Valutazione del costo energetico e della risposta cardiovascolare nell'esercizio muscolare dell'arto superiore e dell'arto inferiore

ABSTRACT The human body can be likened to a machine that transforms energy and does work: the analysis of functions and practice conditions are the prerequisite for the study of any machine. Detailed energy analysis is therefore very useful for understanding the physiology of the body and, specifically, the physiology of muscle groups. It is also useful for investigating the differences between muscle groups and between individuals. In literature there are studies on muscle performance and efficiency that take into account individual body muscles in subjects of both genders and studies related to energy metabolism and response parameters of cardiovascular response. The aim of this study is to relate the metabolic and cardiovascular responses to the mechanical work product, to assess the performance of the muscle groups involved and the physiological responses, and whether there are differences between men and women and between muscles with different sizes . The study was born by the collaboration between the Movement Analysis Lab “L. Divieti” of the Bioengineering Department, Politecnico di Milano, and the Laboratory of Biomechanics “Franco Saibene” Institute of Bioimaging and Molecular Physiology, National Research Council (CNR). In order to achieve the fixed aim, we have planned some tests in order to stress muscular groups of upper and lower limb and to characterize the mechanic and metabolic performance of the muscles considered. The tests consist in weight lifting exercise using Ercolina, once with upper lib and once with lower limb: performed tests stressed the elbow and knee flexion-extension movements. During the execution of the test, the subject is seated on a chair, placed parallel to Ercolina, and he is bound to the chair by two belts. These constraints eliminate or limit the possible involuntary movements of the trunk during the exercise: in this way we tried to exclude the activation of other muscle groups other than the limb in question and to ensure uniformity in the execution of the movement during testing. The tests required the execution of elbow and knee flexion-extension movement at a constant frequency (0,5 Hz). To allow the subject to maintain a constant rate we used a metronome. Two sessions of tests were performed for each analyzed joint:  the first session, with incremental load tests, that allow to determine the maximal aerobic capacity of muscle groups during the tests;  the second session, with constant load tests, that determine the energy cost of movement required at different loads. The first session of tests consisted in an exercise of weightlifting, with an initial load of 0.5 kg for the upper limb and 2.0 kg for the lower limb; after a minute from the beginning of the test, the weight applied increased by 0.5 kg per minute for both limbs: the exercise ends when the person reaches the limit of his capacity. The oxygen consumption data VO2 were collected: it is an important parameters because the value that assumed at the end of exercise is the maximum aerobic capacity of individual muscle groups during test. In second session, constant load tests required the execution of an exercise of weight lifting with constant load, for 5 minutes. The expected loads for the tests of the upper limb, differentiated by gender, were: 0.5 kg, 1.0 kg, 1.5 kg, 2.0 kg for women 1.5 kg, 2.0 kg, 2.5 kg, 3.0 kg for men The loads provided for testing the lower limb, for both gender, were: 2.5 Kg, 3.5 Kg, 4.5 Kg, 5.5 Kg During these tests the heart rate frequenzy and oxygen consumption data were acquired and, using a test meter lactate, the values of blood lactate concentration before and after each test were measured and recorded. To allow the acquisition of metabolic parameters such as heart rate and oxygen consumption, the partecipants were asked to wear, during the tests, a heart rate monitor and a K4b2 system. Through the use of an encoder, in this session of test,, the displacements of the load on Ercolina were recorded, the analog signal that is generated during the tests at constant load is converted to digital signal by a data acquisition card DAQ with sampling frequency of 100 Hz , controlled by LabVIEW. The tests were performed by 20 subjects, 10 females and 10 males, aged between 24 and 34 years. Anthropometric measures, such as weight and height, were collected for all the partecipants. In order to guarantee the homogeneity of the groups involved in this study we computed the body composition for each subject using body fat caliper, according to the method of Jackson Pollock, which provides for the detection of 7 skinfold measures. From the data collected we calculated the percentage of fat body and lean body of each subject. For each subject under analysed, we also acquired MR images of