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Jun 13, 2024

Eine neuartige Methode, die drei überschneidet

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12253 (2023) Diesen Artikel zitieren 550 Zugriffe auf 2 altmetrische Metrikdetails Beim Baseball-Pitching erreicht das resultierende Ellenbogen-Varus-Drehmoment den Spitzenwert von

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12253 (2023) Diesen Artikel zitieren

550 Zugriffe

2 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Beim Baseball-Pitching erreicht das resultierende Varusdrehmoment des Ellenbogens den Spitzenwert von 50–120 N·m und überschreitet damit die Gelenkversagensgrenze, die zu einer Schädigung des ulnaren Kollateralbandes (UCL) führen kann. Es fehlt eine In-vivo-Methodik zur Beurteilung, ob Pitcher über ausreichende Muskelkraft verfügen, um den UCL abzuschirmen, und wie stark sich die Ellenbogenmuskulatur zusammenziehen muss, um die Valgusbelastung des UCL zu minimieren. Diese Studie stellt eine Methode vor, um die relativen Prozentsätze der Muskelvaruskraft zu ermitteln, die zum Entlasten des UCL erforderlich sind. Die maximale freiwillige isometrische Varuskraft (MVIVS), die von der medialen Ellenbogenmuskulatur erzeugt wird, und die maximalen resultierenden Varusdrehmomente am Ellenbogen beim Werfen von Fastballs und anderen Arten wurden für zwei professionelle Werfer gemessen. Es wurde eine Simulation durchgeführt, um die relativen MVIVS-Prozentsätze zu bestimmen, die erforderlich sind, um die UCL in unterschiedlichem Maße zu entlasten, und es wurde der Einfluss der vorherigen UCL-Rekonstruktion der Athleten auf die relativen Prozentsätze untersucht. Es wurde festgestellt, dass das maximale resultierende Varusdrehmoment beim Nicken je nach Art des Nickens zwischen 72 und 97 % MVIVS liegt. Die Ellenbogenmuskulatur musste 21–49 % MVIVS erzeugen, um ein akutes Versagen des intakten UCL zu vermeiden, wohingegen die entsprechenden Anforderungen bei 39–63 % MVIVS für ein UCL-rekonstruiertes Gelenk lagen. Die Methode bietet neue Einblicke in das Training/die Rehabilitation eines Baseballspielers und die körperliche Beurteilung, um das Risiko einer UCL-Verletzung zu verringern.

Der mediale Teil des Ellenbogengelenks ist einer der häufigsten Orte für Überlastungsverletzungen bei Baseballspielern1. Der Literatur zu MLB-Pitchern zufolge machten Ellenbogenverletzungen etwa 30 % aller Verletzungen im Zusammenhang mit Baseball aus2, und die sogenannte „Tommy-John-Operation“, ein chirurgisches Protokoll zur Rekonstruktion beschädigter ulnarer Kollateralbänder (UCL)3, wurde häufiger durchgeführt das gegenwärtige Jahrzehnt4,5,6. In der medizinischen Fachliteratur7,8,9,10,11,12 wird darauf hingewiesen, dass eine höhere Ballgeschwindigkeit, übermäßige Pitching-Zählungen, Müdigkeit, falsche Kondition und, obwohl aus biomechanischer Sicht umstritten13, das Werfen zu vieler Breaking-Bälle in jungen Jahren allesamt als Risikofaktoren für Ellenbogenverletzungen gelten. Der Mechanismus der Ellenbogenverletzung, der diesen Risikofaktoren zugrunde liegt, ist die Unfähigkeit des UCL, wiederholter Valgusbelastung standzuhalten, die das innere Ellenbogenkompartiment öffnet14 und zu einer Dehnung des Bandes führt, die mit der Zeit zu Schwächung und Versagen führen kann15.

Das vordere Bündel des UCL ist der primäre Stabilisator für die Valgusbelastung14,16. Leichenstudien haben gezeigt, dass der Valguslast, die auf einen gebeugten Arm ausgeübt wird, ein Varusdrehmoment entgegensteht, das der medialen Ellenbogenöffnung entgegenwirkt und hauptsächlich durch das UCL, die Gelenkartikulation und die Gelenkkapsel erzeugt wird, bis zu einer Gelenkversagenslast von etwa 35 N·m17,18. Beim Baseball-Pitching erreicht das Varusdrehmoment des Ellenbogens gegen Ende der Spannphase den Spitzenwert von 50–120 Nm19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 und liegt damit über der Versagensgrenze des Ellenbogens gemeinsam. Daher ist die Kontraktionskraft der Muskeln rund um den medialen Teil des Ellenbogengelenks notwendig, um die Belastung des UCL bei jedem Pitch zu reduzieren und zu verhindern, dass es bei Baseball-Pitchern zu Gelenkversagen kommt (Abb. 1).

