Influenza della fatica sui fattori di rischio degli infortuni da non contatto durante la corsa con cambi di direzione

Introduction: In team sports, the most frequent injuries are anterior cruciate ligament (ACL) lesions followed by meniscal lesions and ankle sprain. Most of ACL injuries are related to non-contact mechanisms (Nyland et al. 1997). Injury of ACL is more severe and debilitating than the others kind of knee injuries. ACL rupture usually requires a surgical reconstruction and a recovery time of at least eight months (Notarnicola et al. 2016). Furthermore, there is a high risk of recurrences due to chronic instability or onset of secondary articular pathologies like osteoarthritis (Brown et al. 2014; Kristianslund et al. 2013; Chu et al. 2010). Subjects who undergo an ankle sprain may suffer long-term sequelae such as an unstable joint and reduced proprioception, increasing the risk of subsequent ankle injury (Kristianslund et al. 2013). For these reasons prevention of ACL injuries and ankle sprains are essential in sports. Changes of Direction (CoDs) are the most hazardous dynamic situation for the ligaments of the knee (Andrews et al. 1977) and they are typical tasks that are performed in team sports such as football or basketball. A complete understanding of injury risks during 180° CoDs is necessary to improve the injury prevention strategies. Cortes et al. (2013) demonstrated that injuries are more likely to occur in the final stages of practices and matches. After a fatiguing bout of exercise, it has been hypothesized that injury risk may increase. (Tsai et al. 2009). Hardly any information exists during 180° CoDs and during a fatigue protocol. Moreover, no study described how kinematic parameters and muscle activity change during a continued shuttle run protocol. The purpose of the present study is to determine whether kinematic parameters and muscle activity change during a continued fatigue protocol of 180° CoDs, and how these parameters increase the risk of injury. This study comes from the collaboration between Università degli Studi di Milano lab and “L. Divieti” DEIB lab of Politecnico di Milano. This work is in line with the activities of E4 sport interdepartimental lab (directed by Mechanics department), of which “Divieti lab” is partner. Methods: Twenty physically active male subjects (age range: 18-33 years, BMI: 20.8-27.4 kgm-2) attended a two sessions test performed on separate days: 1) An incremental discontinuous square-wave test on a treadmill (Esposito et al. 2004) was firstly performed. Maximum oxygen uptake (VO2max) and maximal aerobic speed (MAS) were estimated. 2) A shuttle run test was then performed: after the acquisition of standing metabolic rate (SMR, averaged over 60 s), subjects completed a 5-m shuttle running trial lasting 5-minutes at an average shuttle velocity (vsh) of 75% of their MAS. Metabolic measurements were obtained to monitor and describe exercise intensity. Oxygen uptake was measured using a portable metabolimeter (K4b2, Cosmed, Rome, Italy). In the recovery period, peak of blood lactate concentration ([La-]b) was determined every two minutes, up to a decrease was observed. Oxygen uptake measurement was performed for at least 6 minutes, as long as the heart rate (HR) returned to baseline values. After shuttle trial, subjects provided a rating of general, muscular and respiratory perceived exertion (RPE, 6-20 Borg scale). The entire test was monitored with an optoelectronic system for movement analysis to compute the kinematic parameters. Data Processing: Average metabolic power during exercise were computed from VO2 data. Raw marker coordinates were filtered at 10 Hz. The stance phase (initial contact to toe-off) of the support limb during each turn (right and left) was detected by visually inspecting the three-dimensional movement reconstruction. The stance phase of the pivoting limb during right and left turns was determined. Hip joint angles were computed as the relative rotation of the pelvis and hip