202
Academy of Physical Education in Katowice Current Research in Motor Control IV From Theory to Implementation Editors: Grzegorz Juras, Kajetan Słomka Katowice 2012

Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Academy of Physical Education  in Katowice 

     

Current Research  in Motor Control IV  

 

From Theory to Implementation    

Editors: Grzegorz Juras, Kajetan Słomka 

  

Katowice 2012

Page 2: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

KOMITET WYDAWNICZY

prof. dr hab. Mirosław Ponczek, (przewodniczący), prof. dr hab. n. med. Andrzej Małecki, prof. dr hab. Sławomir Mazur,

prof. dr hab. Jan Ślężyński, prof. dr hab. Janusz Iskra, dr hab. Władysław Mynarski prof. nadzw., dr hab. Rajmund Tomik prof. nadzw.,

dr hab. Cezary Kucio prof. nadzw., dr hab. Rafał Gnat prof. nadzw., dr Piotr Halemba, dr Jacek Polechoński

Recenzent: prof. dr hab. Wiesław Osiński

ISBN 978-83-64036-01-9

Copyright©2012 by AWF Katowice

Projekt okładki: Kajetan Słomka

Skład tekstu:

BiuroTEXT Bartłomiej Szade www.biurotext.pl Wydawnictwo Akademii Wychowania Fizycznego im. Jerzego Kukuczki w Katowicach

Nakład 150 egz.

Dystrybutor Śląska Księgarnia Kultury Fizycznej, ul. Mikołowska 72A, 40-065 Katowice, e-mail: [email protected], tel. +48 32 2075195 +48 606785430

Page 3: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

From Theory to Implementation 3

Contents

 Preface ................................................................................................................. 6 REDUCED DUAL TASK INTERFERENCE IN MULTIPLE REPEATED DUAL-TASK TESTS: AUTOMATIZATION OR TASK INTEGRATION?8 Manfred Agethen, Daniel Krause ..................................................................... 8 FUNCTIONAL LIMIT OF STABILITY IN RELATION TO STANDING ON INCLINED SURFACE Kristina Buckova, Zuzana Halicka, Jana Lobotkova, Frantisek Hlavacka 15 THE RELIABILITY OF FORCE PRODUCTION ERROR IN HEALTHY INDIVIDUALS Mariusz Furmanek, Kajetan Słomka, and Grzegorz Juras ......................... 20 FINE MOTOR CONTROL AND INDICATORS OF SCHOOL READINESS 6-YEAR-OLD CHILDREN Bogusława Gierat ............................................................................................. 30 HOW VISUAL BIOFEEDBACK MAGNIFICATION AFFECTS UPRIGHT STANCE Zuzana Halická, Jana Lobotková, Kristína Bučková, František Hlavačka 35 TEACHING METHODS IN HURDLE RACES AND RESULTS IN SPECIAL FIELD AND LABORATORY TESTS Janusz Iskra, Jarosław Gasilewski, Jolanta Hyjek, Rafał Zając, Marzena Paruzel-Dyja..................................................................................... 41 BUILDING SYSTEM OF FORECASTING RESULTS JUMP HEIGHT ON NEURO-FUZZY NETWORK CASCADE Ilya Y. Krivetskiy, Grigoriy I. Popov ............................................................. 49 THE INFLUENCE OF PERTURBATION ON THE LIMITS OF STABILITY Patrycja Kołacz, Rafał Zając, Krzysztof Szydło, Kajetan Słomka, Grzegorz Juras ................................................................................................. 56 COMPARISON OF MECHANICAL PARAMETERS OF THE VERTICAL JUMP WITH VARYING LOAD MUSCLES IN BASKETBALL PLAYERS Henryk Król...................................................................................................... 63

Page 4: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

4 Current Research in Motor Control IV THE COMPARATIVE ANALYSIS OF THE STANDING BACKWARD PIKED SOMERSAULT (CASE STUDY) Henryk Król, Małgorzata Klyszcz - Morciniec, Grzegorz Sobota ............... 73 THE INFLUENCE OF PILATES EXERCISES ON POSTURAL STABILITY OF YOUNG AND OLDER WOMEN - COMPARISON OF THE EFFECTS OF SHORT-TERM TRAINING Lidia Kuba, Artur Fredyk, Izabela Zając-Gawlak, Joanna Kantyka ......... 82 CHANGES IN FINE MOTOR BEHAVIOUR WITH AGE (BASED ON VISUO-PROPRIOCEPTIVE AND PROPRIOCEPTIVE ONLY FEEDBACKS) Liudmila Liutsko, Ruben Muiños and Josep Maria Tous-Ral..................... 90 STEP INITIATION: CHARACTERISTICS FROM ACCELEROMETRY AND CAMERA MOTION CAPTURE SYSTEM Jana Lobotkova, Zuzana Halicka, Kristina Buckova, Frantisek Hlavacka 97 PRACTICE-RELATED ADAPTATION TO MOTOR OUTPUT WITH ADDITIVE LOW-LEVEL NOISE Guo Mei-Chun, Hwang Ing-Shiou ................................................................ 104 THE OWN MODIFICATION OF EXERCISE BY MEHRSHEED SINAKI AND NORDIC WALKING FOR SECONDARY PREVENTION IN OSTEOPOROSIS Agnieszka Nawrat-Szołtysik, Józef Opara, Cezary Kucio.......................... 110 EMG SIGNAL ANALYSIS THE MVC TEST BEFORE AND AFTER FUNCTIONAL TESTING IN PATIENTS WITH GONARTHROSIS Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik , Grzegorz Hajduk, Damian Kusz ................................................................... 116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS VS. PHYSICAL FITNESS PREPARATION OF 18 YEAR OLD FOOTBALLERS Marzena Paruzel – Dyja, Leszek Dyja, Janusz Iskra, Jarosław Gasilewski ....................................................................................... 122 SPORTS RESULTS IN WEIGHTLIFTING AND THEIR DETERMINANTS Anna Pilis, Krzysztof Mizera, Cezary Michalski, Jakub Jelonek, Łukasz Grela, Karol Pilis .............................................................................. 129

Page 5: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

From Theory to Implementation 5 THE USE OF SELECTED LINEAR MODELS IN PREDICTING THE RESULTS OF 400-METRE HURDLES RACES Krzysztof Przednowek, Janusz Iskra, Stanisław Cieszkowski ................... 138 TRANSLATIONAL ABILITIES OF HAND MANIPULATION IN TYPICALLY DEVELOPING SOUTH INDIAN CHILDREN D. Sangkari, Ramkumar Govindarajalu...................................................... 145 FIFTEEN MINUTE TREATMENT WITH LOW FREQUENCY, HIGH INTENSITY TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL NERVE SIMULATION (TENS) INCREASES MAXIMUM FINGER FORCE PRODUCTION Karol Sohit and Shim Jae Kun ..................................................................... 152 THE INFLUENCE OF THE ADDITIONAL TASK ON POSTURAL STABILITY Krzysztof Szydło, Kajetan Słomka, Rafał Zając, Patrycja Kołacz, Grzegorz Juras ............................................................................................... 158 CHANGES IN THE LEVEL OF STABILITY WHILE STANDING ON THE BALANCE PLATFORM ON A RIGID AND COMPLIANT SURFACE Dariusz Tchórzewski, Janusz Jaworski........................................................ 165 FITNESS ASSESSMENT IN ICE HOCKEY Milan Turek, Marek Kokinda, Róbert Kandráč HOCKEY FITNESS RELATIVE TO AGE CATEGORIES Milan Turek, Marek Kokinda, Róbert Kandráč......................................... 179 SPECIFICITY OF LEARNING IN STABILOMETER BALANCE TASKS WITH AND WITHOUT VISION Martin Wünnemann ...................................................................................... 186 THE RELIABILITY OF JUMPING TEST AS A TOOL FOR EVALUATION OF MOVEMENT RHYTHM Rafał Zając, Krzysztof Szydło, Patrycja Kołacz, Kajetan Słomka, Grzegorz Juras ............................................................................................... 191 IMPACT OF EXERCISE INTENSITY ON INNER PLEXIFORM LAYER OF THE RETINA Zwierko Teresa, Lubiński W., Czepita D., Lesiakowski P., Krzepota J.... 196   

Page 6: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

6 Current Research in Motor Control IV

Preface 

  I  believe  that  tradition  is what matters  the most.  To  belive  is  one thing, to have a chance to create a tradition is valuable. We have created our own tradition by organizing conferences on motor control in Poland. The last edition was organized from 27 to 29 September 2012 in Wisła in Beskidas Mountains.   Professor  Joachim Raczek, who  is  one  of  the  founders  of  the Motor Control  conference  cycle,  during  our  first meeting  in  2000,  said  that  the processes of motor control are crucial in the area of human motor activ‐ity,  especially  in  motor  rehabilitation,  physical  education  and  sport training. The meaning of this sentence justifies the aim of organizing our conferences. In my opinion, it is important to keep in mind interdiscipli‐nary character of the motor control field but also to consider all possible data  analysis  and  theoretical  frameworks which  are  essential  for better understanding of human motor behavior.    Both,  results  of  interesting  experiments  and  sophisticated  analysis were presented and discussed during  this yearʹs conference. All partici‐pants  emphasized  exceptional, actual and  intelligible  lectures. Again,  it was only possible thanks to our great Speakers!    Invited lectures given by Anatol Feldman, Mark Latash, Mindy Levin, Anna  Jaskólska, Slobodan  Jaric, Klaus Blischke, Alexander Aruin, Nor‐mand  Teasdale,  Evangelos  A.  Christou,  Marcos  Duarte  and  Jan Celichowski were  remarkable.  It  is worth  to mention  the Workshop on Motor  Control  that  was  organized  just  after  the  last  edition  of  our conference. Here, I would like to address my special thanks to Professor Mark Latash, who was a great Lecturer. Thank You  for a  solid dose of knowledge, inspiration and spreading Bernstein’s ghost among us!   The  strong will  to  study and  investigate process of motor  control  is not  the only  incentive  to organize Motor Control  conferences  in Poland, the  second  important  reason  is  to  facilitate  the  interaction  of  scientists from our part of Europe with  researchers  from all over  the World.  It  is our mission to give young scientists the chance to meet,  listen to and to 

Page 7: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

From Theory to Implementation 7

discuss with World  renowned  Invited Speakers.  It works! The presence of a large number of young scientist not only from Poland but also from Slovakia, Czech Republic, Hungary, Germany  and  other  countries was noticeable. I would like to warmly thank all Participants for their input to our conference!     Keeping the tradition of the Motor Control series, involves the publica‐tion of the 4th edition of ”Current research in motor control” which is now in your  hands. This  collection  of  reviewed papers  is  focused  on different subfields  that compromise  the area of motor control. Papers written by professionals  from  rehabilitation,  sport  training  and  clinical  field were included  in  this volume. All of  them  (and a  few more) were presented and discussed in late September 2012 in Wisła. Some of the papers writ‐ten by Invited Speakers were published in Journal of Human Kinetics.   And finally, traditionally  just before or after the Olympic Games, the next Motor Control will be organized in 2016!    You are welcome to participate for the first or fifth time! Tradition must go on!    

