Биомеханика броска

Бросок, например, подача в бейсболе, является одним из наиболее интенсивно изучаемых движений спортсмена [1]. Хотя основное внимание уделяется плечу, для выполнения броска требуется движение всего тела. Бросок также считается одним из самых быстрых движений, выполняемых человеком, а максимальная скорость внутреннего вращения плечевой кости достигает 7000-7500°/сек [2].

Фазы

Фазы броска из-за головы состоят из следующих элементов:

• заводка,
• шаг,
• взведение,
• ускорение,
• замедление и
• фаза последующего движения [1][3].

Для каждой фазы приводится определение, указывается частота возникновения травм и, наконец, возможные патологии ^[4].

Фаза заводки

Фаза заводки определяется как начальное движение до максимального подъема колена ноги, выполняющей шаг [3]. Во время начальных движений питчер поднимает руки над головой и опускает их до уровня груди. Во время этих простых движений рассматриваются мышцы от проксимальных до дистальных. Электромиографические исследования показывают, что произвольное изометрическое сокращение (MVIC) верхней трапециевидной мышцы  составляет 18%, передней зубчатой мышцы - 20%, а передней части дельтовидной мышцы - 15%. Во время этой фазы активность мышц довольно низкая, и по этим причинам риск травмы также низок [3].

• Питчер стоит лицом к бэттеру, бейсбольный мяч скрыт от бэттера и находится в перчатке, а обе его ноги соприкасаются с землей. Эта позиция известна как "стойка заводки"[1].
• Для питчера-правши бросковая рука - правая, рука в перчатке - левая, ведущая/шагающая нога - левая нижняя конечность, а вращающая/опорная нога - правая.
• Фаза заводки начинается со вступления шагающей ноги и заканчивается, когда мяч отделяется от перчатки, и шагающая нога достигает наивысшей точки[2].
• Одноименная нога и туловище поворачиваются примерно на 90°, а противоположное бедро и колено сгибаются[5].
• Во время фазы заводки энергия передается от шагающей ноги к вращающей, и происходит закручивание шагающей ноги. Это важная фаза, отвечающая за придание скорости в направлении точки выпуска мяча. Сообщается, что около 50% скорости мяча во время броска из-за головы создается за счет шага и вращения тела[6]. Общий центр тяжести тела поднимается, и во время этой фазы на плечо оказывается минимальная нагрузка[7].
• Цель заводки объединяет в себе три элемента:

1. установить ритм для правильного расчета времени для последующих движений,
2. скрыть мяч и отвлечь хиттера и
3. занять такое положение тела, которое может способствовать продвижению мяча[5].

Активация мышц

• Во время этой фазы мышечная активность минимальна, а мышечное возбуждение имеет низкую интенсивность [8][9].
• При сгибании шагающей ноги вес переносится с шагающей ноги на вращающую, а отводящие мышцы, приводящие мышцы и разгибатели бедра вращающей ноги действуют как амортизаторы веса[1].
• Передняя часть дельтовидной мышцы и большая грудная мышца работают концентрически в плечевом суставе. Работа верхней трапециевидной мышцы, передней зубчатой мышцы и нижней трапециевидной мышцы создает вращение лопатки снизу вверх. Работа мышц живота обеспечивает вращение и стабилизацию туловища.

Фаза шага

На рисунке ниже изображен вид сверху на направление расположения тела во время фазы ускорения при броске. Обратите внимание на 15-градусный угол отклонения стопы от центра горки [10]. Лодыжка шагающей ноги также обычно приземляется примерно в 10 см от той же средней линии, а расстояние от резиновой пластины составляет в среднем 87% от роста питчера [10]. Флейсиг (Fleisig )[10] подчеркивает важность этих значений, описывая изменение силы, действующей на плечо, когда они отклоняются от нормы. Флейсиг[10] сообщает об увеличении воздействия силы на плечо спереди на 3.0N на каждый дополнительный см,  и об увеличении усилия спереди на плечо на 2.1N с каждым градусом увеличения угла наклона стопы. Обратите внимание, что уменьшение расстояния от центра или уменьшение угла не привело к увеличению силы воздействия на плечо спереди. Таким образом, можно предположить,  что из-за увеличения силы воздействия на плечо со временем передние связочные структуры плечевого сустава могут быть нарушены. Этот вывод указывает на переднюю гленогумеральную нестабильность, встречающуюся у многих спортсменов-метателей, и подчеркивает важность правильной механики во всей кинематической цепи [11].

