Elektromyografia (EMG)

Transkriptio

1 Contents Elektromyografia (EMG)... 2 Tasapainon mittaaminen... 5 Elektroenkefalografia (EEG)... 8 Magneettikuvaus (Magnetic Resonance Imaging MRI) Elektrokardiografia (EKG) Positroniemissiotomografia (PET) Kiihtyvyys liikuntabiologisena mittauksena Ihon sähkönjohtavuus Syke Hengityskaasut SYKE (urheilunäkökulma) Ultraääni

2 Elektromyografia (EMG) Ville Kaskivirta Johdanto Elektromyografia (EMG) on biosignaalien mittausmenetelmä, jolla mitataan luurankolihasten tuottamaa sähköistä aktiviteettia. EMG:stä käytetään myös termiä myoelektrinen aktiivisuus. EMG- mittauksissa käytettävä laite on elektromyografi, johon mittauksessa saatu signaali tallentuu elektromyogrammiksi. Yleensä elektromyografina toimii tietokone johon mittaussignaali kerätään AD-muuntimen kautta valitulla keräysohjelmalla. EMG- mittauksia käytetään esim. selvittämään lihasten aktivaatiotasoa, aktivoitumisjärjestystä, lääketieteellisiä poikkeuksia ja sen avulla tutkitaan ihmisen liikettä. Fysiologinen pohja EMG-signaalille ja sen mittaamiselle Tiedonvälitys ihmisen hermostossa tapahtuu sähköisten signaalien avulla, eli käsky liikuttaa jotain tiettyä lihasta käsivarressa alkaa aivojen primäärisestä motorisesta alueesta, joka on nähtävissä kuvassa 1 punaisella värillä värjättynä (primary motor cortex). Kyseinen sähköinen signaali kulkee aivoista selkäydintä pitkin periferaaliseen hermostoon, jossa se aiheuttaa tiettyjen motoristen yksiköiden aktivaation. [Merletti ja Parker, 2004]. Kuva 1. Ihmisen eri toimintojen jakautuminen aivoissa. [1] Neuronien tuoma impulssi saa luustolihaksissa aikaan liikkeen, joka yleensä on tahdonalainen. Liikkeen aiheuttamaa neuronia kutsutaan motoriseksi neuroniksi, joka yleensä stimuloi useampaa kuin yhtä lihaskudosta. EMG:llä mitattava sähköinen impulssi syntyy kun lepotilassa oleva polarisoitunut lihassäie depolarisoituu signaalin kulkeutuessa sen pinnan yli. Tämä depolarisaatio ionien liikkeen kanssa luomitattavan sähkökentän jokaisen lihassäikeen alueelle. Eli 2

3 kokonaisuudessaan EMG-signaali on motoristen yksiköiden aktiopotentiaalien aiheuttama juna. [M. Raez ym., 2006]. EMG mittaustekniikat ja mittausvälineet Laajassa käytössä olevia EMG-mittaustekniikoita, eli mittauselektrodeja ovat invasiivinen neulaelektrodi ja noninvasiivinen pintaelektrodi (kuva 2). Kun halutaan tutkia lihaksen sisäistä aktivaatiota käytetään neulaelektrodeja jotka asetetaan ihon läpi lihaskudokseen. Neulaelektrodeilla saadaan hyvin paikallinen kuva lihaksen aktivaatiosta ja monesti neulaelektrodeja käytettäessä mittauskohtaa joudutaan muuttamaan kertaa. Neula-elektrodilla voidaan nähdä yksittäisen motorisen yksikön aktiopotentiaali. Terveen lihaksen tulisi aina aiheuttaa tiettyä sähköistä signaalia kun niihin asetetaan neulaelektrodi. Tämän tiedon varjolla voidaan EMG- signaalista etsiä poikkeamia. Mikäli kyseisiä poikkeamia on havaittavissa voidaan epäillä lihas- tai hermovauriota. [M. Raez ym., 2006]. Joissakin tapauksissa neula-elektrodien käyttö on liian invasiivista tai tarpeetonta, tällöin voidaan käyttää pintaelektrodeja(kuva 3). Näillä elektrodeilla saadaan laajempi kuva koko alueen lihastoiminnnasta, eikä niinkään yksittäisten lihassäikeiden toiminnasta. Tarkemmin sanottuna, signaalin on useampien motoristen yksiköiden aktiopotentiaalien summa. Käytännössä esim. fysioterapeutit voivat käyttää pintaelektrodeilla tehtäviä EMG- mittauksia apuna tilanteissa joissa potilas ei itse tunnista aktivoivansa tiettyä lihasta tai lihasryhmää. Raaka EMG- signaali käytännössä vaikuttaa satunnaiselta ja sen hyötykäyttö yleensä vaatii impulssipohjaisen suodatuksen. [M. Raez ym., 2006]. Kuva 2. Vasemmalla neulaelektrodi [2] ja oikealla pintaelektrodi [3] Käyttökohteet EMG- mittauksia käytetään hyvin monissa sovelluskohteissa, niin kliinisesti kuin biomekaanisessa tutkimuksessakin. Kliinisissä sovelluskohteissa yleisimpiä käyttötarkoituksia ovat hermolihassairauksien tutkimus, alaselän kiputilat, kinesiologia ja liikkeenhallinnan ongelmat. Biomekaanisessa tutkimuksessa EMG:tä voidaan hyödyntää esim. kehitettäessä ihmisen ja koneen välistä yhteyttä ja ohjattavuutta. EMG:llä voidaan mitata isometristä, eli liikettä tuottamatonta 3

4 lihasaktivaatiota, jolla voidaan ohjata elektronisia laitteita tekemättä mitään näkyviä fyysisiä liikkeitä. [Merletti ja Parker, 2004]. Urheilulääketieteessä EMG:tä käytetään esim. lihasepätasapainon havaitsemiseen, jolloin lihasepätasapainoon voidaan puuttua ennen kuin se aiheuttaa mahdollisen loukkaantumisen. Tätä mittaustapaa voidaan myös soveltaa opettamaan urheilijalle tehokkaampaa ja taloudellisempaa tiettyjen lihasryhmien käyttöä. [M. Raez ym., 2006]. Lähteet Electromyography : physiology, engineering, and noninvasive applications. Merletti,Roberto.;'Parker,Philip. cop. 2004, xxii, 494 s, IEEE/Wiley, Hoboken, NJ Techniques of EMG signal analysis: detection, processing, classification and applications. M.B.I. Raez, M.S. Hussain, and F. Mohd-Yasin. Biol Proced Online. 2006; 8: Kuvalähteet [1] [2] [3] 4

5 Tasapainon mittaaminen Anne Mäkinen Tasapainon hallinta Keskus- ja ääreishermoston toiminta säätelee tasapainon hallintaa. Kehon tasapainoa ja asentoa ylläpitävät tahdonalaiset ja automaattiset liikkeet sekä asentorefleksit. Näihin vaikuttavat mm. näkö-reseptorien, ihon reseptorien, sisäkorvan asento- ja liikereseptorien sekä lihasten, jänteiden ja nivelpussien reseptorien lähettämät impulssit. Tasapainon hallinta vaatii sensorisen järjestelmän, luurankolihasten sekä keskushermoston yhteistyötä. Tasapaino jaotellaan staattiseen tasapainoon ja dynaamiseen tasapainoon. Staattinen tasapaino on asennon ylläpitoa painopisteen liikkuessa alustan pysyessä paikallaan. Esimerkiksi seistessä ihminen on staattisessa tasapainotilassa. Dynaaminen tasapaino tarkoittaa tasapainon säilyttämistä alustan liikkumisen aikana esimerkiksi juostessa tai hiihtäessä, jolloin kehon painopistettä siirretään. Dynaaminen tasapaino on myös tasapainon säilyttämistä alustan pysyessä paikoillaan, esimerkiksi horjahtaessa, jolloin tehdään tasapainoa korjaava liike. Tasapainon säilyttämiseksi on käytössä erilaisia strategioita. Pieni tasapainon korjaus vakaalla alustalla tehdään nilkkojen avulla. Jos asentoa pitää korjata enemmän, käytetään reiden, vartalon ja lantion alueen lihaksia. Kun painopiste siirtyy liikaa tukipinnan ulkopuolelle, käytetään ns. askelstrategiaa, jolloin tasapainon ylläpitämiseksi pitää ottaa askel. (Hakala ja Karjalainen, 2009). Tasapainon mittaamisen periaate Tasapainon mittaaminen perustuu voimalevyyn kohdistuvien pystysuuntaisten voimien mittaamiseen ja analysointiin. Voimalevyssä pystysuuntaisia voimia mitataan venymäliuskaantureilla, jotka rekisteröivät anturin teräksisen rakenteen muodonmuutoksia. Yleisesti käytetään kolmi- tai nelikulmaisia voimalevyjä. Kuvassa 1 on käytössä kolmikulmainen voimalevy. Mittauksessa tarkasteltavia asioita ovat x ja y suuntainen huojunta ja vauhtimomentti. Tasapainon mittaustuloksia on esitetty graafisesti kuvassa 2. 5

