HODNOCENÍ SVALOVÉ SÍLY A VÝKONU U DĚTÍ A ADOLESCENTŮ

Transkript

1 HODNOCENÍ SVALOVÉ SÍLY A VÝKONU U DĚTÍ A ADOLESCENTŮ ASSESSMENT OF MUSCLE FORCE AND POWER IN CHILDREN AND ADOLESCENTS JANA MATYSKOVÁ, ONDŘEJ SOUČEK, DANIELA ZEMKOVÁ, ZDENĚK ŠUMNÍK Pediatrická klinika 2. lékařské fakulty Univerzity Karlovy v Praze a Fakultní nemocnice v Motole, Praha SOUHRN Podle Frostovy hypotézy mechanostatu je pevnost kosti funkcí mechanické zátěže na ni kladené. Nejzásadnějším vyvolavatelem deformace kosti je aktivní činnost kosterního svalstva. Poruchy svalových funkcí tedy mohou vést ke snížení kostní denzity a zvýšení rizika fraktur, tj. sekundární kostní poruše. Při vyšetření osteoporózy u dětí a adolescentů je proto vhodné vždy současně s parametry pevnosti kosti analyzovat i svalovou sílu a hodnotit tzv. funkční svalově-kostní jednotku jako celek. Na rozdíl od denzitometrického vyšetření, které je rutinní součástí osteologické péče o chronicky nemocné děti, se stanovení svalových funkcí dosud u těchto dětí běžně nepoužívá. Hledání racionálního postupu pro komplexní hodnocení muskuloskeletálních funkcí se proto stalo důležitým tématem na poli pediatrického výzkumu. Cílem práce je představit současné možnosti kvantitativního hodnocení svalových funkcí u dětí se zvláštním zřetelem na moderní metodu hodnocení dynamické svalové funkce (svalové síly a výkonu) člověka jumping mechanography a popsat možnosti její aplikace u dětí a adolescentů. Klíčová slova: jumping mechanography, mechanografie, svalová síla, svalový výkon SUMMARY Based on Frost s mechanostat theory, bone strength is a function of the strain caused by the mechanical loads induced by skeletal muscle activity. Therefore, muscle dysfunction can be a cause of decreased bone mineral density and an increased fracture risk, i.e. secondary bone defect. The assessment of muscle function parameters should be a common part of osteoporosis diagnostics, besides evaluating the bone mass. This will aid with the description of the functional muscle-bone unit. Searching for an appropriate algorithm for describing complex musculoskeletal function description has become an important issue in pediatric research. The aim of this paper is to introduce the current methods of quantitative muscle function assessment in children. A novel dynamic assessment method called jumping mechanography will be emphasized along with its application in children and adolescents. Key words: jumping mechanography, muscle force, muscle power ÚVOD Důležitým mezníkem pro porozumění fyziologie kostní tkáně se stal rok 1987, kdy Harold Frost na základě Wolffových poznatků (Wolff, 1892) představil funkční model vývoje kosti ve své hypotéze mechanostatu (Frost, 1987). V této hypotéze je zdůrazněna vedoucí úloha mechanické zátěže na metabolismus skeletu v postnatálním vývoji člověka. Základním mechanismem regulace vývoje kosti je negativní zpětnovazebná smyčka mezi deformací kosti a její pevností. Kromě hlavní role svalové kontrakce se jako modulátory vztahu uplatňují nemechanická agens (např. výživa, stav efektorových kostních buněk, růstový hormon, androgeny, kalcium, genetické vlivy) (Frost, 1987; Frost a Schoenau, 2000). Přirozená mechanická zátěž působící na kost je dvou zdrojů gravitace a kontrahovaného kosterního svalu. Za dominantní fyziologické stimulátory dlouhé kosti jsou dnes považovány síly vznikající kontrakcí svalů při fyzické zátěži a přenášené na kost pákovým mechanismem (Schiessl et al., 1998; Frost a Schoenau, 2000). Za klíčové dynamické mechanosenzory kosti jsou považovány osteocyty, nejpočetnější buňky kostní tkáně, které jsou uložené v lakuno-kanalikulárním systému kostní matrix (Cowin et al., 1991). Osteocyty produkují za fyziologického stavu řadu specifických proteinů (např. dentin matrix acidic phosphoprotein, matrix extracellular phosphoglycoprotein, fibroblast growth factor 23, osteoprotegerin, receptor activator of nuclear factor kappa-b ligand (RANKL), sklerostin), jejichž úloha spočívá v regulaci lokálních a systémových mineralizačních procesů a ve vnímání mechanické zátěže kosti. V důsledku svalové aktivity dochází k deformaci perilakunární kostní matrix a následné změně tlaku intersticiální tekutiny v rámci lakuno-kanalikulárního systému a sítě osteocytů. Proudící tekutina působí na povrchu osteocytů 99