Фаза взведения руки

Фазу взведения руки можно определить как начинающуюся с контакта ведущей ноги и заканчивающуюся при максимальном внешнем вращении плеча [3]. На плечо передается значительное количество кинетической энергии от нижних конечностей и вращения туловища -приблизительно 80% от веса тела. В силу этих обстоятельств лопатка и мышцы плеча значительно активизируются для продвижения и поддержания движений плеча, особенно его внешней ротации. Особое внимание к передней нестабильности плеча в этой фазе исключительно важно из-за характерных для нее высоких диапазонов внешней ротации. [12] [11]. В исследовании, касающемся  питчеров с хронической передней нестабильностью плеча, стимуляция механорецепторов в плечевом суставе возбуждала и/или тормозила определенные мышцы. Было показано, что двуглавая мышца плеча и надостная мышца инициируются или возбуждаются этими механорецепторами и помогают предотвратить переднюю нестабильность плеча. Со временем чрезмерное использование двуглавой мышцы плеча может привести к повреждению верхней суставной губы лопатки спереди назад (SLAP). Одновременно затормаживаются большая грудная мышца, подлопаточная мышца и передняя зубчатая мышца. В этой фазе данные мышцы замедляют внешнюю ротацию плеча. Когда эти действия не могут быть выполнены, возрастает вероятность передней нестабильности плечевого сустава [3].

Фаза взведения руки далее подразделяется на (а) ранний этап взведения и (б) поздний этап взведения.

Ранний этап взведения (начала замаха)

• Он начинается в конце фазы заводки или когда шагающая нога поднимается на максимальную высоту, и заканчивается, когда шагающая нога касается питчерской горки/земли[1][2].
• Во время идеальной подачи в этот момент рука, совершающая бросок, находится в положении "полузамаха", в отведении примерно на  90°,  при 30° горизонтального отведения и 50° внешнего вращения[9].
• По мере извлечения мяча из перчатки центр тяжести опускается за счет сгибания колена вращающейся ноги, а опорная нога постепенно разгибается и движется в сторону бэттера[9].
• Ее основная функция заключается в обеспечении линейного и углового движения туловища, которое оказывается прямо перед вращающейся ногой, чьи пальцы слегка повернуты внутрь[13]. Колено и бедро вращающейся ноги разгибаются и инициируют вращение таза и наклон вперед с последующим вращением верхней части туловища[2].

Активация мышц на раннем этапе взведения:

• Разгибатели и отводящие мышцы бедра, сгибатели колена и подошвенные сгибатели голеностопного сустава вращающейся ноги работают для перемещения веса вперед, вместе с движением вперед шагающей ноги. Разгибатели и отводящие мышцы бедра, разгибатели колена подошвенные сгибатели голеностопного сустава шагающей ноги работают эксцентрично, чтобы контролировать опускающийся центр тяжести тела. Косые мышцы живота работают эксцентрично, чтобы контролировать избыточное переразгибание поясницы.
• На раннем этапе взведения надостная и дельтовидная мышцы работают вместе для отведения руки с пиковой активностью [9][14]. Затем, на позднем этапе взведения, активность дельтовидной мышцы снижается.
• Другими мышцами, которые обеспечивают пик активности на раннем этапе взведения, являются длинный и короткий правые разгибатели запястья, общий разгибатель пальцев, правая большая ягодичная мышца и левая косая мышца у правшей[1]. А за сильное сокращение у питчеров-правшей отвечают мышца, выпрямляющая позвоночник слева,  и левая большая ягодичная мышца. Трапециевидная мышца, передняя зубчатая мышца и грудная мышца умеренно активны в позиционировании лопатки.