local reference systems (Euler ZYX convention). Knee and ankle were modeled as one degree-of-freedom 2D hinge joints. Peak joints flexion and range-of-motion (RoM) were computed during the stance phase. Centre of Mass (CoM) kinematics was computed considering the body as a collection of rigid bodies (Mapelli et al. 2014). The lowest CoM vertical position during the stance phase was computed, normalized by participants’ stature. Information on muscles activation were obtained from a subset of n=8 subjects: surface EMG electrodes were placed on the right and left Biceps Femoris (BF) and Gastrocnemius Lateralis (GL). Raw EMG data were band-pass filtered, full-wave rectified and normalized by the maximum EMG value for each muscle. Root mean square (RMS) value, median frequency and activation time (RMS>50% peak) were computed. To assess the effect of fatigue, mean values obtained in the first and in the fifth minutes of the test were compared by 2-way ANOVAs (factors: time/ condition, side). Results: Participants were homogeneous in terms of shuttle speed. RPE ranged from “hard” to “maximum exertion”, the average heart rate (%HR) and the average oxygen uptake (%VO2,max ) in the last minute of exercise were around 90% and post-exercise lactate concentration [La-]b ranged from 5.4 to 15.5 mM. During weight acceptance, the pivoting limb undergoes a succession of ankle dorsiflexion, knee and hip flexion, while the hip is abducted and externally rotated. CoM speed and CoM vertical position reduced. In the push-off phase, the ankle is plantar-flexed, and the knee and hip are extended. Both hip and knee flexion peak and RoM significantly decreased with fatigue. Large effects were measured at the hip joint (about -60%) and a medium-to-large effect was measured at the knee joint (about -40%). Peak hip adduction increased in fatigued conditions and hip rotation RoM reduced by 30%. CoM vertical position significantly increased (+5-10%) in fatigued conditions. While CoM speed at initial contact remained almost unchanged, CoM speed at toe-off significantly dropped (-30%). Neither side-related differences nor side×condition interactions were observed for all variables. No significant changes were also observed for the EMG variables, with low ES for both BF and GL. Conclusion: This study identified kinematic effects of fatigue while running with repeated turns. An increased stiffness of the pivoting limb was observed in terms of a drastic reduction of hip and knee flexion angles and body inclination, and increase of hip abduction and internal rotation. Since these movements are recognized as factors potentially increasing the likelihood of non-contact knee injuries, we concluded that muscle fatigue triggered a sequence of adaptations that expose the athlete to an increasing risk of ligament failure. Since evidence of a high muscular load during the test was given by lactate concentration [La-]b values far beyond the aerobic threshold, we hypothesize that turning actions may primarily induce fatigue in muscle groups other than GL and BF, probably in the quadriceps.

Introduzione: Gli infortuni che più frequentemente si verificano negli sport di squadra, sono le lesioni del legamento crociato anteriore (LCA), seguite da lesioni al menisco e distorsioni della caviglia. La stragrande maggioranza degli infortuni del LCA sono legati a meccanismi da non contatto (Nyland et al. 1997). La lesione del LCA è la più grave e debilitante rispetto alle altre tipologie di lesioni riguardanti l’articolazione del ginocchio. Solitamente, richiede una ricostruzione chirurgica e un tempo di recupero di almeno otto mesi (Notarnicola et al. 2016). Inoltre, vi è un alto rischio di recidive a causa dell'instabilità cronica o dell'insorgenza di patologie articolari secondarie come l'osteoartrosi (Brown et al. 2014; Kristianslund et al. 2013; Chu et al. 2010). Relativamente agli infortuni della caviglia, i soggetti che subiscono una distorsione potrebbero incorrere in conseguenze a lungo termine come