6 Kuva 1. Kolmikulmainen voimalevy. Kuva 2. Tasapainon mittaustuloksia graafisesti (Holviala ja Sallinen, 2003) Tasapainon mittauksen käyttökohteita Tasapainon mittaaminen ja harjoittelu soveltuvat monenlaisille asiakasryhmille, joilla on tasapainon hallinnan ongelmia tai tarve harjoitella tasapainon eri osa-alueita. Kuvassa 3 on esitetty tasapainonmittauslaitteiston käyttöä tasapainon harjoittelussa. Eräs suuri käyttäjäryhmä, jolle tasapainon hallinnan mittauksesta on hyötyä, ovat neurologiset potilaat. Tutkimukset osoittavat, että esimerkiksi aivohalvauksen jälkeisessä kuntoutusvaiheessa tasapainon harjoittaminen edistää potilaan selviytymistä jokapäiväisestä elämästä. Esimerkiksi hemiplegiapotilaiden tasapainoa mitattaessa todettiin tasapainon harjoittamisella olevan selvä yhteys parantuneeseen liikuntakykyyn (Paillex ja So, 2005). Kuva 3. Tasapainon harjoittelua laitteiston tehtävien avulla (Fysioline-verkkosivut). 6

7 Lähteet: Paillex, R., So., A. Changes in the standing posture of stroke patients during rehabilitation. Gait posture 2005 Jun;21(4): Holviala, J., Sallinen, J. Kuntotestauksen neutvottelupäivät. URL: 8mu4, 2003 Fysioline-verkkosivut. URL: engroups=509. Viitattu Hakala I, Karjalainen K. Dynaamisen tasapainon mittaaminen ja kehittäminen jääkiekkojunioreilla. Opinnäytetyö, Pirkanmaan ammattikorkeakoulu,

8 Elektroenkefalografia (EEG) Sami Kumpulainen Elektroenkefalografia (EEG) on aivojen sähköisen toiminnan mittaamista ja tallentamista. Eripuolille päätä sijoitettavien elektrodien avulla saadaan tietoa aivokuoren hermosolujen (neuronien) sähköisestä toiminnasta, jotka ilmentyvät aaltojen voimakkuuden eli jännitteen ja aaltojen toistuvuuden eli taajuuden vaihteluna. Suuruusluokaltaan mitatut signaalit ovat mikrovolttiluokkaa [µv] ja mitatut taajuudet yleensä n. 0,5-50Hz, jotka puolestaan jaetaan eri toiminnallisiin alueisiin: deltatoiminta (0,5-3 Hz), theetatoiminta (4-7 Hz)), alfatoiminta (8-13Hz) ja beetatoiminta (14-30 Hz). [1][2] Fysiologinen tausta Hermosolujen toiminta Aivojen neuronien välillä voidaan havaita sekä sähköisiä että kemiallisia muutoksia. Neuronissa alkava aktiopotentiaali johtaa solun viejähaarakkeen (aksonin) välittämään välittäjäainetta toisen hermosolun reseptoriin. Tätä kahden hermosolun liitosta kutsutaan synapsiksi (Kuva 1). Tästä postsynaptinen potentiaali siirtyy vastaanottavan solun tuojahaaraketta (dendriitti) pitkin solun aksonikekoon. Riippuen solun välittämästä välittäjäaineesta ja vastaanottavan solun reseptorista edesauttaako tämä aktiopotentiaalin syntyä vastaanottajasolussakin (eksitoiva synapsi) vai tapahtuuko ns. hyperpolarisaatio joka puolestaan estää aktiopotentiaalin alkamista (inhiboiva synapsi). Koska jokaisessa hermosolussa dendriittejä on lukuisia, solun aksonikeko toimii eräänlaisena yhteen- ja vähennyslaskukoneena, joka laskee yhteen dendriittien potentiaalin. Mikäli sitten eksitoivat signaalit ovat tarpeeksi voimakkaat inhiboiviin verrattuna, lähtee solun aksonikeosta uusi aktiopotentiaali aksonia pitkin. [1][2] Kuva 1. Synapsi [3] Taajuusalueet Yhden neuronin aiheuttama jännitepotentiaali on liian pieni havaittavaksi EEG:llä, joten yleensä mittaukset ovatkin tuhansien tai jopa miljoonien samassa tahdissa toimivien neuronien tulos, jotka tietokone sitten keskiarvoistaa. [1][2] EEG:n mittaus perustuu yhtenäisten aivoaaltojen havaitsemiselle. Ihmisen ollessa aktiivinen ja liikkeessä, aivot kuormittavat melko tasaisesti lähes kaikkia aivokuoren alueita. Tällöin EEG-käyrää sanotaan desynkronoiduksi eli suuret yhtenäiset aallot puuttuvat. Valppauden vähentyessä (silmät kiinni, uni) aivojen neuronit alkavat toimia enemmän tietyssä tahdissa sykäyksittäin, jolloin tietyt taajuudet EEG:ssä vahvistuvat. [1][4] Delta-aaltoja (0,5-3Hz) havaitaan usein pienillä lapsilla, sekä aikuisilla syvässä unessa. Theeta-aaltoja (4-7 Hz) löytyy puolestaan leikki-ikäisiltä lapsilta, sekä unisilta tai raukeilta aikuisilta. 8

9 Alfa-aallot (8-13 Hz) alkavat olla vallitsevia kouluiän alussa, eikä ikä enää tämän jälkeen juuri vaikuta. Parhaiten alfa-aallot havaitaan henkilön ollessa levossa ja silmät kiinni. Silmien avaus ja muu aktiviteetti heikentää aaltojen voimakkuutta ja lisää neuronien desynkronisaatiota. Beeta-aaltoja (14-30 Hz) voidaan mitata parhaiten henkilön liikkuessa tai keskittyessä johonkin. Jonkin verran aivoissa voidaan havaita myös nopeampitahtista heilahtelua eli gamma-aaltoja ( Hz), joiden arvellaan olevan yhteydessä joidenkin aistien ja motoriikan toimintaan. Yleisesti matalataajuuksiset signaalit havaitaan voimakkaampina ja nopeammat puolestaan heikompina. Myös lähempänä kalloa sijaitsevat neuronit havaitaan voimakkaampina kuin sisempänä aivoja olevat neuronit. [4] Mittaustekniikka Elektrodin tarkoituksena on välittää solujen tuottamien ionivirtojen potentiaali mittauspiiriin. Ihon pinnalta mitatut signaalit ovat varsin vaimeita, joten signaalit täytyy vahvistaa ennen niiden analysointia. Pienentämällä elektrodien ja aivojen signaalien välistä impedanssia, saadaan pienennettyä mittauksissa esiintyviä häiriöitä. Yleisesti käytössä ovat eri jalometalleista tehdyt elektrodit, jotka johtavat hyvin sähköä ja jotka eivät aiheuta ihon ärsytystä ja hapettumista. Esimerkiksi platina (Pt) ja hopea (Ag) -elektrodit ovat suosittuja. Myös erilaiset polymeerielektrodit ovat yleistymässä näiden joustavan rakenteen ansiosta. [5][6] Mitattavaa signaalia pyritään parantamaan myös kuorimalla hieman kuivaa ihoa (epidermis) asetettavan elektrodin kohdalta ja käyttämällä johtavaa pastaa elektrodin ja ihon välissä. Myös lisäämällä elektrodien määrää, saadaan mittauksista tarkempaa tietoa (kuva 2). [6] Mittauksissa on myös huomioitava mittauksiin sisältyvät häiriöt eli artefaktat. Näistä monet syntyvät muualla kuin aivoissa. Esimerkiksi joitakin fysiologisia häiriöitä voi olla pulssi, vapina, hengitys, tutin imeminen, pään heiluttelu. Lisäksi käytetystä mittauslaitteistosta voi heijastua häiriöitä mittauksiin. [6][7] Käyttökohteet Ehkä yleisimpiä käyttökohteita EEG:lle on erilaiset unitutkimukset, sekä joidenkin sairauksien diagnosointi kuten epilepsian tai alzheimerin taudin. Lisäksi EEG:tä voidaan käyttää myös apuna muissa toimenpiteissä, kuten varmistamaan ja mittaamaan unen syvyyttä leikkauksissa. Erilaisia herätevasteita voidaan myös tutkia antamalla sopivia ärsykkeitä, jotka voivat olla vaikkapa erilaiset äänet tai kuvat. [7] Kuva 2. EEG-mittaus 9