Schematische Darstellung des Varusdrehmoments im Ellenbogen. Das Varusdrehmoment des Ellenbogens wird durch die Kontraktionskraft der medialen Ellenbogenmuskulatur und passive Kräfte aufgrund der Spannung und Kompression der Gelenkstrukturen (UCL, Gelenkkapsel, Artikulation usw.) erzeugt. Es ist noch nicht bekannt, ob die Ellenbogenmuskulatur von Baseball-Pitchern stark genug ist, um die Valgusbelastung des UCL zu beseitigen, und wie stark sich die Muskulatur zusammenziehen muss, um die Valgusbelastung des UCL zu beseitigen oder die Belastung so zu reduzieren, dass sie in den sicheren Bereich fällt. Hinweis: Das Bild des Pitchers wurde vom Autor (TY) aus einem Videoclip eines Pitchers und dem entsprechenden Skelettbild seiner Pitching-Bewegung erstellt, das von der benutzerdefinierten Software JointMotionViewer 1.0 visualisiert wurde.

Untersuchungen an Leichen haben gezeigt, dass die mediale Ellenbogenmuskulatur wie Flexor carpi ulnaris, Flexor digitorum superficialis und Pronator teres die mediale Ellenbogenkompression koordinieren muss, die erhöhte Varusdrehmomente widerspiegelt, um die Belastung des UCL29,30,31,32,33,34 zu reduzieren ,35. Das Ausmaß des Varusdrehmoments, das die Ellenbogenmuskulatur erzeugen kann, wurde durch einen rechnergestützten Modellierungsanalyseansatz auf 35 Nm geschätzt36. Eine Vorwärtsdynamiksimulation der Nickbewegung37 schätzte, dass die Ellenbogenmuskulatur 35–57 % des maximal resultierenden Varusdrehmoments (d. h. 40–65 N·m des resultierenden Drehmoments von 115 N·m) beitragen sollte, um der durch sie verursachten Spitzenvalguslast standzuhalten die Nickbewegung. Obwohl der geschätzte Muskelbeitrag erheblich ist, ist es wahrscheinlich, dass der verbleibende Betrag des Varusdrehmoments, der angeblich von der passiven Gelenkstruktur wie UCL und Gelenkkapsel erzeugt wird, die Gelenkversagenslast übersteigt. Es scheint einige Meinungsverschiedenheiten zwischen den kinetischen Ergebnissen der Nickbewegungsanalyse, der computergestützten Modellierungsanalyse der Muskelkraft und der strukturellen Stärke des Ellenbogengelenks zu geben.

Ein fehlendes Teil des Puzzles ist das In-vivo-Wissen über die Varusmuskulatur eines Baseball-Werfers, beispielsweise ob die Ellenbogenmuskulatur eines Baseball-Werfers in der Lage ist, als stressabschirmender Faktor zu fungieren, um der Valgusbelastung zur Entlastung des UCL zu widerstehen, und wie stark diese ist Die Muskulatur muss sich zusammenziehen, um die Belastung so zu reduzieren, dass sie in den sicheren Bereich fällt (dh den Bereich unterhalb der Fließgrenze der Spannungs-Dehnungs-Beziehung der UCL). Angesichts des Pitchvolumens, das jeder Pitcher im täglichen Training oder in einer Spielsituation regelmäßig wirft, sollte das bei jedem Pitch ausgeübte muskuläre Varusdrehmoment wesentlich geringer sein als das maximale Varusdrehmoment, das von der Ellbogenmuskulatur des Pitchers erzeugt werden kann. Die mechanischen Zusammenhänge zwischen der Varus-Muskelstärke, der relativen Intensität der zum Pitching erforderlichen Muskelleistung, der strukturellen Stärke der passiven Gelenkstruktur und der Pitch-Anzahl müssen in vivo untersucht werden, um das Wissen über den Ellenbogenverletzungsmechanismus bei Baseball-Pitchern zu erweitern. Der Zweck dieser Studie bestand darin, ein biomechanisches In-vivo-Bewertungsverfahren zur Bestimmung der relativen Prozentsätze der Muskelvaruskraft einzuführen, die erforderlich sind, um den UCL in unterschiedlichem Ausmaß zu entlasten, angefangen vom Grad, in dem das Gelenk mit rekonstruiertem UCL versagen würde, bis hin zu dem Grad, in dem das Gelenk versagen würde UCL könnte für Baseball-Pitcher völlig unbelastet sein und die Auswirkungen der Analyseergebnisse auf Training und Verletzungsprävention diskutieren.

In dieser Studie wurden zwei professionelle Baseball-Pitcher (Alter: 26 ± 1,4 Jahre, Masse: 83 ± 7,8 kg, Größe: 1,79 ± 0,014 m) analysiert. Beide Teilnehmer waren nach einer UCL-Rekonstruktionsoperation gerade zum Pitchen in simulierten Spielsituationen zurückgekehrt, erklärten sich jedoch selbst für gesund und hatten an dem Tag keine körperlichen Verletzungen oder Schmerzen, die ihre normale Pitching-Leistung beeinträchtigten. Das Studienverfahren wurde vom Ethics Review Committee on Research with Human Subjects der Waseda University genehmigt und die mit der freiwilligen Teilnahme verbundenen Risiken und Vorteile wurden jedem Teilnehmer erklärt, und von den Teilnehmern wurde eine schriftliche Bestätigung der Einverständniserklärung eingeholt und alle Methoden wurden durchgeführt in Übereinstimmung mit den Standards der Deklaration von Helsinki.

