KLINICZNA OCENA STABILNOŚĆI POSTAWY
Biomechaniczna ocena aktywności ruchowej przydatna jest w diagnostyce klinicznej. Wszelkie zmiany w funkcjonowaniu układu ruchowego (w części sterującej - ukł. nerwowy i wykonawczej - mięśnie) są źródłem różnych objawów, które można czasami zarejestrować.
Deficyt ruchowy powoduje np. sztywnienie mięśni, zmiany w zakresie szybkości reakcji i wykonania ruchu lub koordynacji ruchów. Warunkiem niezbędnym do właściwego projektowania badań diagnostycznych oraz interpretacji wyników jest wiedza na temat sterowania aktywnością ruchową.
Aktywność ruchowa człowieka obejmuje zarówno mimikę twarzy, utrzymywanie równowagi jak i lokomocję oraz ruchy dowolne o różnym stopniu złożoności. Związane z nimi procesy nabywania reakcji ruchowej są także źródłem informacji na temat stanu układu ruchowego. Kontrola postawy stojącej jest w tym zbiorze szczególnym elementem. Prawidłowa, stabilna postawa jest warunkiem niezbędnym realizacji większości ruchów dowolnych i lokomocji. Dlatego badanie stabilności posturalnej wchodzi w skład większości testów klinicznych.
Podstawowym celem biomechanicznej oceny postawy jest przede wszystkim stwierdzenie, czy u pacjenta występuje problem niestabilności posturalnej i czy ewentualnie jest on w grupie osób zagrożonych upadkiem.
Kontrola równowagi jest postrzegana jako złożony proces, w którym zaangażowane są różne systemy czuciowe oraz planowanie i uczenie się. Badanie równowagi to nie tylko analiza kontroli położenia środka ciężkości ciała w polu podparcia, ale również takich procesów, jak precyzja utrzymania pionu oraz stabilność położenia głowy, tułowia i kończyn. Klinicystów interesują również strategie kompensujące ubytek równowagi oraz reakcje na zaburzenia równowagi w różnych stanach patologicznych.
Objawy zaburzeń posturalnych są zazwyczaj niespecyficzne. Na przykład pacjenci mogą wykazywać w klinicznych testach równowagi ograniczoną zdolność posługiwania się informacją przedsionkową w przypadkach różnych patologii. Lista tych patologii może obejmować zmiany degeneracyjne receptorów przedsionkowych, guzy VIII nerwu czaszkowego oraz uszkodzenia niektórych obszarów pnia mózgu czy móżdżku. Również pacjenci ze stwardnieniem rozsianym mogą wykazywać złożone objawy posturalne zależnie od stopnia, w jakim zajęte są drogi systemu somatosensorycznego, przedsionkowego, wzrokowego, ruchowego. Tylko nieliczne zaburzenia równowagi są charakterystyczne dla określonej neuropatii, jak to ma miejsce w chorobie Parkinsona.
Na kontrolę równowagi składa się działanie wielu mechanizmów, które nie są zazwyczaj związane z pojedynczym obszarem mózgu.
Systemową ocenę kontroli stabilności postawy można rozpatrywać w trzech kategoriach: biomechanicznej, koordynacyjnej i organizacji sensorycznej.
1. W ocenie biomechanicznej badający koncentruje się na sprawności narządu ruchu. W tym przypadku najczęściej badane są tonus i siła skurczu mięśni oraz zakres ruchomości stawów.
2. Koordynacja ruchowa podlega ocenie w aspekcie zarówno czasowym, jak i przestrzennym. Sprawdza się przede wszystkim szybkość i precyzję wykonywanych przez pacjenta ruchów. Ocenie systemowej podlegają również wrodzone i nabyte wzorce ruchowe oraz ich możliwości adaptacyjne.
3. W zakresie organizacji sensorycznej oceniane są zazwyczaj progi czułości wejść sensorycznych zaangażowanych w percepcji pozycji i ruchu poszczególnych części ciała. Także zaliczamy tu poczucie pionu, i ocena percepcji nachylenia płaszczyzny podparcia.
Stabilność a równowaga
Równowaga to pewien określony stan układu posturalnego. Stan ten charakteryzuje pionowa orientacja ciała osiągnięta dzięki zrównoważeniu działających na ciało sił oraz ich momentów. Równowagę zapewnia uklad nerwowy przez odruchowe napięcie odpowiednich grup mięśni nazywanych posturalnymi lub antygrawitacyjnymi (ryc. 7.1). W trakcie lokomocji przez fazową aktywność mięśniową utrzymywana jest typowa dla postawy człowieka pionowa orientacja głowy i tułowia.
Stabilność jest pojęciem szerszym i oznacza zdolność do odzyskiwania stanu równowagi. W przypadku postawy człowieka stabilnością nazywamy zdolność do aktywnego przywracania typowej pozycji ciała w przestrzeni, utraconej w wyniku działania czynników destabilizujących (własnej aktywności ruchowe, sił zewnętrznych).
Wrażliwość postawy na działanie bodźców destabilizujących określa się mianem „stabilności funkcjonalnej”.
Stabilność układu przy zmianach struktury sterowania to „stabilność strukturalna”.
Zmiana struktury sterowania może odbywać się przez działanie stałym bodźcem zakłócającym (siła zewnętrzna), zmianę lub ograniczenie bodźców wzrokowych (oczy zamknięte, otwarte), modyfikację powierzchni podparcia (np. stanie na jednej nodze lub w wykroku), upośledzenie kontroli stabilności przez zakłócenie pracy układów sensorycznych zaangażowanych w kontrolę równowagi. Stosuje się między innymi blokady nerwowe, drażnienie błędnika prądem galwanicznym oraz wibracje mechaniczne ścięgien. W takim kontekście upośledzenie stabilności spowodowane chorobą lub starzeniem się jest zaliczane do zmian strukturalnych.
Układy referencyjne oraz sygnały kontrolujące postawę stojącą
Wyznacznikiem stabilności postawy stojącej może być położenie ogólnego środka ciężkości ciała (OSC lub ang. center of gravity - COG; ) względem granic pola podparcia. Położenie COG, a tym samym stabilną postawę stojącą, zapewnia ciągła kontrola obejmująca swym zasięgiem różne poziomy układu nerwowego. System kontroli równowagi ma 3 podstawowe wejścia sterujące związane z różnymi układami sensorycznymi: przedsionkowym, wzrokowym, proprioreceptywnym. Informacje proprioreceptywne skutecznie uzupełniają mechanoreceptory skórne. Sygnały tych wejść są źródłem informacji o pozycji ciała oraz jego orientacji względem zewnętrznego i wewnętrznego układu odniesienia. Zdaniem neurofizjologa Masiona układ posturalny posługuje się zewnętrznym układem referencyjnym, tworzonym na podstawie pola grawitacyjnego oraz bodźców wzrokowych.
Układ wewnętrzny utworzony jest w ośrodkowym układzie nerwowym, na podstawie poszczególnych wzorców aktywności sensorycznej, odpowiadających prawidłowej postawie, przez polimodalne reprezentacje, tzw. schematy ciała (body schema; hipoteza Head'a potwierdzona przez Penfield'a). Stwierdzono, że mimo braku zewnętrznego układu odniesienia człowiek jest w stanie w warunkach nieważkości odtworzyć ogólną charakterystykę postawy wyprostowanej.
Obecnie uważa się, że stabilna, ośrodkowa reprezentacja ciała jest częściowo zdeterminowana genetycznie, a częściowo nabywana w procesie uczenia się w trakcie rozwoju osobniczego. Reprezentacja taka pozwala na pionową orientację ciała oraz wzajemne prawidłowe położenie poszczególnych jego części (członów). Zawiera ona informację na temat indywidualnych cech morfologicznych (kształt i rozmiary) oraz o charakterystyce dynamicznej poszczególnych członów.
Ośrodkowa reprezentacja ciała tworzona jest na podstawie sygnałów z receptorów mięśniowych, ścięgnowych, stawowych i skórnych. Receptory te przekazują do mózgu informacje o wzajemnym położeniu i o ruchach poszczególnych części ciała, a także zwrotnie przekazują do układów wykonawczych (mięśni) sygnały utrzymujące równowagę.
Zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne układy odniesienia pozwalają na monitorowanie odchyleń od stanu równowagi. Wzrok oraz system przedsionkowy są układami lokalnymi monitorującymi położenie głowy w przestrzeni. W przeciwieństwie do nich proprioreceptory tworzą siec czujników obejmujących swym zasięgiem całe ciało.
Każde z wymienionych tutaj wejść sensorycznych realizuje swoje zadanie na podstawie innych sygnałów oraz w inny sposób wpływa na sama postawę. Narząd równowagi, czyli układ przedsionkowy, służy do utrzymania właściwego położenia głowy względem kierunku działania siły ciężkości. Realizuje więc bezpośrednio zadanie orientacji przestrzennej sylwetki.
