Gymnastik- och idrottshögskolan, GIH

Double poling (DP) is a sub-technique in cross-country skiing that has increased in interest over the last decades, e.g. athletes in cross-country skiing have increased their utilisation of double poling during competitions. In cross-country sit-skiing athletes with impairments in legs and/or trunk sit in a sledge and utilise DP to propel themselves. Technique (i.e. movement pattern) is one key factor determining performance but also a factor that may affect the risk of overuse injuries in sports.

Therefore, the overall aim of the thesis was to improve the understanding of the human movement technique in cross-country skiing DP, in both standing (paper I-II) and sitting positions (paper III-IV, Thesis A-B) using biomechanical and physiological measurements and inverse dynamics simulations. All studies were carried out on a double poling ergometer in laboratory. Three experimental studies were performed with able-bodied participants (papers I-II, IV-VI), one study with one participant with growth defect in the legs (paper III), and one study (Thesis B) with one participant with complete spinal cord injury at thoracic vertebra 4.

In paper I the first full-body simulation of DP was performed and results were comparable to results found in literature when the kinematics and external kinetics were similar. Paper II showed how increased leg utilisation increased performance (forward impulse) but reduced skiing efficiency (output work divided by metabolic muscle work). These results indicate that both high performance (power output) and efficiency may not be achieved in the same technique.

In sitting DP many different sitting positions are utilised. Athletes with full muscle control in hip and trunk mainly sit with their knees lower than their hips (KLnoS). Athletes with paralysis in lower trunk and legs need trunk stability from the sit-ski. Most often, this is achieved by adopting a knees higher than hips (KH) position together with a support for the lower back. However, this position might induce large flexion in the spine, which is hypothesised to affect injury risk in the shoulders and lower back. This thesis has enabled the knees low sitting position for athletes with paralysis in the lower trunk and legs by supporting the anterior trunk with the sledge (KL).

In sitting DP in athletes with full hip and trunk muscle control, high performance was achieved through proximal-distal sequencing from the hips through the trunk to the arms, and large muscle work in spine and legs (IV, V, Thesis A). In order of performance, KLnoS utilised muscles in the hips-spine-arms, compared with utilisation of spine-arms in KH, and mainly arms in KL. Higher amount of activated muscle mass resulted in lower relative anaerobic metabolism during submaximal exercise (IV).

The lower back joint reactions were higher for the sitting position with larger spinal flexion, KH compared to KL (VI). These results suggest that there is an increased risk of injury in the lower back for the sitting position KH. Athletes with paraplegia generally have a high risk of injuries in the shoulders. The results of this thesis showed higher shoulder joint reactions in the sitting position with larger shoulder-arm muscle work, in KL compared to KH.

For the case study with one participant with thoracic spinal cord injury (Thesis B) highest performance was achieved in the KH sitting position where spinal flexion occurred at the beginning of the poling phase. When comparing the fixed trunk positions KL and KHS, higher performance was achieved in KHS. It was speculated that the difference between KL and KHS was due to the impairment of the vasoconstriction in paralysed muscles. The effect of gravity on venous pooling is probably larger when the legs are lower down as in KL. This effect was not present for individuals without paralysis (III), where KL was more economical than KHS.

Parasport classification needs evidence of how impairment affects sporting performance (Tweedy et al., 2014, Tweedy and Vanlandewijck, 2011). Classification might benefit from simulations as performed in this thesis. The musculoskeletal simulations of seated DP in paper V and the KLnoS position presented in the thesis have showed the relative contribution of different muscle groups on performance. These results are novel and might contribute to improvement of the classification system.

Stakning är en delteknik inom längdskidåkning som har ökat i intresse de senaste årtiondena, bland annat har eliten ökat andelen stakning markant. Längdskidåkning i sit-ski utövas av individer med funktionsnedsättning i benen och/eller bålen. I denna sport används stakning uteslutande för att ta sig framåt. Tekniken, eller rörelsemönstret, är en faktor för prestation inom dessa sporter. Tekniken kan också påverka risken för överbelastningsskador.