2 smykové napětí, což vede k produkci anabolických faktorů (např. prostaglandinů a oxidu dusnatého) regulujících aktivitu osteoblastů, resp. osteoklastů. Mechanický stimul přesahující horní práh fyziologické deformace kosti vede ke snížení produkce sklerostinu, aktivaci osteoblastů a formaci nové kostní tkáně. Naopak snížení zátěže pod dolní mez, např. v důsledku imobilizace, způsobí apoptózu osteocytů, na což sousední neapoptizující osteocyty reagují produkcí RANKL stimulující resorpci kosti. Přesný mechanismus přenosu signálu ze senzorických buněk, osteocytů, k osteoblastům a osteoklastům nebyl dosud uspokojivě objasněn. Vnímavost osteocytů k mechanické zátěži lze modifikovat prostřednictvím některých hormonů a neurotransmiterů (Plotkin et al., 2005; Schaffler a Kennedy, 2012). Hlavní roli osteocytů jako senzorů mechanické deformace dokazují mnohé experimentální studie realizované in vivo na zvířecích modelech (Cardoso et al., 2009). Hypotéza mechanostatu byla ověřena mnohými klinickými studiemi. Příkladem mohou být výsledky prací Schoenaua a spol. (Schoenau et al., 1996; Schoenau, 1998; Schoenau et al., 2002), které prokázaly přímý lineární vztah mezi ukazateli maximální svalové síly (maximální izometrickou silou stisku ruky, plochou kosterního svalu) a ukazateli pevnosti kosti (indexem kostní pevnosti, obsahem kostního minerálu) u dětí. Nalezená silná korelace mezi indexem pevnosti kosti (vypočteným na základě parametrů získaných metodou periferní kvantitativní CT denzitometrie) a maximální izometrickou silou stisku ruky (R = 0,87) (Schoenau et al., 1996) odpovídá závěrům studie Schiessla a spol. (Schiessl et al., 1996), který popsal podobně signifikantní vztahy u dospělých (R = 0,94). Úzkou závislost mezi kosterní svalovou a kostní tkání dokládají studie u vrcholových sportovců, u kterých bylo po ukončení kariéry zaznamenáno významné snížení kostní denzity (Gustavsson et al., 2003). Z klinického hlediska je důležitým poznatkem to, že poruchy svalových funkcí (např. sarkopenie) mohou vést ke snížení kostní denzity, vzniku sekundárního postižení skeletu, sekundární osteoporóze a narušení pevnosti kosti. Proto je při podezření na osteoporózu, resp. sníženou kostní denzitu, vhodné analyzovat parametry pevnosti a kvality kostní tkáně s ohledem na markery svalové funkce, tj. hodnotit tzv. funkční svalově-kostní jednotku jako celek (Schoenau et al., 1996). ZÁKLADNÍ METODY NEINVAZIVNÍHO VYŠETŘENÍ PEVNOSTI KOSTI Globálně nejpoužívanější a nejdostupnější metodou měření denzity skeletu je duální rentgenová absorbometrie (DXA dual-energy X-ray absorptiometry). Tato metoda je založena na průchodu dvou paprsků odlišných energetických hladin tělem, přičemž zeslabení paprsku je přímo úměrné denzitě tkáně, kterou paprsek prošel. Díky použití dvou energetických hladin je možné eliminovat oslabení v důsledku měkkých tkání lokalizovaných kolem skeletu. Nejčastějším objektem měření je lumbální páteř a proximální část femuru. Změřit lze rovněž celotělovou kostní denzitu, kdy je současně k dispozici i odhad tělesného složení, tedy zastoupení tukové a tukuprosté hmoty. Výsledkem DXA je obsah minerálu v kosti (BMC bone mineral content), projikovaná plocha kosti a plošná kostní denzita vyjádřená v jednotce g/cm 2. Vzhledem k planimetrické povaze metody je opomíjen třetí rozměr kosti (hloubka), a proto nelze zhodnotit rozložení kostního minerálu v dráze paprsku a odlišit trabekulární a kortikální část kosti. Hlavní limitací DXA je tak riziko mylné diagnózy snížené kostní denzity u dětí s poruchou růstu, resp. osteoporózy nebo osteopenie u dospělých malého vzrůstu (Gafni a Baron, 2004; Wren et al., 2005). S rozvojem trojdimenzionálních denzitometrických metod založených na principu počítačové tomografie, tj. kvantitativní CT denzitometrií (QCT quantitative computed tomography), resp. periferní kvantitativní CT denzitometrií (pqct peripheral quantitative computed tomography), bylo prokázáno, že kromě množství kostní hmoty, resp. hodnoty kostní denzity, jsou pro pevnost kosti určující též faktory geometrické (velikost, tvar a prostorové rozložení tkáně), dále materiální (odolnost, tuhost apod.) či traumatické (mikrofraktury) (Schoenau et al., 1996; Schoenau, 1998; Binkley a Specker, 2008). Metodou QCT lze změřit denzitu všech oblastí skeletu, ovšem nejčastějším objektem vyšetření v klinické praxi jsou lumbální obratle nebo krček femuru. Naopak pqct měří denzitu dlouhých kostí apendikulárního skeletu, nejčastěji radia a tibie. Výsledkem měření obou metod je volumetrická denzita (vbmd volume bone mineral density) vyjádřená v g/cm 3. Vzhledem k tomu, že volumetrická denzita není ovlivněna velikostí kosti, je její stanovení vhodné zejména u dětí (Rauch a Schoenau, 2005; Rauch a Schoenau, 2008). Dalším výrazným pozitivem metod QCT a pqct je možnost rozlišení denzity trabekulární a kortikální kosti a posouzení geometrických parametrů. Je možné změřit celkovou plochu kosti v transverzálním průřezu, plochu kortikální kosti, šíři kortikalis, obvod periostu nebo endostu, polární moment setrvačnosti (polar moment of inertia) a modul odporu průřezu (section modulus). Produktem modulu odporu průřezu a kortikální vbmd je index kostní pevnosti (SSI strength strain index), parametr, který velmi přesně koreluje jak se skutečnou pevností kosti (R 2 = 0,85) (Muller et al., 2003), tak se svalovou silou (R = 0,72 až 0,94) (Schoenau et al., 1996; Schoenau, 1998). Metoda pqct dále umožňuje změřit plochu tukové a svalové tkáně, která je vhodným reprezentantem svalové síly a prediktorem pevnosti kosti (Schoenau et al., 2002; Macdonald et al., 2006; Binkley a Specker, 