10 Lähteet: [1] Nienstedt, W., Hänninen, O., Arstila, A. ja Björkqvist, S. (2008). Ihmisen fysiologia ja anatomia. WSOY. [2] Nunez, PL. ja Srinivasan, R. (1981). Electric fields of the brain: The neurophysics of EEG. Oxford University Press. [3] Verkkodokumentti: Solunetti. (2010). [4] Verkkodokumentti. (2010) [5] Myllymaa, K., Myllymaa, S., Korhonen, H., Lammi, M, J., Saarenpää, H., Suvanto, M., Pakkanen, T, A., Tiitu, V. ja Lappalainen, R. Improved adherence and spreading of Saos-2 cells on polypropolyne surfaces achieved by surface texturing and carbon nitride coating. Journal of Material Science: Materials in Medicine, in press. [6] Baker, L.E ja Geddes, L, A. (1975). Principles of applied biomedical instrumentation. 2 painos. John Wiley & Sons. [7] Verkkodokumentti. (2010). URL: 10

11 Magneettikuvaus (Magnetic Resonance Imaging MRI) Magneettikuvaus on radiologian alaan kuuluva lääkinnällinen kuvantamismenetelmä, josta on tullut ensisijainen monien sairauksien diagnosoinnissa. MRI perustuu ydinmagneettiseen resonanssiin (NMR), jonka ensimmäinen onnistunut kokeilu tehtiin Yhdysvalloissa vuonna Sen avulla saadaan kehosta sekä morfologisia että toiminnallisia tietoja. Se korvaa ja joskus ylittää tietokonetomografian (CT). (Ellard, n.d.) MRI:n periaate MRI käyttää voimakasta magneettikenttää, radiotaajuisia impulsseja ja tietokonetta yksityiskohtaisten kuvien muodostamiseen. Kuvaus perustuu kehon kudoksissa olevia vesimolekyylien vetyatomeihin. Se mittaa vety-ytimien (protonien) magneettikentässä lähettämää radiotaajuista signaalia, joka on erilainen eri kudoksilla. Sillä voidaan kuvata elimiä, pehmytkudosta, luita ja lähes kaikkia muita kehon sisäisiä rakenteita. (Ellard, n.d.) Kuvauksessa potilas sijoitetaan voimakkaaseen magneettikenttään, jonka suuruutta ohjataan tietokoneella niin, että kuvauskohteen eri osiin vaikuttaa hieman eri suuruinen magneettikenttä. Mittauksia suoritetaan suuri määrä niin, että magneettikenttää ohjataan joka kerralla hieman eri tavalla. Täydellisen kuvan muodostamiseksi tulokset yhdistetään tietokoneella ja analyysin tuloksena saadaan kaksi- tai kolmiuloitteinen kuva. Laitteistoon kuuluu lisäksi radiolähetin ja - vastaanotin, jonka avulla resonanssi synnytetään ja havaitaan. (Ellard, n.d.) Kuvauksessa kehosta saatavan signaalin voimakkuus magneettikuvassa riippuu paitsi magneettisten ytimien määrästä myös niiden vuorovaikutuksesta ympäristön kanssa. Näitä vuorovaikutuksia kuvataan relaksaatioajoilla, jotka kertovat kuinka nopeasti kudoksen magnetoituminen palaa tasapainotilaan virityspulssin jälkeen. Muita signaalin ominaisuuksin vaikuttavia suureita ovat kudoksen liike ja virtaus, diffuusio sekä ns. kemiallinen siirtymä. (Gould, 2010). Magneettikuvaukseen on kehitetty kontrastiaineita, joilla kudosten näkyvyyttä voidaan muuttaa. Magneettikuvaksissa usein käytetyt kontrastiaineet ovat gadoliniumyhdisteitä tai rautaoksidipartikkeleita. Eräät gadoliniumyhdisteet, erityisesti gadodiamidit, ovat aiheuttaneet joillekin munuaisten toiminnanvajausta sairastaville potilaille vaikeaa fibroosia. (Gould, 2010). Käyttötarkoitus Magneettikuvausta voidaan käyttää kehon elinten ja kudosten kuvaamiseen, sairauksien diagnosointiin ja hoidon vaikutusten seurantaan. Koska magneettikuvaus on turvallinen ja siitä ei synny ionisoivaa säteilyä, sitä voidaan käyttää kehon herkimpienkin osien kuvaamiseen. Näitä ovat esimerkiksi sydämen kammioiden koon ja paksuuden, rintakehän ja vatsan seudun elinten, lisääntymiselinten, lantion seudun elinten, virtsarakon, selkäytimen ja nivelten tutkiminen. MRI:tä on käytetty paljon myös urheiluvammojen diagnosointiin. Sen käyttö on myös kasvamassa ja syrjäyttämässä perinteisen mammografian rintasyövän havaitsemisessa. American Heart Associationin tekemän tutkimuksen mukaan mikrovuodot voidaan löytää ja paikantaa MRI:n avulla. Mikrovuodot voivat olla riski verenvuotoseptikemian muunnoksesta (HT) liuotushoidon aika, jota käytetään akuuteissa verenkieroon liittyvissä (iskeemisissä) halvauksissa mahdollisien tukoksien liuottamiseen. MRI-kuvan avulla voidaan tunnistaa riskiryhmään kuuluvat potilaat ja määrätä hoito sen mukaan. (Kidwell ym., 2001). 11

12 Kuva 1. MRI ennen trombolyysihoitoa ja sen jälkeen. (Kidwell ym., 2001) Magneettikuvausten vahvuudet ja heikkoudet Magneettikuvauksen suurimpia etuja ovat sen käyttämä non-invasiivinen menetelmä sekä ionisoivan säteilyn puuttuminen. Lisäksi sen on virtauksille herkkä, joten verenkiertoa voidaan kuvata tarkasti. Kuvaustasot voidaan säätää elektronisesti ja sillä on korkea pehmytkudosresoluutio. Magneettikuvakset ovat kuitenkin hitaita ja kalliita. Laitteistot ovat vielä isoja ja vaativat ylimääräistä huomiota tilojen ja käytön suhteen. Menetelmä on myös liikeherkkä, joten potilaan tulee maata täysin liikkumatta, koska muuten kuva voidaan joutua uusimaan. Kuvattavan kehossa olevat vähäisetkin magneettiset metallinkappaleet ja istutteet haittaavat kuvausta. Magneettikuvausta ei voida myöskään tehdä, jos kuvattavalla on sydäntahdistin tai defibrillaattori, sillä niiden toiminta voi häiriintyä magneettikentän vaikutuksesta. (Gould, 2010). Tulevaisuus Tutkijat Max Planck-instituusissa Göttingenissä ovat kehittäneet uuden MRI-menetelmän, joka ottaa kuvia 20ms nopeudella. Tällöin on mahdollista kuvata suoraan elinten ja niveliä toimintaa. FLASHin kaltaiset uudet kuvankeräystekniikat ovat lisänneet MRI:n kuvausnopeutta sekä insinöörien kehittämät algoritmit auttavat tietokonetta muodostamaan täydellisen kuvan epätäydellisestä kuvasarjatiedostosta. Esimerkiksi minuutin mittaiseen sydämen sykkeestä otettavaan MRI-videoon tarvitaan kuvaa. Lopullisen videon kokoamiseen menee noin 30 minuuttia. Lopputuloksena se auttaa tutkijoita diagnosoimaan paremmin nivelvaurioita ja sepelvaltimotauteja. (Dillow, 2010). 12

