| | 20/04/2021

קינסיולוגיה ופיסיולוגיה של הנעת כיסא גלגלים

תשומות ותפוקות במערכת אדם - כיסא גלגלים

כיסא גלגלים הוא מכונה שהתפתחה במהלך ימי הביניים והרנסנס להנעה עצמית של אנשים נכים, שעיקרה חיבור בין מערכת ציר וגלגל והפעלת כוח באמצעות הידיים. יישומים קודמים של מערכת ציר גלגל היו להובלה של אנשים נכים. מערכת זו היא מערכת הכוללת רכיבים פיסיולוגיים של מערכות תנועה באדם (כוח וסבולת שרירית, יציבות מפרקית ושלדית, מהירות הפעלת כוח על המערכת המיכנית), תצורה מיכנית של מערכת העברת הכוח ציר גלגל התלויה באיכות המיסבים, בקוטר הגלגלים והחישוקים המניעים (היחס ביניהם קובע את היתרון המיכני כמו במערכת גלגלות או הילוכים), ובמאפייני הממשק (חישוק להעברת הכוח) שקובעים כמה הפסדים יש בזמן העברת הכוח, למשל על ידי חישוק חלק או בעל חתך מסוים). רכיבים אלה מפורטים בצדהשמאלי של האיור למטה שהוצע על ידי וון דר וודה מהולנד כאמצעי לתיאור המערכת. במרכז האיור הדרכים השונות בהן ניתן לחשב את ההספק הנוצר במערכת, כתוצר של אנרגיה ומהירות (F*V), של יעילות מכנית והספק אירובי (ME*En), או כעבודה למחזור תנועה ותדירות המחזורים (A*F). לבסוף, בצד ימין המקורות השונים לאיבוד אנרגיה במערכת, כתוצאה מחיכוך פנימי בחלקים המיכניים של המערכת (Fint) , התנגדות אוויר (Fa), התנגדות הגלגול או החיכוך שנוצר בין הגלגלים לקרקע (Fr) והתנגדות שיפוע במצבי עליה או ירידה (Finc) שמאיטים או מאיצים את המערכת.

הנעת כיסא גלגלים נעשית באמצעות הממשק של חישוק הנעה (handrim), על ידיהצמדת היד לחישוק ודחיפתו. אמנם הוצעו פתרונות רבים אחרים, כגון הנעה באמצעות מנופים הנדחפים במישור חיצי בשני הכיוונים, הנעה על ידי מנופים מסוג רצ'ט המונעים במישור החיצי בכיוון אחד, הנעה על ידי אופני יד.לנוכח היתרונות הבולטים של חישוק ההנעה בהקשר לתמרון במיוחד במקומות צרים, עדיין לא הוחלף ממשק זה, למרות יעילותו המיכנית הנמוכה- כ 7% לעומת 10% - 15% של אופני יד.

כבר בעבודות המוקדמות של הילדברנדט ועמיתים (1970) נמצא, כי העלות האנרגטית של הנעת כיסא גלגלים נמוכה יחסית להליכה, בשל כמות החמצן המועטה שאפשר לנצל באמצעות מסה שרירית קטנה יחסית של הידיים, אך פעולה זו תגרום לדופק גבוה באופן יחסי. תופעה זו תתרחש, ככל הנראה, בשל העומס הפיזי הגבוה על קבוצת שרירים קטנה (ידיים וחגורת כתפיים) אשר גורם לעליה גבוהה בלחץ הדם, ביעילות שרירית נמוכה ויתכן אף שבשל החזרה הורידית הלקויה שגורמת לנפח פעימה קטן יותר ומכאן ללב צורך רב יותר בקצב מהיר יותר.

אנטומיה תפקודית של הנעת כיסא גלגלים

תיאור מפורט של השרירים והמפרקים הנדרשים להנעת כיסא גלגלים באמצעות ממשק גלגל ההנעה הוצע על ידי דיוויס ופרארה (1988), והוא כולל שני חלקים עיקריים שלב הדחיפה (drive/propulsion) ושלב ההחזרה (recovery). קיימות מספר טכניקות להנעה, שהשונות הבולטת ביניהן היא טווח ומיקום הדחיפה ביחס לקוטר חישוק ההנעה ואופן ביצוע ההחזרה. בתמונה שלהלן ניתן לראות ארבע טכניקות מודגמות באמצעות ניתוח תמונות וידאו. הטכניקה שנמצאה עדיפה מבחינת הקטנת הפגיעות ברקמה הרכה, היא זו שבקצה הימני העליון. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

בתמונות שלהלן נראה את קבוצות השרירים המשתתפות בפעולת הנעת כיסא הגלגלים ואת סוג הכיווץ השרירי המיוחס לכל אחת

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

טכניקת הנעה

טכניקת ההנעה משפיעה על התפוקה ויעילות ההנעה, וכן על סיכוני ההיפגעות של המערכת זרוע כתף כתוצאה מעומס היתר של הנעת חישוקים ידנית, יחד עם ביצוע מעברים מכיסא הגלגלים ואליו. טכניקת ההנעה שנמצאה יעילה ביותר מתבצעת תוך כדי דחיפת החישוקים מהשעה11:00 או 12:00 (בהתאם להתאמה האישית של הכיסא) לכיוון שעה 03:00 והחזרת הידיים בתנועה מעגלית לאורך החישוקים אחורה, למעלה וקדימה בחזרה. טכניקה זו שונה מהטכניקה המקובלת על רבים של תנועת מטוטלת הלוך ושוב בין נקודות ההתחלה והסיום של הדחיפה.