2008). Výhodou pqct oproti QCT je nižší radiační zátěž a existence pediatrických referenčních dat (Rauch a Schoenau, 2005; Rauch a Schoenau, 2008). Nevýhodou pqct je možnost změření pouze apendikulárního skeletu. Z uvedených kostních parametrů zřejmě nejvýrazněji na působící mechanickou zátěž reagují geometrické parametry skeletu. Proto by jim měla být při denzitometrickém vyšetření kvality kosti věnována zvýšená pozornost (Binkley a Specker, 2008). MOŽNOSTI OBJEKTIVNÍHO HODNOCENÍ SVALOVÝCH FUNKCÍ Výběr metody testování parametrů kosterního svalstva není v porovnání s hodnocením parametrů kvality kosti jednoznačný. Posouzení kosterní svalové tkáně z hlediska morfologie je doménou např. denzitometrických a antropometrických metod. Analýza parametrů svalové funkce za statického nebo dynamického režimu svalů je předmětem metod 100

3 kinetických a kinematických. V následující části článku bude pojednáno pouze o metodách kvantitativní povahy, metodách poskytujících objektivní výsledek měření na základě číselného údaje. Hodnocení množství a distribuce svalové hmoty Denzitometrické metody V denzitometrii je za marker svalové síly považována velikost svalové tkáně buď plocha příčného průřezu svalu (MA cross-sectional muscle area) v případě měření pqct, nebo tukuprostá hmota (lean body mass) v případě užití metody DXA. Prostřednictvím aplikace těchto denzitometrických metod se např. řešila otázka významu zvyšující se hladiny estrogenů a mechanické zátěže vyvíjené kosterními svaly pro nárůst kostní hmoty u dívek. Za ukazatele stavu funkční svalově-kostní jednotky byl zvolen (Schoenau et al., 2002) poměr obsahu kostního minerálu radia ku ploše příčného průřezu svalu (BMC/MA) v téže oblasti. Studie mj. ukázala, že do dosažení třetího stádia pohlavní maturace podle Tannera (Marshall a Tanner, 1969; Marshall a Tanner, 1970) byly hodnoty poměru BMC/MA u obou pohlaví vyrovnané s následným nárůstem této hodnoty s věkem, a to pouze u dívek. U chlapců zůstala hodnota poměru BMC/MA nadále konstantní (Schoenau et al., 2002). Tyto rozdíly jsou pravděpodobně způsobeny odlišným působením estrogenů a testosteronu na kostní metabolismus. Nárůst kostní hmoty, a tedy zvýšení obsahu kostního minerálu, je u dívek podmíněn endosteální apozicí, ke které dochází v důsledku působení zvyšující se hladiny estrogenů. Přibývání kostní hmoty u dívek v pubertálním období pravděpodobně není zásadní pro dosažení vyšší pevnosti kosti, nýbrž pro možnost uložení většího množství kalcia pro další životní etapy ženy gestaci a laktaci (Schoenau et al., 2000; Šumník et al., 2006). Testosteron u chlapců působí rozvoj svalové hmoty a sekundární nárůst kostní hmoty periostální apozicí, což se také projeví na výsledné mohutnější vnější morfologii kosti mužů (Schoenau et al., 2000). Pro přesný popis muskuloskeletálních interakcí je tedy při analýze funkční svalově-kostní jednotky vhodné přihlédnout ke stadiu puberty jedince (Schoenau et al., 2000). V dospělosti zůstává poměr BMC/MA konstantní a nezávislý na výšce a věku až do menopauzy/andropauzy (Šumník et al., 2006). Studie posuzující vývoj hodnot indexu BMC/MA u starší populace chybí. Nicméně je známé postupné snižování jak BMD, tak svalové hmoty a síly u obou pohlaví, s dřívějším nástupem u žen (Maltais et al., 2009). Pro účely pediatrické praxe byl navržen (Schoenau et al., 2002) univerzální dvoukrokový diagnostický algoritmus komplexně posuzující funkční svalově-kostní jednotku analýzou tělesné výšky dítěte, obsahu kostního minerálu a svalové síly. V prvním kroku je posouzena adekvátnost svalové síly, svalové hmoty (pqct) nebo tukuprosté hmoty (DXA) k tělesné výšce, ve druhém kroku je stanoven poměr obsahu kostního minerálu (pqct nebo DXA) ke svalové síle nebo hmotě nebo tukuprosté hmotě (Schoenau et al., 2002). Tento algoritmus má vedle diagnostického využití také potenciálně významný vliv na volbu terapie (Schoenau et al., 2002). Antropometrické metody Alternativou neinvazivního hodnocení stavu muskulatury jsou tradiční antropometrické metody. Komplexní odhad množství tělesného tuku a tukuprosté tělesné hmoty, jejíž hlavní komponentou je kosterní svalstvo, je možné získat změřením tricipitální a subskapulární kožní řasy a dosazením jejich hodnot do některé ze Slaughterových regresních rovnic (Slaughter et al., 1988). K dispozici jsou odlišné varianty rovnic pro europoidní a negroidní etnikum, pro dívky a chlapce s ohledem na dosažený stupeň pohlavní maturace podle Tannera a pro jedince s nadměrným množstvím tukové tkáně (Slaughter et al., 1988). V dnešní praxi klinického antropologa je pro posouzení a sledování nutričního stavu dítěte standardně měřen střední obvod relaxované paže a tloušťka kožní řasy nad musculus triceps brachii. Na základě znalosti těchto rozměrů lze vypočítat tzv. obvod svaloviny paže, parametr odhadu muskulatury jak lokální, tak celkové (Matiegka, 1921; Boye et al., 2002). Bioelektrická impedanční analýza Další základní klinickou metodou determinace