Podobną funkcję pełni również układ wzrokowy. W tym przypadku orientacja przestrzenna ciała ustalana jest na podstawie położenia innych obiektów znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu człowieka, takich jak budynki meble drzewa oraz inni osobnicy. Zazwyczaj orientacja przestrzenna takich obiektów jest również zależna od siły grawitacji. W układzie wzrokowym znajdują się wyspecjalizowane zespoły neuronów wrażliwych no pionową i poziomą orientację bodźców i na tej podstawie ustalana jest prawidłowa orientacja ciała.
Analizując zachowanie najprostszego modelu postawy stojącej, jakim jest model wahadła odwróconego (ryc. Golema), łatwo zauważyc, że jego stabilnośc w pozycji pionowej można zapewnic dwoma sposobami. Pierwszy z nich sprowadza się do bezpośredniego monitorowania kąta nachylenia wahadła względem płaszczyzny podparcia. U człowieka kąt ten kontrolowany jest przede wszystkim przez czucie głębokie, czyli propriorecepcję z obszaru stawu skokowego. Odchylenia postawy od pionu sygnalizowane są jako zmiany napięcia i długości mięśni, zmiany kątów stawowych i rozkładu nacisku na powierzchni stóp. Drugi rodzaj kontroli stabilności może wykorzystywać sygnały o położeniu górnego końca wahadła. W przypadku postawy człowieka sprowadza się to do kontroli położenia głowy w przestrzeni. Wzrok oraz znajdujący się w uchu wewnętrznym narząd równowagi dostarczają właśnie niezbędnych sygnałów do utrzymania właściwej (najwyższej) pozycji głowy w przestrzeni. Z kolei położenie głowy steruje przez odruchy szyjne napięciem mięśni tułowia i kończyn.
Przyjmiemy w uproszczeniu, że ciało tworzy rodzaj wahadła odwróconego, którego kontrola stabilności realizowana jest przez aktywność mięśni stabilizujących staw skokowy. Z takiej perspektywy można stwierdzić, że równowagę zapewnia w układzie nerwowym sterowania obwodowego, wstępującego, nazywanego umownie sterowaniem staw skokowy-głowa oraz zstępującego głowa-staw skokowy. Właśnie te dwa typy sterowania zapewniają stabilną pionową postawę w czasie spokojnego stania oraz podczas lokomocji. Obydwa sterowania uzupełniają się wzajemnie i dlatego niesprawność jednego z nich może być skompensowana aktywnością drugiego.
Rola układów sensorycznych w kontroli postawy
Jakość kontroli stabilności postawy zapewniają przede wszystkim odpowiednie charakterystyki układów sensorycznych (przedsionkowy, wzrokowy, prorioreceptywny, mechanoreceptorowy-skórny). Wśród wymienionych 4 układów sensorycznych pierwszy z nich działa w oparciu o obwodowy narząd przedsionkowy (kanały półkoliste i narządy otolitowe). Dzięki parzystości narządu wzrasta jego czułość i może on bardziej precyzyjnie kontrolować przestrzenne położenie i ruchy głowy.
Każdy narząd przedsionkowy zbudowany jest z trzech kanałów półkolistych położonych w trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Receptory rozmieszczone w tych kanałach przekazują do mózgu informacje o ruchach głowy w przestrzeni. Neurony receptorowe, nazywane komórkami włosowatymi, skupione są w specjalnym nabłonku, ponad który wystają różnej długości rzęski. Ruchy głowy powodują przemieszczenie płynu - śródchłonki - wypełniającego kanały półkoliste. Przepływ śródchłonki powoduje odkształcenie rzęsek. Szybkość ruchu śródchłonki w poszczególnych kanałach zależy od szybkości i kierunku ruchu głowy. Sygnały z kanałów półkolistych uczestniczą w kontroli przedsionkowo-okoruchowej. Ich zadaniem jest odruchowe dostosowanie pozycji gałek ocznych do ruchów głowy w przestrzeni. Jednak należy pamiętać, że odruchowa stabilizacja pola widzenia ma także istotny wpływ na utrzymanie równowagi.
U nasady zespołu kanałów półkolistych znajdują się dwie wypełnione śródchłonką niewielkie komory nazywane odpowiednio woreczkiem i łagiewką. W ich wnętrzu na dolnej ścianie rozmieszone są skupiska komórek włosowatych. Bodźców mechanicznych dla tych komórek dostarczają przemieszczające się pod wpływem sił grawitacji, a także innych sił powodujących ruchy głowy, niewielkie pływające w śródchłonce nierozpuszczalne kryształy soli wapnia - statolity. Woreczek i łagiewka wchodzą w skład narządu otolitowego, uczestniczącego w kontroli równowagi ciała. Sygnały z narządów otolitowych przekazują do mózgu informację o statycznym położeniu głowy w przestrzeni. Receptory woreczka i łagiewki reagują na odchylenie głowy od położenia pionowego, a ich aktywność utrzymuje się przez cały czas zmienionej pozycji głowy.
Ponadto receptory łagiewki odgrywają rolę czujników przyspieszenia liniowego. Narząd otolitowy ma dośc szeroką charakterystykę częstotliwościową rozciągającą się zakresie 0-2 Hz. Próg wrażliwości tego narządu na zmiany przyspieszenia liniowego głowy jest bardzo niski, sięgający 0,005 g, czyli około 0,05 m/s2. Układ otolitowy reaguje na przyspieszenia kątowe głowy o wartościach powyżej 0,5 o/s2.
Za pomocą narządu równowagi realizowana jest zstępująca kontrola postawy. Zapewnia ona najwyższe - prawidłowe położenie głowy w przestrzeni, które z kolei za pomocą zespołu reakcji odruchowych ustala położenie pozostałych części ciała. W szczególności położenie głowy kontroluje za pomocą tonicznych odruchów przedsionkowych oraz odruchów szyjnych pozycję tułowia i kończyn dolnych.
Sygnały o położeniu i ruchach głowy przekazywane są do rdzenia za pośrednictwem jąder przedsionkowych zlokalizowanych w rdzeniu przedłużonym. Boczne jądra przedsionkowe (Deitersa) są miejscem integracji sygnałów z narządów otolitowych oraz móżdżku i rdzenia kręgowego. Na tej podstawie komórki nerwowe tych struktur generują odpowiednie sygnały pobudzające bezpośrednio motoneurony alfa i gamma mięśni antygrawitacyjnych: zginaczy kończyn górnych i prostowników kończyn dolnych. Dzięki temu zwiększa się napięcie tych zespołów mięśniowych. Neurony jądra Deitersa odpowiadają selektywnie na pochylenie głowy; aktywność spontaniczna tych komórek rośnie przy pochyleniu głowy w jedną stronę, a maleje przy pochyleniu w przeciwną. Wielkość tych zmian aktywności jest proporcjonalna do kąta pochylenia głowy.
Zmiany położenia głowy uruchamiają także odruchy szyjne, lecz ich działanie na mięśnie antygrawitacyjne jest odwrotne niż odruchów przedsionkowych. Taka interakcja tych odruchów pozwala na swobodne ruchy głowy bez narażania organizmu na utratę równowagi. Działanie obydwu łuków odruchowych jest kontrolowane przez móżdżek, który zapewnia dostosowawcze korekcje postawy ciała w trakcie wykonywania ruchów dowolnych.
Bardzo istotny wpływ na jakość dynamicznej kontroli postawy, a tym samym na stabilność, ma ograniczona prędkość przewodnictwa sygnałów w układzie nerwowym. Wynikiem tego ograniczenia jest czas utajenia, czyli latencja reakcji posturalnych. Miarą latencji jest interwał między pojawieniem się bodźca zakłócającego równowagę a początkiem reakcji ruchowej przywracającej stabilną pozycję ciała.
Reakcja taka realizowana jest przez napięcie odpowiednich mięśni; w najprostszym przypadku mogą to być mięśnie stabilizujące staw skokowy. Związana z tą aktywnością tzw. strategia stawu skokowego jest podstawową akcją przywracającą równowagę postawy stojącej. W takiej kontroli pierwsze zmiany aktywności mięśnia trójgłowego łydki i piszczelowego przedniego pod wpływem zmian kąta stawu skokowego pojawiają się już po 30 ms. Jednak efekt mechaniczny tej aktywności w postaci wzmożonego napięcia mięśni pojawia się dopiero po 45-50 ms. Ten pierwszy skurcz jest reakcją zgrubną i dlatego przyjmuje się, że ta szybka salwa aktywności bioelektrycznej mięśni (EMG) związana z monosynaptyczną pętlą rdzeniowa odruchu na rozciąganie nie ma większego znaczenia funkcjonalnego. Wprawdzie przeciwstawia się ona dalszemu rozciąganiu mięśni stabilizujących staw skokowy, jednak z reguły nie jest adekwatna do parametrów bodźca zakłócającego równowagę. Pierwsze efektywne zmiany aktywności elektromiograficznej mięśnia trójgłowego łydki pojawiają się dopiero po 100-120 ms. Jest to na tyle duże opóźnienie, że teoretycznie układ zapewniający stabilną postawę pracuje na granicy wydolności.
