Per ritrovare la funzionalita’
di Bisciotti GN ^{1 4}., Combi F ²., Forloni F ³.

Introduzione

Per molti anni l’interesse degli studiosi di fisiologia dell’esercizio è stato essenzialmente concentrato sull’analisi dei vari aspetti del meccanismo aerobico, solamente da una quindicina d’anni si è fatto sempre più vivo l’interesse per lo studio del meccanismo anaerobico e delle proprietà contrattili del muscolo scheletrico.

In quest’ambito d’indagine è da tempo stata avanzata l’ipotesi di come la relazione forza-velocità di contrazione del muscolo scheletrico animale isolato, possa dare importanti informazioni sulla tipologia delle fibre, permettendo in tal modo di differenziare queste ultime in fibre a contrazione rapida o lenta (Close, 1972).

In effetti un elevato valore della velocità di contrazione massimale può suggerire un’alta percentuale di fibre a contrazione rapida, anche se altri parametri, come la lunghezza del braccio di leva nonché la lunghezza e la pennazione delle fibre muscolari dovrebbero essere in effetti considerati (Vandewalle e coll,. 1998)

I primi studi concernenti la forza e la velocità di contrazione del muscolo scheletrico in vitro risalgono a Fenn e Marsh (1935) che riferirono una relazione esponenziale tra questi due parametri ritrovata in seguito anche da Aubert (1956), più tardi Hill (1938) sempre su muscolo isolato propose una relazione di tipo iperbolico.

Tuttavia ultimamente, anche se alcuni Autori hanno ritrovato nell’uomo, in condizioni di attivazione naturale, delle relazioni forza-velocità di tipo iperbolico od esponenziale ( Komi, 1973; Thortenson e coll. 1976; Perrine e Edgerton, 1978; Ingemann e coll., 1979; Tihanyi e coll., 1982; Kojima, 1991; Mc Cartney e coll. 1985), molti altri riferiscono, in simili condizioni esperimentali, una relazione di tipo lineare, (Brue e coll., 1985; Sargeant e coll., 1981; Mc Cartney e coll. 1983a-b; Catlaw e coll. 1996; Peres e coll., 1992; Cress e coll., 1992; Labrecque e coll. 1983; Arsac e coll. 1996; Jaskólska e coll., 1999; Driss e coll., 1998; Bisciotti e coll. 1997, 1999).

La differenza tra linearità della relazione forza-velocità ritrovabile nel corso di un movimento naturale, e quella iperbolica ritrovata in sperimentazioni effettuate su muscolo isolato (Hill. 1938), può essere sostanzialmente ricondotta al diverso tipo di attivazione muscolare, al rapporto dei bracci di leva ed alla deformazione degli elementi elastici in serie (Vandewalle, 1992)

Questi dati sottolineano quindi come non sia fondamentalmente corretto paragonare i risultati registrati durante una sperimentazione su muscolo isolato a quelli ricavabili durante una sperimentazione condotta su muscolo in vivo in condizioni di attivazione naturale (Sargeant e coll., 1981)

Alla relazione forza-velocità è indirettamente legato anche il calcolo della potenza massimale anaerobica alattacida (Vandewalle e coll. 1988). Infatti la misura indiretta della potenza massimale anaerobica è realizzata attraverso la determinazione della potenza meccanica massimale.

La potenza meccanica prodotta da un gruppo muscolare dipende quindi direttamente dalla forza e dalla velocità di contrazione, il suo valore massimale sarà quindi il prodotto dei valori ottimali di forza e di velocità.

Teoricamente quindi per calcolare il massimo valore di potenza anaerobica è necessario determinare la relazione tra la forza esercitata e velocità di contrazione massimale corrispondente.

La relazione forza-velocità registrata su di un muscolo in situazione di attivazione naturale costituisce quindi un interessante metodo di monitorizzazione degli effetti dell’allenamento (Vandewalle e coll., 1988; Arsac e coll., 1996)

LA COSTRUZIONE DELLA RELAZIONE FORZA-VELOCITA’ NELLA MODALITA’ ISOCINETICA OD ISOINERZIALE .

Un importante progresso nell’ambito dell’esplorazione funzionale dell’attività muscolare è stato l’introduzione dei dinamometri isocinetici, che hanno reso possibile la registrazione dell’attività muscolare, in condizioni di velocità di movimento costante, nel corso di un movimento dinamico (Perrine, 1968 ; Hislop et Perrine, 1967). Questo tipo di indagine biomeccanica, può fornire delle importanti informazioni sul comportamento dinamico del muscolo, tuttavia la contrazione muscolare riscontrabile nel corso di un movimento naturale presenta delle importanti differenze rispetto ad una contrazione di tipo isocinetico.