13 LÄHTEET Dillow, C First ever real-time MRI video captures images of body s interior in just 20 milliseconds. Popsci www-sivustot. Ellard,D., n.d. History of MRI. The University of Manchester. WWW-sivustot. Gould, T How MRI Works. Discovery Health. WWW-sivustot. Kidwell, C., Saver, J., Villablanca, J., Duckwiler, G., Fredieu, A., Gough, K., Leary, M., Starkman, S., Gobin, Y., Jahan, R., Vespa, P., Liebeskind, D., Alger, J. and Vinuela, F. (2002) Magnetic Resonance Imaging Detection of Microbleeds Before Thrombolysis: An Emerging Application. Stroke 2002;33; MRI of the Body (Chest, Abdomen, Pelvis) Radiological Society of North America. WWWsivustot. URL: 13

14 Elektrokardiografia (EKG) Matti Romppainen Sydämen toimintaa säätelevät sähköimpulssit, jotka saavat alkunsa sinussolmukkeesta. EKG:n mittaaminen perustuu näiden heikkojen sähköimpulssien mittaamiseen. Sähkövirta on voimakkaimmillaan depolarisaatio- ja repolarisaatiovaiheen aikana, jolloin kalvojännite muuttuu nopeimmin. Sydämen sähköistä toimintaa voidaan mitata non-invasiivisesti iholle asetettavilla pintaelektrodeilla. Elektrodeilla saatua käyrää kutsutaan EKG:si eli elektrokardiogrammiksi eli sydänsähkökäyräksi. (Bjålie, J ym., 2007) EKG-käyrä Sydämessä neste virtaa korkean paineen alueelta matalamman paineen alueelle. Sydämen tehtävä on synnyttää paine-eroja, jotta veri virtaisi sen läpi suonistoon. Aktiopotentiaali, joka syntyy sinussolmukkeessa, leviää koko sydämeen ja rytmittää sydänlihaksen supistumisen ensin eteisissä ja sen jälkeen kammiossa (kuva 1). Yksittäisen lihassolun supistuminen alkaa depolarisaation jälkeen. EKG-käyrässä näkyvät juuri nämä sydänlihaksen depolarisaation aiheuttamat sähkövirran vaihtelut. Eteissupistus alkaa depolarisaatiota kuvaavan P-aallon aikana. Kammiosupistus alkaa QRS-kompleksin aikana. T-aalto syntyy kammioiden repolarisaatiosta. Myös eteisten repolarisaatio aiheuttaa aallon, mutta se jää QRS-kompleksin taakse piiloon EKG-käyrässä. (Bjålie, J ym., 2007) KUVA 1. EKG-käyrä Mittaus Sydämen sähköistä toimintaa voidaan mitata periaatteessa mistä tahansa, mutta vertailukelpoisten tulosten saamiseksi on kehitetty standardoitu mittausmenetelmä. Mittausmenetelmässä pintaelektrodit kiinnitetään raajoihin ja kuuteen paikkaan rintakehälle. (Bjålie, J ym., 2007) 14

15 KUVA 2. Pintaelektrodien sijoittaminen häiriöiden pienentämiseksi EKG:tä otettaessa. EKG-signaalin jatkuvalla seurannalla voidaan tutkia sydämen rytmiä ja havaita normaalista poikkeavat sydänlihaksen ja impulssijohtojärjestelmän toiminnat. Yleisesti EKG:tä seurataan leikkausten ja tehostetun hoidon ja valvonnan aikana. (Bjålie, J ym., 2007) EKG-mittaus on herkkä erilaisille häiriöille. Jokaiselle mittauskerralle on järjestettävä standardisoidut olosuhteet, jotta tulokset olisivat mahdollisimman vertailukelpoiset. Häiriöitä voi aiheutua esimerkiksi elektrodien virheellisestä asettelusta tai mittavan puutteellisesta valmistelusta, mittauslaitteisto täytyy valmistella oikein, myös potilas voi aiheuttaa häiriötä omilla toimillaan. (EKG:n mittaaminen, 2002) EKG:n mittaamiseen on myös kehitetty yksinkertaisempia mittausmenetelmiä, jolloin pystytään mittaamaan nopeasti ja helposti. Yksi tällainen yksinkertaistettu EKG:n tutkimistapa on neljän askeleen metodi, joka perustuu muutamaan yksinkertaiseen muistisääntöön. Ensimmäisessä askeleessa tarkastellaan sydämen sykettä ja rytmiä, toisessa arvioidaan PR, QRS ja QT intervalleja, kolmannessa arvioidaan QRS- ja P- aaltoja ja neljännessä vaiheessa arvioidaan oikean ja vasemman kammion toimintaa ja kammioiden liikakasvua. Näiden vaiheiden perusteella on helppo arvioida sydämen toimintaa. Kyseinen EKG:n analysointimenetelmä on kehitetty tilanteisiin, jossa ei ole heti saatavilla asiantuntijaa tulkitsemaan saatuja tuloksia. Menetelmän avulla tuloksia voisi analysoida ja tulkita yhä useammat terveydenhuollon toimijat, kuitenkin aina tulee varmistaa tulokset asiantuntijalla, olivat tulokset normaaleja tai poikkeuksellisia. (Evans, W. 2010) 15

16 KUVA 3. Normaali ja epänormaali QRS-aalto LÄHTEET: Bjålie, J., Haug, E., Sand, O., Sjaastad, O.,Toverud, K. (2007). Ihminen fysiologia ja anatomia. WSOY Evans, W. Acherman, R. Mayman, G. (2010). Simplifien Pediatric Electrocardiogram Interpretation. SAGE, EKG:n mittaaminen. (2002)

17 Positroniemissiotomografia (PET) Pasi Paukkonen Yleistä Positroniemissiotransmissio on kolmiulotteinen kuvantamismenetelmä, jonka avulla voidaan paikantaa ja kuvantaa kudosten aineenvaihdunnan poikkeavuuksia. Glukoosi, vesi ja rasvahappo ovat esimerkkejä biologisista yhdisteistä, joiden jakautumista kehossa voidaan menetelmällä seurata. Kuvantamisessa käytetään radioisotooppisia merkkiaineita, joiden avulla kuvissa saadaan näkyviin halutun biologisen yhdisteen aineenvaihdunnan vilkkaus kehossa. Yleisin kuvantamisessa käytetty radioisotooppinen merkkiaine on 18F- fluorodeoksiglukoosi. Muita merkkiaineita ovat mm. fluori-18, hiili-11, happi-15 ja typpi-13. (Puumala, 2003; Ramula, 2009) Tutkimuksen kulku ja kuvan muodostus Ennen kuvantamista henkilö saa radioisotooppisen merkkiaineen injektiona tai inhalaationa. Koska merkkiaineiden puoliintumisaika on lyhyt, se on valmistettava lähellä ja kuvantaminen tehtävä pian merkkiaineen injektion jälkeen. Myös henkilön saama säderasitus merkkiaineista on pieni lyhyen puoliintumisajan takia. 17