Jeszcze więcej czasu zajmuje uruchomienie odpowiedniej reakcji posturalnej w odpowiedzi na bodźce zakłócające sygnalizowane przez narząd przedsionkowy. Wzrost aktywności bioelektrycznej mięśni kończyn dolnych w odpowiedzi na bodźce przedsionkowe pojawia się dopiero po 180 ms. Najwolniej jednak reaguje układ kontroli równowagi na bodźce wzrokowe. Pierwsze zmiany aktywności EMG mięśni kończyn dolnych pod wpływem takich sygnałów pojawiają się dopiero po około 0,5 sekundy. Jeszcze dłuży czas utajenia mają korekcje postawy związane z percepcją subiektywnego pionu. Najwcześniejsze reakcje posturalne korygujące subiektywny pion pojawiają się z opóźnieniem od jednej do dwóch sekund.
Obwód nerwowy związany z wzrokową korekcją subiektywnego pionu składa się prawdopodobnie z różnych obszarów kory wzrokowej, które przez korę potyliczną sterują aktywnością kory ruchowej i przedruchowej. System posturalny reaguje prawidłowo tylko na wolnozmienne bodźce wzrokowe, których częstotliwość mieści się w granicach 0-0,2 Hz. Dlatego kontroli wzrokowej przypisywana jest tylko pomocnicza rola w utrzymaniu stabilnej postawy. Tak naprawdę mamy tu do czynienia z kolejnym przejawem nadmiarowości sterowania, które pozwala na zwiększenie prawdopodobieństwa utrzymania stabilnej postawy. Hierarchia poszczególnych systemów sensorycznych kontrolujących postawę może się zmieniać, co pozwala na skuteczną kompensację w przypadku niewydolności jednego z nich.
Posturografia
Posturografia - zespół metod badawczych pozwalających ocenić jakość kontroli postawy.
Wposturografii statycznej ocenę równowagi przeprowadza się na podstawie analizy drobnych mimowolnych ruchów OSC ciała w czasie spokojnego stania. Ruchy te, nazywane wychwianiami (postural sway) mogą być np. rejestrowane za pomocą systemu wideokomputerowego (Optotrak, Watsmart, Vicon) lub specjalnej platformy rejestrującej siły i momenty sił nacisku stóp na podłoże (Amti, Kistler).
Systemy te wyznaczają położenie i ruchy OSC ciała na podstawie pozycji i przemieszczeń wszystkich części ciała. W tym celu w 21 charakterystycznych punktach na ciele pacjenta umieszcza się specjalne znaczniki (markery). Są to najczęściej diody elektroluminescencyjne emitujące fale w zakresie podczerwieni (ryc. 7.2). Położenie znaczników rejestruje sprzężony z komputerem zespół szybkich kamer telewizyjnych. Znając orientacyjną masę poszczególnych części ciała (np. na podstawie współczynników wagowych Braunego i Fischera), na podstawie położenia markerów komputer wylicza położenie OSC ciała. Do niewątpliwych zalet wideoposturografii należy możliwośc dokładnego zapisywania ruchów poszczególnych części ciała zarówno w czasie ruchu, jak i spokojnego stania. Metoda ta ma jednak kilka wad ograniczających jej stosowanie w diagnostyce klinicznej. Wysoka cena sprzętu, bardzo duża pracochłonność związana z procesem rejestracji z analizą wyników, jak i czasochłoność (rozmieszczanie znaczników na ciele pacjenta), wymagana jest duża przestrzeń laboratoryjna.
Alternatywą jest niewielka, przypominająca wyglądem zwykłą wagę łazienkową platforma, tensometryczna lub piezoelektryczna (force-ptate posturography), rejestrująca rozkład oraz zmiany nacisku stóp na podłoże. Do pomiarów stosowana jest najczęściej, platforma z zamocowanymi czterema czujnikami rejestrującymi siły nacisku oraz momenty sił wywieranych na podłoże przez stopy pacjenta w czasie swobodnego stania. Na podstawie tych parametrów komputer wylicza położenie środka nacisku stóp (center of foot pressure, COP), który w warunkach statycznych jest rzutem OSC ciała na płaszczyznę podparcia. Po zakończeniu trwającego kilka minut badania, komputer automatycznie przeprowadza podstawowe analizy zarejestrowanych sygnałów oraz podaje wyniki badania.
Szczegółowe analizy sygnału COP pokazały, że w warunkach statycznych główną jego składową stanowią przemieszczenia środka ciężkości, czyli wychwiania. Zgodność obydwu sygnałów sięga 97%. Na tle wychwiań widoczne są dodatkowe szybkozmienne składowe związane z aktywną kontrolą równowagi.
Na rycinie 7.3 zestawiono dwa sygnały posturograficzne rejestrowane jednocześnie za pomocą systemu wideokomputerowego i platformy tensometrycznej. Rejestracji dokonano u osoby starszej (65 lat) w czasie trwającej 30 sekund próby spokojnego stania z oczami otwartymi. Łatwo zauważyć, że sygnał środka nacisku stóp (COP), zaznaczony na wykresie cieńszą linią, oscyluje wokół pogrubionej linii reprezentującej przemieszczenia środka ciężkości ciała (COG). Znakomity kanadyjski biomechanik uważa, że różnica tych dwóch sygnałów (COP-COG) stanowi główny sygnał sterujący odpowiedzialny za utrzymanie stabilnej postawy. W warunkach dynamicznych, np. podczas aktywnego kołysania się do przodu i do tyłu, zgodność obydwu sygnałów jest znacznie mniejsza. Momenty sił w czasie zmiany zwrotu kołysania osiągają znaczne wartości i dlatego amplituda sygnału COP przewyższa znacznie amplitudę przemieszczeń środka ciężkości ciała.
Wychwiania postawy
Dla biomechanika ciało to złożony, wielosegmentowy łańcuch kinematyczny. W warunkach statycznych, czyli w czasie stania w bezruchu ciało przypomina sztywną bryłę, a mówiąc dokładniej odwrócone wahadło. Statyczna stabilność kręgosłupa, przeprost w stawach kolanowych i biodrowych w połączeniu z aktywnością mięśni posturalnych zmieniają wielosegmentowy łańcuch ciała w sztywną bryłę, której środek ciężkości (OSC) znajduje się na poziomie drugiego kręgu krzyżowego.
Stabilność mechaniczną postawy stojącej zapewnia takie ułożenie przestrzenne ciała, że rzut OSC mieści się w centrum pola podparcia. W przypadku zakłócenia, powodującego niewielkie jego przemieszczenie, równowagę ciała można przywrócić, działając niewielką siłą uzyskiwaną przez napięcie określonej grupy mięśni. Zazwyczaj momenty sił towarzyszące niewielkim odchyleniom OSC od położenia równowagi są na tyle małe, że mogą być skorygowane przez słabe pobudzenie mięśni stabilizujących staw skokowy. Taka właśnie minimalna aktywność tych mięśni pozwala mam w warunkach statycznych utrzymać pionową postawę.
W czasie spokojnego stania każda aktywność organizmu, łącznie z oddychaniem, biciem serca i krążeniem krwi, powoduje niewielkie zakłócenie równowagi obserwowane jako przypadkowe oscylacje OSC ciała wokół jego normalnego położenia. Drugim źródłem niekontrolowanych przemieszczeń OSC jest toniczna aktywność mięśni antygrawitacyjnych. Do utrzymania pionowej postawy ciała potrzebne jest niewielkie, lecz stałe napięcie tych mięśni. Główne mięśnie stabilizujące staw skokowy: płaszczkowaty i piszczelowy przedni wykazują niewielką na przemienną aktywność w czasie spokojnego stania.
Utrzymanie stałego napięcia jest dla mięśni zadaniem niezwykle trudnym. Mięśnie z natury przeznaczone są do dynamicznej aktywności i przy dłuższym wysiłku izometrycznym siła napięcia mięśniowego zaczyna oscylować wokół pewnej wartości średniej. Te oscylacje napięcia powodują niewielkie zmiany wzajemnego położenia poszczególnych części ciała i w konsekwencji wzrost ruchów OSC.
Przy okazji warto wspomnieć, że oprócz typowej funkcji motorycznej mięśnie kończyn dolnych uczestniczą także w regulacji krążenia krwi. Skurcze mięśni napędzają system zastawek żylnych przepompowujących krew z kończyn dolnych do serca. Dlatego dłuższe pozostawanie w pozycji stojącej w całkowitym bezruchu może spowodować niedokrwienie mózgu i tym samym doprowadzić do utraty równowagi. Nic więc dziwnego, że nawet spokojnemu staniu towarzyszy szczątkowa aktywność mięśni nasilająca mimowolne ruchy ciała.
W wyniku tych wszystkich oddziaływań środek ciężkości ciała odchyla się od swego normalnego położenia równowagi. Kierunek wychwiań oraz ich szybkość mają charakter zmian chaotycznych. Układ nerwowy koryguje je dopiero wówczas, gdy takie odchylenie OSC od położenia równowagi przekroczy pewną wartość progową. Ta wartość zależy od prawidłowego działania wszystkich układów sensorycznych zaangażowanych w stabilizację postawy, od ich progów czułości, ich nieliniowości oraz opóźnień transmisji sygnałów w układzie nerwowym.