un'articolazione instabile e una riduzione della propriocezione, aumentando il rischio di successivi infortuni (Kristianslund et al. 2013). Per questi motivi la prevenzione delle lesioni del LCA e delle distorsioni della caviglia risulta essere essenziale nello sport. I cambi di direzione (CoD) oltre ad essere uno dei task tipici eseguiti negli sport di squadra, come calcio o basket, rappresentano secondo Andrews et al. (1977) la situazione dinamica più pericolosa per i legamenti del ginocchio. Pertanto, per migliorare le strategie di prevenzione degli infortuni, è necessaria una comprensione completa dei rischi di lesioni con CoD a 180°. Cortes et al. (2013) hanno dimostrato come gli infortuni si verifichino con più probabilità nelle fasi finali delle stagioni sportive e delle partite. Dopo un periodo di esercizio affaticante, è stato ipotizzato che il rischio di lesioni possa aumentare (Tsai et al. 2009). Non esistono molte informazioni che analizzino i cambi di direzione a 180° e durante un protocollo di affaticamento. Inoltre, quasi nessuno studio descrive il modo in cui i parametri cinematici e l'attività muscolare cambino durante un protocollo di affaticamento con continui cambi di direzione. Pertanto, lo scopo del presente studio è di determinare se i parametri cinematici e l'attività muscolare varino durante un protocollo di affaticamento con continui CoD a 180° e in che modo questi parametri aumentino il rischio di lesioni. Questo lavoro nasce dalla collaborazione tra il laboratorio LAM dell’università degli studi di Milano e il Laboratorio “L. Divieti” del DEIB del Politecnico di Milano. L’argomento trattato è in linea con le attività previste dal Laboratorio interdipartimentale E4 sport (diretto dal dipartimento di Meccanica) di cui il “lab Divieti” è partner. Metodi: Venti soggetti maschi fisicamente attivi (fascia d'età: 18-33 anni, BMI: 20,8-27,4 kgm-2) hanno partecipato a due sessioni di test in giorni separati: È stato prima eseguito un test incrementale a onda quadra su un ergometro trasportatore (Esposito e altri 2004). Sono stati stimati il massimo consumo di ossigeno (VO2max) e la massima velocità aerobica (MAS); È stato eseguito, poi, un test di corsa a navetta: dopo l'acquisizione del consumo d’ossigeno in stazione eretta (SMR, in media oltre 60s), i soggetti hanno completato un test di corsa a navetta da 5 m della durata di 5 minuti con una velocità media della corsa a navetta (vsh) del 75% del loro MAS. Sono state effettuate misurazioni metaboliche per monitorare e descrivere l'intensità dell'esercizio. Il consumo di ossigeno è stato misurato utilizzando un metabolimetro portatile (〖K4b〗^2, Cosmed, Roma, Italia). Nel periodo di recupero, ogni due minuti è stato determinato il picco della concentrazione di lattato nel sangue [La-]b, fino a quando è stata osservata una diminuzione della concentrazione. La misurazione del consumo di ossigeno è stata eseguita per almeno 6 minuti, fino a quando la frequenza cardiaca (HR) è tornata ai valori basali. Dopo la prova di corsa a navetta, i soggetti hanno fornito una valutazione dello sforzo percepito generale, muscolare e respiratorio (RPE, scala 6-20 Borg). Durante l’intero test è stato utilizzato un sistema optoelettronico per l’analisi del movimento, per calcolare i parametri cinematici. Elaborazione dati: È stato calcolato il consumo metabolico medio a partire dai dati VO_2. Le coordinate degli indicatori grezzi sono state filtrate a 10 Hz. La fase di stance (contatto iniziale a stacco) dell'arto di supporto durante ogni rotazione (destra e sinistra) è stata rilevata ispezionando visivamente la ricostruzione del movimento tridimensionale. È stata identificata la fase di stance (contatto iniziale a toe-off) dell'arto di supporto durante il cambio di direzione a destra e a sinistra. Gli angoli dell'articolazione dell'anca sono stati calcolati come la rotazione relativa del bacino e dei sistemi di riferimento locali dell'anca (convenzione Eulero ZYX). Ginocchio e caviglia sono stati modellizzati come giunti