Grzegorz Juras        

Page 8: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

8 Manfred Agethen and Daniel Krause

REDUCED DUAL TASK INTERFERENCE IN MULTIPLE REPEATED DUAL‐TASK TESTS: AUTOMATIZATION OR TASK INTEGRATION? 

Manfred Agethen, Daniel Krause1 

Introduction 

  The majority of motor skills are presumably controlled with a high de‐gree of automaticity as expertise  increases. Since motor control happens unconsciously by large at this level, attention can be directed to other im‐portant  aspects  like  for  example  the  position  of  the  opponent  in  sport games. Similar situations can be found in everyday life as well. Humans usually do not think about how to move the lower extremities when they are walking. And what is more, they can focus on other things like traffic, traffic lights or shop windows while walking.    The availability of more  free attentional resources over  the course of practice  is  caused by  the process of automatization  (Adams 1971; Fitts, Posner 1967; Gentile 1972; Shiffrin, Schneider 1977; Logan 1988; Keele et al. 2003). A gradual shift of motor representation from declarative to non‐declarative memory  structures  leads  to more  automatic motor  control (Blischke 2000) which goes hand in hand with shifts of neuronal activity (Doyon  et  al.  2009). As  a measure  for  automaticity many  studies used cognitive  secondary‐tasks  (Blischke 2000; Ruthruff, Van Selst,  Johnston, Remington 2006). During simultaneous conduction of a motor and a cog‐nitive task, there should be no or reduced interferences when performing a motor task with a high degree of automaticity. This is where a synchro‐nous strain using a cognitive secondary task, which needs attention, can expose  in how  far  the primary  task still needs conscious control. There‐

1 - University of Paderborn, Paderborn, Germany

Page 9: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Reduced Dual Task Interference in Multiple Repeated Dual-Task Tests: … 9

fore, interferences on the working memory level can be assumed, when‐ever  there  are  influences  on  performance  compared  to  single‐task  as‐signments (Abernethy 2001).    When defining a secondary task and the consumed resources accord‐ing to Baddeley’s working memory model (2002), we expect higher inter‐ference, if the tasks consume the same working memory resources. And what is more, the Parallel Neural Network Model (Hikosaka, Nakamura, Sakai, Nakahara  1999)  implies  that  control  of movement  sequences  in early  learning  stages  is  based  on  an  attention dependent  visual‐spatial code, while less attention dependent motor code gets more important in later  stages.  In order  to  receive valid answers  to  the question  if and  to what extent the primary task still needs attentional resources, the secon‐dary task should include similar requirements for the working memory. Following  these  ideas we  assume  that  a  visual‐spatial  secondary  task seems  especially  feasible  for  spatial  movement  sequences,  because  it causes a high interference on resource levels for non‐automatized move‐ments by straining the visual‐spatial‐sketchpad (Baddeley 2002).   One  important  methodological  problem  of  testing  automaticity  by dual‐task tests derives from findings that are indicative of other explana‐tions  for  the  reduction of dual‐task  costs apart  from  the expected auto‐matization of motor control. Some studies show an effective task integra‐tion of the two tasks (effective switching of attention between the tasks) instead of an automatization of the primary task to reduce dual task costs (Blischke, Wagner, Zehren, Brückner 2010). Extensive practice of a  task pair can  lead  to different effects. On  the one hand  it can promote auto‐matization of  individual  tasks, which  is characterized by reduced atten‐tional demands in motor control and on the other hand it can teach par‐ticipants  to  efficiently  integrate  processing  of  a  specific  task  pair (Ruthruff et al. 2006).   The reduction of dual task costs caused by automatization of the pri‐mary task  is not related to the dual‐task context. Therefore, also  in dual task contexts, which have not been practiced before (primary task + trans‐fer‐secondary task) reduced DTC should be apparent. Several repetitions of the test could also lead to integrated processing of the task caused by frequent performance of  the dual‐task context. As a conclusion, another 

Page 10: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

10 Manfred Agethen and Daniel Krause

transfer  task  should  be  conducted  to  reliably  exclude  task  integration processes as the explanatory approach. If dual‐task tests are multiple‐re‐peated, as it is the case in many experimental studies (e.g. Poldrack et al. 2005), the resulting reduction of dual‐task costs (DTC) can be caused by different mechanisms;  automatization  or  task  integration.  The  present study provides insides to the validity of multiple repeated dual‐task‐tests to monitor task‐automatization. The transfer‐test‐design should differen‐tiate between efficiently integrated performances of a task pair as a con‐sequence of multiple  repeated dual‐task  tests and automatization of an individual  task  as  a  consequence  of  extensive motor  skill  practice  be‐tween the tests. 

Methods 

  10  subjects  (age:  26.9  [SD  =  3.8]  years;  4  female  and  6 male)  gave a written  informed  consent.  They  practiced  an  elbow‐extension‐flexion sequence with  three movement  reversals  at  80°,  20°  and  70° measured from a defined  starting position of an arm  lever device with a potenti‐ometer. They should perform the task as precise and as fast as possible. The 460 practice  trials were distributed over 6 sessions  (see  table 1). To support motor  skill  automatization processes  the participants practiced with  an  attention  distracting  secondary  task  (spatial‐working‐ memory‐updating task) which was not used in the dual‐task tests (for the effects of dual‐task practice on automatization see Blischke 2000).  

Table 1 

Tests and practice blocks of the 7 experimental sessions  

   Feedback for movement reversals and time was provided after every second  trial.  In pretests, at  the beginning of each session and  in one re‐

Page 11: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Reduced Dual Task Interference in Multiple Repeated Dual-Task Tests: … 11

tention  test,  the movement  task  and  a visual‐spatial  2‐back  task  (onset interval:  1000ms;  stimulus  duration:  500ms) were  tested  under  single‐ and dual‐task conditions (6 trials each). The tests were ordered beginning with 3 single‐task trials of the cognitive task, followed by 3 trails single‐task trials of the motor task, 6 dual‐task trials, additional 3 single‐task tri‐als of  the motor  task and additional 3 single‐task  trials of  the cognitive task. Priority was  instructed  for  the 2‐back  task (multiple‐repeated). For testing context‐unspecific DTC reduction, a transfer dual‐task test (single‐repeated: pretest and retention) with a visual‐spatial Sternberg‐task (on‐set  interval:  900ms;  stimulus  duration:  450ms) was  conducted.  The  re‐sponses of the cognitive tasks (2‐back events and Sternberg targets) were collected via the space button of a standard PC‐keyboard. 

Results 

  The  results  indicate a  context‐specific  reduction of DTC. The 2  (test: pretest;  retention)  x  2  (cognitive  load:  single‐task;  dual‐task)  ANOVA   

 Fig. 1 Means and standard deviations for single‐ (ST) and dual‐task (DT) performance in pretest and retention for the multiple‐repeated 2‐back test (left) and the single‐

repeated Sternberg test (right)  

shows  a  significant interaction  effect  for  the  multiple‐repeated  2‐back test, F(1, 9) = 13.85; p =  .010; eta² =  .61. The errors for the 2‐back test de‐

Page 12: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

12 Manfred Agethen and Daniel Krause

creases  from pretest  to  retention  in  the dual‐task conditions,  t(9) = 4.74;  p= 001; d = 1.53, while this is not the case for the single‐task condition, t(9) = 1.43; p = .186; d = 0.45 (Fig. 1 on the left). The respective ANOVA for the single‐repeated  Sternberg‐test  shows  no  significant  interaction, F(1,9) < 0.01; p > .999; eta² < .01 (Fig. 1 on the right).   Analyzing the absolute error, neither the ANOVA for the n‐back test, F(1, 9) = 1.41; p >  .530; eta² =  .14, nor the ANOVA for the Sternberg test, F(1, 9) = 2.41; p = .310; eta² = .21, show significant interactions test x cogni‐tive load. 