Die Datenerhebung bestand aus zwei Teilen. Die erste war die Beurteilung der maximalen freiwilligen isometrischen Kraft bei der Erzeugung des Varusdrehmoments im Ellenbogen. Zweitens wurde eine Bewegungserfassung der Pitch-Ausführung durchgeführt, um das maximale resultierende Varusdrehmoment des Gelenks am Ellenbogen zu berechnen, das während der Pitch-Ausführung erzeugt wurde. Die Datenerfassungssitzungen wurden an zwei getrennten Tagen durchgeführt. Am ersten Tag wurden ein Biodex System 4 (Biodex Medical Systems, NY, USA) und ein Ultraschallgerät (ArtUs EXT-1H; TELEMED Ultrasound Medical Systems, Vilnius, Litauen) verwendet, um die maximale freiwillige isometrische Kraft mit einer kürzlich entwickelten Methode zu messen . 38 Kurz gesagt ähnelt die Methode dem typischen Verfahren zur Messung der Kraft der Innenrotatorenmuskulatur der Schulter in der modifizierten Neutralposition (Abb. 2). In dieser Position fiel die Valgus-Varus-Achse des Ellenbogengelenks mit der Innen-Außen-Rotationsachse des Schultergelenks zusammen (Abb. 2a), und das mit dem Biodex-System gemessene Innenrotationsdrehmoment der Schulter könnte das erzeugte Netto-Varusdrehmoment darstellen Ellenbogenmuskulatur und die passiven Einschränkungen einschließlich UCL, Gelenkkapsel und knöcherner Artikulation. Jeder Teilnehmer wurde am System befestigt und gebeten, eine Rampenkontraktion bis zu 100 % seiner maximalen willkürlichen isometrischen Kraft der Innenrotatoren der Schulter durchzuführen und dabei die maximale willkürliche isometrische Kontraktion der Varusstabilisatoren des Ellenbogens, wie z. B. Flexor carpi ulnaris, Flexor digitorum superficialis, aufrechtzuerhalten. und Pronator teres29,30,31,32,33,34,35. Das manuell entlang des vorderen UCL-Bündels platzierte Ultraschallgerät wurde verwendet, um die Öffnung des medialen Gelenkraums zwischen der Trochlea des Humerus und dem Tuberculum sublime der Ulna während der Beurteilung zu überwachen (Abb. 3). Eine Öffnung des medialen Gelenkraums (d. h. ein zunehmender Abstand zwischen den beiden knöchernen Orientierungspunkten) weist auf eine Zunahme der Valguswinkelung des Ellenbogengelenks hin (Abb. 2b), was zu einer Verlängerung des UCL und der Gelenkkapsel auf der Ulnarseite und des Humeroradialbereichs führt Gelenk komprimiert werden. Die im UCL und der Gelenkkapsel erzeugten Zugkräfte sowie die am Humeroradialgelenk erzeugte Druckkraft erzeugen ein Varusdrehmoment, das als passive Einschränkung der Valgusbelastung fungiert (Abb. 2c). Im Gegensatz dazu stellt das mit dem Biodex-System gemessene Drehmoment das Varus-Muskeldrehmoment des Ellenbogens dar, wenn sich der mediale Gelenkraum nicht öffnet (Abb. 2d). Bei dieser Beurteilung wurde das größte Drehmoment, das aufgezeichnet wurde, während der mediale Gelenkraum enger als ein individueller Schwellenabstand war, als Varusstärke des Teilnehmers bestimmt. Der Schwellenabstand wurde für jeden Teilnehmer durch einen Valgus-Belastungstest vorgegeben: In Rückenlage mit nach außen gedrehtem und um 90° abduziertem Schultergelenk, um 90° gebeugtem Ellenbogengelenk und vollständig entspannter Ellenbogenmuskulatur, ein Gewicht von 0,5 kg wurde am Handgelenk angelegt, was zusammen mit den Gewichten der Hand und des Unterarms eine gesamte Valguslast von etwa 10–15 % der Gelenkversagenslast von etwa 35 N·m erzeugte17,18. Eine Videoanalysesoftware (Frame-DIAS V, Q'sfix, Tokio, Japan) wurde verwendet, um den Abstand zwischen den beiden knöchernen Orientierungspunkten für die Ultraschallbilder zu messen, die während der Festigkeitsbeurteilung sowie des Valgus-Belastungstests aufgenommen wurden. Nach einigen submaximalen Gewöhnungsversuchen wurde die Kraftmessung zweimal mit einem Ruheintervall von 2–3 Minuten wiederholt. Eine zusätzliche Bewertung war durchzuführen, wenn das beim zweiten Versuch gemessene Drehmoment gegenüber dem ersten Versuch um 10 % oder mehr anstieg, für die Teilnehmer war jedoch keine zusätzliche Bewertung erforderlich (der Anstieg betrug bei beiden Teilnehmern < 1 Nm). Das größte Drehmoment während der Versuche wurde als maximale freiwillige isometrische Varuskraft (MVIVS) des Ellenbogens des Teilnehmers angenommen.