komponent tělesného složení je bioelektrická impedanční analýza (BIA bioelectrical impedance analysis), která je založena na poznatku rozdílné vodivosti střídavého elektrického proudu tkáněmi (svalová, vysoce hydratovaná, tkáň je vodivějším prostředím než tuková tkáň). Průchodem elektrického proudu o definovaném napětí a frekvenci určitými segmenty těla je změřen elektrický odpor těla, jehož hodnota slouží k výpočtům determinujícím odhad množství tělesného tuku a tukuprosté hmoty. Měření bioelektrické impedance je realizováno prostřednictvím tetrapolárních, bipedálních nebo bimanuálních přístrojů. Výsledky měření musí být interpretovány s ohledem na pohlaví, věk a základní somatické parametry vyšetřovaného (Houtkooper et al., 1996; Kyle et al., 2004). Výsledky dvoukomponentových analýz tělesného složení zdravého jedince antropometrickými metodami lineárně korelují s výsledky měření BIA. Významný rozpor mezi uvedenými metodami byl zaznamenán u pacientek s mentální anorexií, jejichž index tělesné hmotnosti byl nižší než 15 kg/m 2. Metoda BIA odhad množství tělesného tuku oproti hodnotám tloušťky kožních řas podhodnocuje, odhad množství tukuprosté hmoty naopak nadhodnocuje (Piccoli et al., 2005). Hodnocení svalové síly kinetickými a kinematickými metodami Pravděpodobně nejdostupnější variantou hodnocení síly statického projevu svalu je mechanický, ruční dynamometr (handgrip), jehož jediným výstupním parametrem je maximální izometrická síla stisku ruky (maximal isometric grip force). Rozšířenost dynamometru v klinické praxi a výzkumu je výsledkem přístrojové a metodické nenáročnosti, finanční dostupnosti a existence několika souborů pediatrických referenčních dat vztahujících hodnoty maximální izometrické síly stisku ruky k věku a tělesné výšce jedince (Rauch et al., 2002). Určitá omezení pro aplikaci ručního dynamometru vyplývají z rozličných výsledků studií různých pracovišť. Rozhodující je polohové nastavení přístroje, pozice a lateralita měřené paže, počet pokusů, analýza výsledků a v neposlední řadě použití konkrétního souboru referenčních dat. 101

4 Výraznou nevýhodou ručního dynamometru je pouhé lokální zhodnocení síly poměrně omezeného okrsku svalového systému horní končetiny (svalů předloktí a ruky), který není zatížený působením statické tíhové síly a nereflektuje funkční status celého svalového systému. Hodnota maximální izometrické síly stisku ruky není vztažena k času ani rychlosti, z definice nepodává žádnou informaci o lokomoci a výkonu a pro menší děti a oslabené pacienty není její aplikace validní (Rauch et al., 2002; Fricke et al., 2010). Působení tíhové síly jedince respektují kinetické testy zaměřené na hodnocení svalových skupin dolních končetin a hodnocení parametrů dynamické svalové funkce. Za vyhovující kvantifikační kinetické markery dynamického projevu maximální svalové síly je považován točivý moment (Petterson et al., 1999) a reakční síla podložky (ground reaction force), na základě které lze např. vhodně získat hodnotu svalového výkonu (Binkley a Specker, 2008). Ideálním nástrojem měření svalové síly resp. reakční síly, která vzniká při kontaktu těla s podložkou, jsou silové plošiny. Právě na tomto principu pracuje metoda jumping mechanography. JUMPING MECHANOGRAPHY MECHANOGRAFIE Posláním mechanografie je poskytnout objektivní a efektivní kvantifikaci dynamické svalové funkce, pohybového výkonu (jednorázového odrazu motorické výkonnosti) a koordinace člověka. Základním principem metody je analýza konkrétní sestavy jednoduchých, fyziologických a ničím neomezených pohybů jedince (poskoky, výskoky, seskok z vyvýšeného místa, vstávání ze sedu apod.) prostřednictvím měření dynamické reakční síly podložky. Jednou z nejrozšířenějších silových plošin je mechanograf (obrázek 1) Leonardo Mechanograph Ground Reaction Force Platform (Novotec Medical GmbH, SRN). Obr. 1: Mechanograf Leonardo Mechanograph Ground Reaction Force Platform (převzato z products/p6/leonardo-mechanograph-grfp.html, citováno ) Fyzikální principy mechanografie Tenzometrické senzory mechanografu zaznamenávají působící statické a dynamické síly. V klidném postoji působí člověk na mechanograf nekontaktní tíhovou silou vycházející z těžiště těla. Proti této síle vzniká v souladu se zákonem akce a reakce stejně velká kontaktní dynamická reakční síla podložky stejného směru, ale opačné orientace. Výskok je vyvolán součinností svalových sil a reakční síly podložky. Reakční síla podložky je tedy vhodným indikátorem celkové svalové akce a znalost její velikosti a změn v průběhu času umožňuje nepřímé stanovení hodnot dalších kinetických parametrů svalové funkce dolních končetin, jako je vertikální rychlost těžiště těla, výkon nebo práce. Na základě znalosti změny polohy těžiště těla v průběhu času, přeměny a velikosti obou forem mechanické energie lze dále získat informaci například o výšce skoku či aktuálně zapojených typech svalových kontrakcí (Rittweger et al., 2004; Runge a Schacht, 2005). Komplexnost