Discussion 

  The results show distinct DTC reduction for the multiple‐repeated 2‐back  test  but  not  for  the  single‐repeated  Sternberg  test.  This  indicates a context specific DTC reduction. Automatization as a consequence of ex‐tensive motor skill practice allows participants to perform tasks without limited central resources and  thus  the reduction of DTC should be con‐text  independent and should occur  in  the single repeated Sternberg‐test as well. Contrary  to  this prediction, we observed no DTC  reduction  for the  Sternberg‐test.  Alternatively  to  task  automatization,  the  multiple repetition of the dual‐task context in the repeated 2‐back test might allow an efficient integration of the two tasks. For instance, repeated dual‐task trials might allow participants  to re‐organize  two  tasks  into a single su‐per‐task or optimized task switching processes, thus eliminating resource competition (Ruthruff et al. 2006). According to this task  integration hy‐pothesis, integration requires dual‐task practice, which could be given in the 36 repetitions of the specific dual‐task context (arm movement and 2‐back task).   Therefore  reduced dual  task  interference  in multiple‐repeated dual‐task  tests  should be  considered with  caution  if automaticity  is  the  con‐struct of interest.    While statistical data for the group seem to prove task integration in‐stead of automatization, looking at individuals offers a more heterogene‐ous picture. The results of 3 participants seem to indicate that some indi‐viduals did not adopt a task‐integration strategy. Furthermore they show 

Page 13: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Reduced Dual Task Interference in Multiple Repeated Dual-Task Tests: … 13

a DTC reduction in both tests (2‐back + Sternberg). This might be an indi‐cation for automatization for these particular individuals.    Compliance to the prioritization of the motor task seemed to be  low, as can be assumed from the behavioral data. Maybe movement intrinsic error feedback directed attention to the movement. 

References 

Abernethy, B. Attention. In R. N. Singer (Ed.), Handbook of Sport Psychology. Second Edition New York: Wiley & Sons, 2001. Pp. 53‐85. 

Abernethy, B. Dual Task methodology and motor skill research. Some Applications and Methodological Constraints. Journal of Human Movement Science, 14, 101‐132, 1988. 

Adams, A.J. A closed‐loop theory of motor learning. Journal of Motor Behavior, 3, 111‐150, 1971. 

Baddeley A.D. Is working memory still working? American Psychologist, 56, 851‐64, 2002. 

Blischke, K. Two procedures one mechanism? Recent findings on the automation of voluntary movements. Journal of Human Kinetics, 4, 3‐16, 2000. 

Blischke, K., Wagner, F., Zehren, B., Brückner, S. Dual‐task practice of temporally structured movement sequences augments integrated task processing but not automatization. Journal of Human Kinetics, 25, 5‐15, 2010. 

Doyon, J., Bellec, P., Amsel, R., Penhune, V., Monchi, O., Carrier, J., et al. Contributions of the basal ganglia and functionally related brain structures to motor learning. Behavioral Brain Research, 199, 61‐75, 2009. 

Fitts, P.M., Posner, M.I. Human Performance. Belmont: Brooks/Cole, 1967 

Gentile, A.M. A working model of skill acquisition with application to teaching. Quest, 17, 3‐23, 1972. 

Hikosaka, O., Nakahara, H., Rand, M.K., Sakai, K., Lu, X., Nakamura, K., Miyachi, S., Doya, K. Parallel neural networks for learning sequential procedures. Trends in Neurosciences, 22, 464‐471, 1999. 

Keele, S.W., Ivry, R., Mayr, U., Hazeltine, E., Heuer, H. The cognitive and neural architecture of sequence representation. Psychological Review, 110, 316‐339, 2003. 

Page 14: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

14 Manfred Agethen and Daniel Krause Poldrack, R. A., Sabb, F. W., Foerde, K., Tom, S.M., Asarnow, R. F., Bookheimer, 

S. Y., Knowlton, B. J. The neural correlates of motor skill automaticity. Journal of Neurophysiology, 25, 5356‐5364, 2005. 

Ruthruff, E., Van Selst, M., Johnston J. C., Remington, R. How does practice reduce dual‐task interference: integration, automatization, or just stage‐shortening? Psychological Research, 70, 125‐142, 2006. 

Schneider, W., Shiffrin, R. M. Controlled and automatic human information processing: I. Detection, search and attention. Psychological Review, 84,  1‐66, 1977. 

          

Page 15: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Functional limit of stability in relation to standing on inclined surface 15

FUNCTIONAL LIMIT OF STABILITY IN RELATION TO STANDING  ON INCLINED SURFACE 

Kristina Buckova, Zuzana Halicka, Jana Lobotkova,  Frantisek Hlavacka1 

Introduction 

  The ability to move the center of gravity voluntarily and keep balance is fundamental for performing mobility tasks such as reaching for objects, transitioning  from  a  seated  to  standing position or walking. The maxi‐mum displacement of  the center of body mass  to external postural per‐turbations  that  can be  controlled with or without a  fall or a  step  is de‐fined as limit of stability (Horak et al., 2005). To investigate limits of sta‐bility (LOS) in absence of external perturbation, the maximum voluntary inclined posture  can  be  evaluated  (Schieppati  et  al.,  1994).  It  is known that limitations in LOS is related to risk for fall or instability during pos‐tural activities and gait. The aim of this study was to investigate the effect of different  support  surface  slope angle on  limit of  stability  in  forward direction. 

Methods 

  In the study participated 8 young volunteers (2 male, mean age 26.1 ± 0.9 years, mean height 171.1 ± 1.2 cm, mean weight 62.7 ± 3.1 kg) free of any  neurological  or  musculoskeletal  disorders.  All  subjects  gave  in‐

1 - Slovak Academy of Sciences, Laboratory of Motor Control, Institute of Normal and

Pathological Physiology, Bratislava, Slovakia

Page 16: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

16 Kristina Buckova et al.

formed consent prior to participation and the local Science Ethical Com‐mittee approved the experimental protocol.    The subjects stood on support surface with variable slope angle which was placed on force platform equipped with automatic weight correction and with direct output of  center of pressure  (CoP)  signal. CoP data  in anterior‐posterior direction were sampled at 100Hz and recorded on PC.   Three  dual‐axis  accelerometers  (ADXL203) were  placed  on  the  fifth lumbar (L5), the fourth thoracic (Th4) vertebra and on half way of ischial tuberosity and popliteal crease on the posterior aspect of the right thigh (RT). Sensors measured both dynamic and static acceleration with a full‐scale range of ±1.7 g. The acceleration output was low‐pass filtered with cut‐off frequency of 5 Hz and was calibrated  in stationary conditions as inclinometer for ± 30 degrees range of body tilt.   Participants were instructed to maintain an upright standing position, with arms comfortable crossed on the chest and with feet parallel at their comfortable stance width. Initial stance position was consistent from trial to  trial. After hearing sound signal  (second sec after  trial start) subjects were asked to lean as far as they could at their comfortable speed without lifting heels of flexing their hips (using ankle strategy) and persist in this position till to trial end.   The slope angle of support surface was at first  in horizontal position with 0° (S0), afterwards in 10° (S1) and 20° (S2) slope angle position. The measurements in these 3 conditions were done with eyes open and eyes closed. Each trial lasted 10s and was repeated 3 times. We evaluated the mean displacement of CoP position and the mean of angle of body seg‐ment tilts in forward direction measured by accelerometers during inter‐val 6‐10s of the each trial. Data were evaluated with MATLAB programs. Analysis of variance with 2‐way repeated measures was used as a statis‐tic method. Post  hoc pairwise  comparisons with LSD  adjustment were performed. 

Results 

  Maximal voluntary body  tilt during  stance on  inclined  support  sur‐face was related  to slope angle of surface. With  increasing angle of sur‐

Page 17: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Functional limit of stability in relation to standing on inclined surface 17

face  inclination,  the displacement of  the CoP during maximal body  tilt was decreased (Fig.1). Similar time courses were found during body tilts with  eyes  closed,  with  decreased  values  of  maximal  CoP  excursion (Fig.2A).   Statistical  analysis  showed  that  CoP  displacement  during  body  tilt with eyes open on horizontal support surface in comparison to first plat‐form inclination (S0‐S1) level was significant (p<0.05). Also comparison to second  platform  inclination  (S0‐S2)  level was  significant  (p<0.01).  The difference between S1 and S2 was not significant (Fig. 2A). Data from in‐clinometer placed at RT showed (Fig.2B) that the stabilized leaning of this segment was smaller  in situations with  increased surface slope (p<0.01). Data from L5 inclinometer similarly showed (Fig. 2C) significant effect of support surface angle slope on body lean (p<0.01). No significant results were between horizontal support surface and S1 or S2 data from Th4 in‐clinometer  (Fig.2D). We also  found out  a significant  influence of vision on  amplitude  in CoP  and RT  (p˂0.01)  and L5  (p˂0.05). From Th4 data a significant  effect  of  vision  was  not  improved.  Interaction  between vision and support surface slope angle was also not occurred.   

S0 platform horizontal 0°S1 platform slope angle10°

S2 platform slope angle 20°

0

5

10

0 7654321 8

sound signal

[cm] 4s

9

CoPforward

time [s]10

 Fig. 1  The grouped averages of CoP forward displacements in 3 angle slope levels (S0, S1, S2) of support surface in condition with eyes open. Estimated values represented an averages of stabilized forward leaning (last 4 s of the trial). 

 

Page 18: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

18 Kristina Buckova et al.

0

2

4

6

8

10

12

14

S0 S1 S2

EO

EC

[cm]**

**

CoP

0

2

4

6

8

10

RT

[ o]

**

*

0

2

4

6

8

10

L5[ o]

**

0

2

4

6

8

10

12

Th4[ o]

*

**

*

*

**

**

A

D

B

CS0 S1 S2

S0 S1 S2 S0 S1 S2

**

 Fig. 2 

Functional limit of stability presented by CoP displacement and three inclinometers outputs (mean values ± S.E.M.). ** p<0.01, * p<0.05.  

Black line‐eyes open, gray line‐eyes closed. 

Discussion 

  Support surfaces inclined from horizontal plane represent a common challenge  in daily postural  activities  of human. An  example  should  be also women’s walking  in high heels  shoes.  In  this work we  focused on effect of inclined support surface on magnitude of voluntary body tilt, by which  is  characterized  functional  limit of  stability. Our  results  showed that functional  limit of stability  in forward direction  is reduced with  in‐creasing of support surface angle slope. 

