Biomechanical analyses of flywheel resistance exercise : From a space- and ground-based perspective

• Astronauts suffer degradation of postural muscles and weight-bearing bones during long-duration spaceflight. Resistance exercise is used as a primary countermeasure against these degradations. However, it has proven difficult to predict appropriate exercise loads, and the countermeasure regimens in current use are not fully preventing bone and muscle loss. It is likely that gravity-independent exercise devices, based on flywheel inertial resistance, will be implemented in future musculoskeletal countermeasure regimens.In this thesis, biomechanical analyses of external and internal exercise loads during flywheel leg resistance exercises, were performed through experimental data collection and musculoskeletal modelling. The thesis is based on four separate studies with the collective aim to provide knowledge that can be implemented when designing flywheel-based strength-training regimens to be used both in terrestrial settings and as countermeasures against musculoskeletal deconditioning in weightlessness.The first study analyzed computed joint kinematics and kinetics, and relative muscle forces in the lower limb during maximal effort flywheel leg press (FWLP) and flywheel squat (FWS) exercises. Results showed that total exercise load was slightly higher during FWS than FWLP, whereas relative muscle force did not differ between the two exercises, suggesting that they may have similar strength training effects.The second study investigated the effect of gravity on internal joint load distribution during leg resistance exercise. This was done in two steps: 1) by comparing joint kinetics during FWLP and FWS at a given submaximal exercise load (80% of the isometric maximum load in FWLP), and 2) by simulating both FWLP and FWS in zero gravity and studying changes in joint loads. The first step revealed greater hip extension moment and lumbar joint-contact forces in FWLP than in FWS, indicating a notable effect of the direction of motion relative to the gravity vector, on body load distribution. Step two showed similar, or lower, joint loads in FWLP when gravity was removed, whereas in FWS, removal of gravity resulted in increased hip extension moment and lumbar force. Collectively, the results suggest that FWLP is a better ground-based analogue than FWS for leg-resistance exercise in space.The third study examined the accuracy of a pressure insole system regarding measurements of centre of pressure and ground reaction force during resistance exercises. The results showed that insoles are capable of accurately measuring centre of pressure at loads higher than 250 N and that force measurements are accurate in exercises involving mainly vertical ground reaction forces, but appears to overestimate ground reaction force for exercises involving greater portions of shear force.The fourth study analyzed low-back loads during FWLP, FWS and barbell back squat. Lumbar compression forces were high and similar in the three exercises, suggesting that the flywheel exercises are capable of stimulating vertebral bone regeneration without inflicting risk of vertebral fractures. Muscle engagement in the investigated back extensors were lower in FWLP than in the other two exercises, although presumed high enough to counteract space-induced atrophy if implemented in countermeasure training regimens.

• Vid långvariga rymdresor drabbas astronauter av att kropssviktsbärande muskler och skelett förtvinas respektive urkalkas. Den huvudsakliga åtgärden för att motverka denna nedbrytning är styrketräning, men det har visat sig vara svårt att förutsäga hur belastningen från en specifik träningsövning kommer att bli i tyngdlöshet. Den typen av träning som utförs vid rymdresor idag är inte tillräckligt bra för att helt motverka nedbrytningen av det muskuloskelettala systemet. Därför behövs ytterligare forskning för att förbättra förutsättningarna för astronauterna att bibehålla styrka och funktion under långvariga rymdfärder.I denna avhandling undersöktes externa och interna belastningar vid styrketräningsövningar för benen som utfördes med svänghjulsapparat, en gravitationsoberoende träningsutrustning som genererar motstånd via trögheten hos ett svänghjul. Fyra studier, baserade på experimentell datainsamling och muskuloskelettal modellering, ligger till grund för avhandlingen. Det övergripande syftet med studierna var att generera kunskap som kan utnyttjas vid utveckling av nya svänghjulsbaserade styrketräningsrutiner som kan användas inte enbart på jorden utan även i rymden, för att förhindra nedbrytning av astronauternas muskel- och benvävnad.I den första studien undersöktes ledvinklar och moment samt relativa muskelkrafter i benen vid två maximala styrketräningsövningar utförda med svänghjulsutrustning: benpress (FWLP) och knäböj (FWS). Försökspersonerna uppnådde högre krafter i FWS än i FWLP men de relativa muskelkrafterna var lika i de båda övningarna, vilket indikerar att de torde framkalla jämförbara träningseffekter.Den andra studien undersökte gravitationens effekt på belastningsfördelningen i kroppen vid styrketräning av benen. Detta gjordes i två steg: 1) genom att jämföra belastningen i leder vid de två övningarna FWLP och FWS som utfördes med samma totala belastning (motsvarande 80% av isometriskt maximum i FWLP) och 2) genom att simulera FWLP och FWS i tyngdlöshet och jämföra skillnaderna i ledbelastning med då övningarna utförs vid normal gravitation. Steg 1 visade högre belastning i höftled och ländrygg vid FWLP jämfört med vid FWS, vilket tyder på att övningens rörelseriktning i förhållande till gravitationsvektorn har betydelse för belastningsfördelningen i kroppen. Steg 2 visade att belastningen vid FWLP till största del var oförändrad när gravitationen togs bort, medan vid FWS ökade belastningen i höftled och ländrygg. Baserat på dessa resultat verkar FWLP vara en bättre modell än FWS för en styrketräningsövning för benen utförd i tyngdlöshet.I den tredje studien undersöktes mätnoggrannheten hos trycksensor-sulor med avseende på registrering av reaktionskraften och dess angreppspunkt vid styrketräning; mätvärdena relaterades till referensvärden som uppmättes med kraftplattor. Resultaten visade att uppmätt angreppspunkt var korrekt vid reaktionskrafter överstigande 250 N. Mätningen av reaktionskrafterna var exakta för övningar där kraftriktningen i stort sett är vertikal, men föreföll överskatta krafter innehållande signifikanta skjuvkraftskomponenter.Den fjärde studien undersökte ländryggsbelastningen vid FWLP, FWS samt benböj utfört med skivstång. Kompressionskraften mellan ländryggskotorna var höga och lika i de tre övningarna, vilket pekar på att svänghjulsträning stimulerar regenerering av benmassa utan att innebära risk för kotfraktur. Aktiviteten i ryggsträckarmusklerna var lägre i FWLP än i de andra två övningarna, men förmodligen tillräckligt hög för att motverka muskelförtvining om övningen implementeras i träningsprogram i tyngdlöshet.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Medicinteknik -- Annan medicinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Medical Engineering -- Other Medical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

AnyBody Modeling System

concentric

eccentric

eccentric overload

inverse dynamics

knee extensors

microgravity

musculoskeletal deconditioning

net-joint moment

AnyBody Modeling System

excentrisk

excentrisk överbelastning

invers dynamik

knäextensorer

koncentrisk

ledmoment

mikrogravitation

muskuloskeletal nedbrytning

Teknik och hälsa

Technology and Health

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)