18 Kuva 1. PET:in toimintaperiaate Merkkiaine koostuu radionuklideista, jotka lähettävät positroneja. Vapautuvat positronit törmäävät elimistön elektroneihin, jonka seurauksena tapahtuu annihilaatio. Annihilaatio synnyttää gammasäteilyä, joka pystytään havaitsemaan erikoiskameralla (PET-kamera, kaksipäinen gammakamera). Tietokoneella muodostetaan kolmiulotteinen kuva merkkiaineen jakaantumisesta kehossa. PET on epätarkempi kuvantamismenetelmä verrattuna tietokonetomografiaan tai magneettikuvaukseen mutta kudoksen aineenvaihduntaa kuvattaessa piirtotarkkuus ei ole oleellinen suure. (Saarinen, 2001; Puumala 2003) Käyttökohteet Kliinisiä käyttökohteita ovat mm. onkologia, neurologia, kardiologia ja psykiatria. Onkologiassa PETiä käytetään esim. syövän toteamiseen, luokitukseen ja hoidon seurantaan. Neurologiassa sairauksiin liittyy muutoksia, joita PETillä voidaan seurata, kuten aineenvaihdunta, hapenkulutus, verenkierto ja energia-aineenvaihdunta. Kardiologian puolella menetelmällä voidaan arvioida sydänlihaksen elinkykyisyyttä ja sitä voidaan käyttää myös sepelvaltimotaudin toteamiseen. Psykiatriassa kuvantamisella voidaan selvittää esim. aivojen biokemiallista toimintaa neuropsykiatristen sairausten yhteydessä. (Puumala, 2003) 18

19 Kuva 2. PET-kuva aivoista. Kuva 3. PET laitteisto PETiä voidaan hyödyntää myös liikuntabiologian tutkimuksissa, mm. Jyväskylän yliopistossa tehdyssä Pro Gradu -tutkielmassa tutkittiin PETiä apuna käyttäen akillesjänteen ja luustolihaksen glukoosin käyttöä fyysisen rasituksen aikana. Muita liikuntabiologisia tutkimuksia, joissa on hyödynnetty PETiä, ovat esim. olkapään lihasten toiminta käsivarren noston aikana ja kofeiinin vaikutus sydänlihaksen verenvirtaukseen henkilöillä, joilla on todettu sepelvaltimotauti. (Saarinen, 2001; Omi ym., 2010; Namdar ym., 2009) Lähteet Namdar, M., Schepis, T., Köpfli, P., Gämperli, O., Siegrist, P.T., Grathwohl, R., Valenta, I., Delaloye, R., Klainguti, M., Wyss, C.A., Lyscher, T.F., Kaufmann, P.A. (2009). Caffeine Impairs Myocardial Blood Flow Response to Physical Exercise in Patients with Coronary Artery Disease as well as in Age-Matched Controls. PloS one. 4. Viitattu URL: Omi, R., Sano, H., Ohnuma, M., Kishimoto, K.N., Watanuki, S., Tashiro, M., Itoi, E. (2010). Function of the shoulder muscles during arm elevation: an assessment using positron emission tomography. Journal of anatomy Puumala, K Keskiviikkomeeting- esitelmä : PET. Suomen Radiologiayhdistys. Viitattu URL: Ramula, H Positroniemissiotomografia yhdeksän syöpätyypin kuvantamisessa: virtsarakon, aivojen, kohdunkaulan, munuaisten, munasarjojen, haiman, eturauhasen ja kivesten kasvaimet sekä keuhkojen pienisolusyöpä. Finohta. Viitattu URL: Saarinen, J Akillesjänteen ja luustolihaksen glukoosin käyttö fyysisen rasituksen aikana positroniemissiotomografialla mitattuna. Liikuntafysiologian Pro Gradu tutkielma. Jyväskylän yliopisto

20 Kiihtyvyys liikuntabiologisena mittauksena Juha Parviainen Kiihtyvyys Kiihtyvyys (acceleration, m/s2) on fysikaalinen suure, joka kuvaa kappaleen nopeuden muutosta tietyssa ajassa. Kiihtyvyyden aiheuttaa kappaleeseen kohdistuva voima (dynamiikan peruslaki, F=ma). Kiihtyvyydellä on suuruuden lisäksi aina suunta. Normaaliympäristössä tehtäviin kiihtyvyysmittauksiin vaikuttaa maan vetovoiman aiheuttama putoamiskiihtyvyys (n m/s2), josta käytetään yksikköä g (Kavanagh & Menz, 2008). Kiihtyvyysmittaukset liikuntabiologiassa Kiihtyvyyden mittaaminen (accelerometry) liikuntabiologisessa tarkoituksessa on tiettävästi alkanut niinkin aikaisin kun 1930-luvulla, jolloin Liberson julkaisi ajatuksia kävelyasentovirheiden havaitsemisesta vartalonosien kiihtyvyyskuvaajien avulla (Kavanagh & Menz, 2008). Kiihtyvyysanturiteknologia on ollut kuitenkin ajatusten toteuttamiseen liian alkeellista. Nykyään kiihtyvyysmittauksia hyödynnetään liikuntabiologiassa laajalti. Sovelluskohteita ovat muun muassa fyysisen aktiivisuuden monitorointi, motoriikan arviointi, ryhtiin ja kävelyyn liittyvät tutkimukset, liikuntasuoritusten aikaisten iskuvoimien ja niiden absorboitumisen mittaus ja suoritustekniikan arviointi sekä parantaminen (liikeanalyysi). Kiihtyvyysanturit Kiihtyvyysmittausten laaja-alainen tarve teollisuudessa ja kuluttajatuotteissa on kehittänyt anturiteknologiaa viime vuosikymmeninä nopeasti. Tänäpäivänä kiihtyvyysanturit ovat pieniä, edullisia ja tarvittaessa langattomia. Liikuntabiologisiin mittauksiin erikoistuneita antureita on tarjolla useita kaupallisia ratkaisuja (Murphy, 2009). Kiihtyvyysanturit toimivat periaatteessa kuten vaimennettu jousi-massa systeemi. Kun anturiin kohdistuu kiihtyvyyttä, jousen päässä oleva massa siirtyy, siirtymä mitataan ja muunnetaan sähköiseksi signaaliksi. Teknisiä ratkaisuja on useita, joista tyypillisimmät perustuvat pietsosähköisiin, pietsoresistiivisiin ja kapasitiivisiin komponentteihin. Pietsoelektriset kiihtyvyysanturit käyttävät kristallikiteitä, jotka varautuvat sähköisesti kiihtyvyyden aiheuttaessa niihin painetta. Pietsoresistiivisissä (venymäliuska) antureissa mitataan materiaalin vastustusta kiihtyvyyden aiheuttamalle mekaaniselle rasitukselle. Kapasitiivisessa anturissa esimerkiksi piistä valmistettu massaelementti on ympäröity joukolla kondensaattoripareja. Massaelementin reagoidessa liikkeeseen kondensaattoriparien kapasitanssit muuttuvat, ja tämä kiihtyvyyden voimakkuuteen verrannollinen muutos ilmaistaan sähköisenä signaalina. Pietsosähköiset anturit ovat parhaimmillaan korkeataajuista kiihtyvyyttä mitattaessa, pietsoresistiiviset voimakkaiden iskujen mittauksessa ja kapasitiiviset anturit matalataajuista kiihtyvyyttä mitattaessa (Kavanagh & Menz, 2008; Wikipedia, 2010). Kiihtyvyysanturit mittaavat kiihtyvyyttä nykyään tyypillisesti 3-ulotteisessa koordinaatistossa. Edulliset 3D-anturit ovat syrjäyttäneet liikuntabiologisissakin mittauksissa aiemmin yleiset 1- ja 2Danturit. Mittaukseen vaikuttaa olennaisesti anturin asento ja maan vetovoiman aiheuttama putoamiskiihtyvyys (kuva 1). Mikäli anturin mittausuunta ei ole kohtisuorassa maan vetovoiman komponenttiin nähden, mitattu signaali sisältää myös putoamiskiihtyvyyttä. Erityisesti ihmisen liikuntaan liittyvissä mittauksissa tämä on ongelma, sillä esimerkiksi käsiin kiinnitettynä anturit kallistelevat puolelta toiselle ja voivat liikkua mikäli kiinnitys ei pidä. Ongelma voidaan ratkaista 20