Page 19: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Functional limit of stability in relation to standing on inclined surface 19

  If  the body  is modelled  as  an  inverted pendulum, CoP  adjustments can  provide  insight  into  how  the  CNS  controlling  COM  movement (Winter et al., 1990). One of the goals of CNS  is to control movement of the COM within  the base of support.  If we consider an  increase of sup‐port  surface  slope  angle  as  progressive  increases  in  postural  threat,  it may  induce  tighter  control of posture  to decrease  the possibility of  the COM falling outside of the base support. Thus, the CoM can be regulated within a smaller boundary by  reducing  the amplitude of CoP displace‐ment. (Adkin et al., 2000).    Whole  body  tilt measured  by CoP displacement  and  body  segment tilts measured by  inclinometers at L5 and RT  levels showed  the similar and  significant  results  related  to angle of  inclined  support  surface  (Fig. 2A,B,C). Inclination of upper trunk at Th4 level were not significant. Be‐cause  our  subjects  were  instructed  to  tilt  forward  without  flex‐ion/extension of knee or hip using only ankle strategy, likely in condition S1 they used combined ankle and hip strategy with flexed trunk.    From  these  results we can conclude  that balance stability  is  reduced during standing and walking on inclined support surface. 

References 

Adkin A. L., Frank J. S., Carpenter M. G., Peysar G. W. Postural control is scaled to level of postural threat. Gait and Posture. 12: 87‐93, 2000. 

Horak F.B., Dimitrova D., Nutt J. Direction‐specific postural instability in subjects with Parkinson´s disease. Exp. Neurol. 193: 378‐395, 2005 

Schieppati M., Hugon M., Grasso M., Nardone A, Galante M. The limits of equilibrium in young and elderly normal subjects and in Parkinsonians. Electroencephalog. Clin. Neurophysiol. 93: 286‐298, 1994 

Winter D. A., Patla A. E., Frank J.S. Assesment of balance control in humans. Med. Prog. Technol. 16: 31‐51, 1990 

Acknowledgments 

This work was supported by VEGA grants No. 2/0186/10 and 1/0070/11.   

Page 20: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

20 Mariusz Furmanek et al.

THE RELIABILITY OF FORCE PRODUCTION ERROR IN HEALTHY INDIVIDUALS 

Mariusz Furmanek, Kajetan Słomka, and Grzegorz Juras1 

Introduction  

  Proprioception  is described as “afferent  information arising  from  in‐ternal  peripheral  areas  of  the  body  that  contribute  to  postural  control, joint  stability,  and  several  conscious  sensations”  (Riemann,  Lephart 2002). Therefore, human conscious proprioceptive sense (PS) can be con‐sidered as a subset of somatosensory system. Joint position sense, kines‐thesia and sense of force (resistance or heaviness) all comprise PS. There are  three  major  testing  procedures  for  PS:  (1)  reproduction  of  pas‐sive/active positioning – commonly called as JPS (Fridén et al. 2001, Grob et al. 2002, Juul‐Kristensen et al. 2008), (2) threshold to detection of pas‐sive motion ‐ TTDPM (Barrack et al. 1989, Ageberg et al. 2007, Boerboom et al. 2008, and (3) force production sense ‐ FP (Dover, Powers 2003). The last one  is studied  the  least, despite  that  it provides crucial  information regarding proprioception system.    The  force production  tests  involve ability of  subjects  to differentiate between  levels of muscle  force  (Raczek et al. 2002, Pincivero et al. 2000, Docherty, Arnold 2008, Lauzière et al. 2012). In order to assess FP a refer‐ence force is used; it is usually defined as a percentage (e.g. 10, 20, 25, 30, 40,  50,  75,  80,  and  90%)  of  a maximal  isometric  voluntary  contraction (MIVC), which  is determined  first.  In  the FP  test an attempt  is made  to replicate  the  required  level  of  the  reference  force.  Testing  can  include several movement tasks such as; bilateral force matching task (Carson et 

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Department of Human Motor

Behaviour, Katowice, Poland

Page 21: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of force production error in healthy individuals 21

al. 2002), unilateral contraction (Pincivero et al. 2000), or a global move‐ment task (Furmanek et al. 2009). Using a visual analogue scale (e.g. VAS, CR‐10), a  force perception  is  tested by  finding  the  relationship between the  force perceived  (from  the scale) and  the  force produced  (from a dy‐namometer) (Pincivero et al. 2000, Lauzière et al. 2012).   Results of previous  investigations  showed  that  the  absolute  error of force production at a knee joint range from 11.9% to 16.3% depending on the task (Lauzière et al. 2012). The same authors also found that simulta‐neous  contraction  grip muscles  of  the  hand  improved  the  accuracy  of force production. Healthy young and  elderly  individuals had  the  same capacity to judge the muscular force of their knee extensors. An interest‐ing finding by Docherty and Arnold (2008) is that the error of FP in ankle testing  performed  at  10,  20,  30%  of MIVC, was  significantly  (p<  0.05) greater in functionally unstable ankles (3.7 ±2.2N) compared to uninjured ankles  (2.8  ±1.1N).  This  study  showed  that  the  FP  is  an  appropriate measure of proprioception. Dover and Powers (2003) examined the reli‐ability of  force  sense  reproduction  in  the  shoulder  joint. They obtained ICC  values  of  0.981  for  internal  and  0.978  for  external  rotation  at  90% range of motion on  two consecutive days. The error of FP  ranged  from 8.3 to 10.5 Nm.   The procedure of the FP error estimation for a knee joint with the use of Biodex apparatus as presented in this work is not reported in the open literature.  The goal of this study is twofold; (a) estimate the reliability of force pro‐duction  error  and  (b)  compare  errors made  by  healthy  female  versus male subjects when testing their dominant and non‐dominant leg in per‐ception of force produced at the knee joint. 

Methods 

Participants Fifteen  healthy,  untrained,  male  and  female  subjects  were  examined. Characteristics are  (mean ±SD); male subjects group  (n=7), age 20.7 ±1.2 years, height  1.84  ±0.6 m, weight  80  ±12.8 kg, percentage body  fat  11.8 ±3.1%, BMI 23.2 ±2.4 kg/m2, and female subjects (n=8), age 20.8 ±1.1 years, 

Page 22: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

22 Mariusz Furmanek et al.

height  1.66  ±0.5 m, weight  55  ±7.1  kg, percentage  body  fat  21.6  ±6.4%, BMI 20.1 ±2.2 kg/m2. Neurological and/or orthopedic conditions disquali‐fied the potential participants. None of the participants had a history of knee  injury. All subjects gave  their written consent  to participate  in  the study. The Institutional Research Ethics Committee approved the study.  

Apparatus Biodex System 4 Pro dynamometer (Biodex Medical System, Inc., Shirley, New York, USA) was used  to measure  the  force production. Reliability and validity of isometric torque measurements of the Biodex were inves‐tigated by Taylor et al.  (1991) and Drouin et al.  (2004). Biodex was cali‐brated before each session following the instructions manual. The dyna‐mometer software produced the average peak torque (PT) over a period of  5  sec  for  each  trial  in Newton‐meters  [Nm]. Experiments were  con‐ducted at standard conditions. 

Procedure   Before  experimental  trials,  participants warmed  up  for  5 min. Each participant performed one practice trial to become familiar with the Bio‐dex dynamometer. All  received detailed  instructions about  the number and  order  of  repetitions.  Subjects were  in  shorts,  barefoot,  and  blind‐folded for the test and sat on the dynamometer chair with 75 degrees of hip  flexion. They were  secured with  straps across  the  chest, pelvis and tight of tested limb. Subjects gripped the straps across the chest to stabi‐lize their bodies during the test procedure. A bilateral assessment of knee extensor  strength  was  performed  to  identify  the  dominant  and  non‐dominant  legs. The  choice  of  tested  limb was  randomized. The  axis  of rotation of  the knee  joint was visually aligned as accurately as possible with the axis of rotation of the dynamometer. The tibia pad was secured to the shank of the leg, 2‐3 cm above the line between medial and lateral malleolus. Gravity correction was obtained by measuring the torque ex‐erted on  the dynamometer with  the knee  in  relaxed  state  in  full exten‐sion. Value of isometric torque was automatically adjusted for gravity by the Biodex software program. Starting test position was 45° of knee flex‐ion.  The  complete  force  production  test  consisted  of  twelve  trials  per‐

Page 23: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of force production error in healthy individuals 23

formed by each subject. First two trials were conducted in order to obtain the MIVC of knee extensors. Then the remaining ten trials were executed with a target to use 50% of MIVC. The isometric contraction and relaxa‐tion  times  lasted 5 and 30 sec respectively  for  the  two MIVC  trials, and 5 and 15 sec for the remaining ten trials. Subjects received feedback about their force‐matching performance only after first 50%MIVC trial.  

Data processing    Half of the mean of the two MIVC peak torque values was established as a  reference peak  torque  (RPT)  for  the  ten 50%  target  trials. Then  the average of ten 50% target of MIVC (TMEAN50%) peak torque values was calculated.  Finally,  the  force production  error  (FPE) was  calculated  ac‐cording to Equation 1.   

 Eq. 1. The above procedure was repeated for each subject and results were used in  a  subsequent  repeated‐measure  analysis  of  variance  (ANOVA)  in STATISTICA  package  (version  10)  to  evaluate  gender  differences  and dominant  limb  impact  on  the  FPE. A  p‐value  of  lower  then  0.05 was adopted as statistically significant.  The reliability of FP was estimated by the use of intraclass correlation co‐efficient (ICC), as described by Shrout and Fleiss (1979):  

 Eq. 2. where MSB, MSR, and MSE are the mean square of the 2‐way ANOVA, n is the number of subjects, and k is the number of trials. In addition, the reli‐ability coefficient  (R) was calculated by averaging k‐trials and  the num‐ber  of  trials  (k)  to  obtain  a  target  reliability  coefficient R  (Tab.  1).  ICC values  range between 0  (no  reliability) and 1  (perfect  reliability), and  is interpreted as  follows: <0.40  ‐ poor, 0.40‐0.75  ‐ moderate and >0.75  ‐ ex‐cellent (Fleiss 1986). 

