателя отражает исходный генетически предопределенный уровень асимметрии [7].

Для детей определение «симметрия–асимметрия» в процессе реализации двигательного действия является критерием оценки эффективности уровня его овладения [44] и увеличения межконечностной координации движения, одним из критериев задержки моторного развития [45], особенно функции сен- сорной интеграции [46]. В результате данных исследований у детей в возрастной группе трех–семи лет только при значительном увеличении асимметрии общей мощности работы свыше 20 %, взрастает и асимметрия эффективности их работы до 7–9 %.

Выраженную асимметрию временных параметров цикла шага (длительности шага, длины шага, длительности одноопорного периода) предложено рассматривать как функциональные биомаркеры для выявления детей с функциональной незрелостью походки или легкими двигательными расстройствами [47], что можно определить, как диагностический критерий функциональной незрелости походки [48].

Организм стремится создать оптимальные условия функционирования своей функции локомоции движения, — минимальные энергетические затраты за счет синергетического взаимодействия работы мышц, «правило обеспечения оптимума» [12]. Отмечено, что кинематические параметры не отражают механизм оптимальной стратегии комфортной ходьбы, только оценка кинетики представляется эффективной для выбора оптимальной стратегии модификации походки [49]. Стабильные значения коэффициента асимметрии эффективности работы мышц нижних конечностей при ходьбе можно рассматривать как количественный критерий оптимального режима функционирования, к которому организм стремится в условиях патологии. Принцип «правила оптимума походки» — это важный диагностический критерий, отражающий состояние компенсаторных механизмов нейромышечного контроля. Если асимметрия суммарной мощности работы мышц более 5 %, то за счёт синергетического взаимодействия мышц формируются оптимальные условия функции локомоции движения. «Правило оптимума походки» можно количественно определить следующим образом: если асимметрия суммарной мощности работы мышц более 5 %, то коэффициент асимметрии суммарной эффективности работы мышц должен быть меньше асимметрии суммарной мощности работы мышц и в динамике наблюдения стремиться к 3 % в возрастной группе 18–60 лет и к 4 % в возрастной группе трех–семи лет. Это означает, что, несмотря на различия в общей мощности работы между сторонами, мышцы координируются так, чтобы эффективность оставалась более симметричной. Это позитивный признак, отражающий сохранность компенсаторных механизмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены референсные значения «условной нормы» коэффициента функциональной асимметрии параметров цикла шага.

Асимметрия длительности шага:

• —    три–четыре года — до 5,6 %;

• —    пять–семь лет — до 2,7 %;

• —    8–17 лет — до 2,0 %;

• —    18–60 лет — до 1,5 %;

• —    старше 60 лет — до 2,0 %.

Асимметрия опорного толчка:

• —    три–четыре года — до 20,0 %;

• —    пять–семь лет — до 17,0 %;

• —    старше восьми лет — до 12,0 %;

Асимметрия суммарной мощности работы мышц:

• —    три–четыре года — до 16,0 %;

• —    пять–семь лет — до 14,5 %;

• —    8–17 лет — до 12,0 %;

• —    18–60 лет — до 7,5 %;

• —    старше 60 лет — до 10,0 %.

Асимметрия суммарной эффективности работы мышц:

• —    три–семь лет — до 4,0 %;

• —    8–60 лет — до 3,0 %;

— старше 60 лет — до 14,0 %.

Увеличение асимметрии общей пиковой мощности работы мышц свыше 20 % и асимметрию эффективности их работы свыше 7 % у детей трех–семи лет необходимо рассматривать в качестве критерия функциональной незрелости походки у детей дошкольного возраста

Количественный критерий «правила оптимума походки»: если асимметрия суммарной мощности работы мышц более 5 %, коэффициент асимметрии суммарной эффективности работы мышц должен быть меньше асимметрии суммарной мощности работы мышц и в динамике наблюдения стремиться к 3 % в возрастной группе 18–60 лет и к 4 % — в возрастной группе трех–семи лет.