Duże znaczenie ma również charakterystyka mechaniczna mięśni uczestniczących w kontroli równowagi. Jeśli odchylenie OSC od położenia równowagi może zagrozić stabilności, przez odruchowe napięcie odpowiednich mięśni posturalnych jego położenie zostaje skorygowane. Właśnie te mimowolne ruchy ciała w postawie stojącej, obserwowane w posturografii jako przemieszczenia OSC (COG), oraz ich aktywne korekcje tworzą rzeczywisty obraz wychwiań postawy.
Metody oceny stabilności postawy. Analiza wychwiań
Pomiary wychwiań wykonywane są rutynowo w większości laboratoriów biomechanicznych, chociaż dla niedoświadczonego eksperymentatora ich wartość diagnostyczna jest ograniczona. Ruchy OSC ciała oraz skorelowane ściśle z nimi przemieszczenia środka nacisku stóp mają charakter chaotyczny. Ich przebieg wykazuje olbrzymią zmienność osobniczą, a nawet u tej samej osoby badanej może się zmieniać z próby na próbę. Typowy zapis wychwiań środka nacisku stóp rejestrowany za pomocą platformy posturograficznej przypomina błądzenie przypadkowe. Dlatego proste metody ich analizy zawodzą i nie dostarczają oczekiwanych informacji.
Najczęściej interesuje nas związek między parametrami wychwiań a stabilnością postawy. Wyniki licznych badań naukowych potwierdzają, że postawę stojącą osoby o zmniejszonej stabilności, jak np. pacjenta w starszym wieku, cechuje w porównaniu z osobą młodą i zdrową znacznie większy zakres wychwiań.
Również zakłócenie pracy któregokolwiek z wejść sensorycznych kontrolujących postawę stojącą, np. zamknięcie oczu, powoduje wzrost wychwiań. Z reguły pogorszeniu kontroli posturalnej towarzyszy zwiększony zakres mimowolnych przemieszczeń OSC ciała, chociaż nie zawsze zwiększony zakres wychwiań jest spowodowany upośledzeniem kontroli stabilności. Często obserwuje się, że u osób bardzo sprawnych fizycznie zakres mimowolnych przemieszczeń OSC ciała może być również duży. Dlatego ażeby wykryć niestabilność posturalną na podstawie wychwiań, z reguły konieczna jest bardziej zaawansowana analiza. Jest to niewątpliwie wada, która nieco ogranicza wartość tej metody diagnostycznej.
Dla przeciętnego badacza najchętniej ocenianymi parametrami wychwiań są te, które najłatwiej zmierzyć. Na rycinie 7.4 pokazano przykład przemieszczeń środka nacisku stóp w czasie spokojnego stania osoby młodej sprawnej fizycznie. Taki zapis pokazujący wędrówkę COP w dwuwymiarowej płaszczyźnie podparcia nazywany jest posturogramem lub statokinezjogramem.
Kierunki na tej płaszczyźnie oznacza się literami x i y, przy czym x (lub AP) oznacza wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej, a y (lub ML) oznacza wychwiania w płaszczyźnie czołowej. Do najczęściej analizowanych i chyba najbardziej wartościowych parametrów posturogramu należy długość drogi (path length) posturogramu. Droga jaką przebywa środek ciężkości w czasie testu, zależy od narzuconego czasu rejestracji oraz od szybkości ruchu OSC ciała lub COP w czasie próby.
Zazwyczaj upośledzenie kontroli równowagi postawy stojącej przejawia się wydłużeniem tej drogi. Ponieważ chaotyczne ruchy OSC są dwuwymiarowe, dodatkowe informacje na temat stabilności postawy można uzyskać, analizując poszczególne składowe drogi statokinezjogramu, czyli osobno wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej i osobno w płaszczyźnie czołowej. Odrębna analiza każdej składowej posturogramu pozwala stwierdzić, w której płaszczyźnie nasila się niestabilność.
Innym parametrem stosowanym do podstawowej oceny posturogramu jest zakres wychwiań (say range) w głównych płaszczyznach. Poszczególne zakresy definiowane są jako różnice pomiędzy skrajnymi odchyleniami OSC wzdłuż osi x lub y.
Bez wątpienia jeszcze więcej informacji o kontroli równowagi zapewnia analiza całej obwiedni posturogramu, a nie tylko wybranych kierunków. Jeśli kolejne skrajne punkty statokinezjogramu połączymy ze sobą liniami, otrzymamy wielobok o nieregularnym kształcie. Obliczana przez komputer powierzchnia takiej figury zależy od zakresu wychwiań we wszystkich kierunkach i jest kolejnym parametrem charakterystycznym posturogramu.
Częściej jednak, oby uprościć nieco problem analizy wpisuje się punkty wychwiań w krąg lub elipsę. Wymiary geometryczne tych figur, np. promień okręgu opisanego albo długości promieni i nachylenie osi elipsy, są kolejnymi ważnymi wskaźnikami jakości kontroli równowagi.
Postawę stojącą człowieka przy standardowym podparciu dwunożnym cechują większe wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej. Przemieszczenia OSC (COP) w płaszczyźnie czołowej są znacznie mniejsze, a wzrost niestabilności w tej płaszczyźnie jest zazwyczaj skutecznie kompensowany przez szersze rozstawienie stóp. Zakres obserwowanych wychwiań w płaszczyźnie strzałkowej jest zazwyczaj dwu- lub trzykrotnie większy niż w płaszcyźnie czołowej i dlatego elipsa dokładniej obejmuje punkty pomiarowe stabilogramu.
Oprócz powierzchni elipsy ważnym wskaźnikiem jakości kontroli równowagi jest nachylenie dłużej osi elipsy (czyli tej odpowiadającej wychwianiom w płaszczyźnie strzałkowej) względem układu współrzędnych.
Zaburzenia równowagi, spowodowane jednostronnymi uszkodzeniami móżdżku lub narządów przedsionkowych, oprócz wzrostu zakresu niekontrolowanych przemieszczeń OSC ciała powodują również charakterystyczne zmiany nachylenia osi elipsy w kierunku przeciwnym do miejsca uszkodzenia.
Jak już wspomniano, wyznacznikiem stabilności postawy stojącej jest położenie rzutu OSC ciała względem krawędzi podparcia. Położenie rzutu OSC w płaszczyźnie podparcia oraz jego znaczenie w utrzymaniu równowagi podkreślali już siedemnastowieczni fizycy.
Na rycinach Borelliego (ryc. 7.5) widać wyraźnie, że OSC nawet obciążonego dodatkowym ciężarem ciała musi się mieścić w polu podparcia. Nie były więc całkowitym zaskoczeniem wyniki badań Hellebrandta i wsp. (1940), które potwierdziły, że w czasie spokojnego stania rzut OSC znajduje się około 4-5 cm do przodu od linii łączącej kostki boczne stawu skokowego. Istotne znaczenie ma fakt, że dokładność, z jaką utrzymywane jest to referencyjne położenie OSC w czasie spokojnego stania, jest czułym wskaźnikiem jakości kontroli postawy.
W badaniach posturograficznych takiej informacji może nam dostarczyć analiza rozkładu przestrzennego punktów statokinezjogramu oraz wartość szczytow takiego rozkładu.
W celu przeprowadzenia takiej analizy cały zakres wychwiań dzielimy na jednakowe komórki w kształcie kwadratu o boku (w zależności od dokładności jaką chcemy uzyskać) 0,1 - 0,5 mm. W trakcie badania rzut OSC odwiedza każdy z tych kwadracików określoną liczbę razy lub inaczej: spędza w każdy z nich określony czas. Na podstawie tych wartości (lub wartości względnych odniesionych do całkowitej liczby punktów pomiarowych rejestrowanych w czasie badania) możemy zbudować histogram przestrzenny.
Przykład takiego rozkładu pokazano na ryc. 7,6. Kształt histogramu pozwala ocenić, czy kontrola położenia referencyjnego OSC, a tym samym pionowa orientacja ciała, jest prawidłowa.
Takim wyznacznikiem prawidłowej kontroli jest zazwyczaj histogram o skupionym rozkładzie i o ostrym maksimum. Upośledzenie kontroli powoduje, że histogram przestrzenny staje się rozmyty (bez wyraźnego maksimum) lub niesymetryczny. Porównując rozkłady przestrzenne wychwiań u młodych ludzi oraz osób w starszym wieku stwierdzono, że w pierwszej grupie średnia wartość szczytowa jest ponad dwukrotnie większa niż w grupie ludzi w wieku powyżej 65. roku życia (Błaszczyk, 1999). W grupie ludzi młodych średnia ta sięgała 25%, natomiast w grupie osób starszych nie przekraczała 11,2%.
Można więc stwierdzić, ze w wyniku procesu starzenia się kontrola położenia OSC ciała ulega stopniowej degradacji. Osoby starsze nie są w stanie precyzyjnie kontrolować referencyjnego położenia OSC ciała. Przy okazji warto zaznaczyć, że u ludzi w starszym wieku oraz pacjentów z zaburzeniami równowagi posturalnej zmienia się również położenie referencyjne OSC. Ubytek równowagi jest zazwyczaj kompensowany pochyleniem ciała do przodu.