La prima sostanziale differenza è costituita dal fatto che, nel corso di un movimento isocinetico, il muscolo contraendosi a velocità costante, non può generare accelerazione, che al contrario, costituisce una delle caratteristiche principali del movimento naturale.

Secondariamente occorre sottolineare come la maggior parte dei movimenti umani, sia caratterizzata da un’attivazione muscolare che comporta una fase di contrazione muscolare di tipo eccentrico, immediatamente seguita da una fase concentrica (Goubel, 1987; Komi, 1987).

Questo particolare tipo di attivazione, viene comunemente definito come ciclo stiramento accorciamento (SSC) (Norman e Komi, 1979; Komi, 1984), il risultato ottenuto da una fase di pre-stiramento, immediatamente seguita da una contrazione concentrica, è un accumulo di energia elastica potenziale che viene restituita sotto forma di lavoro meccanico, durante la fase concentrica stessa (Goubel, 1987).

Occorre ricordare come il muscolo, nel corso di un movimento che preveda uno SSC, sia in grado d sviluppare delle velocità angolari molto rilevanti, che possono raggiungere i 15-16 rad. sec-1 (Bosco, 1982 ; Bosco, 1997), mentre le velocità angolari raggiungibili nel corso di un movimento effettuato su di un apparecchiatura isocinetica possono essere al massimo dell’ordine dei 6 rad. sec-1.

Inoltre anche le più moderne apparecchiature isocinetiche, permettono al massimo un tempo di inversione dalla fase eccentrica alla fase concentrica (coupling time) di circa 50-100 ms, mentre nel corso di uno SSC effettuato in condizioni di attivazione naturale, quest’ultimo è di circa 10 ms.

Un ulteriore differenziazione tra il movimento eseguito in forma isocinetica, rispetto all’attivazione di tipo isoinerziale, è costituita dal diverso pattern di attivazione neuromuscolare.

Infatti un movimento di tipo isoinerziale, è caratterizzato da una forte attivazione mioelettrica iniziale, corrispondente al momento in cui occorre vincere l’inerzia del carico, seguita da un marcato decremento mioelettrico, dovuto anche ad un probabile effetto inibitorio da parte dei Corpuscoli Tendinei del Golgi ( Angel, 1974; Bosco e coll., 1982).

Al contrario, durante una contrazione di tipo isocinetico, l’attività elettromiografica (EMG) si mantiene sostanzialmente alla stessa magnitudo lungo tutto l’arco del movimento, anche se normalmente l’EMG registrato durante un movimento isoinerziale, anche nella sua fase di minor magnitudo, si mantiene comunque più alto rispetto all’EMG registrato durante lo stesso tipo di movimento eseguito in modalità isocinetica a parità di carico ( Hislop e Perrine, 1967).

Tutta queste serie di valutazioni, deve indurci a considerare sia le esercitazioni, che i test isocinetici, come un metodo interessante, sia di lavoro, che di indagine di tipo neuromuscolare, solamente nella prima fase di una riabilitazione post-traumatica.

Le grosse differenze inerenti soprattutto la diversità dei pattern di attivazione neuromuscolare tra la contrazione isocinetica ed isoienerziale, dimostrano infatti che attraverso una monitorizzazione di tipo isocinetico, come la costruzione della relazione forza-.velocità, il quadro neuromuscolare di riferimento sia estremamente limitato.

La relazione forza-velocità ricavata da una contrazione isocinetica, è infatti solamente limitata alla porzione sinistra della relazione stessa considerata nella sua globalità, come mostrato in figura 1, per le ragioni poc’anzi esposte relative alla limitazione delle velocità di registrazione delle apparecchiature isocinetiche.

Oltre a questo importantissimo aspetto, occorre anche aggiungere la mancanza di accelerazione, che al contrario costituisce una delle caratteristiche di base del movimento balistico di tipo isoinerziale naturale e la conseguente diversità nei pattern di attivazione neuromuscolare.

Figura 1: La relazione forza-velocità ottenibile attraverso la modalità isocinetica è fortemente limitata sia dal range di velocità registrabili dagli strumenti isocinetici , che dai diversi pattern di attivazione neuromuscolare in rapporto alla contrazione isotonica.

LA RELAZIONE FORZA-VELOCITA’ ISOINERZIALE COME METODO DIAGNOSTICO: L’ESEMPIO DELL’ARTICOLAZIONE DEL GINOCCHIO

La relazione forza-velocità costruita attraverso la metodica isoinerziale, può quindi, per tutta la serie di ragioni sopra esposte, costituire un importante mezzo di informazione per ciò che riguarda i parametri neuromuscolari tipici di un pattern di attivazione naturale di tipo balistico.

