Use of arms - influence to human balance during perturbation

Abstract

Tämän Pro gradu –tutkielman tarkoituksena oli selvittää, miten käsien käyttäminen tai käyttämättömyys vaikuttaa ihmisen tasapainon korjaamiseen äkillisessä horjutus (häiriö) tilanteessa.

Tutkimukseen osallistui viisi vapaaehtoista koehenkilöä (32 +/- 11 vuotta). Tutkimuksen testiprotokollassa tasapainon korjaamiseksi häiriötilanteessa, henkilö asetettiin seisoman juoksumaton päälle, joka liikahti 0.2 metriä eteenpäin, anterior-suunnassa (nopeus 0.24 m/s). Tutkimuksessa käytettiin kahta eri tilaa: kädet ja ei kädet –tila, missä koehenkilö sulki kätensä vartalon eteen puuhkaan. Tasapainoa mitattiin juoksumaton voimalevyltä ja koehenkilön painopisteen muutokset (COP) analysoitiin. Painopistettä (COP) käytettiin myös triggerinä EMG analyysia varten, joka toteutettiin 300 millisekunnin aikaikkunoilla Soleus (SOL), Medial Gastrocnemius (MG), Tibialis Anterior (TA), Rectus abdominis (RA), Erector Spinae (ES), Anterior Deltoid (AD) ja Posterior Deltoid (PD) lihaksista. Lopputuloksissa EMG data jaettiin vielä kolmeen eri aikaikkunaan (0 – 50 ms = EMG50, 50 – 150 ms = EMG150 sekä 150 – 300 ms = EMG300) tarkempaa analyysiä varten. Kinematiikkadata tallennettiin jatkuvana. Koehenkilön painopistettä (COP) kontrolloi voimalevyillä varustettu juoksumatto sekä tähän tutkimukseen räätälöity erikoissofta.

Tutkimuksen päätuloksena voi esittää sen, että käsien käyttämisellä ei ole tilastollisesti merkittävää vaikutusta tasapainon korjaamiseen häiriötilanteessa anterior-suunnassa. Tuloksissa on kuitenkin nähtävissä merkittävästi suuremmat EMG aktivaatiotasot ylävartalon lihaksissa (p < 0.05) silloin, kun käsiä ei käytetä (ei kädet –tila) verrattuna kädet-tilaan. Yläkropan RA ja AD lihasten aktivaatiotasot vaikuttivat merkitsevästi tasapainon kontrollointiin tilassa, missä käsiä ei käytetty (p < 0.05). Kun tuloksia pilkottiin ja analysoitiin pienemmissä ajanjaksoissa, oli RA lihaksen EMG150 59 ± 2 % suurempi (p < 0.05) tilassa, missä käsiä ei käytetty ja AD lihaksen EMG kasvoi 22 ± 19 % (p < 0.05), kun verrattiin ajanjaksoa EMG50 ajanjaksoon EMG300, tilassa missä käsiä ei käytetty. ES lihaksesta mitattu EMG aktivaatio oli keskimäärin noin kaksinkertaista ei kädet –tilassa, mutta yksilölliset vaihtelut olivat huomattavan suuria. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan todeta, että ihmisen tasapainon kontrolloinnissa, tilassa missä kädet eivät ole käytössä, ovat ylävartalon lihasten aktivaatiotasot suurempia verrattuna normaaliin kädet käytössä tilaan. Koska ylävartalon lihasaktivaatio on suurempaa häiriötilassa ilman käsiä, tulisi huolehtia riittävistä lihasten voimantuotto-ominaisuuksista tasapainon korjaamisessa.

The purpose of this study was to investigate how the use of arms influences to the human balance control while random perturbation.

Five voluntary subjects (32 ± 11 years) participated to this study. For the balance control during perturbation the subjects had to stand still on a treadmill surface which was moving anterior (velocity 0.24 m/s) direction by 0.2 m providing the unbalanced situation. Study was performed in Arms (normal stance) and No Arms –condition where the subject crossed his / her arms in front of the body. The balance was measured by a force plate under the treadmill and subjects center of pressure (COP) was also used for a trigger for the EMG analyses, which was calculated as RMS amplitude with 300 ms window from Soleus (SOL), Medialis Gastrocnemius (MG), Tibialis Anterior (TA), Rectus Abdominis (RA), Erector Spinae (ES), Deltoideus Anterior (AD) and Deltoideus Posterior (PD) muscles. The EMG amplitude data was also taken into further analyze by diving it into three time windows after onset (0 to 50 ms = EMG50, 50 to 150 ms = EMG150 and 150 to 300 ms = EMG300, respectively). Kinematics were recorded continuously and COP was controlled by an instrumented force sensing treadmill and custom written software.

The main finding from this study is that there is no significant differences in balance control weather you use or not use your arms while perturbation occurs anteriorly. Nevertheless, a higher EMG activity of the upper body muscles were observed when not using arms (No Arms –condition) compared to the normal stance with free use of arms. The EMG of RA and AD muscles had a significant role in the balance control -system when not using arms (p < 0.05). Timeslot analyze suggested that the RA EMG150 was 59 ± 2 % higher (p < 0.05) when no arms were used and AD EMG increased by 22 ± 19 % (p < 0.05) from the EMG50 to the EMG300 in No Arms -condition. The EMG of the ES muscle was on average two times higher in No Arms –condition but the individual variations were remarkable. Based on the results the EMG activity of the upper body muscles is higher when not using arms compared to the situation where arms are normally in use. Because of the higher activation level needed from the upper body muscles during perturbation, one should take care of the adequate muscle strength.