obrázku o svalové funkci dotváří informace o efektivitě a pravolevé (a)symetrii pohybu, koordinaci a flexibilitě jedince. Významná je také koordinace více svalů efektivním způsobem (Fricke a Schoenau, 2005). Typy testů mechanografie V rámci systému Leonardo jumping mechanography bylo vyvinuto několik typů testů, přičemž ve všech případech zůstává zachována základní podmínka mechanografie, a sice realizace jednoduchých a přirozených, každodenně užívaných pohybů. Aplikace konkrétního typu testu na jednotlivých pracovištích závisí na účelu použití, věku a fyzické zdatnosti vyšetřovaných osob. U dětské populace jsou standardně užívány dva typy testů: tzv. single two-legged jump a multiple one-legged hopping (Fricke et al., 2006; Ward et al., 2009; Fricke et al., 2010; Veilleux a Rauch, 2010; Anliker et al., 2012). Dalším hojně užívaným typem testu, zejména u geriatrických pacientů a osob se sníženou fyzickou zdatností, je chair rising test. Podobně nenáročnými testy jsou tzv. land test, repetition test, trunk rise test nebo balance test. Naopak u fyzicky zdatných osob, např. u vrcholových sportovců, je vhodná aplikace testu drop jump. Test single two-legged jump je základním typem testu mechanografie. Je založen na provedení jednoho vertikálního výskoku snožmo s cílem dosáhnout maximální výšky skoku (tj. vzdálenosti mezi výchozí a nejvyšší pozicí těžiště těla), jedná se o tzv. výskok s protipohybem ( counter-movement ) (obrázek 2). Hlavní výstupní veličinou je maximální svalový výkon, produkt dynamické svalové síly a rychlosti, získaný v akcelerační fázi výskoku. Vztažením výkonu k tělesné hmotnosti jedince se automaticky vypočítá tzv. maximální relativní výkon, parametr vhodný pro interindividuální porovnávání výsledků, a to zejména u dětské populace. Relativní výkon významně závisí na věku a individuální fyzické zdatnosti (Runge et al., 2004). Zejména v klinické praxi je užitečným parametrem tzv. Esslinger Fitness Index. Jeho hodnota (v procentech) kvantifikuje míru odlišnosti jedince v maximálním relativním výkonu od průměrné hodnoty (tj. 100 %) referenčního souboru stejného věku a pohlaví. Vedle svalové síly a výkonu, výšky skoku a rychlosti, software mechanografu automaticky generuje hodnoty dalších parametrů charakterizující stav svalové funkce jedince např. zrychlení, energii a účinnost pohybu. Účelem výskoku snožmo je zároveň posouzení základních motorických dovedností, svalové koordinace, příp. asymetrií těla (v důsledku bolesti, vadného držení těla apod.) jedince. Vzhledem k tomu, že test single two-legged jump vhodně odráží strukturální a metabolické charakteristiky denní výkonnosti motorického systému jedince, lze ho považovat za ideální screeningovou metodu hodnocení anaerobní fyzické zdatnosti (Rittweger et al., 2004; Runge et al., 2004; Fricke et al., 2006; Ward et al., 2009; Veilleux a Rauch, 2010). 102

5 Obr. 2: Kinematický profil testu single two-legged jump (výskok snožmo s protipohybem). A. Klidový postoj. B. Nejnižší poloha těžiště těla ( counter-movement ). C. Akcelerační fáze skoku, odraz. D. Nejvyšší poloha těžiště těla. E. První kontakt chodidla s podložkou v decelerační fázi skoku. F. Nejnižší poloha těžiště těla po doskoku. G. Klidový postoj. Modrá, červená a zelená hvězdička indikuje okamžik dosažení vrcholu maximální volní svalové síly, maximálního svalového výkonu a rychlosti v akcelerační fázi skoku (upraveno podle Veilleux a Rauch, 2010). Jako nejvhodnější typ testu pro posouzení svalové síly dolních končetin se jeví test nazvaný multiple one-legged hopping. Kinematicky je realizován kontinuálním poskakováním na jedné noze s maximálně extendovaným kolenním kloubem, bez dotyku paty mechanografu (obrázek 3). Nejvýznamnějším výstupním parametrem testu je maximální volní svalová síla (reakční síla podložky) dolní končetiny. Jejího vrcholu je dosaženo těsně po doskoku. Z praktického hlediska je vhodnější pracovat s tzv. maximální relativní silou, silou vztaženou k tíhové síle jedince. Velikost tohoto parametru není závislá na pohlaví ani věku (Runge et al., 2004; Veilleux a Rauch, 2010; Anliker et al., 2011; Šumník et al., 2013). Dále lze získat informaci o energetických možnostech, flexibilitě a tuhosti svalů dolní končetiny, pravolevých asymetriích pohybu a motorických schopnostech jedince. Tento test je účelné realizovat pouze s dobře motoricky kompenzovanými jedinci a dětmi staršími šesti let. Možnosti využití mechanografie Mechanografie je zejména díky objektivitě, spolehlivosti, platnosti a přenosnosti uplatnitelná v širokém spektru oblastí. Metoda je aplikovatelná v rámci diagnostiky poruch pohybového aparátu člověka a monitorování výsledků léčby v pediatrické (Fricke et al., 2006; Anliker et al., 2012) a geriatrické medicíně (Rittweger et al., 2004; Runge et al., 2004; Dietzel et al., 2013), v ortopedických a rehabilitačních zařízeních, ve sportovní medicíně a klinickém výzkumu. Díky dynamické povaze testů a přirozeným podmínkám jejich realizace poskytuje tato metoda relevantnější obrázek o svalové funkci člověka než testy izometrické či dynamické izokinetické (Anliker et al., 2011). Slibný potenciál mechanografie, coby screeningové metody hodnocení svalové funkce jedince, je navíc doložen její vysokou reprodukovatelností u dětí (Veilleux a Rauch, 2010; Busche et al., 2013) i dospělých (Rittweger et al., 2004) a možností analyzovat fázi excentrické Obr. 3: Kinematický profil testu multiple one-legged hopping (poskoky na jedné noze). A. Odraz. B. Výskok. C. Dopad. D. Maximální excentrické protažení svalu, pata se nesmí dotknout mechanografu. E. Odraz. F. Výskok. G. Dopad (upraveno podle Veilleux a Rauch, 2010). 103