Oprócz wskaźników statycznych stabilności do oceny jakości posturalnej można wykorzystać również pewne pomiary dynamiczne: bezpośrednie i pośrednie. Do pierwszej grupy zaliczamy ocenę kontroli OSC ciała w czasie świadomego przemieszczania tego punktu w wyznaczonym kierunku. Najczęściej sprowadza się to do badania maksymalnego pochylenia ciała do przodu, przy czym ruch jest w zasadzie ograniczony do stawu skokowego.
Badanie takie jest ekwiwalentem popularnego wśród rehabilitantów testu zasięgu funkcjonalnego Duncana. W obydwu przypadkach oceniamy zakres maksymalnego wychylenia ciała do granicy stabilności. W tym celu w teście Duncana stawiamy pacjenta bokiem do ściany z ręką wysuniętą do przodu. Zaznaczamy na ścianie położenie ręki, a odległość między obydwoma położeniami ręki nazywa się zasięgiem funkcjonalnym. Zasięg ten jest miarą kontrolowanego przemieszczenia OSC ciała, a tym samym jest też zakresem stabilności postawy stojącej.
Podobnie, pomiaru zakresu przemieszczenia OSC można dokonać za pomocą platformy posturograficznej. W tym przypadku oprócz dokładnego zakresu przemieszczenia OSC możemy także ocenić jakość, czyli charakterystykę dynamiczną przemieszczeń COP w czasie maksymalnego pochylenia ciała w dowolnym kierunku.
Stabilność postawy można również oszacować na podstawie szybkości i zakresu ruchów dowolnych. Ruchy poszczególnych części ciała, a szczególnie te wymagającej dużej siły i o znacznej amplitudzie, powodują większe odchylenia OSC w stosunku do położenia referencyjnego. W czasie wykonywania takich ruchów stabilność postawy jest ciągle zakłócana. Dlatego system kontrolujący postawę musi monitorować i korygować przemieszczenia OSC w czasie aktywności ruchowej, tak aby zapewnić maksymalną stabilność.
Dodatkowo powiązanie kontroli postawy z kontrolą ruchów dowolnych, chociażby przez wspólny układ wykonawczy, pozwala stwierdzić, że charakterystyka wielu ruchów dowolnych jest zależna od stabilności postawy. Przykładem mogą być ruchy wspinania się na palce lub przysiady. W czasie takiej aktywności pojawia się sterowanie sekwencyjne, czyli wzajemne przeplatanie się kontroli postawy i ruchu dowolnego. Dlatego Hess (1944) wyróżnił w takich warunkach aspekt ereizmatyczny, czyli związany z utrzymaniem postawy, i teleokinetyczny odnoszący się do realizacji właściwego ruchu dowolnego.
Do zagadnienia oceny stabilności postawy można podejść jeszcze w inny sposób. Ciało człowieka wraz z aktywnym systemem kontroli równowagi można traktować jako system (przysłowiową czarną skrzynkę) z określonym wejściem i wyjściem. W szczególnym przypadku można przyjąć, że sygnałem wejściowym jest np. siła odpychająca wytwarzana przez kontrolowany ruch ramion, natomiast sygnałem wyjściowym są siły reakcji podłoża wywołane ruchem ramion (ryc.7.7).
Platforma posturograficzna pozwala precyzyjnie mierzyć poszczególne siły reakcji podłoża. Ze względu na aktywną kontrolę postawy, transmisję sygnału wejściowego przez łańcuch kinematyczny ciała opisuje funkcja przejścia (czyli tzw. transmitancja) zależna od stanu układu ruchowego i posturalnego. Porównując funkcję przejścia w przypadku stabilnej postawy (cykliczny ruch ramion wykonywany w czasie na twardym podłożu) i w warunkach zmniejszonej stabilności przez umieszczenie osoby na elastycznym podłożu z gąbki, stwierdzono zmniejszenie maksymalnej prędkości wykonywanych ruchów oraz spadek wzmocnienia układu.
W tym przypadku wzmocnienie określa się jako stosunek amplitudy sygnałów wyjściowego i wejściowego. Wykazano także, że ubytek równowagi związany z procesem starzenia się powoduje znaczne zmniejszenie wzmocnienia systemu posturalnego.
Stwierdzono w grupie osób starszych istotne zmniejszenie maksymalnej prędkości wykonywanych ruchów i ich amplitudy przy jednoczesnym wzroście amplitud sił reakcji podłoża (Błaszczyk i wsp., 1994). W następstwie upośledzenia stabilności posturalnej pacjenci rozwijają „strategię spowolnienia ruchowego”, która pomaga im zmniejszyć niekontrolowane ruchy OSC, a tym samym zminimalizować prawdopodobieństwo utraty równowagi i upadku.
Omówione dotychczas najprostsze parametry posturogramów i ich analizy nie zawsze pozwalają na jednoznaczną ocenę stabilności postawy. W ostatnich latach do analizy wychwiań zastosowano bardziej złożony aparat matematyczny. Typowy zapis rejestrowanych przez platformę posturograficzną wychwiań przypomina błądzenie przypadkowe.
Wstępna analiza kształtu posturogramu pozwala stwierdzić, że sygnał ten oprócz stacjonarnej, niezależnej składowej szybkozmiennej zawiera trendy stochastyczne (składowe wolnozmienne).
Obecność składowej szybkozmiennej jest podyktowana istnieniem szumu w układzie kontroli postawy i stanowi też szczególny obiekt zainteresowań badaczy, ponieważ ma podłoże tylko w aktywności nerwowo-mięśniowej człowieka.
James Collins z Uniwersytetu w Bostonie opisuje wychwiania jako skorelowane błądzenie z dwoma charakterystycznymi regionami: krótszym, w którym trajektoria wychwiań jest skorelowana dodatnio, tzn. tendencja z przeszłości jest kontynuowana w przyszłości, oraz dłuższym - korelacją ujemną, czyli bez kontynuacji trendu. Każdemu z tych regionów Collins (1994) przyporządkowuje inny typ sterowania.
W krótszym jest sterowanie typu zamkniętej pętli (close loop control), podczas gdy drugiemu przypisuje się sterowanie typu otwartego (open loop control). Granica podziału obydwu regionów jest czułym wskaźnikiem wydolności układu posturalnego.
Bardzo obiecującą wydaje się analiza charakterystyki sterowania na podstawie modeli autoregresji. Modele takie tworzy się przy założeniu, że obserwowany sygnał wychwiań w płaszczyźnie strzałkowej x(n) wymuszony jest pojawiającym się w układzie sterowania procesem stochastycznym u(n) w postaci białego szumu.
Idea takiego modelowania sprowadza się do znalezienia współczynników a(k) równania różnicowego jak najniższego stopnia (w przypadku wychwiań wartość p = 2), które najlepiej przybliża obserwowany sygnał i kryjący się za nim biomechaniczny układ liniowy o stałych parametrach skupionych (pacjent).
Korzystając z wartości sygnału w chwilach {n-1, n-2, ..., n-p} stanowiących p-krotną przeszłość, wyznacza się wartość sygnału w chwili n zgodnie z zależnością;
x(n) = -Σa(k)x(n-k)+u(n)
Tak zdefiniowany sygnał x(n) reprezentuje „wirtualnego” pacjenta opisanego przez równanie różnicowe z pamięcią stanów przeszłych.
Parametry tego równania opisują właściwości biomechaniczne kontroli postawy stojącej. Co więcej, wydaje się, że model autoregresji można również wykorzystać do oceny dynamicznej stabilności postawy.
U osób z niestabilnością posturalną, np. ludzi w podeszłym wieku, nie można wykonać większości testów dynamicznych bez narażenia ich na upadek. Jednak posturogram statyczny zawiera informacje na temat dynamiki systemu kontroli równowagi.
Oceny dynamicznej można dokonać, zakłócając równowagę naszego modelu wirtualnego pacjenta. W tym celu komputer generuje impuls zakłócający, który podawany jest na wejście układu opisanego modelem autoregresji.
Najczęściej stosowanymi wymyszeniami są impuls jednostkowy (mówimy wówczas o charakterystyce impulsowej) oraz skok jednostkowy, dający charakterystykę skokową.
W odpowiedzi układu posturalnego na zakłócenie można wyróżnić trzy przypadki: tzw: aperiodyczny, charakteryzujący się ekspotencjalnym zanikiem niezrównoważenia, aperiodyczny krytyczny, o znacznie szybszym zaniku, oraz oscylacyjny charakteryzujący się oscylacyjnymi zanikami odpowiedzi.
Każdy typ odpowiedzi obserwuje się w sposób powtarzalny dla modeli autoregresyjnych pobudzonych impulsem jednostkowym (ryc. 7.8).
Modele autoregresyjne pacjentów pozbawionych zaburzeń kontroli postawą dają odpowiedź impulsową w postaci zanikającej funkcji wykładniczej (przypadek aperiodyczny i aperiodyczny krytyczny). Jedni pacjenci wracają do stanu równowagi szybciej, inni zaś wolniej.
Nawet u pacjentów, którzy potrzebują dłuższego czasu powrotu do stanu równowagi postawy, po kilku pomiarach posturograficznych obserwyje się przypadek krytyczny (efekt uczenia się).