upper and lower limbs of the prevailing side up in order to obtain to the anatomical references (tendon insertion points and joint centers of rotation) that allow the determination of the moment arm of the forces produced by the biceps and quadriceps, subsequently used for the implementation of biomechanical models. After the acquisition of the anthropometric parameters, the elaboration of sperimental data started. For the determination of muscle energy parameters, biomechanical model of elbow and knee flexion-extension were implemented using Smart Analyzer. Considering the approximations, the two biomechanical models, one for upper limbs and one for lower limbs, were implemented: in these models, the bone segments were modeled as rigid rods, the joints of the limbs were assumed to be ideal joint centers, the weight applied on Ercolina is assumed to be a point with known mass and the wire, that supports it, is assumed with no mass. The input signal is the location of external load displacement during test execution captured by the encoder. The purpose of the models is to compute the values of the applied external work and the internal work produced by the muscles during the test. Thanks to the implemented biomechanical models, we computed the joint, the speeds and the accelerations of the movements performed during the tests, the forces and moments produced by the external load and muscles: from these measurements we calculated the parameters used in thiss analysis. The computed data have been used in the investigation of cardiovascular and metabolic response to exercise of different muscle groups, in relation to the mass of the muscle groups involved and the gender of partecipants. In order to investigate these responses, data from models were compared with metabolic energy parameters measured during the tests. All relevant parameters are normalized using the baseline parameters measured before the tests: each parameter is subtracted from their baseline value, in order to obtain the actual consumption due to the performed work. A further normalization was performed by expressing the parameters of oxygen consumption and heart rate as a percentage of their maximum values, thus it was possible to evaluate the level of intensity of work respect to the maximum executable work. The maximum oxygen consumption is measured during the incremental load test, maximum heart rate is calculated using Cooper Method, according to which HR max = 220 - age (in years). Initial analysis of the mechanical data allowed us to observe that in order to face a equal external load, the quadriceps had to produce more energy than the biceps did. It was also possible to calculate the ratio between muscle strength and external force: in order to compensate an external force the two analyzed muscles must produce a large force, 5 times greater than the external force in the biceps and 7.5 times in the quadriceps. This large difference between external force and muscle strength is due to the fact that both muscles have a leverage disadvantage. Moreover it was possible to calculate the muscle performance of the two muscles analyzed: it was observed that the mechanical efficiency decreases as muscle produced work increases in a similar way for men and women, but with different slopes between biceps and quadriceps. The difference between men, women, biceps and quadriceps muscle was analyzed statistically using the Mann-Whitney test and Hollander test: the tests showed that ther was statistical significant differences between the mechanical efficiency of men and women, and that there was statistical differences between the mechanical efficiency of biceps and quadriceps. Metabolic and cardiovascular data were also analyzed, and we observed that all parameters increased with the increase of muscular work. We did not find however the presence of a direct relationship between muscular and cardiovascular parameters, which have a direct relationship with the metabolic response represented by oxygen consumption. In the analysis of metabolic and cardiovascular response there was a difference between the lower limb and upper limb: the upper limb produced a greater metab,lic and cardiovascular response than the lower limb did. This difference could be due to the fact that the biceps was working at an intensity of effort greater than the quadriceps muscle, and, moving to its limit, it required the activation of other muscles to cover the energy production demand. This leads to an oxygen consumption, heart rate and lactate increasing and in a muscle activity crash. In conclusion, no significant differences were observed between men and women, but there are marked differences between upper limb and lower limb in term of metabolic response. It can be argued that the cardiovascular response has a stronger direct relationship with the metabolic response rather than with muscle work production.