Page 24: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

24 Mariusz Furmanek et al.

Results 

  The ICC results for the singular trial (ICC2,1) and estimation of the re‐liability coefficient R by averaging k-trials (ICC2,k) for MIVC and FPE are presented in Table 1. 

Table 1 ICC values for 1 and k trials, number of trials (k) to be averaged in order to 

obtain an ICC≥ 0.90 of analyzed variables, MIVC – maximal isometric voluntary contraction, FP – force production 

Variable  ICC2,1  ICC2,k  k for ICC ≥ 0.90 

MIVC [Nm]  0.892  0.943  2 

FP [Nm]  0.806  0.954  5 

FP [Nm]  0.806  0.976  10    Depending on the variable, a different number of trials should be per‐formed to achieve the required reliability. For the maximal isometric vol‐untary contraction  test  (MIVC) only  two  trials are needed  to obtain  the ICC over 0.90. Whereas, for the force production error test (using 50% of MIVC)  five  trails are enough  to achieve  the desired reliability ICC= 0.95 (Tab. 1).  

 Fig.1 Mean and SD for absolute percentage force production error for M ‐male  

and F ‐ female subjects. 

Fig.2 Mean and SD for absolute percentage force production error for DLK‐ 

dominant limb knee  and N‐DLK ‐ non‐dominant. 

 

Page 25: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of force production error in healthy individuals 25

The 2‐way repeated‐measures analysis of variance (ANOVA) showed no significant differences between the genders F(1, 13)= 0.458, p= 0.510 (Fig. 1),  and  no  significant  differences  between  the  knees  of  dominant  and non‐dominant limb F(1, 13)= 0.012, p= 0.913 (Fig. 2). The average absolute force  production  error was  17.1  ±6.5%  and  showed  no dependence  on gender or dominant/non‐dominant site.  

Discusion 

  There are  several procedures  to  carry out experiments and  calculate force production error. For instance Dower and Powers (2003) requested from  their  subjects  to  achieve  the  target  force,  then  to maintain  it  for 3 sec, while concentrating on how much  force was being exerted. After 3 sec of relaxation and removing the visual feedback the subjects were in‐structed  to  reproduce  the  force. Thus,  the  test was  called  as a  force‐re‐production  rather  than  force production. Their FPE  ranged  from  8.3  to 10.5 Nm and are  lower  that  the FPE reported  in  the present study. This difference  can be attributed  to  the procedural easiness of  the  task  their work and the use of different joints.    Lauzière et al. (2012) used a similar procedure as  in this study; how‐ever  they performed only  two  trails  for both MIVC and 50% of MIVC. They also calculated the mean of the peak torque in different way. The PT signal was  averaged over  a period of  1sec  just before  the beginning of contraction release. The absolute error was defined differently; as a dif‐ference between the % of force scored on visual analogue scale and that produced on dynamometer. This could explain why they obtained lower FPE values, 14.9% (young group) and 15.8% (elderly group) when com‐pared  to  the averaged FPE 17.1 ±6.5%  reported here.  It  is  interesting  to note  that  the majority  (60%)  of  our  subjects  underestimated  the  force sense, with  the mean raw  force production error  ‐2.3 ±13.5%. Lauzière’s team (2012) study showed that the force produced was 12.5% lower than the force perceived (from the analogue scale). This in part could explain the  high  FPE  obtained  in  the  present work. However,  it  does  require more comprehensive investigation. Another factor when considering the FP error differences is a knee angle value used in different investigations. 

Page 26: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

26 Mariusz Furmanek et al.

Pincivero et al.  (2000) assessed MIVC at 60° of knee  flexion, Lauzière et al.  (2012)  at  75°, while  in  this  study  an  angle of  45° was  adopted. This value was selected because, as suggested by Barrack et al. (1989), the ab‐sence of proprioceptive afferent input from the anterior cruciate ligament at lower knee flexion angles. Furthermore, testing positioning, equipment calibration,  and  gravity  correction  are  all  important  factors when  esti‐mating reliability. For instance, Pincivero et al. (2000) obtained ICC=0.98, but for three MIVC and visual feedback and verbal encouragement were administered.   As  initially  postulated,  no  differences  in  FPE  between  gender  and dominant limb knee were found in this study. In a study by Boerboom et al. (2008) it was demonstrated that the dominant leg had no influence on the  threshold detection. However, a small statistically significant differ‐ence between men and women in threshold detection was noted. Control group in Barrack’s et al. study (1989) produced identical threshold values between  left‐right  knees  (mean  variation  being  less  than  2%,  p=0.63). Other investigations (Barrett et al. 1991, Fremerey et al. 2000) showed that there were no significant differences between women and men and be‐tween  the  dominant  and  non‐dominant  sides while  testing  JPS.  There were no gender differences  in perceived exertion, across all  levels (from 10‐90% MIVC)  of  exercise  intensity  in  knee  extensors  (Pincivero  et  al. 2000) and knee flexors (Pincivero et al. 2003). Despite the fact that males have larger diameter of muscle fibers compared to female (Kanehisa et al. 1996),  proprioceptive  mechanoreceptors  located  within  the  muscu‐lotendinosus  tissue  (Golgi  tendon  organs)  and  the muscle  spindles  lo‐cated in the muscle tissue responsible for conveying information regard‐ing muscle tension, length and rate of changes in length, are the same in both genders. Hence the functioning of knee extensors is independent of gender  and  dominant  side.  A  measure  of  force  production  might  be a better indicator of proprioception because of an increase in afferent in‐formation (muscle spindles) as compared with others method evaluating proprioception.    We conclude  that  regardless of  the procedure adopted  it  is very  im‐portant that both the device used in the measurement and the methods of collecting data  are  reliable. This  study  revealed  that proposed  test  and 

Page 27: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of force production error in healthy individuals 27

the  results analysis procedures of  force production error  test are highly reliable measures of proprioception. Using BIODEX dynamometer to as‐sess MIVC mean of two trials provided a reliable score, while to achieve a reliable  force production error only  five repetitions  is needed. Further investigation is needed to learn how force sense is affected by injuries as results form force production tests could be a vital concern in rehabilita‐tion/training programme.  

References 

Ageberg E., Flenhagen J., Ljung J. Test‐retest reliability of knee kinesthesia in healthy adults. BMC Musculoskelet Disord. 2007, 8:57. 

Barrack RL., Skinner HB., Buckley SL. Proprioception in the anterior cruciate deficient knee. Am J Sports Med. 1989, 17(1): 1‐6. 

Barrett DS., Cobb AG., Bentley G. Joint proprioception in normal, osteoarthritic and replaced knees. J Bone Joint Surg Br. 1991, 73(1): 53‐56.  

Boerboom AL., Huizinga MR., Kaan WA., Stewart RE., Hof AL., Bulstra SK., Diercks RL. Validation of a method to measure the proprioception of the knee. Gait Posture. 2008, 28(4): 610‐614.  

Carson RG., Riek S., Shahbazpour N. Central and peripheral mediation of human force sensation following eccentric or concentric contractions. J Physiol. 2002, 539: 913‐925. 

Docherty CL., Arnold BL. Force sense deficits in functionally unstable ankles. J Ortho. Res 2008, 26(11): 1489‐1493. 

Dover G., Powers ME. Reliability of Joint Position Sense and Force‐Reproduction Measures during Internal and External Rotation of the Shoulder. J Athl Training. 2003, 38(4): 304‐310. 

Drouin JM., Valovich‐mcLeod TC., Shultz SJ., Gansneder BM., Perrin DH. Reliability and validity of the Biodex system 3 pro isokinetic dynamometer velocity, torque and position measurements. Eur J Appl Physiol. 2004, 91(1): 22‐29. 

Fleiss RL. The design and analysis of clinical experiments. New York: John Wiley and Sons. 1986. 

Fremerey RW., Lobenhoffer P., Zeichen J., Skutek M., Bosch U., Tscherne H. Proprioception after rehabilitation and reconstruction in knees with 

Page 28: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

28 Mariusz Furmanek et al.

deficiency of the anterior cruciate ligament: a prospective, longitudinal study. J Bone Joint Surg Br. 2000, 82(6): 801‐806. 

Fridén T., Roberts D., Ageberg E., Waldén M., Zätterström R. Review of knee proprioception and the relation to extremity function after an anterior cruciate ligament rupture. J Orthop Sports Phys Ther. 2001, 31(10): 567‐576. 

Furmanek M., Słomka K., Juras G. Force platform evaluation of kinesthetic movement differentiation ability. Current research in motor control III. From theories to clinical application. The J. Kukuczka AWF Katowice. 2009, 299‐306. 

Grob KR., Kuster MS., Higgins SA., Lloyd DG., Yata H. Lack of correlation between different measurements of proprioception in the knee. J Bone Joint Surg Br 84(4): 614‐618. 

Juul‐Kristensen B., Lund H., Hansen K., Christensen H., Danneskiold‐Samsøe B., Bliddal H. Test‐retest reliability of joint position and kinesthetic sense in the elbow of healthy subjects. Physiother Theory Pract. 2008, 24(1): 65‐72.  

Kanehisa H., Okuyama H., Ikegawa S., Fukunaga T. Sex difference in force generation capacity during repeated maximal knee extensions. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1996, 73(6): 557‐562. 

Lauzière S., Dubois B., Brière A., Nadeau S. Magnitude of force perception errors during static contractions of the knee extensors in healthy young and elderly individuals. Atten Percept Psychophys. 2012, 74(1): 216‐224. 