Mechanische Beziehungen zwischen dem Innenrotationsdrehmoment der Schulter, der Valguswinkelung und den Varusdrehmomenten, die durch passive Einschränkungen (z. B. UCL, Gelenkkapsel und Körperartikulation) und der Ellenbogenmuskulatur des auf dem Biodex-System positionierten Teilnehmers erzeugt werden.

Ultraschallbilder des medialen Gelenkraums. Bei der Beurteilung wurde der Abstand zwischen der Trochlea des Humerus und dem Tuberculum sublime der Ulna (angezeigt durch Pfeile) gemessen. Ein zunehmender Abstand zeigt an, dass das UCL und die Gelenkkapsel auf der Ulnarseite verlängert sind und Zugkräfte erzeugen, um der Valgusbelastung standzuhalten.

Am zweiten Tag wurde die Datenerfassung zur Pitching-Leistung im Bullpen der Baseball-Hallenanlage des Teams durchgeführt. Nach einer selbstbestimmten Aufwärmeinheit (Joggen, Dehnübungen, Schulterübungen, Fangen usw.) warf jeder Teilnehmer jeweils 4–6 Würfe für alle Spielfeldarten, die er in regulären Spielen nutzte (Sub1: je 4 Würfe Fastball, Slider, Curveball, Sinker & Sub2: jeweils 6 Pitches von Fastball, Slider, Curveball, Cut Ball, Changeup) in ihrem Spielaufwand. Ein Rapsodo-System (Pitching 2.0, Rapsodo LLC) wurde verwendet, um die Ballgeschwindigkeit jedes Pitches zu messen. Nickbewegungen wurden mit einem elektromagnetischen Trackinggerät39 (Liberty, Polhemus, USA) aufgezeichnet, das die sechs Bewegungsfreiheitsgrade für zwei am Körper des Teilnehmers angebrachte Sensoren mit einer nominalen Abtastrate von 240 Hz maß. Ein Systemsensor wurde mit doppelseitigem Klebeband und elastischem Klebeband auf der Haut über der dorsalen Oberfläche des distalen Fünftels des Unterarms der dominanten Seite befestigt, und ein weiterer Sensor wurde mit einer Plastikmanschette, die um den Oberarm gewickelt wurde, am Oberarm befestigt Oberarm, um den Einfluss von Hautartefakten zu minimieren. Die Kabel der Sensoren wurden gebündelt und von einem Bediener festgehalten, um zu verhindern, dass die Kabel die Nickbewegung stören.

Ein inverser Dynamikansatz bestimmte die Valguslast, die bei jeder Tonhöhe am Ellenbogen ausgeübt wird. Für diese Analyse wurden die Rohpositionsdaten mit einem Butterworth-Filter vierter Ordnung bei 15 Hz geglättet und jedes Körpersegment wurde als starrer Körper mit den Trägheitsparametern japanischer Sportler modelliert40. Es wurde angenommen, dass sich die Hand und der Ball zusammen mit dem Unterarm bewegen, so dass ein System aus Ball, Hand und Unterarm wie in der Literatur als starrer Körper betrachtet wurde41. Das berechnete resultierende Drehmoment des Gelenks wurde in drei orthogonale Komponenten zerlegt: Flexionsdrehmoment, Pronationsdrehmoment und Varusdrehmoment. Das Varusdrehmoment ist das Nettodrehmoment, das von den Muskeln, Bändern und anderen Gelenkstrukturen, die den Unterarm und den Arm am Ellenbogengelenk verbinden, als Reaktion auf die durch die Nickbewegung erzeugte Valgusbelastung auf den Unterarm ausgeübt wird. Für jeden Pitch-Typ jedes Pitchers wurde der Mittelwert aller aufgezeichneten Pitches für die anschließende Analyse berechnet.

Das während der Nickabgabe erreichte maximale Varusdrehmoment wurde als Verhältnis zum MVIVS (%MVIVS) ausgedrückt, sodass die relative Intensität der Muskelleistung angegeben werden konnte, die erforderlich ist, um der Valguslast vollständig zu widerstehen und den UCL zu entlasten. Darüber hinaus wurde die minimale relative Intensität der Muskelleistung, die beim Nicken erforderlich ist, um die Valgusbelastung des UCL und anderer passiver Strukturen zu reduzieren und in den sicheren Bereich der Ellenbogenstruktur zu fallen, wie folgt geschätzt:

Dabei ist die zulässige Gelenkbelastung das Ausmaß des Valgusdrehmoments, dem die passiven Gelenkbeschränkungen sicher standhalten sollten (im Gegenzug ist ihre Reaktion das Varusdrehmoment, das die passiven Gelenkbeschränkungen erzeugen könnten, um die Gelenkintegrität aufrechtzuerhalten).