La costruzione di una relazione forza velocità di tipo inerziale può essere effettuata sia attraverso un movimento di tipo concentrico, eccentrico oppure attraverso una modalità che preveda uno SSC, monitorizzando l’azione muscolare attraverso tutto il possibile range di relazione forza-velocità, in altre parole attraverso tutti i i possibili rapporti di velocità di contrazione e di produzione di forza.

Nel caso di una relazione forza velocità isoinerziale costruita attraverso un movimento puramente concentrico avremmo naturalmente delle informazioni di tipo meccanico inerenti il solo comportamento della Componente Contrattile (CC), mentre nel caso di una relazione forza-velocità costruita attraverso dei movimenti che comportino una fase di SSC, avremmo delle informazioni anche sul comportamento meccanico della Componente Elastica in serie (SEC), il confronto tra le due curve può fornire quindi importanti informazioni sul comportamento elastico della muscolatura considerata.

Infine nel caso di una relazione forza-velocità di tipo eccentrico è possibile indagare il comportamento muscolare della CC in condizioni di allungamento.

In campo diagnostico-sportivo la relazione forza-velocità può dare importantissime informazioni soprattutto nell’ambito di due aspetti principali:

-il primo costituito dalla possibilità di "fotografare biomeccanicamente" il comportamento neuromuscolare di un muscolo sano, in previsione, in caso di trauma, di poter avere , in fase riabilitativa, un comparativo di biomeccanica muscolare ottimale al quale fare riferimento durante la fase riabilitativa stessa.

L’alta riproducibilità della relazione forza velocità (r=0.85-0.967) (Bosco, 1991; Bosco e coll., 1995; Murphy e Wilson, 1994; Bisciotti e coll. 1999) garantisce l’affidabilità scientifica di questo metodo di indagine.

Un’affidabile calcolo della relazione forza-velocità puo’ essere effettuato attraverso solamente tre prove effettuate a carichi progressivi che quindi determinino una produzione di forza crescente ed un parallelo decremento della velocità di spostamento del carico stesso, attraverso il calcolo dell’equazione della retta di regressione lineare interpolante i punti stessi (Y = ax + b) è possibile determinare sia il valore di forza isometrica massimale (F₀), che quello di velocità di contrazione massimale teoricamente ottenibile a carico nullo (V₀) (Bisciotti e coll., 1999) come mostrato in figura 2 e 3.

Figura 2: Relazione forza velocità calcolata attraverso i dati desunti da tre movimenti effettuati con altrettanti carichi crescenti in un movimento di estensione della gamba sulla coscia effettuati in catena cinetica aperta. Nell’equazione della retta il coefficiente b esprime il valore di forza isometrica massimale (F₀) espresso in Newton.

Figura 3 : La stessa relazione forza velocità di cui sopra, in cui in ascissa compaiono i valori di forza ed in ordinata quelli relativi alla velocità di spostamento del carico. In questo secondo caso, il valore del termine b dell’equazione relativa alla retta di regressione lineare interpolante i 3 punti considerati, rappresenta il valore di velocità massimale (V₀) ottenibile a carico nullo.

E’ inoltre interessante notare che in una relazione di tipo lineare, come quella ottenibile durante una contrazione di tipo naturale, il valore di potenza massimale sia uguale a 0.5 F₀ . 0.5 V₀ altrimenti esprimibile come 0.25 (F₀ . V₀) (Vandewalle, 1992).

Attraverso la costruzione della relazione forza-velocità tramite la modalità isoinerziale, è quindi possibile calcolare anche la massima potenza teorica esprimile nel corso del movimento indagato.

Quest’ultimo dato può costituire un ulteriore importante parametro di valutazione e controllo in ambito funzionale e riabilitativo.

CONCLUSIONI

La costruzione della relazione forza-velocità isoinerziale presenta quindi un indubbio valore di tipo diagnostico in ambito riabilitativo soprattutto per la totale attinenza con i pattern di attivazione neuromuscolare che si ritrovano nel corso di un movimento naturale di natura balistica, tipico del gesto sportivo, attinenza al contrario disattesa nel caso di test di tipo isocinetico.

La possibilità di effettuare in maniera estremamente semplificata questo tipo di test, su articolazioni ad alto rischio traumatico in ambito sportivo,come quella del ginocchio, riportata nell’esempio precedente, attraverso un’apparecchiatura specificatamente concepita (Real Power, Globus Italia), costituisce un importante metodo di indagine a disposizione del fisioterapista, del tecnico della riabilitazione e del medico sportivo, al fine di ottimizzare e monitorizzare con precisione scientifica gli effetti dei piani fisioterapici di lavoro adottati

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