Поздний этап взведения

• Этот этап начинается от точки соприкосновения шагающей ноги с землей и продолжается до точки максимального внешнего вращения руки, осуществляющей бросок.
• На этом этапе тело питчера расположено перпендикулярно бэттеру, а верхняя конечность  занимает окончательную позицию[1]. Таз достигает максимального вращения, а верхняя часть туловища продолжает вращаться и наклоняться вперед и вбок.
• Плечо отведено примерно на 90°, с горизонтальным отведением на 10-20°, и поворачивается в боковом направлении примерно на 175°. Запястье находится в нейтральном положении, а локоть поднимается примерно на уровень плеча и сгибается на 90°.
• На этом этапе в локтевом суставе возникает варусный (наружный) крутящий момент около 64 Н-м, а в плечевом суставе - усилие внутренней ротации около 67 Н-м[15]. Лопатка приподнята и повернута вверх, что обеспечивает достаточное субакромиальное пространство для предотвращения импинджмента.

Активация мышц на позднем этапе взведения:

• На позднем этапе взведения руки разгибатели бедра, сгибатели колена и икроножные мышцы работают концентрически, чтобы передать силу вверх по кинетической цепи и помочь возникновению силы в руке.
• Передняя зубчатая и большая грудная мышцы проявляют наибольшую активность на этапе позднего взведения, непосредственно перед максимальным внешним вращением[8].
• Подостная и малая круглая мышцы достигают пиковой активности для внешнего концентрического вращения руки, а затем, во время фазы ускорения, их активность снижается до умеренного уровня.
• В подлопаточной мышце происходит значительное эксцентрическое сокращение, в то время как плечевая кость проходит нейтральную ротацию, чтобы контролировать боковое вращение руки.
• Двуглавая мышца плеча проявляет пиковую активность во время сгибания локтя на позднем этапе взведения, поскольку она ограничивает силы переднего смещения и сжатия головки плечевой кости. Разгибатель запястья проявляет наибольшую активность, когда разгибание запястья достигает максимума [5].

Фаза ускорения руки

Фаза ускорения руки начинается в момент максимального внешнего вращения плеча и заканчивается в момент выпуска мяча [3]. В этой фазе крайне важно поддерживать стабилизацию лопатки из-за ускорения руки, которое эквивалентно пиковой угловой скорости внутреннего вращения, составляющей  приблизительно 6500⁰/с в момент выпуска мяча. Неправильная стабилизация лопатки может быть причиной повышенного риска ущемления плеча в этой фазе. Как и в фазе взведения руки, в этой фазе также предполагается повышенный риск различных травм плеча из-за высокой кинетической энергии, генерируемой нижними конечностями

• Фаза ускорения начинается от точки максимального внешнего вращения плеча и продолжается до точки выпуска мяча.
• Туловище продолжает вращаться и наклоняться, а энергия передается через верхнюю конечность.
• В этой фазе плечо переходит в горизонтальное отведение и внутреннюю ротацию. Происходит быстрое внутреннее вращение плеча, и плечо перемещается от точки 175^o внешней ротации плечевой кости до 100^o внутренней ротации плечевой кости примерно за 42-58 миллисекунд[5].
• Выпуск мяча происходит между 40^o и 60^o внешней ротации плечевой кости. Локоть сначала разгибается примерно до 120^o, а затем, в момент  выпуска мяча, быстро разгибается примерно до 25^o [5]. При выпуске мяча скорость разгибания локтя достигает пика примерно в 2500^o/сек. Запястье переходит из вытянутого положения в согнутое и заканчивает движение в нейтральном положении, а предплечье в момент выпуска мяча находится в пронации примерно на 90^o.

 Мышечная активация

• Фаза ускорения является наиболее взрывной фазой подачи, когда тело достигает наибольшей скорости вращения, что приводит к пиковой активности косых мышц[5].
• Усиленная активность передней зубчатой и большой грудной мышц продолжается в фазе ускорения, когда плечо переходит в горизонтальное сгибание вперед, а лопатка растягивается[8].
• Широчайшая мышца спины становится активной на этапе позднего взведения, когда рука достигает максимальной внешней ротации, и продолжает содействовать внутренней ротации плеча в фазе ускорения[9][14].
• Подлопаточная мышца наиболее активна, поскольку в этой фазе она энергично приводит руку во внутреннюю ротацию. Исследование, проведенное Гованом и другими (Gowan et al) [14], показало, что во время фазы ускорения сокращение подлопаточной мышцы, передней зубчатой мышцы и широчайшей мышцы спины у профессиональных спортсменов было значительно выше , чем у спортсменов-любителей.
• Трицепс в этой фазе также очень активен, так как локоть резко переходит в разгибание и перемещается поперек тела.