Die Logik hinter dieser Formel lautet wie folgt: Das Varusdrehmoment am Ellenbogengelenk beim Nicken muss durch ein aktives Drehmoment erzeugt werden, das von der Ellenbogenmuskulatur erzeugt wird, und ein Zwangsdrehmoment, das durch passive Gelenkstrukturen wie UCL und Gelenkkapsel erzeugt wird. Da das Zwangsdrehmoment aufgrund der strukturellen Festigkeit des Gelenks eine Obergrenze hat, muss das überschüssige Drehmoment durch die Ellenbogenmuskulatur erzeugt werden. Daher war der berechnete Wert von %MVIVSmin ein Hinweis auf die theoretische Intensität der kontraktilen Muskelleistung, die erforderlich ist, um die Auswirkungen der Valgusbelastung auf die Integrität der passiven Gelenkstruktur beim Nicken zu minimieren. Die zulässige Gelenkbelastung wurde auf 20 Nm (Mittelwert 16–24 Nm) für den rekonstruierten Ellenbogen und 28 Nm für den gesunden Ellenbogen geschätzt, basierend auf (a) der Gelenkversagenslast (der maximalen Valgusbelastung, die ein Ellenbogengelenk ausübt). konnte vor dem Versagen standhalten) betrug in Leichenstudien etwa 20–30 N·m für UCL-rekonstruierte Ellenbogen und 35 N·m für Ellenbogen mit intaktem UCL17,18, und (b) der lineare Bereich des Typ-I-Kollagengewebes, der von einem Gewebe- Mechanikstudie42 betrug 20–80 % der Endfestigkeit. Alle gemessenen und berechneten Variablen wurden als Mittelwerte und Standardabweichungen dargestellt.

Die MVIVS der dynamischen Ellenbogenstabilisatoren betrugen 71 Nm für Sub1 und 59 Nm für Sub2. Das beim Pitching erzeugte maximale Varusdrehmoment wurde bei allen von den Teilnehmern geworfenen Pitcharten unmittelbar vor Erreichen des maximalen Außenrotationswinkels der Schulter erreicht. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Ellenbogenflexionswinkel (0° bei voller Streckung) 87,3 ± 3,3° für Sub1 und 88,4 ± 5,1° für Sub2. Die Größen des maximal resultierenden Varusdrehmoments reichten für Sub1 von 51,5 ± 1,6 Nm für Curveballs (Ballgeschwindigkeit = 30,8 ± 0,4 m/s) bis 62,9 ± 2,7 Nm für Fastballs (Ballgeschwindigkeit = 38,1 ± 0,4 m/s). für 72,5–88,6 % MVIVS seiner dynamischen Ellenbogenstabilisatoren (Tabelle 1). Für Sub2 lag die maximale Valguslast zwischen 43,1 ± 3,8 Nm für Changeups (Ballgeschwindigkeit = 32,1 ± 0,7 m/s) und 57,3 ± 11,2 Nm für Slider (Ballgeschwindigkeit = 33,0 ± 0,6 m/s), was 73,1 entspricht –97,1 % MVIVS seiner dynamischen Stabilisatoren. Die minimale muskuläre Kontraktionsleistung, die erforderlich ist, um die Valgusbelastung der passiven Struktur so zu reduzieren, dass sie in den sicheren Bereich fällt, betrug 44–60 % MVIVSmin für Sub1 und 39–63 % MVIVSmin für Sub2, während die entsprechenden Anforderungen auf unter 50 % MVIVSmin reduziert wurden Die Teilnehmer hatten eine intakte UCL (Abb. 4).

Simulierte Beiträge des Varusdrehmoments, das von der Ellenbogenmuskulatur und den passiven Gelenkbeschränkungen wie UCL, Gelenkkapsel und Artikulation erzeugt wird, zum maximalen Varusdrehmoment beim Fastball-Pitching zweier Teilnehmer. Da die Gelenkversagenslast bei nach UCL rekonstruierten Ellbogen 20–30 N·m und bei gesunden Ellenbogen mit intaktem UCL 35 N·m beträgt17,18, betrug der lineare Bereich des Typ-I-Kollagengewebes laut einer Studie zur Gewebemechanik42 20 Bei ca. 80 % der Endfestigkeit wurde die zulässige Gelenkbelastung auf 20 Nm (Mittelwert 16–24 Nm) für den rekonstruierten Ellenbogen und auf 28 Nm für den gesunden Ellenbogen geschätzt. Die Ellenbogenmuskulatur muss ein kontraktiles Drehmoment mit einer relativen Intensität von etwa 60 % MVIVS erzeugen, um die Valgusbelastung der passiven Struktur so zu reduzieren, dass sie gegen Ende der Spannphase in den sicheren Bereich des Ellenbogengelenks bei oder um die maximale äußere Schulterrotation fällt beim Fastball-Pitching. Hinweis: Diese Simulation wurde unter der Annahme durchgeführt, dass die Ellenbogenmuskulatur, die an der Erzeugung des Varus-Drehmoments beteiligt ist, bei der MVIVS-Bewertung zur Messung von 1 RM und bei der Pitching-Abgabe ähnlich auf Belastungsreize reagierte.