Pacjenci z patologią układu kontroli prezentują przypadek zaniku oscylacyjnego.
W ten sposób modelując wirtualnego pacjenta i dokonując również wirtualnego zaburzenia w postali impulsu jednostkowego, dokonuje się oceny dynamicznej stabilności na podstawie wyników testu statycznego.
Kliniczne testy oceny stabilności postawy
Testy funkcjonalne pozwalają na określenie stanu systemu kontroli równowagi i ewentualnych zmian spowodowanych działaniami terapeutycznymi. Testy funkcjonalne to zazwyczaj proste zadania ruchowe, których wykonanie ocenia terapeuta w skali 3- lub 5-stopniowej. W tym przypadku najbardziej złożonym narzędziem pomiarowym jest stoper lub linijka. Istnieje wiele zestawów testów, które pozwalają na ocenę równowagi pacjenta, przy czym jakość większości z nich nie została jeszcze zweryfikowana.
Chyba najpopularniejszymi testawi wydolności układu równowagi jest ocena mobilności (Performance-Oriented Assessment of Mobility, POAM) oraz test Tinnetiego. Obydwa testy zostały opracowane w celu funkcjonalnej oceny równowagi u osób w starszym wieku.
Test Tinnetiego składa się z zadań ruchowych, których wykonanie punktowane jest w skali trzystopniowej 0-2. Wynik oceny nazywa się wskaźnikiem mobilności Tinnetiego. W skład zaproponowanej baterii zadań wchodzą takie próby, jak wstawanie z krzesła, obrót o 360o, reakcja posturalna na popychanie, przez słaby nacisk na mostek pacjenta.
Zaletą testów Tinnetiego jest duża, sięgające 85% zgodność wyników w przypadku różnych osób oceniających. Pozwala ona wykryć u badanych pacjentów skłonność do upadku z prawdopodobieństwem 93%.
Inną popularną wśród fizykoterapeutów miarą równowagi jest Funkcjonalna Skala Równowagi Berga (Berg Functional Balance Scale, BFBS). Skala Berga składa się z 14 zadań ocenianych w skali 5-stopniowej. W jej skład w większości wchodzą podobne testy jak stosowane przez Tinnnetiego, poszerzone o ocenę zasięgu funkcjonalnego (test Duncana), podnosznie drobnych przedmiotów z podłogi, zwroty głowy, wchodzenie na stopień, stanie na jednej nodze. Skala Berga ma jeszcze wyższy stopień zgodności (98% zgodności wyniku testu między różnymi osobami oceniającymi). Ma niestety niższą czułość niż bateria testów Tinnetiego, bowiem pozwala tylko w 53% wykryć pacjentów z tendencją do upadku. Ma natomiast wysoką specyficzność sięgającą (^% w przewidywaniu, kto nie upadnie. Prawie wszystkie kliniczne oceny równowagi wykorzystują podobne próby. W tabeli 7.1 pokazano przykład takiego zestawu zalecanego przez zespół ekspertów z grupy Kellogg.
Zaburzenia stabilności postawy u ludzi w starszym wieku
Procesom starzenia towarzyszy postępująca degradacja wszystkich systemów fizjologicznych. Z wiekiem następuje również upośledzenie funkcji układu ruchowego i posturalnego, od których wydolności zależy stabilność postawy. Przez długi okres życia kontrola równowagi dostosowana jest do zmian zachodzących w organizmie i w jego otoczeniu. Dopiero niewydolność dostępnych mechanizmów kompensacyjnych, jak to ma miejsce w późnej starości, powoduje gwałtowny spadek stabilności postawy.
Głównym objawem niestabilności są zaburzenia równowagi, powodujące często tragiczne w skutkach upadki. Upadki te mogą powodować znaczne urazy ciała, a nawet śmierć.
Niestabilność posturalna występuje u około 14% osób od 50. do 60. roku życia. W kolejnej dekadzie życia prawdopodobieństwo upadku wzrasta średnio do 22%, a w grupie osiemdziesięciolatków problem ten dotyczy ponad jednej trzeciej liczby osób.
W zależności od statystyk 25-50% osób powyżej 65. roku życia doświadcza upadku. Starsze kobiety upadają 1,3-2,2 razy częściej niż mężczyźni.
Większość upadków u osób starszych występuje w czasie lokomocji. W takich warunkach przeważają upadki w stronę do przodu (60% wszystkich upadków), powodujące najczęściej uszkodzenia górnych kończyn.
Prawdopodobieństwo do tyłu lub na boki jest podobne i wynosi dla każdego kierunku okolo 20%.
Mężczyźni częściej upadają w wyniku poślizgnięcia się (zazwyczaj upadek na bok). Wśród starszych kobiet przeważają upadki spowodowane potknięciem się i w konsekwencji upadają one do przodu.
Wprawdzie tylko 5% upadków kończy się złamaniem, jednak około 87% złamań u osób starszych spowodowane jest upadkiem. Prawdopodobieństwo upadku zakończonego śmiercią jest w grupie ludzi starszych (>65 lat) siedmiokrotnie większe niż u osób w młodym wieku.
Chociaż prawdopodobieństwo upadku w grupie osób starszych jest duże, to jedynie u 5-15% z nich powoduje poważne urazy głowy, złamania, zwichnięcia i uszkodzenia tkanek miękkich. Złamania dotyczą zazwyczaj kończyn górnych, stawu biodrowego, żeber i kręgosłupa.
W czasie upadku typową strategią obronną jest używanie kończyn górnych w celu ochrony głowy i tułowia. U kobiet połowa, a u mężczyzn jedna trzecia urazów związanych z upadkiem dotyczy złamań kończyny górnej, natomiast prawdopodobieństwo urazów biodra wynosi 18% u kobiet i 24% u mężczyzn.
Wielkość i rodzaj urazu związanego z upadkiem wyznaczają dwie grupy czynników. Z jednej strony są to siła i związane z nią momenty sił podczas uderzenia o ziemię. Drugą grupę stanowi wytrzymałość tkanek na przeciążenia spowodowane upadkiem.
Upadek można podzielić na dwie fazy: przeduderzeniową, zwaną fazą zstępującą, oraz zderzenie.
Pierwsza z nich jest stosunkowo długa i trwa około 0,7-1 sekundy. W fazie zderzenia z ziemią maksymalne przeciążenie tkanek pojawia się z opóźnieniem wynoszącym od pojedynczych do kilkudziesięciu milisekund.
Powyższe relacje czasowe pozwalają przypuszczać, że głównie trwająca dłużej faza zstępująca determinuje odpowiedź nerwowo-mięśniową, a tym samym właściwości biomechaniczne (sztywność i tłumienie) układu ruchowego w momencie zderzenia z podłożem.
Chociaż większość upadków występuje w czasie lokomocji, stwierdzono, że w zakresie używanych przez ludzi szybkości poruszania się prędkość chodu w zasadzie nie wpływa na energię zderzenia.
Badania naukowe nad kontrolowanym upadkiem do przodu na wyprostowane kończyny górne pozwoliły stwierdzić, że w takich warunkach obciążenie każdej z kończyn jest rzędu 1800 N.
Maksymalną wartość osiąga siła zderzenia po 10-20 ms, a całkowity czas niezbędny do zamortyzowania zderzenia mieści się w granicach 200-300 ms.
Tak wielkie przeciążenie mechaniczne może spowodować złamanie kości przedramienia. Stwierdzono, że u kobiet przeciążenia w granicach 1580-3180 N wystarczają do złamania kości promieniowej przedramienia.
U mężczyzn wartość przeciążeń powodujących złamanie jest znacznie większa i wynosi 2370-3770 N.
Maksymalna siła zderzenia, a tym samym jej skutki, zależą między innymi od twardości podłoża, objętości tkanki miękkiej w obszarze zderzenia oraz kinematyki ciała.
Nauczenie pacjenta, jak zachować się w czasie upadku pozwala mu na znaczne zredukowanie maksymalnego przeciążenia, a tym samym może zmniejszyć prawdopodobieństwo złamania kończyny górnej.
Jedną z zasad, którą wpaja się pacjentom, jest „nigdy nie padaj na sztywno wyprostowane kończyny górne, ponieważ zwiększa to ryzyko złamania”.
Ugięcie kończyn górnych w stawach łokciowych pozwala łatwo zamortyzować siłę zderzenia. Ochrona przed skutkami upadku przez przyjęcie siły zderzenia na ugięte kończyny górne wymaga jednak określonej siły prostowników stawu łokciowego. Dlatego w procesie uczenia takiej reakcji obronnej musimy uwzględnić trening zwiększający siłę tych mięśni.
W przeciwnym wypadku wyuczona reakcja zabezpieczająca przed uszkodzeniem kości może spowodować uraz mięśni. W czasie amortyzacji upadku napięty mięsień trójgłowy ramienia jest gwałtownie rozciągany i wówczas pojawia się niebezpieczeństwo rozerwania mięśnia.
Wraz z wiekiem pojawiają się zmiany w organizmie człowieka powodujące, że wytrzymałość narządu ruchu na impulsowe przeciążenia maleje. Zmienia się zarówno kształt kości, jak i gęstość tkanki kostnej.