באיור שלהלן ניתן לראות את הביטוי המכני של מחזור ההנעה, על ידי הכוחות במישורים החיצי והחזיתי כלומר הכוח המניע קדימה והכוח המצמיד את היד לחישוק. הגרף מראה בבירור שמשך שלב הדחיפה הוא בערך שליש ממחזור ההנעה ושלב ההחזרה 2/3. כמו כן ניתן לראות שלב בלימה באמצע שלב הדחיפה (בערך בשעה 12:00) הנובע מהיפוך הפעולה ממשיכה לדחיפה.

 

ארגומטריה

מדידת תפוקות של המערכת אדם - כיסא גלגלים מתבצעת במספר דרכים: (א) על ידי סימולציה של הנעת כיסא גלגלים באמצעות דינמומטר בו האדם מניע את כיסא הגלגלים שלו על גבי גלילים המחוברים למערכת מדידה של הכוחות והמומנטים המופעלים על הגלגל, ובאופן זה מאפשרים לחשב את הכוח המשיקי בחישוק ועל ידי הכפלה במדדי זמן ומרחק את ההספק. (ב) דרך אחרת לחשב תפוקות היא על ידי הנעה על גבי מסילה נעה, והערכת התפוקה על ידי חישוב המהירות X המשקל.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

פיסיולוגיה של המאמץ

הספק אנאירובי

הספקים אנאירוביים של משתמשים בכיסא גלגלים נבדקו על ידי חוקרים שונים באמצעות אופני יד ארגומטריות ובאמצעות ארגומטר המדמה תנועת כיסא גלגלים.

בתמונה שלפנינו יתרונות וחסרונות אופני יד ארגומטריות לעומת הארגומטר המדמה תנועת כיסא גלגלים. ארגומטר זה מציג מדדי צריכת חמצן שונים מבהנעת כיסא גלגלים עקב יעילות מכנית גבוהה יותר (עד 15%, לעומת 7 עד 10% בהנעת כיסא גלגלים. לכן, כאשר נרצה לדעת את כושרו הכללי של האדם, נשתמש בארגומטר הבלתי ספציפי, וכאשר נרצה לדעת על יכולות הרלוונטיות לפעילות גופנית עם כסא גלגלים, מומלץ להשתמש בארגומטר המדמה תנועה זו.

המבחן המקובל הוא מבחן 30 השניות של וינגייט הבוחן התפתחות הכוח האפקטיבי וההספק במהלך 30 שניות תוך כדי מדידת ממוצעים לכל 5 שניות. בתמונה הבאה מתואר הקשר בין הכוח המשיקי וההספק לבין ההתנגדות המופעלת על ציר הגלגל במתקן המדמה הנעת כיסא גלגלים. ניתן לראות עליה הדרגתית בהספק ככל שההתנגדות עולה עד 22.4 ניוטון.

בתמונה הבאה ניתן לראות את הקשר בין זמנים בספרינט למרחק 100 מטרים לבין ההספק המרבי במבדק אנאירובי שבוחן הספק מרבי במספר יחידות בנות 7 שניות כל אחת. הערכים מוצגים בוואט לק"ג משקל גוף.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

הספקים אנאירובים של ספורטאי נבחרת ישראל שיצאו לאולימפיאדה בברצלונה נבדקו באמצעות אופני יד ארגומטריות. בתמונה שלהלן ניתן לבחון את ההבדלים בין הספורטאים בענפי פעילות גופנית שונים. ניתן לראות, כי המשקולנים והשחיינים הציגו את ההספקים הגבוהים ביותר.

הספק אירובי

מדדים להספקים של מערכת הלב-ריאה מוצגים בד"כ על ידי ההתפתחות של דופק הלב וצריכת החמצן במהלך הפעילות. בתמונה שלהלן התפתחות דופק שנדגם בקרב נפגעי חוט שדרה במשך 24 שעות. ניתן לראות בנקל, כי במשך היממה יש רק פרקי זמן קצרים בהם נוצר גירוי אינטנסיבי לאימוץ מערכת לב-ריאה. לכן יש צורך באימון ספציפי, ולא לסמוך על הפעילות היומיומית כמספקת לתרגול הבריאותי הנדרש למערכת זו.

אימון ספציפי של מערכת לב-ריאה באמצעות אופני יד ארגומטריות  או באמצעות הנעת כיסא גלגלים למרחק בוצע על ידי חוקרים רבים. מקצת מהממצאים מתוארים בתמונה שלהלן המצביעה על השפעות האימון  של עד 10 שבועות (מימין) על ההספק המרבי ועד 20 שבועות (משמאל) על הדופק המרבי. הממצאים מעידים על השפעה ניכרת אפילו במסגרת פרק זמן קצר יחסית של אימון. מרבית הממצאים היו בעלי משמעות מובהקת סטטיסטית.