Pincivero DM, Campy RM, Coelho AJ. Knee flexor torque and perceived exertion: a gender and reliability analysis. Med Sci Sports Exerc. 2003, 35(10): 1720‐1726. 

Pincivero DM., Coelho AJ., Erikson WH. Perceived exertion during isometric quadriceps contraction. A comparison between men and women. J Sports Med Phys Fitness. 2000, (4): 319‐326. 

Raczek J., Mynarski W., Ljach W. Kształtowanie i diagnozowanie koordynacyjnych zdolnosci motorycznych. AWF Katowice. 2002. 

Riemann BL., Lephart SM. The sensorimotor system, part I: The Physiologic Basis of Functional Joint Stability. J Athl Training. 2002, 37(1): 71‐79. 

Shrout PE., Fleiss JL. Intraclass correlation: uses in assessing rater reliability. Psychological Bulletin. 1979(86): 420–428. 

Page 29: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of force production error in healthy individuals 29

Taylor NA., Sanders RH., Howick EI., Stanley SN. Static and dynamic assessment of the Biodex dynamometer. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1991, 62(3): 180‐188. 

Acknowledgement  

This study was supported by statutory funds from Academy of Physical Education in Katowice.      

Page 30: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

30 Bogusława Gierat

FINE MOTOR CONTROL AND INDICATORS OF SCHOOL READINESS 6‐YEAR‐OLD 

CHILDREN  

Bogusława Gierat1 

Introduction 

  The question of when a child is ready to start school is a difficult one and school readiness has been a controversial issue for years. The concept of school readiness refers to the child’s attainment of a certain set of skills needed to learn, work and function successfully in school and has tradi‐tionally  focused on  cognitive and behavioral  characteristics, which pre‐dict  later achievements  (La Paro, Pianta 2000; Wilgocka‐Okoń 2003; Vi‐taro at al. 2005). Many requisite skills for first formal learning of reading, writing and arithmetic falls in the realm of fine motor control, a process that  involves  coordination of movements of  the muscular,  skeletal  and neurological systems to produce precise movements.   Aspects, that are considered to be critical indicators of pre‐school chil‐dren’s degree  of  school  readiness,  evolve  in  tandem with  the develop‐ment of movement coordination. A child’s falling behind on one essential skill may have a negative  influence on other related skills and gives  in‐formation  to teachers and parents regarding delays  in  the child’s devel‐opment.  Preventive  intervention  treatment  of  children,  who  show a lower  level  of  cognitive  skills, may  also  require  an  improvement  of motor  coordination. Of  course, all of  this points  to  the  importance and the need not only of  the motor development of preschool children, but also of the diagnosis in this area.  

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Katowice, Poland

Page 31: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fine motor control and indicators of school readiness 6-year-old children 31

  Most  pre‐schools  have  some  form  of  school  readiness  assessments. These are usually done in the childʹs final year of pre‐school and inform parents  and  educators  of whether  a  child will  cope  effectively  in  first grade. These assessments are far from perfect and do not necessarily take account of all of  the  important predictors associated with  school  readi‐ness. Currently, many experts, mainly clinicians, emphasize,  that move‐ment  coordination  is  a  critical  building  block  for  a  child’s maturity  to primary  school  and  should  never  be  overlooked.  (Case‐Smith  1998; Carlton, Winsler 1999; Kurdek, Sinclair 2000).    The  purpose  of  this  study was  to  explore  the  relationship  between fixed and generally assessed school readiness  indicators and movement coordination  of  preschool  children,  before  their  leaving  kindergarten. Developing a better understanding of how  the distinct key elements of school readiness relate to each other prior to formal school entry may by helpful  for  teachers,  kindergarten  professionals  and  parents  to  devise more  comprehensive  strategies  in  helping  children  become  ready  for school. 

Methods 

  Twenty‐nine children from three randomly selected public kindergar‐ten classes were recruited for the study. The children’s age was from 6,2 to 7,4. School readiness of preschool children was evaluated toward the end of kindergarten  by  using  the  Education  Diagnosis  Tool  for  6‐7–year‐old children (Tryzno 2006). The EDT relies on the teachersʹ perceptions of the childrenʹs skills in 4 ar‐eas:  

- skills of visual analysis and synthesis (7 tests) - hearing ‐ language skills (6 tests) - graphomotor skills (4 tests)  - preparation for mathematics (6 tests). 

  After  the  scores  for  the  subtests  are determined,  they  are  added  to‐gether to get a total score. The total score was matched to one of the five levels of school readiness.  

Page 32: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

32 Bogusława Gierat

  Aspects of  fine motor control were diagnosed using  the battery of 4 motor tests: hand coordination, simple and choice reaction time tests (Vi‐ena Computer Test System) and pursuit space orientation test (Computer System “Motoryk”). 

Results 

  To determine  the  relationship between motor  coordination and  spe‐cific domains of school readiness of preschool children, Pearson’s simple correlations between the two sets of variables have been calculated first. A correlation matrix is presented in Table 1.   The obtained results show, that correlation coefficients are statistically significant  in  most  cases.  The  observed  relationships  indicate,  that  a higher level of the development of orientation, hand coordination, simple and  choice  reaction  time  was  associated  with  better  scores  of  school readiness. The coefficients of the correlation demonstrated, that the total score of EDT is significantly related to the results of performance on each of the tested coordination functions.   

Table 1 

Correlation coefficients  indicators of school readiness  and aspects of movement coordination 

 Simple Reaktion Test 

Choise Reaktion Test 

Two Hand Test 

Pursuit Test 

Visual Analysis and Synthesis 

‐0,33  ‐0,47**  ‐0,40*  ‐0,43* 

Hearing –Language Skills 

‐0,35  ‐0,46**  ‐0,33  ‐0,31 

Graphomotor Skills 

‐0,46**  ‐0,36*  ‐0,24  ‐0,24 

Preparation for Mathematics 

‐0,30  ‐0,31  ‐0,48**  ‐0,41* 

Total score EDT  ‐0,39*  ‐0,48**  ‐0,43*  ‐0,43* *p ≤ 0.05; ** p ≤ 0.01  

Page 33: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fine motor control and indicators of school readiness 6-year-old children 33

The results of the canonical correlation analysis showed, that the general coordination  function  aggregate  correlates  moderately  and  positively with  the development of skills and abilities  in preschool age, which de‐fine the readiness for beginning school (Tab. 2). 

Table 2 

Canonical coefficient for the complex coordination and cognitive variables   Canonical R  Chi^2  df  p   .638  12,561  4  .013 

Discussion 

  Despite  the  shown  relationship between motor  skills and  success or failure at the start of primary school  in the clinical literature, fine motor control  is  generally  neglected  in  the  conceptualization  and  testing  of school  readiness  (Geuze  et  al.  2001;  Sortor, Kulp  2003; Missiuna  et  al. 2007). The authors of studies, which show an association of motor diffi‐culties with traditionally assessed indicators of school readiness, suggest to give more attention to movement coordination exercising in preschool age, as well as putting the children  in a situation, where they will solve different motor problems. In such a way small children will develop their motor and cognitive components of motor behavior, what will contribute to  the  childrenʹs  readiness  for  school  and  later  to  the  entire  schooling. Children with better  coordination  abilities  can better  adapt  to different problem  situations,  activities  and  tasks  at  the beginning of  and during their schooling.    The  first step  in understanding  fine motor control as an  indicator of school readiness might be to evaluate the correlation of movement coor‐dination  with  cognitive  characteristics,  which  have  been  traditionally used  to estimate school readiness, prior  to  formal school entry. The sta‐tistically  significant and positive correlation between a set of aspects of coordination and a set of variables of school readiness determined in this study indicate, that the diagnosis of coordination can be used to develop testing procedures used  to determine  the  school  readiness of preschool children. 

Page 34: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

34 Bogusława Gierat

References 

Carlton M. P., Winsler A. School readiness: The need for a paradigm shift. School Psychology Review, 28: 338–352, 1999. 

Case‐Smith J. Fine motor and functional performance outcomes in preschool children. American Journal of Occupational Therapy, 50: 52–61,1998. 

Geuze R. H., Jongmans M. J., Schoemaker M. M., Smits‐Engelsman B.C.M. Clinical and research diagnostic criteria for developmental coordination disorder: A review and discussion. Human Movement Science, 20: 7‐47, 2001.  

Kurdek L. A., Sinclair R. J. Psychological, family, and peer predictors of academic outcomes in first‐ through fifth‐grade children. Journal of Educational Psychology, 92: 449–457, 2000. 

La Paro K. M., Pianta R. C. Predicting children’s competence in the early school years: A meta‐analytic review. Review of Educational Research, 70: 443‐484, 2000. 

Missiuna C., Moll S., King S., Law M. A trajectory of troubles: Parentsʹ impressions of the impact of developmental coordination disorder. Physical and Occupational Therapy in Pediatrics, 27, 81 – 101, 2007. 

Sortor J. M., Kulp M. T. Are the results of the Beery‐Buktenica Developmental Test of Visual‐Motor Integration and its subtests related to achievement test scores? Optometry and Vision Science, 80: 758‐763, 2003. 

Tryzno E. Diagnoza edukacyjna dzieci 6‐, 7‐letnich rozpoczynających naukę : wersja po badaniach pilotażowych. Gdańsk : Harmonia, 2006. 

Vitaro F., Brendgen M., Larose S., Tremblay R. E. Kindergarten disruptive behaviors, protective factors, and educational achievement by early adulthood. Journal of Educational Psychology, 97: 617‐629, 2005. 

Wilgocka‐Okoń B.‐ Gotowość szkolna dzieci sześcioletnich. Warszawa : Żak, 2003. 