W wyniku tych zmian podatności kości na złamania wzrasta dwukrotnie. Na tej podstawie szacuje się, że np. ryzyko złamania biodra wzrasta dwukrotnie na każdą dekadę życia.
Upadki, nawet te które nie powodują znacznych obrażeń ciała, wywołują u pacjentów długotrwałe stany lękowe rzutujące na ich dalszą aktywność życiową.
Zaburzenia równowagi są więc ważnym problemem społeczny. Wczesna diagnostyka niestabilności połączona z odpowiednią rehabilitacją mogą ograniczyć jej negatywne skutki oraz poprawić jakość życia osób w podeszłym wieku. Dlatego opracowanie metody diagnostycznej pozwalającej na wczesne wykrywania zaburzeń równowagi jest poważnym wezwaniem dla biomechaniki.
Heurystyczne modele stabilności postawy
Załóżmy, że w uproszczeniu ciało człowieka jest sztywną bryłą w kształcie walca, o pewnej wysokości i promieniu pola podstawy wyznaczonej powierzchnią stóp (ryc. 7.9).
Zgodnie z przedstawioną wcześniej definicją stabilności łatwo wykazać, że taki system mechaniczny jest statycznie stabilny (tzn. może zachować swoją pionową pozycję w przestrzeni) tak długo, jak długo rzut OSC walca pozostaje wewnątrz pola postawy.
Stabilność mechaniczna takiej bryły, czyli wrażliwość na działanie sił zewnętrznych, zależy przede wszystkim od jej masy oraz kształtu, a w szczególności od stosunku wysokości do promienia postawy.
Przenosząc te rozważania na zagadnienie stabilności postawy człowieka można stwierdzić, że te same parametry (masa ciała, wysokość i wielkość powierzchni podparcia) są wyznacznikami statycznej stabilności mechanicznej: że im większa jest masa ciała i im niżej położony jest środek ciężkości oraz im większe jest pole podparcia, tym bardziej stabilna jest postawa stojąca. Ideałem pod tym względem jest więc zawodnik sumo.
Odmiennie przedstawia się problem stabilności dynamicznej. Utrata równowagi u osób z dużą masą ciała (np. otyłych) wymaga w celu odzyskania stabilności znacznie większej mocy układu mięśniowego. W takim przypadku wzrost bezwładności związany z nadmierną masą ciała pogarsza stabilność.
Kontrola postawy ze względu na rozmieszczenie układów zarówno sensorycznych, jak i wykonawczych ma charakter rozproszony. Stabilność utrzymywana jest przez stałe lub fazowe napięcie odpowiedniej grupy mięśni, której aktywność sterowana jest zarówno sygnałami ośrodkowymi, jak i obwodowymi. Wypadkową tego sterowania jest określone położenie OSC ciała.
Analiza systemu z rozproszonym sterowaniem jest bardziej skomplikowana i dlatego najczęściej przyjmuje się, że kontrola postawy polega na kontroli położenia OSC ciała.
W 1980 r. Koozekanani i wsp. zaproponowali prosty model biomechaniczny, sprowadzający kontrolę stabilności postawy do utrzymania rzutu OSC w maksymalnej odległości od przedniej i tylnej krawędzi stóp. W myśl te koncepcji krawędzie stóp stanowią granicę stabilności postawy stojącej.
Hipoteza Koozenkaniego stała się inspiracją do kolejnych badań nad położeniem rzeczywistych granic stabilności w czasie spokojnego stania (Błaszczyk i wsp., 1994). Okazało się, że nawet najbardziej sprawny fizycznie człowiek (badania wykonywane były na studentach wydziału wychowania fizycznego) nigdy nie osiąga hipotetycznej granicy stabilności wyznaczonej obwiednią stóp.
Rzeczywistą granicę stabilności postawy oddziela od granicy mechanicznej, czyli krawędzi stóp, obszar nazwany marginesem bezpieczeństwa (ryc. 7.10).
Wielkość tego marginesu uzależniona jest od wydolności układu utrzymania równowagi oraz innych czynników niezwiązanych bezpośrednio z kontrolą postawy, np. lęku przed upadkiem.
Zwiększenie marginesu bezpieczeństwa pozwala na wcześniejsze wykrycie zakłócenia równowagi, a tym samym daje więcej czasu na zrealizowanie programu ruchowego przywracającego równowagę. Przez porównanie szerokości marginesu bezpieczeństwa w różnych grupach wiekowych: ludzi młodych i w starszym wieku, możliwa jest ilościowa ocena zmian stabilności postawy wywołanych procesami patologicznymi lub starzeniem się organizmu.
W badaniach takich zazwyczaj koncentrujemy się na pomiarze zakresu i przebiegu przemieszczeń OSC ciała przy maksymalnym wychyleniu się osoby badanej w cztery podstawowe strony: do przodu, do tyłu i na boki.
Dotychczas stwierdzono na przykład, że zarówno zakres wychylenia oraz trajektoria ruchu OSC w czasie wykonywania zadania różni się u osób starszych i osób z grupy kontrolnej. Przykładowe zapisy zmian położenia środka nacisku stóp w czasie maksymalnego wychylenia OSC do przodu przedstawiono na rycinie 7.11.
Zazwyczaj osoby w starszym wieku przejawiają znaczną niezborność ruchu przy próbach maksymalnego wychylenia się w dowolną stronę (Błaszczyk i wsp. 1993, 1994). Szczególnie wyraźnie widać upośledzenie kontroli w próbach wychylenia do tyłu.
Osoby starsze wykazują również wyraźną tendencję do ograniczenia obszaru stabilności przy pochyleniu się do przodu i na boki. Wyniki te wyraźnie wskazują, że tylna granica stabilności statycznej zostaje najbardziej uszkodzona w procesie starzenia. Tylny obszar stabilności stanowi najsłabsze ogniwo kontroli stabilności postawy stojącej u ludzi w starszym wieku.
Ten wynik znajduje potwierdzenie w licznych obserwacjach z kliniki geriatrycznej dokumentujących wyraźną tendencję przewracania się tych ludzi do tyłu.
Dalsze analizy wykazały znaczne wydłużenie czasu na wykonanie próby wychylenia. Ludzie starsi, w czasie wychylenia w dowolną stronę, wykonywali ten ruch znacznie wolniej i w sposób mniej kontrolowany. Stwierdzono ponad 60% wzrost czasu potrzebnego na przemieszczenie rzutu środka ciężkości z pozycji normalnej do przedniej granicy stabilności. Zaobserwowano również charakterystyczną zmianę trajektorii ruchu.
W grupie kontrolnej trajektoria taka miała przebieg monotoniczny.
U starszych osób natomiast obserwowano znaczne oscylacje OSC zarówno na boki, jak i w płaszczyźnie strzałkowej. Taka niezborność może być dowodem na upośledzenie kontroli położenia OSC ciała. Mianowicie, w czasie wykonywania ruchu, w wyniku niezborności może nastąpić niekontrolowane przekroczenie granicy stabilności. Dlatego strategia spowolnienia ruchowego, tak typowa dla późnego wieku, jest mechanizmem kompensacyjnym, minimalizującym skutki niezborności.
Na podstawie dotychczas zgromadzonych wyników badań zaproponowano prosty model heurystyczny kontroli stabilności postawy (Błaszczyk i wsp., 1994). W modelu tym przyjmuje się, że układ nerwowy kontroluje stabilność przez kontrolę położenia OSC ciała.
Kontrola ta ma inny charakter w każdym z dwóch obszarów położonych koncentrycznie wokół normalnego położenia ogólnego środka ciężkości (p. ryc. 7.10).
W pierwszym z nich dowolna aktywność ruchowa powoduje odchylenia OSC od położenia referencyjnego, jednak obszar tych przemieszczeń jest minimalny dzięki automatycznym korekcjom posturalnym (antycypacyjnym i reaktywnym).
Jednak na skutek błędu kontroli lub w wyniku zadziałania siły zakłócającej OSC może się znaleźć w drugim obszarze nazywanym marginesem bezpieczeństwa. Wówczas przerywana jest aktywność ruchowa, o położenie OSC jest korygowane przez realizację prostego programu ruchowego, np. wykonanie kroku.
W najprostszym ujęciu przywracanie równowagi zachodzi w sposób sekwencyjny.
Proces ten rozpoczyna wykrycie przez układy sensoryczne zakłócenia równowagi, a w szczególności jego rodzaju wielkości i zwrotu. Po tym następuje wybór adekwatnej reakcji przywracającej równowagę, która musi być uruchomiona i zakończona w ściśle określonym przedziale czasowym (70-100 ms).
Okres wyznaczony momentem wykrycia zakłócenia równowagi, a kończący się wykonaniem niezbędnych skoordynowanych ruchów przywracających równowagę, jest miarą marginesu lub zapasu stabilności posturalnej. W tym przypadku granicę stabilności stanowi zewnętrzna obwiednia marginesu stabilności.