Die Methode kombinierte die Dynamometrie- und Motion-Capture-Technologie, um zu beurteilen, ob Baseball-Werfer über eine ausreichende Varus-Muskelkraft verfügen, um der Valgusbelastung standzuhalten, und wie stark sich die Muskulatur zusammenziehen muss, um die Belastung des UCL zu reduzieren und in einen sicheren Bereich zu fallen. Damit die beiden Teilnehmer die Valgusbelastung beim Pitching vollständig vom UCL abschirmen konnten, musste die Ellenbogenmuskulatur bei jedem Pitch ein Varusdrehmoment von 72,5–97,1 % MVIVS erzeugen. Basierend auf einer typischen Trainingsintensität im Krafttraining für die Wiederholung von 15–25 Wiederholungen pro Satz, die zwischen 40 und 65 % von 1RM43 liegt, wird erwartet, dass die relative Intensität der kontraktilen Leistung der Ellenbogenmuskulatur bei einem typischen Werfer, der 15–25 Wiederholungen pro Satz wirft, in einem ähnlichen Bereich liegt. 25 Pitches pro Inning. Die Anforderungen an die Ellenbogenmuskulatur, wiederholt ein Varusdrehmoment mit einer Intensität von 72,5–97,1 % MVIVS zu erzeugen, erscheinen aus Sicht der Krafterzeugungsfähigkeit des Muskels unwahrscheinlich. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ellenbogenmuskulatur dieser Teilnehmer wahrscheinlich nicht das gesamte Varus-Drehmoment erzeugt hat, das erforderlich ist, um den UCL vollständig vor der Valgus-Spitzenlast beim Pitchen zu schützen, obwohl die Varus-Muskelkraft der Teilnehmer das zum Pitchen erforderliche Varus-Drehmoment überstieg. Die Methode schätzt, dass 39–63 % MVIVSmin des Varusdrehmoments für die Teilnehmer erforderlich sind, um die Auswirkungen der Valgusbelastung auf die Integrität der passiven Gelenkstruktur beim Nicken zu minimieren (Tabelle 1). Im Rahmen eines typischen Krafttrainings ermöglicht eine Trainingsbelastung von 45–50 %1RM-Intensität dem Trainierenden, 20–30 Wiederholungen fortzusetzen43. Dies deutet darauf hin, dass die Intensität submaximal ist und sich in einem angemessenen Bereich befindet, um in jedem Inning wiederholt Bälle zu werfen. Die mit dieser Methode ermittelte relative Intensität der Muskelleistung sollte einen neuen Einblick in den Kraftbedarf eines Baseball-Pitchers liefern, um das Risiko einer UCL-Verletzung bei Baseball-Pitchern zu reduzieren.

Die Auswirkungen einer früheren UCL-Verletzung und deren Rekonstruktion könnten sich in der unterschiedlichen Muskelleistung widerspiegeln, die zur Vermeidung eines UCL-Versagens erforderlich ist. Wenn die Teilnehmer das natürliche Ellenbogengelenk mit intaktem UCL hatten und die Gelenkversagenslast höher war (35 N·m), hätten die minimalen Kraftanforderungen an die Ellenbogenmuskulatur, um die Belastung des UCL so zu reduzieren, dass sie in den sicheren Bereich fallen, niedriger sein müssen (< 50 % MVIVS, Tabelle 1) als postoperativ berechnet (39–63 % MVIVS). Diese Simulation zeigt deutlich, dass die erforderliche Muskelleistung zur Verhinderung einer erneuten UCL-Verletzung postoperativ um 10–20 % MVIVS ansteigt. Andererseits verringert sich die erforderliche Muskelleistung systematisch, wenn die Teilnehmer ihre muskuläre Varuskraft steigern (Abb. 5). Diese vergleichende Simulationsanalyse zeigt, wie wichtig es ist, sowohl die Kraft als auch die Muskelausdauer der medialen Ellenbogenmuskulatur für Pitcher zu fördern, die sich einer UCL-Rekonstruktionsoperation unterzogen haben, um das Risiko einer erneuten Verletzung des geschwächten UCL zu verringern.

Geschätzte Auswirkung einer erhöhten Muskelvaruskraft auf die relative Intensität der Muskelleistung, die erforderlich ist, um UCL in unterschiedlichem Ausmaß zu entlasten. Die Abszisse zeigt die simulierten maximalen Muskelstärken des Werfers, ausgedrückt als Verhältnis des erhöhten MVIVS im Verhältnis zum aktuellen MVIVS, und die Ordinate zeigt die relative Intensität der Muskelleistung an, die (a) erforderlich ist, um die Valgusbelastung auf UCL zu beseitigen, (b) um einen Varus zu erzeugen Drehmoment, um die Valgusbelastung der passiven Struktur so zu reduzieren, dass sie in den sicheren Bereich des Ellenbogengelenks fällt (dicke durchgezogene Linien), und (c) um Gelenkversagen zu verhindern (gestrichelte Linien).