SOMMARIO Il corpo umano può esser assimilato ad una macchina che trasforma energia e compie lavoro: l’analisi delle funzioni e delle condizioni di esercizio sono i presupposti per lo studio di qualsiasi macchina. Un’analisi energetica dettagliata è perciò molto utile per comprendere la fisiologia corporea e, nello specifico, la fisiologia dei gruppi muscolari, e per indagare le differenze esistenti tra gruppi muscolari e tra individui. In letteratura sono presenti studi relativi al rendimento e all'efficienza muscolare che prendono in considerazione singoli muscoli corporei in soggetti di entrambi i sessi e studi relativi ai parametri di risposta energetica metabolica e di risposta cardiovascolare. Lo scopo di questo studio è di mettere in relazione le risposte metaboliche e cardiovascolari con il lavoro meccanico prodotto, per valutare il rendimento dei gruppi muscolari coinvolti e le risposte fisiologiche, e verificare se esistano differenze tra uomo e donna e tra gruppi muscolari di dimensioni differenti. Lo studio è stato effettuato in multidisciplinarietà da due strutture, il Laboratorio di Analisi del Movimento “L. Divieti” del Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano, e il Laboratorio di Biomeccanica “Franco Saibene” dell’Istituto di Bioimmagini e Fisiologia Molecolare, Consiglio Nazionale delle Ricerche. Al fine di raggiungere gli scopi prefissati sono state ideate delle prove che sottopongono a sforzo i gruppi muscolari dell’arto superiore ed inferiore e che consentono un’adeguata caratterizzazione del comportamento meccanico e metabolico dei muscoli in esame. Le prove consistono in un esercizio di sollevamento pesi con un’apposita macchina ideata in laboratorio (Ercolina), e prevedono la flesso-estensione di due articolazioni corporee, quali l’articolazione di gomito e ginocchio, da eseguire in test separati. Durante l’esecuzione delle prove il soggetto è seduto su una sedia, posta parallelamente alla macchina, ed è vincolato ad essa tramite due cinghie, una posta in corrispondenza del petto e l’altra in corrispondenza della vita. Questi vincoli eliminano o limitano possibili movimenti involontari del busto durante l’esecuzione dell’esercizio da parte del soggetto:in questo modo si è cercato di escludere l’attivazione di gruppi muscolari diversi da quello dell’arto in esame e garantire una uniformità nella tecnica di esecuzione dei movimenti durante i test. Le prove richiedono l’esecuzione del movimento di flesso-estensione dell’articolazione ad una frequenza costante pari a 0,5 Hz. Per consentire al soggetto di mantenere un andamento costante è stato utilizzato un metronomo in grado di scandire il tempo alla frequenza desiderata. Sono stati eseguiti due sessioni di prove:  la prima sessione prevede l’esecuzione di prove a carico incrementale, che consentono di determinare la capacità aerobica massimale dei gruppi muscolari attivi durante i test;  la seconda sessione prevede l’esecuzione di prove a carico costante, che consentono di determinare il costo energetico dei movimenti previsti dai test a differenti carichi sottomassimali allo stato stazionario. La prima sessione di prove prevede lo svolgimento di un esercizio di sollevamento pesi, con carico iniziale di 0,5 Kg per l’arto superiore e 2,0 Kg per l’arto inferiore; trascorso un minuto dall’inizio del test, il carico applicato sull’Ercolina viene incrementato di 0,5 Kg ogni minuto, per entrambi gli arti: l’esercizio termina quando il soggetto raggiunge il limite delle proprie forze. Durante queste prove vengono acquisiti i dati relativi al consumo di ossigeno: questo parametro è importante perché il valore di picco raggiunto dal soggetto al momento dell’esaurimento rappresenta la massima capacità aerobica dei singoli gruppi muscolari in esercizio. La seconda sessione di prova prevede lo svolgimento di un esercizio di sollevamento pesi con carico costante, per 5 minuti. I carichi previsti per i test dell'arto superiore, differenziati per sesso, sono: 0.5 Kg, 1.0 Kg, 1.5 Kg, 2.0 Kg per le donne 1.5 Kg, 2.0 Kg, 2.5 Kg, 3.0 Kg per gli