Page 35: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

How visual biofeedback magnification affects upright stance 35

HOW VISUAL BIOFEEDBACK MAGNIFICATION AFFECTS UPRIGHT STANCE  

Zuzana Halická, Jana Lobotková, Kristína Bučková,  František Hlavačka1 

Introduction 

  To maintain  balance  effectively,  inputs  from  visual,  proprioceptive and vestibular systems are needed. The purpose of biofeedback systems is  to provide additional sensory  information about body sway. Biofeed‐back is known to improve postural control and reduce postural sway.   Visual biofeedback (VBF) consists of supplying individuals with addi‐tional artificial visual information about body motion to supplement the natural visual  information and  improve human balance  (Giansanti et al 2009).    Previous  studies  showed  that  postural  sway  can  be  reduced when VBF of  the  centre of pressure  (CoP) position  is provided. Reduction of postural sway was significant when real‐time, unmagnified plot of CoP position was presented compared to a condition in which vision was only fixed on a stacionary target (Gatchev et al 1981). Further reduction should occur, when VBF is magnified.    The purpose of the study was to assess the effects of CoP based VBF on balance control during stance on different support surface and to de‐termine  the  optimal  magnification  of  the  CoP  position  displayed  on monitor.   

1 - Slovak Academy of Sciences, Laboratory of Motor Control, Institute of Normal and

Pathological Physiology, Bratislava, Slovakia

Page 36: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

36 Zuzanna Halicka et al.

Methods 

  Twenty healthy young adults  (9 men and 11 women; mean age 26,5 years, mean  BMI  21)  participated  in  the  study.  They  declared  neither neurological, orthopaedic, nor balance  impairments. They gave  their  in‐formed consent in agreement with the Declaration of Helsinki. The study was approved by the local Ethics Committee.   CoP  displacements  in  the  anterior‐posterior  (AP)  and medio‐lateral (ML) direction  in upright  stance were measured by custom made  force platform  with  3  force  transducers  inbuilt,  equipped  with  automatic weight  correction,  and with  direct  output  of  CoP  sampled  at  100 Hz. Obtained  data  were  directly  recorded  on  MacPC  and  analyzed  with MATLAB program. The balance was assessed during quite stance  in 10 conditions: stance with eyes open on firm / foam surface (control condi‐tions) and stance on firm / foam surface with additional VBF presented at 4 magnifications (Gain 1, Gain 2, Gain 5, Gain 10). VBF was presented as moving  red point  on monitor  screen  controlled  by CoP positions  from a force  platform.  We  evaluated  6  parameters  of  CoP:  amplitude  and velocity  in  anterior‐posterior  (Ay,  Vy)  and  medial‐lateral  (Ax,  Vx) directions, root mean square (RMS) and line integral (LI).   The participants  stood on  the platform barefoot with heels  together and feet displayed at angle of about 30º. During control conditions they were  given  an  instruction  to  fix  the  gaze  on  the  black  point  placed  in a white scene  in  front of  them,  to sway as  little as possible and breathe normally.  In conditions with VBF  they were  instructed  to minimize  the extent of red point movements around the centre of the cross displayed on the monitor. The monitor (38 x 31 cm) was placed in front of the sub‐ject in a distance of 1 m. Participants had time to practice before each ses‐sion. The shift of CoP with value 1, 2, 5 or 10 cm in real was equal to 1, 2, 5 or 10 cm shift of the red point on the monitor. Each trial lasted 50 s.   A 2 (surface: firm / foam) x 5 (magnification: eyes open / Gain 1 / Gain 2 / Gain 5 / Gain 10) repeated measures ANOVA was performed on each evaluated variable and body segment separately with a 0.05 level of sig‐nificance.  Greenhouse‐Geisser  adjustments  were  performed  in  cases where the assumption of sphericity was violated. Post hoc pairwise com‐

Page 37: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

How visual biofeedback magnification affects upright stance 37

parisons with  Bonferroni  adjustment were  performed  on  each  level  of surface to further explore differences between VBF situations comparing to control situations. 

Results 

  Providing of VBF led to reduction of postural sway during the stance on both  types of support surface. ANOVA revealed significant effect of gain  in parameters Ax, Ay and RMS. A significant effect of surface was found in all measured parameters. Also a significant interaction between surface and gain was observed in all parameters except Vy (Tab. 1).   

Table 1  

F coefficients from 2‐way repeated measures ANOVA of CoP parameters: Ax, Ay, RMS, Vx, Vy, LI. Evaluated ANOVA factors were: surface, gain and 

interaction of surface and gain ANOVA surface gain surface*gain

Ax 75,019*** 43,588*** 25,722***

Ay 95,708*** 61,435*** 7,178**

RMS 95,157*** 77,171*** 16,550***

Vx 104,404*** 3,075 4,714*

Vy 98,225*** 1,268 2,524

LI 117,782*** 2,687 5,435**  *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001 

   Pairwise comparisons with Bonferroni adjustment performed on each type of surface showed decrease of parameters Ax, Ay and RMS during all VBF conditions except Ax on firm surface (Fig. 1A). Decrease of these parameters was also observed  in VBF situations with greater magnifica‐tions  comparing  to  lower magnifications. The most  significant  changes were  observed  in  parameter Ay.  Significant  decrease  of Ay  values  on both surface types was observed in higher magnifications (5x, 10x) com‐paring  to  1x magnification  (Fig.  1B).  Similar  tendency was  seen  in  pa‐rameter RMS  (Fig.  1C). RMS  represents  the  overall  stability  of upright stance independently from the direction of postural sway therefore it was used  to determine  the effectiveness of VBF on different support surface 

Page 38: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

38 Zuzanna Halicka et al.

types  (firm  and  foam). Normalized  values  of  parameter  RMS  showed greater decrease of RMS values during  the stance on  foam surface  (Fig. 1D). Velocity of body sway and LI did not change significantly.   

 Fig. 1 

The grouped averages of CoP parameters: Ax (A), Ay (B), RMS (C) and normalized RMS (D), during the stance with eyes open on firm (EO) and foam (FEO) surface and during situations with VBF magnified 1x (Gain 1), 2x (Gain 2), 5x (Gain 5) and 10x (Gain 10). VBF situations on firm surface (black) are compared to control situation EO. VBF situations on foam surface (grey) are compared to control situation FEO. VBF situations are also compared to each other. The averaged data are presented as mean values ± SEM. Post hoc 

differences are marked: *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001 

Discussion 

  Our results suggest that any magnification in range 1x ‐ 10x provides meaningful additional  information and  is helpful  for postural  stabiliza‐tion  in  young  healthy  population.  Litvinenková  and  Hlavačka  (1973) 

Page 39: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

How visual biofeedback magnification affects upright stance 39

concluded that the optimal magnification for the control of quite standing balance is between 2x and 4x. Rougier et al. (2004) presented visual feed‐back at magnifications ranging from 2x to 20x and found out that control of corrective processes involved in quite stance increases with increasing magnification of visual  feedback. Cawsey et al.  (2009) proved  that pos‐tural control of quite stance continued to change with increases in magni‐fication  of VBF  beyond  those  previously  examined. Our  results  are  in agreement with  the previous studies. We also observed  that  the greater magnification  led  to  greater  reduction  of  body  sway  amplitudes  and RMS. According to our results we would determine magnification 5x as the  optimal  magnification  of  CoP  position.  Also  magnification  10x showed the same improvement of balance control but many participants marked  this  magnification  as  the  least  pleasant.  Amplitudes  of  body sway and RMS seem to be the most appropriate parameters to test the ef‐fectiveness of additional visual biofeedback.    Standing on  foam surface  led  to a greater decrease of  these parame‐ters. This finding is also in agreement with previous study of Cawsey et al. (2009) who found out that when balance was made more difficult by standing  on  foam,  posturographic measures  reached  plateau  at  higher magnifications  than  when  standing  on  a  firm  surface.  This  suggests a greater reliance on vision to maintain balance in situation when the pro‐prioceptive information from feet is altered.    Velocity  and  line  integral  of CoP did  not  show  any  increase which would  suggest  the voluntary activation  in postural  control. We assume that young participants were able to significantly reduce the amplitude in both  directions  while  their  velocity  showed  no  increase.  The  subjects probably  used  postural  strategy with  increased  stiffness  of  body  sway (Abrahamová and Hlavačka 2008) or other type of strategy (f.e: arousal of attention) is involved in the process of postural stabilization. 

References 

Abrahámová D., Hlavačka F. Age‐related changes of human balance during quiet stance. Physiol Res. 57: 957‐64, 2008 

Cawsey R.P., Chua R., Carpenter M.G., Sanderson D.J. To what extent can increasing the magnification of visual feedback of the centre of pressure 

Page 40: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

40 Zuzanna Halicka et al.

position change the control of quiet standing balance? Gait Posture. 29: 280‐284, 2009 

Gatchev G., Draganova N., Dunev S. Role of the visual feedback in postural control. Agressologie.22A:59‐62. 1981 

Giansanti D., Dozza M., Chiari L., Maccioni G., Cappello A. Energetic assessment of trunk postural modifications induced by a wearable audio‐biofeedback system. Medical Engineering & Physics. 31(1): 48‐54. 2009 

Litvinenková V., Hlavačka F. The visual feed‐back gain influence upon the regulation of the upright posture in man. Agressologie. 14(Spec NO C):95‐9, 1973 

Rougier P., Farenc I., Berger L. Modifying the gain of the visual feedback affects undisturbed upright stance control. Clin Biomech (Bristol, Avon). 19(8):858‐67, 2004 

Acknowledgments 

This work was supported by VEGA grants No. 2/0186/10 and 1/0070/11.                