Das in dieser Studie vorgestellte methodische Vorgehen ist verallgemeinerbar, die quantitativen Daten hingegen nicht. Daher sollte die Diskussion der quantitativen Ergebnisse deskriptiver Natur bleiben, obwohl die Ergebnisse der erweiterten theoretischen Analyse einzigartige klinische Implikationen über die Fälle hinaus liefern. Darüber hinaus war die vorliegende Studie nicht darauf ausgelegt, die spezifischen Muskeln zu identifizieren, die das maximale willkürliche isometrische Varusdrehmoment oder das resultierende Varusdrehmoment beim Pitchen erzeugen, so dass eine vollständige Aufteilung des resultierenden Varusdrehmoments beim Pitching in aktive und passive Elemente nicht möglich ist den Umfang der Studie. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass das zur Bestimmung des Varusdrehmoments beim Nicken verwendete Messsystem sich von den meisten anderen Studien unterscheidet. Ähnlich einer filmbasierten Analyse23,41, bei der die manuelle Digitalisierung von Körpermarkierungen zu einem menschlichen Fehler bei der Messung führt, und einem kamerabasierten Echtzeit-Bewegungserfassungssystem, bei dem auf der Haut der Teilnehmer angebrachte reflektierende Markierungen zu hautbedingten Messfehlern führen -Artefakte44,45, die vorliegende Analyse mit elektromagnetischer Goniometrie führt zu einem Messfehler aufgrund von Hautartefakten46,47. Da die Einflüsse dieser Fehler auf die biomechanischen Variablen im Allgemeinen durch die Anwendung eines digitalen Filters und die Korrektur der Gelenkposition benachbarter Segmente minimiert werden, wurde in dieser Studie das gleiche Verfahren angewendet. Als Ergebnis wurden die in dieser Studie dargestellte maximale Valguslast beim Fastball-Werfen (54–63 N·m) und zusätzliche Werte berechnet, die von 92 gesunden Baseball-Werfern (College-, Semi-Profi- und Profi-Werfen) berechnet wurden, die Fastballs warfen (72,5 ± 18,3 N). m) fielen in den Bereich der entsprechenden Werte, die von ähnlichen Populationen gemeldet wurden19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. Bezüglich der in der vorliegenden Studie erzielten numerischen Ergebnisse wurde Übereinstimmung mit der vorhandenen Literatur erzielt, daher sind die vorliegende Datenerhebungsmethode und die erhaltenen Ergebnisse für die kinetische Analyse der Nickbewegung gültig.

Die größte Einschränkung dieser Studie besteht darin, dass die Muskelvaruskraft unter isometrischen Bedingungen bei einem nominellen Ellenbogenflexionswinkel von 90° gemessen wurde, wobei sich der Unterarm in neutraler Pronation-Supination befand, so dass das gemessene maximale freiwillige Varusdrehmoment möglicherweise zu niedrig angesetzt wurde eine Überschätzung des maximalen Drehmoments im tatsächlichen Kontraktionszustand der beteiligten Muskeln während der Pitchabgabe aufgrund der Längen- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der Muskelkraft. Gesunde Ellenbogengelenke haben einen sehr begrenzten Valgus-Varus-Bewegungsbereich und die potenzielle Auswirkung der Valgus- oder Varusgelenksbewegung auf den Zustand der Muskelkontraktion sollte minimal sein. Es wird jedoch erwartet, dass Gelenkbewegungen in Flexion-Extension und Pronation-Supination nicht zu vernachlässigende Auswirkungen auf den Muskelkontraktionszustand der Ellenbogenbeuger-Pronator-Muskelgruppe haben. In dem Moment, in dem das Varusdrehmoment gegen Ende der Spannphase den Spitzenwert erreichte, waren die Ellenbogengelenke der Teilnehmer etwas mehr als 90° gebeugt (Sub1: 94,7 ± 3,1° und Sub2: 95,9 ± 11,0°) und größtenteils supiniert ( Sub1: − 5 ~ 42° & Sub2: 24–48°) während der Streckung (Sub1: 2051 ± 94°/s & Sub2: 2382 ± 437°/s) mit axialer Unterarmrotation in beide Richtungen, abhängig vom Pitch-Typ ( reichte von Pronation mit 289°/s bis Supination mit 184°/s für Sub1 und Pronation mit 101°/s bis Supination mit 293°/s für Sub2). In einer Leichenstudie wurde berichtet, dass die Flexor-Pronator-Muskeln des Ellenbogens, wie etwa der Flexor carpi ulnaris, der Flexor digitorum superficialis und der Pronator teres, Varus-Moment-Arme haben und, mit Ausnahme des Flexor Carpi ulnaris, auch Flexor-Moment-Arme haben29,48. Der Unterschied in der Länge des Muskel-Sehnen-Komplexes aufgrund der unterschiedlichen Gelenkkonfigurationen zwischen der Nickbedingung und der Krafttestbedingung wurde als Produkt der Differenz im Gelenkwinkel und den gemeldeten Momentarmen geschätzt29,48. Sie betrug für die drei Muskeln weniger als 10 mm (entspricht < 3 % der Muskellänge49,50), was darauf hindeutet, dass die Längenabhängigkeit der Muskelkraft nur begrenzte Auswirkungen auf das in der vorliegenden Studie gemessene MVIVS haben sollte. Andererseits wurde festgestellt, dass der Effekt der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Muskelkraft erheblich ist. Basierend auf der gemessenen Bewegung des Ellenbogengelenks während des Pitchings sollten sich die Beuge-Pronator-Muskeln des Ellenbogens in einem exzentrischen Zustand befinden und daher ist die ermittelte muskuläre Varuskraft in einem isometrischen Zustand wahrscheinlich eine Unterschätzung der entsprechenden Stärke im dynamischen Zustand beim Pitching Lieferung. Laut einer Studie über die spezifische Spannung (die maximale Kraftentwicklung pro Einheit physiologischer Querschnittsfläche) der Ellenbogenbeuge- und -streckermuskulatur51 erhöhen die Ellenbogenbeuger die spezifische Spannung unter einem isokinetischen Exzenter im Durchschnitt um 18 % (22 % für Strecker). Zustand im Vergleich zum isometrischen Zustand. Eine weitere In-vivo-Studie zur isokinetischen Kraft der Ellenbogenmuskulatur ergab ebenfalls, dass die Krafterzeugungsfähigkeit des Muskels im Vergleich zu isometrischen Bedingungen um 10 % zunahm52. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die muskuläre Varuskraft der Teilnehmer im Pitching-Zustand 78–84 Nm für Sub1 und 65–70 Nm für Sub2 betragen könnte. Mit der geschätzten maximalen freiwilligen exzentrischen Varuskraft sinkt das Verhältnis des Muskeldrehmoments, das erforderlich ist, um der Valgusbelastung vollständig zu widerstehen, zur maximalen Varuskraft von 73,1–91,9 % MVIVS auf 61,9–83,5 % der geschätzten maximalen exzentrischen Kraft. Die numerische Diskussion hier zeigt deutlich, dass die Muskel-Varus-Kraft, die in einem isometrischen Zustand bei einem Ellenbogenbeugungswinkel von 90° gemessen wird, wahrscheinlich eine Unterschätzung des maximalen Varus-Drehmoments im tatsächlichen Kontraktionszustand der beteiligten Muskeln während der Pitch-Abgabe darstellt und dass die Der berechnete %MVIVS-Wert überschätzt wahrscheinlich den entsprechenden Prozentsatz der Varusstärke im tatsächlichen Kontraktionszustand zum Zeitpunkt des Pitchens. Der systematische Fehler, der mit der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Muskelkraft verbunden ist, sollte immer berücksichtigt werden, wenn analytische Ergebnisse zur Risikobewertung von Baseballspielern und zur Planung von Konditionierungs-/Rehabilitationsprogrammen verwendet werden.