a cerniera 2D di grado di libertà. I picchi di flessione delle articolazioni e l’ampiezza di movimento (RoM) sono state calcolate durante la fase di appoggio. La cinematica del Centro di massa (CoM) è stata calcolata considerando il corpo come un insieme di corpi rigidi (Mapelli et al. 2014). La posizione verticale del CoM più bassa durante la fase di appoggio è stata calcolata, e normalizzata per la statura dei partecipanti. Da un sottogruppo di n = 8 soggetti sono state ottenute informazioni sull'attivazione dei muscoli: gli elettrodi EMG di superficie sono stati posizionati sul Biceps Femoris (BF) e Gastrocnemius Lateralis (GL) di destra e sinistra. I dati EMG grezzi sono stati filtrati con un passa-banda, rettificati a onda intera e normalizzati con il valore massimo di EMG per ciascun muscolo. Sono stati calcolati il valore quadratico medio (RMS), la frequenza mediana e il tempo di attivazione (RMS> 50% di picco). Per quantificare l’effetto della fatica, i valori medi ottenuti nel primo e nel quinto minuto del test sono stati confrontati con analisi della varianza a 2 vie (fattori: tempo/ condizione, lato). Risultati: I partecipanti sono risultati omogenei in termini di velocità della corsa. L’RPE variava da "difficile" a " sforzo massimo", il valore medio della frequenza cardiaca (%HR) e il valore medio del massimo consumo di ossigeno (〖%VO〗_(2,max)) durante l’ultimo minuto di esercizio era circa pari al 90% e la [La-]b post-esercizio andava da 5,4 a 15,5mM. Durante l'accettazione del carico, l'arto di supporto subisce la dorsiflessione della caviglia, flessione del ginocchio e dell'anca, mentre l'anca viene ruotata rapidamente ed esternamente. La velocità e l’altezza del CoM si riducono. Nella fase di push-off, la caviglia è in flessione plantare, il ginocchio e l'anca sono estesi. Il picco di flessione dell'anca e del ginocchio e il RoM diminuiscono significativamente con l'affaticamento (fattore condizione, p <0,05). Grandi effetti sono stati misurati a livello dell'anca (circa -60%) e un effetto medio-grande è stato misurato a livello del ginocchio (circa -40%). Il picco di adduzione dell'anca è aumentato in condizioni di affaticamento (p <0,05, effetto medio-grande). Il RoM della rotazione dell’anca si riduce del 30%. Né il picco di flessione della caviglia né il RoM cambiano significativamente in condizioni di affaticamento. L’altezza del CoM è aumentata significativamente (+5-10%) in condizioni di affaticamento (p = 0,004, effetto grande). Mentre la velocità del CoM al contatto iniziale è rimasta pressoché invariata (p = 0,656), la velocità del CoM al contatto iniziale è diminuita significativamente (-30%, p = 0,001, effetto ampio). Non sono state osservate né differenze relative al lato né interazioni lato x condizione di affaticamento (p> 0,1 per tutte le variabili). Non sono stati riscontrati cambiamenti significativi per le variabili EMG (p> 0.05), con valori bassi di effetto sia per BF che per GL. Dovuti alla lateralità (lato destro vs. lato sinistro) e affaticamento (primo vs. quinto minuto), Conclusione: Attraverso questo studio sono stati identificati gli effetti dell’affaticamento sulla cinematica articolare, che si verificano nella corsa a navetta. È stata osservata una maggior rigidità nell’arto basculante in termini di drastica riduzione dell’angolo di flessione del ginocchio e dell’anca, e un aumento dell’abduzione e rotazione interna dell’anca. Poiché questi movimenti sono riconosciuti come fattori di rischio che potenzialmente aumentano la probabilità di lesioni al ginocchio da non contatto, abbiamo concluso che l’affaticamento muscolare abbia innescato una sequenza di adattamenti che espongono l’atleta a un aumento del rischio di rottura del LCA. Poiché l’evidenza di un carico muscolare durante il test è reso noto da una concentrazione di lattato ben oltre la soglia aerobica, abbiamo ipotizzato che azioni di rotazione potessero indurre la fatica, principalmente in gruppi muscolare diversi dal GL e BF, probabilmente nel quadricipite.