21 liittämällä kiihtyvyysanturin yhteyteen gyrometri, joka ilmaisee anturin asennon. Tällöin maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys voidaan erottaa mittaussignaalista. Mittausakselin kallistuessa maan vetovoiman kiihtyvyyden komponentti aiheuttaa mittaussignaaliin staattista kiihtyvyyttä (B). (Kavanagh & Menz, 2008) Kuva 1. Mikäli kiihtyvyyden mittausakseli on kohtisuorassa maan vetovoiman kiihtyvyyden komponenttiin nähden, mittaus sisältää vain liikesuuntaan tapahtuvaa kiihtyvyyttä (A). Mittausaineisto ja sen analysointi Kiihtyvyysanturilla mitattu aineisto on aikatasossa tallennettua aikasarjaa (kuva 2B). Aineiston esikäsittelyyn ja analysointiin käytetyt menetelmät ovat tapauskohtaisia, mutta yleisesti aikasarjalle tehdään mittaushäiriön poisto esimerkiksi alipäästösuotimella. Suoran mittausvastekuvaajan lisäksi aineistosta tyypillisesti analysoidaan kiihtyvyyden dispersiota nollatason suhteen (ns. Root Mean Square-muunnos). Usein aineistoa on hyödyllistä analysoida myös taajuustasossa. Taajuustason spektristä on helppo havaita esimerkiksi askellusanalyysissä olennaisia syklisiä komponentteja. 21

22 Kuva 2. Chen & Hung (2010) rakensivat reaaliaikaisen liikeanalyysijärjestelmän Wii-pelikonsolin ohjaimista ja sovelsivat sitä tenniksen lyöntitekniikan analysointiin. A: Kiihtyvyysanturien käyttö, B: Lyönnistä saatu mittaussignaali. Lähteet: Kavanagh, J. & Menz, H. (2008). Accelerometry: A technique for quantifying movement patterns during walking. Gail & Posture, 28, Murphy S. (2009). Review of physical activity measurement using accelerometers in older adults: Considerations for research design and conduct. Preventive Medicine, 48, Wikipedia (2010): Accelerometer, luettu Chen, Y-J. & Hung, Y-C. (2010). Using real-time acceleration data for exercise movement training with a decision tree approach. Expert Systems with Applications, 37,

23 Ihon sähkönjohtavuus Esa Hongell Ihon sähkönjohtavuuden mittaaminen on yksi helposti mitattavista fysiologisista menetelmistä. Sen katsotaan olevan vahvasti yhteydessä vireystilaan. Siinä tarkastellaan ihon sähkönjohtavuuden muutoksia reaaliajassa. Nämä muutokset perustuvat sympaattisen hermoston ja hikirauhasten toimintaan (Hiltunen ym., 2008). Ihon sähkönjohtavuutta alettiin tutkia jo 1900-luvun alkupuolella ja se on säilynyt käytettynä menetelmänä tähän päivään saakka, vaikka rinnalle on tullut monia uudempia menetelmiä kuten EEG ja MRI. Aivosähkökäyrien (EEG) synkronoitumisen avulla voidaan tutkia tarkemmin ja syvällisemmin vireystilaa. Magneettikuvauksella (MRI) puolestaan voidaan tarkastella esimerkiksi hermoston tilaa. Ihon johtavuus on kuitenkin säilyttänyt suosionsa yksinkertaisen laitteistonsa ja edullisuutensa vuoksi (Hiltunen ym., 2008). Elektrodipari kiinnitetään tavallisesti käsiin, joko sormien kämmenpuolelle tai kämmeneen, eikä käsien pesemistä mittavampaa puhdistusta tarvita. Menetelmän merkittävimpänä puutteena on fysiologisista seikoista johtuva viive: ihon sähkönjohtavuus vaihtelee hien erittyessä ja kuivuessa hitaasti, mikä tarkoittaa, että reaktio ärsykkeeseen voi tulla yhdestä kolmeen sekunnin kuluessa (Fowles ym., 1981). KUVA 1. Esimerkkilaitteita joilla voidaan mitata ihon johtavuutta Hikirauhasten toimintaa hallitsee lähes yksinomaan sympaattinen hermosto, joka tiedostamattomasti säätelee kehon yleistä aktiiviolotilaa esimerkiksi paon tai taistelun varalle. Siten ihon sähkönjohtavuus on hyvä vireystilan mittari. Ulkoiset stimulukset voivat aktivoida sympaattista hermostoa, kuten myös henkiset ärsykkeet. Tällaisia voivat olla esimerkiksi viha, pelko, ahdistus, seksuaaliset tuntemukset ja huomion keskittäminen (Hiltunen ym., 2008). KUVA 2. Ärsyke tapahtunut 25 sekunnin kohdalla. Ihmisellä, yksilöstä riippuen, tapahtuu luonnollisesti yhdestä kolmeen sympaattisen hermoston aktivoitumista minuutissa. Nämä ilman ärsykettä tapahtuvat aktivaatiot täytyy tulkitsijan erottaa 23

24 mittaustuloksista. Tämän vuoksi ihon johtavuuden mittaamisen ohella usein käytetään myös muita mittausparametreja, jotta tulosten tulkinta on varmempaa (Hiltunen ym., 2008). KUVA 3. Esimerkkimittaus noin neljän minuutin aikajaksolta. Laitteiston osalta mittaus perustuu siihen, että elektrodipari lähettää pienen määrän virtaa kehon läpi ja taltioi muutokset. Muutokset mitataan mikrosiemenseissä. Muutosten vahvuus vaihtelee henkilöittäin ja kalibrointi on tarpeellista (Fowles ym., 1981). Ihon sähkönjohtavuuden mittaamista voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi rentoutumisen harjoittelussa tai valheenpaljastuskokeessa. Yleisesti ottaen sitä käytetään psykofyysisissä mittauksissa sekä henkisten ärsykkeiden vaikutusten tutkimisessa. LÄHTEET Fowles, D., Christie, M., Edelberg R., Grings W., Lykken, D. and Venables P. (1981). Publication Recommendations for Electrodermal Measurements. Psychophysiology. 18, Hiltunen, E., Holmberg, P. and Kaikkonen, M. (2008, 8-9 painos). Galenos. Ihmiselämä kohtaa ympäristön. WSOY. 24

25 Syke Olli Moisander 1 Fysiologia Syke tarkoittaa sydämen toimintakierron taajuutta, eli perättäisten aktiopotentiaalien väliä. Tyypillisesti taajuus ilmoitetaan lyönteinä minuutissa (lm). Toimintakierron käynnistää yleensä sinussolmuke josta aktiopotentiaali sitten leviää koko sydämeen saaden aikaan täydellisen supistumisen. Sydämen toimintaa säätelevät normaalisti niin sympaattinen kuin parasympaattinenkin hermosto, eikä sykkeeseen voida suoraan tahdonalaisesti vaikuttaa. (Niensteds ja ym. 2004) Sykkeeseen liittyvät olennaisesti termit leposyke, maksimisyke ja iskutilavuus. Leposyke ilmoittaa sykintätaajuuden täydellisessä levossa, ja tavallisesti se mitataan heti heräämisen jälkeen vuoteessa maaten. Normaalisti leposyke on välillä lm, laskien iän myötä. Hyväkuntoisilla kestävyysurheilijoilla leposyke on monesti alle 40 lm. (Willmore ja Costill 2004) Maksimisyke on sydämen suurin mahdollinen sykintätaajuus. Se saavutetaan yleensä jo ennen kuin rasitus nousee maksimaaliseksi. Yleisin maksimisykkeen arvioimiseksi käytetty kaava on 220 ikä(vuosina). (Niensteds ja ym. 2004) Myös monia muita kaavoja käytetään, mutta kaikkiin kaavoihin liittyy merkittävää epätarkkuutta. Näistä tarkemmin luvussa 4. Iskutilavuus kertoo kuinka paljon verta sydän yhden supistuksen aikana työntää verenkiertoon. (Niensteds ja ym. 2004) Syke reagoi rasitukseen lisäämällä verenkiertoon pumppaamaansa veren määrää. Tämä voi tapahtua joko iskutilavuutta ja/tai sykettä kasvattamalla. Vallitseva vaikutustapa riippuu henkilön taustasta. Harjaantunut (urheilijan) sydän kasvattaa ensisijaisesti iskutilavuutta, kun taas harjaantumaton turvautuu ensisijaisesti sykkeen kasvattamiseen. (Willmore ja Costill 2004) 2 Mittausmenetelmät Sykettä voidaan mitata kolmella eri tavalla. Epäsuorasti voidaan mitata sormea ja sekuntikelloa hyväksi käyttäen sykkeen verisuonistoon aiheuttamaa paineaalto, eli pulssia. (KTL 2000) Varsinaista sykettä voidaan mitata Elektrokardiografia(EKG)-mittareilla, tai niistä kehityillä langattomilla versioilla, eli sykemittareilla. (Janz 2002) Tässä työssä keskitytään jälkimmäisiin. Sykemittari koostuu lähettimestä ja vastaanottimesta. Lähetin kiinnitetään tyypillisesti joustavalla nauhalla tai kankaalla rintakehälle, ja vastaanottimena toimii rannekellon tyyppinen mikrotietokone. (Janz 2002) Uusimmissa sovelluksissa on kuitenkin jo pyritty pääsemään eroon erillisestä lähettimestä upottamalla toiminto esimerkiksi tekstiiliin (Jouran ja ym. 2010). Lähetin poimii elektrodeilleen sydämen sinuskäyrän, prosessoi sen, ja lähettää sitten vahvistettuna vastaanottimelle. Vastaanotin poimii vahvistetun sykkeen, ja tekee sen perusteella tarvittavia laskelmia. Nykyaikaiset sykemittarit mittaavat hetkellisen sykearvon ja keskisykkeen lisäksi mm. sykevälivaihtelua ja arvioivat energiankulutusta ja harjoituksen jälkeistä hapentarvetta. (Sedlock ja ym. 2010) 25