Фаза замедления руки

Фаза замедления руки начинается в момент выпуска мяча и заканчивается в момент максимального внутреннего вращения плеча [3]. Обычно в этой фазе речь идет о безопасном замедлении движения руки вперед. Эскамилла и др. (Escamilla et al) утверждают, что для сопротивления растяжению плеча создается сила сжатия плеча, немного превышающая вес тела, а для сопротивления переднему подвывиху плеча создается сила заднего сдвига, составляющая 40-50% от веса тела. Из-за высоких сил, возникающих в этой фазе, задние мышцы очень восприимчивы к перегрузкам на растяжение, разрывам нижней поверхности манжеты, патологиям суставной губы и бицепса, повреждениям капсулы и внутреннему импинджменту [3].

• Она длится от момента выпуска мяча до максимального внутреннего вращения плечевой кости и разгибания локтя.
• Плечо отводится на 100^o, вращение плечевой кости достигает угла 0^o, а рука горизонтально отводится на 35^o.
• В этой фазе создается наибольшая нагрузка на сустав - после выпуска мяча возникает сила заднего сдвига около 40⁰ N, сила нижнего сдвига составляет 30⁰ N, сила сжатия - 109⁰ N, и крутящий момент горизонтального отведения около 97 Н-м.

 Мышечная активация

• Это наиболее активная фаза для мышц плечевого пояса, поскольку они работают эксцентрично для замедления движения руки.
• Трапециевидная, передняя зубчатая и ромбовидные мышцы производят высокую MVIC[1], помогая замедлению плечевого пояса.
• Малая круглая мышца демонстрирует максимальную активность в этой фазе, поскольку она противостоит переднему смещению головки плечевой кости, горизонтальному приведению и внутренней ротации.
• В дополнение к малой круглой мышце, подостная, надостная и дельтовидная мышцы также демонстрируют высокую MVIC для торможения руки в пространстве при ее движении вперед.
• Двуглавая мышца плеча и плечевая мышца производят выраженное эксцентрическое сокращение для замедления разгибания локтя и пронации предплечья[2].

Последующее движение

• Последующее движение - это фаза, когда тело продолжает двигаться вперед до тех пор, пока рука не прекратит свое движение.
• Локоть испытывает эффект рикошета и сгибается примерно до 45^o[2].
• Во время этой фазы остальное тело догоняет руку, и кульминация наступает, когда питчер занимает позицию на поле.

Мышечная активация

• Во время фазы последующего движения  разгибатели туловища работают концентрически, чтобы привести его в вертикальное положение. А когда остальное тело догоняет руку, сгибатели бедра вращающейся ноги перемещают ее вперед, и питчер занимает свою позицию.

Распространенные травмы

Травмы плеча

Травмы плеча в бейсболе наиболее часто возникают при подаче мяча и особенно в поздней фазе заведения и в фазе замедления[15]. Ниже приведен список возможных травм плеча в различных фазах питчинга[1].

• Заводка - травмы отсутствуют.
• Взведение - передний подвывих, внутренний импинджмент, повреждения суставной губы плечевого сутстава, субакромиальный импинджмент-синдром.
• Ускорение - нестабильность плеча, разрывы суставной губы, тендинит от перегрузки, разрывы сухожилий.
• Замедление - разрывы суставной губы в месте прикрепления длинной головки бицепса, подвывих длинной головки бицепса в результате разрыва поперечной связки, повреждения вращательной манжеты.
• Последующее движение - разрыв верхнего края суставной губы плечевого сустава у начала сухожилия бицепса, субакромиальный импинджмент.

Травмы локтя

Травмы локтя являются вторыми по распространенности травмами, возникающими при подаче мяча в бейсболе.