Przekroczenie tej granicy powoduje, że próby przywracania równowagi są już nieskuteczne i człowiek upada. O ile położenie granicy stabilności jest stałe, o tyle rozgraniczenie między marginesem bezpieczeństwa a obszarem normalnej aktywności może ulec zmianie, np. w wyniku zmian patologicznych w układzie ruchowym.
Interakcja posturaln-ruchowa
Przy omawianiu modelu stabilności wspomniano o działaniu antycypacyjnym i reaktywnym korekcji postawy.
Każdy ruch powoduje zmiany położenia OSC względem granic stabilności. Zakresy tych zmian, a tym samym wielkość zakłócenia równowagi, zależy od rodzaju wykonywanych ruchów. Zazwyczaj układ nerwowy sterujący ruchem musi także zapewnić stabilność posturalną.
Destabilizujące przemieszczenie OSC w trakcie wykonywania ruchu można zmniejszyć w dwojaki sposób. Przede wszystkim należałoby zapewnić ścisłą koordynacje ruchu celowego oraz korekcji kompensacyjno-posturalnych. Jednak ze względu na bardzo zróżnicowane parametry biomechaniczne poszczególnych części ciała jest to praktycznie niewykonalne.
W kontroli stabilności postawy obserwuje się więc przestawienie ze sterowania równoległego (współbieżnego) na kontrolę sekwencyjną.
Następuje rozbicie w wymiarze czasowym aktu ruchowego na składowe posturalne i ruchome.
Ponieważ kontrola stabilności postawy dotyczy przede wszystkim tułowia, tj. części ciała o największej masie i bezwładności antycypacyjne korekcje posturalne (anticipatory postural adjustments) wykonywane są jeszcze przed rozpoczęciem zasadniczego aktu ruchowego.
Te przygotowawcze korekcje kompensacyjne zawierają w sobie piętno uprzednich doświadczeń z destabilizującym wpływem wykonywanego ruchu.
W 1967 r. Bielenkij wykazał, że w czasie ruchu wznoszenia ramion do przodu jako pierwsza pojawia się aktywność mięśni kończyn dolnych, dzięki czemu wstępnie korygowane jest położenie OSC ciała. Po nim z opóźnieniem 50-100 ms pojawia się aktywność mięśni ramion związanych z wykonaniem właściwego ruchu.
Korekcje antycypacujne nie są jedynymi strategiami utrzymania równowagi w trakcie wykonywania ruchów dowolnych. Friedli i wsp. (1984) oraz Crena i wsp. (1987) pokazali natomiast, że po wstępnej fazie przygotowawczej pojawiają się jeszcze inne korekcje postrulane zwane reaktywnymi. Wykazują one inne właściwości biomechaniczne w porównaniu z korekcjami antycypacyjnymi.
Korekcje reaktywne działają w pętli sprzężenia zwrotnego. Krótkie fazy na przemiennej aktywności mięśni postruralnych i mięśni realizujących właściwy ruch są charakterystyczne dla tych korekcji. Korekcje te są realizowane na bieżąco w czasie wykonywania ruchu.
Krótkie czasy reakcji związane z tymi korekcjami powodują, że niezborność ruchowa, tak charakterystyczna dla późnego wieku, upośledza je w znacznie większym stopniu.
Strategie przywracania równowagi posturalnej
Działanie zewnętrznych czynników destabilizujących, których skutki nie są przewidywalne, wymaga natychmiastowej adekwatnej odpowiedzi ze strony układu kontroli stabilności.
Przeciwdziałanie utracie równowagi jest skuteczne, gdy w określonym czasie (70-100 ms) układ nerwowy zdoła rozpoznać bodziec destabilizujący oraz wybrać i wykonać program przywracający równowagę.
Ścisłe ramy czasowe związane z sekwencją przywracania równowagi posturalnej wymagają szybkich skoordynowanych ruchów kompensujących niestabilność. Jak można się spodziewać, w tym celu układ nerwowy posługuje się ograniczonym zbiorem typowych wzorców (synergii) motorycznych.
Im większy jest ten zbiór, tym dłużej trwa proces selekcji odpowiedniej reakcji ruchowej. Dlatego ograniczenie możliwości wyboru przyspiesza działanie kontroli równowagi.
Wykazano nawet, że w prostych reakcjach, niewymagających decyzji związanych z wyborem odpowiedzi, czas reakcji u osób w różnych grupach wiekowych jest podobny.
Szybkośc reakcji u osób w starszym wieku dramatycznie maleje gdy istnieje konieczność dokonania wyboru. Oznacza to że utrzymanie równowagi staje się znacznie skuteczniejsze gdy zredukujemy liczbę potencjalnych programów ruchowych przywracających równowagę.
Takie działanie kompensacyjne obserwujemy zarówno u osób stojących na niestabilnym podłożu, jak i pacjentów w starszym wieku. W obydwu przypadkach liczba potencjalnych reakcji ruchowych redukowana jest przez pochylenie ciała do przodu. W ten sposób zwiększa się prawdopodobieństwo utraty równowagi w tą stronę, a tym samym możemy skorzystać z ustalonej, szybko dostępnej strategii odzyskiwania równowagi.
Takich strategii zarówno odruchowych, jak i wyuczonych jest zapewne kilka. Lewis Neshner określa je jako specyficzne interakcje między czuciowymi i ruchowymi elementami systemu posturalnego.
Amerykanie Fay Horak i Lewis Neshner opisali dwie podstawowe strategie odzyskiwania równowagi. Pierwszą z nich obserwuje się w czasie nieznacznego zaburzenia równowagi osoby stojącej na sztywnym podłożu. W tym przypadku w czasie odzyskiwania równowagi występuje charakterystyczna sekwencja rozpoczynająca się skurczem mięśni stawu skokowego. Sekwencję tę nazwano strategią stawu skokowego.
Inna strategia przywracania równowagi pojawia się u osób stojących na wąskim podłożu. W tej sytuacji działanie takiego samego bodźca wywołującego utratę równowagi kompensowane jest za pomocą sekwencji aktywności mięśniowej, rozpoczynającej się w mięśniach ud i tułowia i przenoszącej się w dół na dalsze mięśnie kończyn dolnych.
Tę sekwencję autorzy nazwali strategią stawu biodrowego.
W uzupełnieniu tych dwóch strategii Neshner wyróżnił jeszcze trzeci sposób odzyskiwania równowagi posturalnej zwany strategią kroku. Strategia ta obserwowana jest w przypadku działania znacznego bodźca destabilizującego i polega na wykonaniu wykroku powstrzymującego ciało przed upadkiem.
Czynniki upośledzające kontrolę równowagi
W badaniach nad zmianami statycznej granicy stabilności u ludzi starszych zauważono gwałtowny wzrost wychwiań poza obszarem normalnego (referencyjnego) położenia OSC ciała. Nasunęło to przypuszczenie, że charakterystyczne dla podeszłego wieku spowolnienie reakcji posturalnych może być dodatkowo pogłębiane przez wtórny czynnik destabilizacyjny, jakim są zwiększone wychwiania.
W obrębie pojedynczego stawu oraz w globalnej kontroli położenia OSC drżeniu odpowiada rodzaj przypadkowego zakłócenia, czyli szumu. Pojawia się ono z różnym nasileniem na poszczególnych wejściach sensorycznych. Ze względu na charakterystyki częstotliwościowe układu wzrokowego i przedsionkowego szum, związany z wychwianiami powinien głównie wpływać na proprioreceptywną kontrolę stabilności postawy.
Pierwotne czynniki wpływające na zmianę charakterystyki ruchu u ludzi starszych obejmują wiele zmian zarówno w układzie nerwowo-mięśniowym, jak i stawowo-kostnym.
Niewydolnośc układu nerwowo-mięśniowego powoduje, między innymi, wzrost progów pobudzenia układów sensorycznych oraz zwiększenie niekontrolowanego pobudzenia mięśni. W obrazie klinicznym tych zmian dominuje wzrost drżenia w układzie ruchowym oraz zwiększona sztywność mięśni.
W rezultacie ulegają zmianie warunki kontroli stabilności postawy. W histogramach rozkładów prędkości wychwiań u osób w starszym wieku obserwuje się charakterystyczny wzrost amplitudy wyższych frakcji o charakterze szumu (Błaszczyk 1999).
Zwiększone u ludzie w podeszłym wieku wychwiania oraz drżenie mięśni mogą być dodatkowymi przyczynami pogłębiającymi niestabilność postawy.
W teorii informacji twierdzenie Shanona mówi, że pojemność kanału informacyjnego, a tym samym szybkość przesyłu informacji, jest proporcjonalna do stosunku sygnału do szumu.
Można się więc spodziewać, że nasilenie szumu w układzie ruchowym powinno upośledzać utrzymanie postawy. Nie jest to jednak prosta zależność.
Okazało się, że szum może w pewnych warunkach nawet polepszać detekcję sygnałów podprogowych, a tym samym poprawiać stabilność posturalną.
Zjawisko polepszania percepcji sygnałów podprogowych nazwano rezonansem stochastycznym. Priplata i wsp. (2002) opisali zjawisko polepszania równowagi posturalnej przez stymulację stóp bodźcami mechanicznymi o charakterze szumu.