26 Kuva 1: Sykemittarin lähetin ja vastaanotin 3 Käyttökohteet 3.1 Urheilu Urheilussa sykemittareita käytetään harjoituksen tehon säätämiseen ja rasitustilan seurantaan. Sykkeen mittaaminen on validia lajeissa joissa kestävyyskunto rajoittaa urheilusuoritusta. Perinteisesti yhdistettyjen maitohappo- ja hengityskaasumittausten avulla on määritelty urheilijan henkiläkohtaiset harjoittelutehot (=sykkeet) aerobisen ja anaerobisen kynnyksen kautta. (Willmore ja Costill 2004) Rasitustilaa voidaan seurata mittaamalla perättäisten lyöntien välisen ajan hajontaa, eli sykevälivaihtelua. Sykevälivaihtelu kuvaa sympaattisen ja parasympaattisen hermoston keskinäistä vaikutuseroa sydämeen. Mikäli ihminen on rasittunut, sympaattinen hermosto on vallitseva ja täten perättäisten sykäysten välinen aika pyrkii vakioitumaan. Yleensä tämä havaitaan myös leposykkeen kasvuna. (BuSha 2010) 3.2 Aktiivisuusmittaukset Sykkeen avulla voidaan pyrkiä mittaamaan henkilön fyysistä aktiivisuutta. Aktiivisuutta kuvaa energiankulutus. Energiankulutus on kuitenkin lineaarisesti verrannollinen sykkeeseen vain ns. flex-pisteiden välissä, eli keskimäärin sykevälillä lm. Tästä johtuen sykemittauksen tarkkuus energiankulutuksen mittaamisessa on varsinkin pitkäaikaismittauksissa (joissa suurin osa ajasta ollaan kevyellä rasitustasolla) vain suuntaa-antava. Sykemittauksen helppous ja laitteiston kompakti koko tekevät siitä kuitenkin varteenotettavan vaihtoehdon varsinkin ryhmätasolla tehtäviin tutkimuksiin.(janz 2002) 3.3 Riskianalyysit Sykkeestä voidaan tehdä ennusteita monenlaisiin terveysriskeihin. Esimerkiksi sykkeen palautumisesta fyysisen aktiivisuuden jälkeen (Nagashima ja ym. 2010) tai pelkästään leposykkeestä voidaan päätellä henkilön riskiä kohdata sydänperäinen äkkikuolema. Leposyke korreloi sydänkohtausriskin kanssa myös potilailla joilla on jo aiemmin ollut sydänkohtaus (Fosböl ja ym. 2010). 4 Ongelmat Sykkeen mittaamiseen liittyy joitain teknisiä ongelmia. Verrattaessa sykemittareiden antamia sykelukemia EKG-mittareiden vastaaviin huomataan eroavaisuuksia (Terbizan ym. 2002). EKGmittausta voidaan oikein suoritettuna pitää luotettavana mittaustapana (Janz 2002), joten tämän perusteella sykemittareihin liittyy epätarkkuutta. Mittarit toimivat melko luotettavasti vielä kevyellä rasitustasolla, mutta jo kilpajuoksijan kevyeen juoksuvauhtiin (10 mailia/h) siirryttäessä mittaustulos on luotettavasti vain 10 lyönnin haarukassa. (Terbizan ym. 2002) 26

27 Pidempiaikaisessa mittaamisessa ongelmaksi muodostuu jo aiemmin mainitun energiaepälineaarisuuden lisäksi lähettimien epämukavuus ja johtavuusongelmat (lihavuus, kuivuminen) laskevat käyttömukavuutta ja luotettavuutta (Janz 2002). Käytettäessä sykemittaria ilman tarkkoja taustatietoja, eli laboratoriomitattuja henkilökohtaisia rasitusalueita ja maksimisykettä, voi rasituksen arvioinnissa olla suuriakin puutteita. Esimerkiksi henkilökohtainen maksimisyke saattaa vaihdella huomattavasti iän perusteella lasketuista (Tanaka ja ym. 2001). Kuva 2: Maksimisykkeen vaihtelu ikäluokittain (Tanaka ym. 2001) Lähdeluettelo BuSha, Brett. Exercise modulation of cardiorespiratory variability in humans. Respiratory Physiology & Neurobiology 1 (2010): Fosböl, E. ym. Long-term prognostic importance of resting heart rate patients with left ventricular dysfunction in connection with either heart failure or myocardial infarction. Internatiol Journal of Cardiology, 2010: Janz, Kathleen. Use of Heart Rate Monitors to Assess Physical Activity. Teoksessa Physical Activity Assessments for Healt-Releted Research, tekijä: G. Welk, Champain: Human Kinetics, Jouran, P. ym. Robust monitoring of vital signs integrated in textile. Sensors and Actuators A: Physical 1 (2010): KTL. Terveys tutkimuksen mittausohje. 19. syyskuuta (haettu 13. syyskuuta 2010). Nagashima, J. ym. Three-month exercise and weight loss program improves heart rate recovery in obese persons along with cardiopulmonary function. JOURNAL OF CARDIOLOGY 1 (2010):

28 Niensteds W. ym. Ihmisen fysiologia ja anatomia. Porvoo: WSOY, Sedlock, D. ym. Excess Postexercise Oxygen Consumption After Aerobic Exercise Training. Sensors and Actuators A: Physical 4 (2010): Tanaka H. ym. Age-predicted maximal heart rate revisited. J.Am.Coll.Cardiol. 1 (2001): Terbizan D. ym. Validity of Seven Commercially Available Heart Rate Monitors. Measurement in Physical Education and Exercise Science 4 (2002): Willmore, J., ja D. Costill. Physiology of sport and exercise. Champaign: Human Kinetics,