• Чрезмерная вальгусная деформация локтя на этапе позднего взведения может привести к медиальным травмам локтя, таким как разрыв мышцы, отрывные переломы, повреждение локтевого нерва и, чаще всего, растяжения или разрывы боковых связок локтевого сустава [15]. В дополнение к вальгусной деформации также возникают травмы латерального отдела локтя, такие как аваскулярный некроз, рассекающий остеохондрит, костно-хрящевые отрывные переломы или любые комбинации этих травм [1].
• Во время фазы ускорения, в качестве осложнения при чрезмерной пиковой скорости разгибания локтя, локтевой отросток может ударяться о среднюю часть трохлеарной выемки и ямки, в результате чего могут образоваться заднемедиальные остеофиты и суставные тела, приводящие к синдрому вальгусной перегрузки при разгибании.

Источники

1. Houglum PA, Bertotti DB. Brunnstrom's clinical kinesiology. FA Davis; 2012.
2. Seroyer ST, Nho SJ, Bach BR, Bush-Joseph CA, Nicholson GP, Romeo AA. The kinetic chain in overhand pitching: its potential role for performance enhancement and injury prevention. Sports Health: A Multidisciplinary Approach. 2010 Mar 1;2(2):135-46.
3. Escamilla R, Andrews JR. Shoulder Muscle Recruitment Patterns and Biomechanics during Upper Extremity Sports. Sports Med 2009; 39 (7): 569-590.
4. Zack Greinke Pitching Mechanics Slow Motion Baseball Instruction Analysis LA Dodgers MLB 1000 FPS. Available from: https://www.youtube.com/watch?v=iRPtVfEz4es
5. Pappas AM, Zawacki RM, Sullivan TJ. Biomechanics of baseball pitching A preliminary report. The American journal of sports medicine. 1985 Jul 1;13(4):216-22.
6. Toyoshima S, Hoshikawa T, Miyashita M, Oguri T. Contribution of the body parts to throwing performance. InBiomechanics IV 1974 (pp. 169-174). Palgrave, London.
7. Meister K. Injuries to the shoulder in the throwing athlete part two: evaluation/treatment. The American journal of sports medicine. 2000 Jul 1;28(4):587-601.
8. Moynes DR, Perry J, Antonelli DJ, Jobe FW. Electromyography and motion analysis of the upper extremity in sports. Physical therapy. 1986 Dec 1;66(12):1905-11.
9. Park SS, Loebenberg ML, Rokito AS, Zuckerman JD. The shoulder in baseball pitching: biomechanics and related injuries--Part 1. Bulletin of the NYU Hospital for Joint Diseases. 2002 Dec 22;61(1-2):68-79.
10. Fleisig GS, Escamilla RF. Biomechanics of the elbow in the throwing athlete. Operative Techniques in Sports Medicine. 1996 Apr 1;4(2):62-8.
11. Whiteley R. – ABaseball Throwing Mechanics as They Relate to Pathology and Performance-Review. J Sports Sci Med 2007 6:1-20.
12. Wilk et al. Shoulder Injuries in the Overhead Athlete. J Orthop Sports Phys Ther. 2009;39(2):38-54. Article
13. Dillman CJ, Fleisig GS, Andrews JR. Biomechanics of pitching with emphasis upon shoulder kinematics. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 1993 Aug;18(2):402-8.
14. Gowan ID, Jobe FW, Tibone JE, Perry J, Moynes DR. A comparative electromyographic analysis of the shoulder during pitching professionally versus amateur pitchers. The American Journal of Sports Medicine. 1987 Dec 1;15(6):586-90.
15. Fleisig GS, Andrews JR, Dillman CJ, Escamilla RF. Kinetics of baseball pitching with implications about injury mechanisms. The American journal of sports medicine. 1995 Mar 1;23(2):233-9.
16. SPARK Physiotherapy, LLC. The Biomechanics of Throwing. Available from: http://www.youtube.com/watch?v=ERyWx46e7BQ [last accessed 15/06/16]
17. Scotty Gilbertson. Sport Science: Aroldis Chapman. Available from: http://www.youtube.com/watch?v=yEpdoAZiHWQ [last accessed 15/06/15]