uomini I carichi previsti per i test dell'arto inferiore, per entrambi i sessi, sono: 2.5 Kg, 3.5 Kg, 4.5 Kg, 5.5 Kg Durante queste prove sono stati acquisiti i valori di frequenza cardiaca e di consumo d’ossigeno e, utilizzando un lattacidometro, sono stati misurati e registrati i valori di concentrazione di lattato nel sangue prima e dopo ogni prova. Per consentire l’acquisizione di parametri metabolici quali frequenza cardiaca e consumo di ossigeno, è stato chiesto ai soggetti di indossare durante l’esecuzione delle prove una fascia cardio e la maschera di un ergospirometro. Attraverso l’utilizzo di un trasduttore di spostamento sono stati registrati in questa sessione di prove i valori di spostamento del pacco pesi sull’Ercolina; il segnale analogico che viene generato durante le prove a carico costante viene convertito in digitale da una scheda di acquisizione con frequenza di campionamento pari a 100 Hz, comandata dal software LabVIEW. Le prove sono state effettuate da 20 soggetti, 10 femmine e 10 maschi, di età compresa tra i 24 e i 34 anni. Per tutti i soggetti sono stati acquisiti parametri antropometrici quali peso e altezza ed è stato calcolato l’indice di massa corporea. La composizione corporea dei soggetti è stata determinata mediante un test plicometrico, secondo il metodo di Jackson e Pollock, che prevede la rilevazione delle misure di 7 pliche cutanee. A partire dai valori raccolti è stata calcolata la percentuale di massa grassa e massa magra di ogni soggetto. Sono state inoltre acquisite delle immagini di risonanze magnetiche per l’arto superiore ed inferiore dal lato reclutato nel movimento per ogni soggetto in esame al fine di misurare, attraverso un’analisi delle bioimmagini ottenute, i riferimenti anatomici (punti di inserzione tendinea e centri di rotazione articolare) che consentono la determinazione del braccio d’azione delle forze prodotte dal muscolo bicipite e quadricipite, successivamente utilizzati per l’implementazione dei modelli biomeccanici. Al termine della fase di acquisizione dei parametri antropometrici dei soggetti, è iniziata la fase di elaborazione dei dati sperimentali. Per la determinazione dei parametri di energia muscolare è stata effettuata una modellazione dei set delle prove all’Ercolina e una successiva elaborazione dei modelli ottenuti, utilizzando il software Smart Analyzer. Effettuando opportune approssimazioni, sono stati creati due modelli biomeccanici, uno per l’arto superiore e uno per l’arto inferiore, che rappresentano la realtà dei set in cui sono state effettuate le prove: in tali modelli i segmenti ossei sono stati modellizzati come aste rigide, le articolazioni degli arti sono state assunte essere cerniere ideali coincidenti con i centri articolari, il carico applicato sull’Ercolina si assume che abbia massa puntiforme e il filo che sostiene i pesi dell’Ercolina si assume che abbia massa trascurabile. Il segnale in ingresso ai modelli è il segnale di posizione dei pesi sull’Ercolina rilevato dall’Encoder. Lo scopo dei modelli è di ricavare i valori del lavoro esterno applicato e il lavoro interno prodotto dai muscoli durante i test di sforzo, a partire dallo spostamento del carico sull’Ercolina per i differenti carichi utilizzati. Grazie ai modelli biomeccanici è stato possibile risalire in linea teorica agli angoli articolari, alle velocità ed accelerazioni dei movimenti eseguiti durante le prove, alle forze e momenti prodotti dal carico esterno e dagli arti stessi, e a partire da queste grandezze è stato possibile calcolare le grandezze d’interesse per lo studio. I file acquisiti durante le prove sono stati elaborati utilizzando il software BTS Smart Analyzer, grazie al quale sono stati sviluppati dei protocolli specifici per le prove sperimentali eseguite e che si basano sui modelli biomeccanici precedentemente ideati. Con i suddetti protocolli è stato possibile elaborare le grandezze sopra citate, e visualizzare ed estrarre i valori di interesse durante le prove eseguite. I dati estratti con Smart Analyzer e con i modelli biomeccanici sono stati