6 Obr. 4: Hladké percentilové křivky výkonu (P max ), relativního výkonu (P max /BM), síly (F max ), relativní síly (F max /F G ) ve vztahu k věku (Šumník et al., 2013). kontrakce, na jejímž stavu a pohybové koordinaci se časně odráží projevy mnohých poruch pohybového aparátu (Runge a Schacht, 2005). Praktická použitelnost mechanografie je podpořena časovou nenáročností přípravné a samotné měřící fáze testu (v řádu několika minut na test) a generací výsledků testů bezprostředně po jeho provedení. Aplikace mechanografie v klinickém výzkumu a praxi K výchozím publikacím zabývajícím se využitím mechanografie u dětí a adolescentů patří práce Fricke a spol. z roku 2006, která jako první prezentovala pediatrická referenční data svalové síly a výkonu testu single two-legged jump. Nejedná se ovšem o zcela postačující soubor (vyšetřeno bylo pouze 312 dívek a chlapců ve věku 6 až 19 let s nerovnoměrným početním rozložením v jednotlivých věkových kategoriích). Absence kvalitního srovnávacího souboru tak obyčejně vedla autory klinických prací k vytváření vlastních, rovněž početně nedostatečně zastoupených, kontrolních skupin. Proto bylo zcela žádoucí a očekávané vytvoření metodicky lépe zajištěného souboru referenčních dat. To se do jisté míry podařilo téměř ve stejné době pracovním skupinám z České republiky (Šumník et al., 2013) a Německa 104

7 Obr. 5: Prospektivní algoritmus kvantifikace muskuloskeletálního stavu dolní končetiny pro diagnostiku kostní poruchy (upraveno podle Anliker a Toigo, 2012). (Busche et al., 2013; Lang et al., 2013), následně byla publikována referenční data pro svalovou sílu, výkon a rychlost získaná testem single two-legged jump a testem chair rising test pro dospělou populaci (Dietzel et al., 2013). Česká referenční data pro mechanografii Základní soubor čítal 796 zdravých dětí a adolescentů (432 dívek a 364 chlapců) české národnosti ve věku 6 až 18 let včetně. Sběr dat proběhl v šesti základních a třech středních školách. Hlavními hodnocenými parametry byl maximální svalový výkon (P max ), maximální svalový výkon vztažený k tělesné hmotnosti jedince (P max /BM), maximální svalová síla (F max ) a maximální svalová síla vztažená k tíhové síle jedince (F max /F G ). Zásadním výstupem studie se stal soubor referenčních dat pro uvedené parametry mechanografie prezentovaný ve formě percentilových grafů, pro jejichž konstrukci byla použita statistická metoda LMS (Cole, 1988; Cole, 1990). Konkrétně byly publikovány hladké percentilové křivky parametrů P max, P max /BM, F max a F max /F G ve vztahu k věku a ve vztahu k tělesné hmotnosti (obrázek 4). Výsledky práce dále ukázaly, že vývoj maximálního svalového výkonu a maximální svalové síly významně závisel na věku, tělesné výšce a tělesné hmotnosti u obou pohlaví (p < 0,001). Zásadní vliv na parametr P max měla tělesná výška, na parametr F max tělesná hmotnost. Mezipohlavně unifikovaný vývoj parametru P max, resp. F max byl ukončen ve věku 13, resp. 14 let. U chlapců průměrné hodnoty obou parametrů nadále kontinuálně vzrůstaly, u dívek postupně stagnovaly. Parametr P max /BM rovněž významně závisel na věku, výšce a hmotnosti, naopak parametr F max /F G na uvedených prediktorech nezávisel. V praxi je tedy vhodnější hodnotit svalový status jedince podle těchto relativních hodnot, hodnot vztažených k tělesné hmotnosti resp. tíhové síle jedince (Šumník et al., 2013). Optimálního klinického využití mechanografie je dosaženo v kombinaci s metodou pqct, jak dokazují výsledky několika studií. Znalost hodnoty maximální volní svalové síly (F max, v absolutních hodnotách), produktu testu multiple one-legged hopping, a parametrů pevnosti kosti komplexním způsobem charakterizují stav funkční svalově-kostní jednotky (Anliker et al., 2011; Anliker a Toigo, 2012; Anliker et al., 2012). Anliker a spol. (2011) prokázal silnou korelaci mezi svalovou silou a obsahem kostního minerálu změřeného pomocí pqct u dětí a dospělých ve věku 8 až 82 let s různou úrovní fyzické aktivity. Nejsilnější korelační vztah byl nalezen mezi svalovou silou a obsahem kostního minerálu změřeného ve 14 % délky tibie (R 2 = 0,84; p < 0,001). Parametr F max by tedy mohl být vhodným prediktorem obsahu kostního minerálu, validní charakteristikou pevnosti kosti (Anliker et al., 2011). Navíc je k