Mit der vorliegenden Methode konnte erfolgreich beurteilt werden, ob Baseball-Pitcher über eine ausreichende Varusmuskulatur verfügen, um der Valgusbelastung standzuhalten, und wie stark sich die Ellenbogenmuskulatur zusammenziehen muss, um die Belastung des UCL zu verringern und in einen sicheren Bereich zu fallen. Es wird erwartet, dass die Methode neue Erkenntnisse zur Identifizierung des biomechanischen Risikos einer UCL-Verletzung bei Baseballspielern liefert.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren bedanken sich bei allen Assistenten und Doktoranden, die die Experimente technisch unterstützt haben. Diese Studie wurde teilweise durch einen Grant-in-Aid for Scientific Research (B-19H04007) der Japan Society for the Promotion of Science unterstützt.

Forschungsinstitut für Baseballwissenschaft und Fakultät für Sportwissenschaften, Waseda-Universität, 2-579-15 Mikajima, Tokorozawa, 359-1192, Japan

Toshimasa Yanai

Graduiertenschule für Sportwissenschaften, Waseda-Universität, Tokorozawa, Japan

Kengo Onuma

Human Performance Laboratories, Louisiana Tech University, Ruston, LA, USA

Ryan L. Crotin

Sports Performance Research Institute New Zealand, Auckland University of Technology, Auckland, Neuseeland

Ryan L. Crotin

Saitama Seibu Lions, Tokorozawa, Japan

Daisuke Monda

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TY und KO entwarfen die Arbeit. TY, KO und DM erfassten die Daten und TY und KO analysierten die Daten. Alle Autoren haben zur Interpretation der Daten beigetragen. TY und KO erstellten neue Software, die in der Arbeit verwendet wurde. TY schrieb den Hauptmanuskripttext und RLC überarbeitete ihn inhaltlich. TY hat alle Figuren erstellt und KO hat die Erstellung der Figuren unterstützt. 2 und 3. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Toshimasa Yanai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yanai, T., Onuma, K., Crotin, RL et al. Eine neuartige Methode, die dreidimensionale Bewegungserfassung und mediale Ellenbogenkraft-Dynamometrie kombiniert, um das Ellenbogenverletzungsrisiko bei Baseballspielern zu bewerten. Sci Rep 13, 12253 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39504-9

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Eingegangen: 09. Februar 2023

Angenommen: 26. Juli 2023

Veröffentlicht: 28. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39504-9

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