utilizzati nell’indagine della risposta cardiovascolare e metabolica all’esercizio fisico di diversi gruppi muscolari, in relazione alla massa dei gruppi muscolari interessati e al sesso dei soggetti analizzati. Al fine di indagare tali risposte sono stati messi a confronto i dati ricavati dai modelli con i parametri di energia metabolica misurati durante i test effettuati. Tutti i parametri considerati vengono normalizzati utilizzando i parametri basali misurati prima dell’esecuzione delle prove: ad ogni parametro viene sottratto il proprio valore basale, in modo da ottenere l’effettivo consumo dovuto all’esercizio eseguito. Un ulteriore normalizzazione è stata effettuata esprimendo i parametri di consumo di ossigeno e di frequenza cardiaca in percentuale rispetto ai loro valori massimi; in questo modo è stato possibile valutare il livello d’intensità del lavoro svolto rispetto al lavoro massimo eseguibile. Il consumo di ossigeno massimo viene misurato durante i test a carico incrementale, la frequenza cardiaca massima invece viene calcolata utilizzando la formula di Cooper, secondo la quale HRmax=220 – età (in anni). Un'analisi iniziale dei dati meccanici ha permesso di osservare che per far fronte ad un uguale carico esterno, il muscolo quadricipite deve produrre un lavoro maggiore rispetto al muscolo bicipite. E' stato inoltre possibile calcolare il rapporto tra la forza muscolare e la forza esterna: per contrastare una forza applicata esternamente i due muscoli analizzati devono produrre una forza molto maggiore, nello specifico 5 volte maggiore della forza esterna nel bicipite e 7,5 volte maggiore della forza esterna nel quadricipite. Questa grande differenza tra forza esterna e forza muscolare è dovuta al fatto che entrambi i muscoli presentano una leva svantaggiosa, ovvero un braccio d'azione del momento muscolare molto minore rispetto al braccio del momento esterno. In seguito è stato possibile calcolare il rendimento muscolare dei due muscoli analizzati: è stato osservato che il rendimento muscolare decresce con l'aumentare del lavoro prodotto in modo analogo per uomini e donne, ma con pendenze differenti tra bicipite e quadricipite. La differenza tra uomini, donne, muscolo bicipite e muscolo quadricipite è stata valutata statisticamente utilizzando i test non parametrici di Mann-Whitney e di Hollander: i test hanno confermato che al livello di significatività pari a 0.05, livello accettato per l'analisi, il rendimento tra uomini e donne non presenta differenze statisticamente significative mentre il rendimento tra bicipite e quadricipite è statisticamente diverso. Sono stati inoltre analizzati i dati metabolici e cardiovascolari ed è stato osservato che tutti i parametri aumentano con l'aumento del lavoro muscolare. Si è tuttavia riscontrata la mancanza di una relazione diretta tra il lavoro muscolare e i parametri cardiovascolari, che hanno invece una relazione diretta con la risposta metabolica rappresentata dal consumo d'ossigeno. Nell'analisi della risposta metabolica e cardiovascolare è stata riscontrata una differenza tra l'arto inferiore e l'arto superiore: l'arto superiore, a parità di lavoro interno, produce una risposta metabolica maggiore e cardiovascolare maggiore rispetto all'arto inferiore. Tale differenza si può sostenere che dipenda dal fatto che il muscolo bicipite lavora ad un'intensità di sforzo maggiore rispetto al muscolo quadricipite, e spostandosi verso il suo limite richiede l'attivazione di altri muscoli per far fronte al lavoro esterno; ciò porta ad un aumento del consumo d'ossigeno, ad un aumento della frequenza cardiaca e della quantità di acido lattico nel sangue e ad un crollo del rendimento muscolare. In conclusione non sono state osservate differenze significative tra uomini e donne, ma esistono differenze rilevanti tra arto superiore ed arto inferiore deputate soprattutto al livello d'intensità metabolica a cui lavorano. Si può inoltre sostenere che la risposta cardiovascolare presenta una relazione diretta con la risposta metabolica più che con il lavoro muscolare prodotto.