Denna avhandling har studerat stakning med det övergripande målet att utöka förståelsen för tekniken i både stående (artikel I-II) och sittande positioner (artikel III-VI samt resultat i avhandlingen A-B). Tekniken har studerats med hjälp av biomekaniska och fysiologiska mätningar i laboratorium samt muskuloskelettära simuleringar. Tre experimentella studier har genomförts med försökspersoner utan funktionsnedsättningar. Två studier har genomförts med försökspersoner med funktionsnedsättningar,  en studie med en försöksperson med tillväxtstörning (förkortade ben) och en studie med en försöksperson med en fullständig ryggmärgsskada vid bröstkota 4.

Artikel I-II visade att stående stakningsteknik med böjda knän ökar prestationen under ett 30 s maximalt test. Med mer böjda ben ökas det metabola muskulära arbetet (beräknat genom simuleringar) och verkningsgraden av det muskuloskelettära systemet minskar jämfört med stakning med raka ben. Denna studie visar exempel på att samma teknik inte uppnådde både högst prestation och effektivitet.

En person med förlamning i nedre delen av bålen och benen behöver stabilitet för bålen av sin sit-ski. Detta uppnås vanligtvis genom att placera knän högre än höfterna (KH). Dock kan denna position skapa en stor flexion i ryggraden, vilket är en risk för skador i ländrygg och axlar. För personer med full muskelfunktion i höft och bål är den vanligaste sittposition knäsittande (KLnoS). Denna avhandling har möjliggjort knäsittande sittposition för personer med förlamning i nedre delen av bålen och benen genom ett stöd framifrån för bröstkorgen i sit-skin (KL).

För sittande positioner för personer utan nedsatt muskelfunktion i höft och bål påvisas att högst prestation uppnås när störst andel muskelmassa arbetar och rörelseomfånget i höft och ryggrad är störst, knän lägre än höft och utan stöd för bålen från sit-skin (KLnoS) (A). När arbetande muskelmassa minskar, minskar också prestationen. Prestationen var lägre i sittposition med knän högre än höfterna (KH) och än lägre i sittposition knän lägre än höft och med ett stöd för bröstkorgen från sit-skin (KL) (IV,V). Med lägre andel aktiv muskelmassa så ökade det relativa anaeroba metabola arbetet, medan det absoluta aeroba metabola arbetet och gross-efficiency (GE) var liknande. Sitt-positionen KH visade på högre flexion av ryggraden, högre metabolt muskelarbete i bålen och högre ledreaktionskrafter i ländryggen, medan sittpositionen KL visade på högre metabolt muskelarbete i axlar och armar och högre ledreaktionskrafter i axlarna (VI). Högre reaktionskraft i ländryggen kan vara kopplat till högre risk för överbelastningskada.

För en försöksperson med förlamning från revbenen och nedåt, var också prestationen högre när bröstkorgens position ej var fix, högre i KH jämfört med KL och knän högre än höft och ett bröststöd (KHS) (B). Resultaten visar också att det inte bara är biomekaniken som påverkar prestationen. I sittpositionerna där bröstkorgens position var fix, KHS och KL, böjdes ryggen bakåt vid stakfasen start och prestationen var högre i KHS. Avhandlingen diskuterar att prestationen påverkas av att låg position av benen medför ökad effekt av gravitationen på blodflödet. Denna effekt blir stor eftersom förlamad muskulatur också har nedsatt funktion av venernas pumpförmåga att återföra blodet till hjärtat. För en person utan förlamningen i benen visade sig det omvända, sittpositionen KL vara mer ekonomisk än sittposition KHS (III).

Sammanfattningsvis, denna avhandling har visat på att flera faktorer för att välja teknik inom stående stakning och sittposition inom sittande längdskidåkning i sit-ski. Samma teknik är inte optimal för alla individer. För stående indikeras att både ökad prestation och verkningsgrad inte uppnås när benen arbetar mer. För sittande är det viktigt att använda sig av höften och bålens muskelarbete och inte sitta fast varken för mycket eller för lite i sit-skin. Avhandlingen visar exempel på att en person med förlamning i nedre bål och ben, har fördel av bålrörelse trots sin förlamning och att benens position påverkar prestationen.

Klassificering inom parasport ska bedöma hur funktionsnedsättningen påverkar idrottsprestationen. Simuleringsmetoderna som använts i denna avhandling kan vara av intresse för utveckling av klassificeringssystem eftersom de har visat hur olika muskelgrupper påverkar prestationen.