29 Hengityskaasut Samppa Karvinen Historia Kuvassa 1 näkyvä Douglas bag käytettiin ensimmäistä kertaa 60-luvulla hengityskaasujen talteenottoon ja analysoimiseen. Ne on nimetty Claude G. Douglas ( ) mukaan, joka oli Brittiläinen fysiologi. Niitä käytetään nykyisinkin ja niiden suositustilavuus on jopa 200 litraa. Helpommin liikuteltavia kannettavia laitteita on myös saatavilla nykyisin ja niitä voidaan käyttää kenttäolosuhteissa. Niistä näyte ao. kuvassa, jossa esitellään Cosmedin tuotetta. McLaughlinin ja Kingin (2001) tutkimusten mukaan näillä laitteilla saadaan aikaan hyväksyttyjä tuloksia laboratoriotuloksiin verrattuina. Kuva 1. Kannettava mittari (vasemmalla) ja ensimmäisissä laboratoriomittauksissa käytetty Douglas bag (oikealla). Mittaaminen Mittareilla mitataan sisään menevän ja ulostulevan hapen ja hiilidioksidin pitoisuuksia. Mittaustulokset ilmoitetaan yleensä kolmella eri tavalla: 1. l/min (esim. 4,1 l/min) 2. ml/kg/min (esim. 72 ml/kg/min) 3. METs-yksikköinä (esim. 11,6 METs) Kaksi jälkimmäistä tapaa ilmoittaa hapenkulutuksen suhteutettuna painoon, joten nämä luvut ovat ihmisten välillä vertailukelpoisia. Hengityskaasujen mittaamista käytetään monesti urheilijoilla maksimaalisen hapenkulutuksen (VO2max) mittaamiseen eli kuinka paljon ihminen pystyy käyttämään hengittämäänsä happea hyväksi. Sitä voidaan käyttää myös perusaineenvaihdunnan (PAV) mittaamiseen. Perusaineenvaihdunta PAV:n suuruus vaihtelee iän, koon, sukupuolen ja rasvakudoksen määrän mukaan ja sillä tarkoitetaan välttämättömien elintoimintojen ylläpitämiseksi tarvittavaa energiankulutusta ja aineenvaihduntaa. Aktiivinen kudos eli käytännössä lihasmassan määrä vaikuttaa perusaineenvaihduntaan erittäin paljon. Mitä lihaksikkaampi tai kookkaampi ihminen on, sitä suurempi on hänen energiankulutuksensa. Yksi MET vastaa istuvan ihmisen hapenkulutusta ja on 29

30 noin 3,5 ml/kg/min. 1 MET vastaa myös levossa olevan ihmisen energiankulutusta yhtä kilokaloria painokiloa kohden tunnissa eli esimerkiksi 60 kg painava henkilö kuluttaa lepotilassa keskimäärin 60 kcal/h. (Heikkilä 2009, Olkkonen 2005) Maksimaalinen hapenkulutus Hengityskaasumittauksia käytetään myös maksimaalisen hapenkulutuksen mittaamiseen. Se on perinteinen tapa seurata urheilijoiden kunnon kehitystä. Testimenetelminä käytössä ovat suora sekä epäsuora menetelmä. (Olkkonen, 2005) Suora menetelmä Testi tehdään yleensä juoksumatolla juosten tai kävellen. Testeissä voidaan käyttää myös pyöräergometriä tai soutuergometriä. Testin aikana suoritustehoa nostetaan asteittain, kunnes testattava on lopen uupunut. Kun testattava tekee suoritusta, mitataan hengityskaasuanalysaattorilla hapenottokykyä, hiilidioksidin tuottoa, hengitysosamäärää ja hengitysmuutoksia. Samaan aikaan syke tallennetaan mittarille sekä kuormitusportaan jälkeen otetaan sormenpäästä veren laktaattipitoisuuden määrittämistä varten näytä sormenpäästä. Hengityskaasumittausten, laktaattimääritysten ja syketietojen avulla voidaan luotettavasti määrittää aerobinen ja anaerobinen kynnys. Näitä tietoja voidaan käyttää hyväksi jatkossa kunnon kehityksen seurannassa sekä liikuntaohjeiden laadinnassa. Hengityskaasuanalysaattorin avulla tehtävä testi on toistaiseksi tarkin testi maksimaalisen hapenottokyvyn (VO2 max) määrittämiseen. Testistä saatavat tulokset ilmoitetaan yleensä suurimpana hapenkulutuksen arvona minuuttia kohden (l / min tai ml / kg / min). Suora testi sopii hyvin terveiden ja aktiivisesti kestävyysurheilua harjoittaville kuntoilijoille sekä urheilijoille. (Urheiluvalmennus 2004) Epäsuora menetelmä Suorilla testeillä mitataan VO2max todellisena maksimaalisena lukuarvona. Suoraa testiä ei aina voida kuitenkaan suorittaa esim. huonon peruskunnon tai terveydellisten riskien takia. Näinpä maksimaalinen hapenkulutus voidaan arvioida myös epäsuorilla submaksimaalisilla työkuormituksilla tehdyillä testeillä. Koska hapenkulutus ja sydämen syke nousevat samassa suhteessa kuormituksen noston kanssa, voidaan VO2max määrittää ilman, että ihminen ajetaan täysin piippuun. Epäsuora testi onkin testattavalle huomattavasti inhimillisempi testi ja siksi joukkueurheilussa käyttökelpoisempi menetelmä. Kuva 2. Maskimaalisen hapenottokyvyn mittaus. Koska kestävyysurheilijat harjoittelevat yleensä pienemmillä rasitustasoilla kuin VO2max, tarvitaan myös tietoa submaksimaalisista harjoitustehoista. Näinpä testin yhteydessä määritetään VO2max-testin yhteydessä määritettään yleensä myös aerobinen (AeK) ja anaerobinen (AnK) kynnys. AeK ja AnK ilmaistaan yleensä nopeutena, tehona, sykkeenä ja hapenkulutuksena. Kynnystehojen määrittämisen avulla voidaan ohjelmoida urheilijoiden harjoittelua perus-, vauhti- ja maksimikestävyysominaisuuksien kehittämiseksi. 30

31 Aerobinen kynnys Aerobisella kynnyksellä tarkoitetaan työtehoa, jossa veren laktaattipitoisuus alkaa ensimmäisen kerran kasvaa yli perustason nousujohteisen kuormituskokeen aikana. Samalla keuhkotuuletus jatkaa kasvuaan kuormaa nostettaessa. Yksi AeK:n määrittämisen kriteereistä on, että uloshengitysilman happipitoisuus (O2%) alkaa pienentyä korkeimmasta arvostaan ja hengitysosamäärä nousee alimmasta arvostaan. Hengitysosamäärä (respiratory quotient eli RQ) on luku joka ilmoittaa hengityksen yhteydessä syntyneen hiilidioksidin määrän suhteessa kulutetun hapen määrään. Kun tutkittavan uloshengitetyn hapen ja hiilidioksidin suhde on yhtä iso (CO2/O2 = 1) elimistön energiantuotossa käytetään yksinomaan hiilihydraatteja. AeK erottaa perus- ja vauhtikestävyysharjoittelun tehoalueet erinomaisesti toisistaan. Peruskestävyyttä tulee harjoittaa AeK:n molemmilla puolilla olevilla harjoituksilla. (Olkkonen, 2005) Anaerobinen kynnys Anaerobisella kynnyksellä tarkoitetaan työtehoa, jolla laktaattien nousu alkaa kiihtyä (2-5 mmol x l) nousujohteisen kuormituksen puolivälin jälkeen. Keuhkotuuletus kasvaa suhteessa kulutettuun hapen määrään ja hiilidioksiidien tuotto lisääntyy. Samalla uloshengitysilman happiprosentti laskee entistä selvemmin. AnK erottaa kestävyysharjoittelun vauhti- ja maksimikestävyysalueet toisistaan. Vauhtikestävyysharjoituksissa suoritusteho on aerobisesta kynnystehosta vähän yli anaerobisen kynnystehon. Maksimaalista kestävyyttä harjoitellaan AnK:stä suuremmilla suoritustehoilla. (Olkkonen, 2005) Lähteet Heikkilä Milla, 2009, Opas met- arvojen käytöstä - kirjallisen ohjeistuksen kehittäminen fysioterapeuteille ja fysioterapeuttiopiskelijoille. Opinnäytetyö, Lahden AMK, fysioterapian koulutusohjelma. McLaughlin,J.E.; King,G.A.; Howley,E.T.; Bassett Jr,D.R.; Ainsworth,B.E.Validation of the COSMED K4 b2 Portable Metabolic System, Int.J.Sports Med., 2001, 22, 04, 280,284 Olkkonen Kari, 2005, Fyysisen kunnon mittaus epäsuora menetelmä Mero, A., Nummela, A., Keskinen, K., Häkkinen, K Urheiluvalmennus. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy 31