dispozici prospektivní algoritmus kvantifikace muskuloskeletálního statusu dolní končetiny pro dětskou populaci, který slouží pro účely rozlišení primární a sekundární poruchy skeletu (obrázek 5). Markerem svalové funkce je F max, markerem kvality kosti BMC ve 14% délce tibie. Validita algoritmu by měla být ovšem prospektivně ověřena u osob s muskuloskeletálními defekty, dosavadní studie se týkala pouze zdravých osob (Anliker a Toigo, 2012). ZÁVĚR Komplexní analýza funkční svalově-kostní jednotky je zásadním prvkem diferenciální diagnostiky muskuloskeletálních obtíží u dětí a adolescentů. Možnosti hodnocení dynamické svalové funkce rozšířila v posledních několika letech metoda jumping mechanography. Perspektivnost mechanografie dokazuje rapidně přibývající množství klinických studií využívajících mechanografii jako zlatý standard 105

8 hodnocení svalových funkcí u dětí i dospělých. Nedávno publikované soubory referenčních dat spolu s dalšími prospektivními pracemi představují další krok vedoucí ke zlepšení diagnostiky muskuloskeletálních poruch u dětí a k přenesení mechanografie z výzkumu ke klinické praxi. Přehledný článek vznikl za podpory Projektu koncepčního rozvoje výzkumné organizace /6001 MZ ČR. LITERATURA 1. Anliker E, Dick C, Rawer R, Toigo M. Effects of jumping exercise on maximum ground reaction force and bone in 8- to 12-year-old boys and girls: a 9-month randomized controlled trial. J Musculoskelet Neuronal Interact 2012; 12(2): Anliker E, Rawer R, Boutellier U, Toigo M. Maximum ground reaction force in relation to tibial bone mass in children and adults. Med Sci Sports Exerc 2011; 43: Anliker E, Toigo M. Functional assessment of the muscle-bone unit in the lower leg. J Musculoskelet Neuronal Interact 2012; 12(2): Binkley TL, Specker BL. Muscle-bone relationships in the lower leg of healthy pre-pubertal females and males. J Musculoskelet Neuronal Interact 2008; 8(3): Boye KR, Dimitriou T, Manz F, Schoenau E, Neu Ch, Wudy S, Remer T. Anthropometric assessment of muscularity during growth: estimating fat-free mass with two skinfold-thickness measurements is superior to measuring mid upper arm muscle area in healthy prepubertal. Am J Clin Nutr 2002; 76(3): Busche P, Rawer R, Rakhimi N, Lang I, Martin DD. Mechanography in childhood: references for force and power in counter movement jumps and chair rising tests. J Musculoskelet Neuronal Interact 2013; 13(2): Cardoso L, Herman BC, Verborgt O, Laudier D, Majeska RJ, Schaffler MB. Osteocyte apoptosis controls activations of intracortical resorption in response to bone fatigue. J Bone Miner Res 2009; 24(4): Cole TJ. Fitting smoothed centile curves to reference data. J R Statist Soc A 1988; 151: Cole TJ. The LMS method for constructing normalized growth standards. Eur J Clin Nutr 1990; 44: Cowin SC, Moss-Salentijn L, Moss ML. Candidates for the mechanosensory system in bone. J Biomech Eng 1991; 113(2): Dietzel R, Gast U, Heine T, Felsenberg D, Armbrecht G. Crosssectional assessment of neuromuscular function using mechanography in women and men aged years. J Musculoskelet Neuronal Interact 2013; 13(3): Fricke O, Roedder D, Kribs A, Tutlewski B, Kleist-Retzow J-Ch, Herkenrath P, Roth B, Schoenau E. Relationship of muscle function to auxology in preterm born children at the age of seven years. Horm Res Paediatr 2010; 73: Fricke O, Schoenau E. Examining the developing skeletal muscle: Why, what and how? J Musculoskelet Neuronal Interact 2005; 5: Fricke O, Weidler J, Tutlewski B, Schoenau E. Mechanography a new device for the assessment of muscle function in pediatrics. Pediatr Res 2006; 59: Frost HM. Bone mass and the mechanostat : a proposal. Anat Rec 1987; 219: Frost HM, Schoenau E. The muscle-bone unit in children and adolescents: a 2000 overview. J Pediatr Endocrinol Metab 2000; 13: Gafni RI, Baron J. Overdiagnosis of osteoporosis in children due to misinterpretation of dual-energy x-ray absorptiometry (DEXA). J Pediatr 2004; 144: Gustavsson A, Olsson T, Nordström P. Rapid loss of bone mineral density of the femoral neck after cessation of ice hockey training: a 6-year longitudinal study in males. J Bone Miner Res 2003; 18(11): Houtkooper LB, Lohman TG, Going SB, Howell WH. Why bioelectrical impedance analysis should be used for estimating adiposity. Am J Clin Nutr 1996; 64(3 Suppl): 436S-448S. 20. Kyle UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD, Deurenberg P, Elia M, Gómez JM, Heitmann BL, Kent-Smith L, Melchior JC, Pirlich M, Scharfetter H, Schols AM, Pichard C; Composition of the ESPEN Working Group. Bioelectrical impedance analysis part I: review of principles and methods. Clin Nutr 2004; 23(5): Lang I, Busche P, Rakhimi N, Rawer R, Martin DD. Mechanography in childhood: references for grip force, multiple one-leg hopping force and whole body stiffness. J Musculoskelet Neuronal Interact 2013; 13(2): Macdonald H, Kontulainen S, Petit M, Janssen P, and McKay H. Bone strength and its determinants in pre- and early pubertal boys and girls. Bone 2006; 39: Maltais ML, Desroches J, Dionne IJ. Changes in muscle mass and strength after menopause. J Musculoskelet Neuronal Interact 2009; 9(4): Marshall WA, Tanner JM. Variations in the pattern of pubertal changes in girls. Arch Dis Child 1969; 44(235): Marshall WA, Tanner JM. Variations in the pattern of pubertal changes in boys. Arch Dis Child 1970; 45(239): Matiegka J. The testing of physical efficiency. Am J Phys Anthropol 1921; 4(3): Muller ME, Webber CE, Bouxsein ML. Predicting the failure load of the distal radius. Osteoporos Int 2003; 14: Pettersson U, Nordstrom P, Lorentzon R. A comparison of bone mineral density and muscle strength in young male adults with different exercise level. Calcif Tissue Int 1999; 64: Piccoli A, Codognotto M, Di Pascoli L, Boffo G, Caregaro L. Body mass index and agreement between bioimpedance and anthropometry estimates of body compartments in anorexia nervosa. J Parenter Enteral Nutr 2005; 29(3): Plotkin LI, Aguirre JI, Kousteni S, Manolagas SC, Bellido T. Bisphosphonates and estrogens inhibit osteocyte apoptosis via distinct molecular mechanisms downstream of extracellular signalregulated kinase activation. J Biol Chem 2005; 280(8): Rauch F, Neu CM, Wassmer G, Beck B, Rieger-Wettengl G, Rietschel E, Manz F, Schoenau E. Muscle analysis by measurement of maximal isometric grip force: new reference data and clinical applications in pediatrics. Pediatr Res 2002; 51: Rauch F, Schoenau E. Peripheral quantitative computed tomography of the distal radius in young subjects new reference data and interpretation of results. J Musculoskelet Neuronal Interact 2005; 5: Rauch F, Schoenau E. Peripheral quantitative computed tomography of the proximal radius in young subjects new reference data and interpretation of results. J Musculoskelet Neuronal Interact 2008; 8:

9 34. Rittweger J, Schiessl H, Felsenberg D, Runge M. Reproducibility of the jumping mechanography as a test of mechanical power output in physically competent adult and elderly subjects. J Am Geriatr Soc 2004; 52: Runge M, Rittweger J, Russo CR, Schiessl H, Felsenberg D. Is muscle power output a key factor in the age-related decline in physical performance? A comparison of muscle cross section, chair-rising test and jumping power. Clin Physiol Funct Imaging 2004; 24(6): Runge M, Schacht E. Multifactiorial pathogenesis of falls as a basis for multifactorial interventions. J Musculoskelet Neuronal Interact 2005; 5(2): Schaffler MB, Kennedy OD. Osteocyte signaling in bone. Curr Osteoporos Rep 2012; 10(2): Schiessl H, Ferretti JL, Tysarczyk-Niemeyer G, Willnecker J. Noninvasive bone strength index as analyzed by peripheral quantitative computed tomography (pqct). In: Schoenau E, ed. Paediatric osteology: new developments in diagnostics and therapy. Int Congr Ser Amsterdam: Elsevier. 39. Schiessl H, Frost HM, Jee WS. Estrogen and bone-muscle strength and mass relationships. Bone 1998; 22: Schoenau E. The development of the skeletal system in children and the influence of muscular strength. Horm Res 1998; 49: Schoenau E, Neu CM, Beck B, Manz F, Rauch F. Bone mineral content per muscle cross-sectional area as an index of the functional muscle-bone unit. J Bone Miner Res 2002; 17: Schoenau E, Neu C M, Mokov E, Wassmer G, Manz F. Influence of puberty on muscle area and cortical bone area of the forearm in boys and girls. J Clin Endocrinol Metab 2000; 85: Schoenau E, Werhahn E, Schiedermaier U, Mokow E, Schiessl H, Scheidhauer K, Michalk D. Influence of muscle strength on bone strength during childhood and adolescence. Horm Res 1996; 45 (Suppl 1): Slaughter MH, Lohman TG, Boileau RA, Horswill CA, Stillman RJ, Van Loan MD, Bemben DA. Skinfold equations for estimation of body fatness in children and youth. Hum Biol 1988; 60(5): Šumník Z, Land C, Coburger S, Neu C, Manz F, Hrach K, Schoenau E. The muscle-bone unit in adulthood: influence of sex, height, age and gynecological history on the bone mineral content and muscle cross-sectional area. J Musculoskelet Neuronal Interact 2006; 6: Šumník Z, Matysková J, Hlávka Z, Durdilová L, Souček O, Zemková D. Reference data for jumping mechanography in healthy children and adolescents aged 6 18 years. J Musculoskelet Neuronal Interact 2013; 13(3): Veilleux LN, Rauch F. Reproducibility of jumping mechanography in healthy children and adults. J Musculoskelet Neuronal Interact 2010; 10(4): Ward KA, Das G, Berry JL, Roberts SA, Rawer R, Adams J, Mughal Z. Vitamin D status and muscle function in post-menarchal adolescent girls. J Clin Endocrinol Metab 2009; 94(2): Wolff J. Das Gesetz der Transformation der Knochen Berlin, Germany: Verlag von August Hirschwald. 50. Wren TA, Liu X, Pitukcheewanont P, Gilsanz V. Bone densitometry in pediatric populations: discrepancies in the diagnosis of osteoporosis by DXA and CT. J Pediatr 2005; 146: Mgr. Jana Matysková Pediatrická klinika 2. LF UK a FN Motol V Úvalu Praha 5 jana.matyskova@fnmotol.cz 107