Page 41: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Teaching methods in hurdle races and results in special field and laboratory tests 41

TEACHING METHODS IN HURDLE RACES AND RESULTS IN SPECIAL FIELD 

AND LABORATORY TESTS 

Janusz Iskra1, Jarosław Gasilewski2, Jolanta Hyjek3, Rafał Zając3, Marzena Paruzel‐Dyja1 

Introduction 

  Hurdling  is a  technically difficult  track and  field event. The  specific way of clearing the hurdle consists in attacking it with one leg (the lead leg), and then clearing it with the other leg (the trail leg).    In a 400 m hurdle race, a longer distance between hurdles and low po‐sition of hurdles do not require the same number of strides (although this situation often occurs), so the hurdle is often attacked with both legs (left and right). The choice of  the  lead  leg  is  influenced by many  factors,  i.a. somatic  build,  the  level  of  fitness  and  coordination  abilities,  functional asymmetry of lower limbs and the teaching method (Iskra 1999).   A  very  important  role  in  hurdling  is  played  by  technical  (rhythmic) preparation.  The so‐called “running rhythm” in hurdling events is not clearly defined. In many  publications  the  so‐called  “hurdling  rhythm”  is  equated with the number of strides taken while covering the distance between hurdles. Following  this way  of  reasoning  Sedlacek  and Matousek  (1985)  intro‐duced the notion of “rhythmic unit”, describing it as the way of covering the  distance  between  hurdles  in  a  given  time with  a  given  number  of strides, whereas Letzelter et al. (1995) explicitly defined “hurdle rhythm” 

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Katowice, Poland 2 - State School of Higher Vocational in Racibórz, Poland 3 - Doctoral Studies, APE Katowice, Poland

Page 42: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

42 Janusz Iskra et al.

as the stride rhythm. Iskra (1999) described “hurdling rhythm” as an op‐timal  (as  far  as  the  number  of  strides  and  the  running  pace  are  con‐cerned) way of covering the distance in the shortest time possible, taking into consideration the level of motor and technical preparation as well as somatic build. High level of a sense of rhythm can be a sign identifying a good  hurdler.  The  lack  of  clear  definitions  of  the  so‐called  “hurdling rhythm” and the so‐called “stride pattern” results in the fact that this is‐sue  is more  frequently  judged  in  terms of horse races  than hurdle races (Deuel, Lawrence 1987, Williams, Norris 2007). 

Material and methods 

  The  research was  carried  out  in  2011  as  a  pedagogical  experiment which was conducted with  the use of  the parallel groups  technique. 50 students of Physical Education of  the State Higher Vocational School  in Racibórz participated in our study. They were divided into three groups – A, B and C  (Tab. 1). The  experiment  consisted  in  carrying out a pre‐liminary measurement in the form of a laboratory test: “OptoJump” and typical hurdle  run  tests  (the details are presented  in  table 2). Next, a 5‐week process of  teaching  the hurdling  technique was  conducted  in  the experimental groups. The details of the teaching are presented in table 1.   The main purpose of this study was to estimate the influence of differ‐ent methods of  teaching hurdle  runs on  the  choice of  a  lead  leg  in  the groups of physical education students. The following research questions were formulated: 1. Does a 5‐week period of teaching the rudiments of hurdling influ‐

ence the choice of the lead leg? 2. Do the rhythmic movement skills assessed by means of laboratory 

tests differ in the research groups? 3. Do the laboratory tests assessing rhythmic abilities can be regarded 

as diagnostic while estimating the choice of the lead leg?   Rhythmic ability  test with  the use of “OptoJump”  (produced by Mi‐crogate from Bolonia) was used in the research. It enables to estimate the rhythmic  abilities  for  cyclic movements  by  defining  the  accuracy with which the imposed rhythm was identified and performed during testing. 

Page 43: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Teaching methods in hurdle races and results in special field and laboratory tests 43

Table 1 

Research plan 

Groups (sex)  Number of subjects 

Measurement  Experimental factor 

A. Experimental group (F + M) 

16  04‐06.2011 

5‐week programme  of  teaching  hurdling with the right leg as the leading one  

B. Experimental group (F + M) 

15  04‐06.2011 

5‐week programme  of  teaching  hurdling with both right and left leg as the leading one 

C. Control group  19  04‐06.2011 No experimental  factor applied 

 Table 2 

Hurdling conditions in the research groups 

Form of a run  Number of hurdles 

Height of 

hurdles Distance between hurdles 

60 m run   5 K 76,2 M 83,8 

Approach: 13 m, inter‐hurdle spacing: 6,50 m for women and 7,50 m for men. 

150  m  run (standard hurdle spacing) 

9 K 76,2 M 83,8 

Hurdles spaced according to the scheme: approach 13 m, inter‐hurdle spacing 15 m, the distance from the last hurdle to the finishing line 17 m. 

150  m  (non‐standard hurdle spacing) 

9 K 76,2 M 83,8 

Hurdles spaced according to the scheme: approach 13 m, inter‐hurdle spacing 10‐15‐20‐15‐10‐15‐20‐15, the distance from the last hurdle to the finishing line 17 m. 

 OptoJump is an optical measurement system consisting of a transmitting and  receiving bar. Each of  these contains 100  leds working with 100Hz frequency. The  leds on  the  transmitting bar  communicate  continuously 

Page 44: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

44 Janusz Iskra et al.

with those on the receiving bar. The system detects any interruptions in communication between the bars and calculates their duration.     In order to calculate the percentage value of attacking the hurdle with the left or right leg the laterality index (LI) was used (Williams and Nor‐ris 2007): 

LI = (RL‐LL) / (RL+LL) x 100, LI – laterality index RL  –  the  number  of  hurdles  cleared with  the  right  leg  as  the 

leading one LL  –  the  number  of  hurdles  cleared  with  the  left  leg  as  the 

leading one    The  results  of  the  research were presented  by means  of descriptive 

statistics ( x , SD). The differences between the groups were assessed us‐ing the analysis of variance (ANOVA). 

Results 

  In all research groups the differences in test results and laterality indices before the experiment were statistically not significant. Only in case of the total number of strides taken in a 150 m hurdle race with regular spacing of the  hurdles  the  differences  between  all  three  groups  were  statistically significant with p≤0,05. The detailed data are presented in table 3.   After the experiment statistically significant differences  in the results (p≤0,05) were observed in case of the laterality index calculated for a 150 m hurdle  race with  irregular  spacing  of  the hurdles. High  correlations were  also  observed  in  case  of  average  contact  time  in  the  unassisted phase. It shows that the level of the “so‐called” sense of rhythm and the ability to perform the imposed rhythm increased in all three groups. The details are presented in Table 4.     

Page 45: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Teaching methods in hurdle races and results in special field and laboratory tests 45

Table 3 

The significance of changes in chosen parameters before the experiment (ANOVA) 

Parameter  Group A1 

Group A2 

Group A3 

F  p 

60 m hurdle race– result (s)  12,46±1,50  12,74±1,42  12,55±0,97  0,15  0,87 Total number of strides (60 m hurdle race) 

17,71±4,70  20,18±1,72  16,15±4,26  3,19  0,05 

Laterality index (60m hurdle race) 

22,86±89,39  52,73±68,86  60,00±74,83  0,85  0,43 

150 m hurdle race – regular inter‐hurdle spacing (s) 

30,04±5,71  29,72±4,01  30,31±3,93  0,47  0,95 

Total number of strides (150 m hurdle race with regular inter‐ hurdle spacing ) 

78,93±14,41  76,09±10,51  87,46±9,02  3,18  0,05* 

Laterality index (150m hurdle race) 

38,10±84,59  5,05±91,13  62,39±69,91  1,49  0,24 

150 m hurdle race – irregular inter‐hurdle spacing. (s) 

30,67±5,40  30,32±4,18  30,91±3,99  0,05  0,95 

Total number of strides (150 m hurdle race, irregular inter‐hurdle spacing.) 

85,14±13,30  80,91±11,07  90,23±8,50  2,08  0,14 

Laterality index (150m hurdle race)  44,44±73,32  ‐9,09±78,54  35,04±68,77  1,80  0,18 

T Cont. (s) – assisted phase  0,86±0,05  0,88±0,03  0,87±0,06  0,54  0,59 T Flight (s) – assisted phase  0,14±0,04  0,13±0,03  0,13±0,04  0,82  0,45 Height (cm) – assisted phase  2,70±1,49  2,06±0,92  2,26±1,24  0,88  0,43 Pace (step/s) – assisted phase  1,00±0,03  1,00±0,01  1,01±0,04  0,29  0,75 T Cont. (s) – unassisted phase  0,82±0,04  0,86±0,05  0,84±0,07  1,36  0,27 T Flight (s) – unassisted phase  0,15±0,05  0,13±0,03  0,14±0,03  1,45  0,25 Height (cm) – unassisted phase   3,21±1,98  2,19±1,07  2,44±1,10  1,67  0,20 Pace (step/s) – unassisted phase  1,03±0,05  1,02±0,03  1,03±0,07  0,18  0,84 * ‐ p≤0,05 Group A1 – followed the programme of teaching hurdling with the right leg leading  Group A2 – followed the programme of teaching hurdling with both legs leading  Group A3 – followed the teaching programme without the elements of the hurdling technique T Cont – average contact time, T Flight – average flight time, Height – average height of the jump, Pace – average rhythm,  

Page 46: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

46 Janusz Iskra et al.

Table 4 

The significance of changes in chosen parameters after the experiment (ANOVA) Parameter  Group 

A1 Group A2 

Group A3 

F  p 

60 m hurdle race – result (s)  12,14±1,53  12,44±1,14  12,56±1,02  0,41  0,67 Total  number  of  strides  (60  m hurdle race)  17,14±3,98  19,27±1,62  16,08±4,33  2,39  0,11 

Laterality index (60 hurdle race)  85,71±53,45  9,09±104,45  63,08±75,65  3,03  0,06 150  m  hurdle  race  –  regular inter‐hurdle spacing (s) 

28,81±4,66  30,15±4,95  30,13±3,70  0,39  0,68 

Total  number  of  strides  (150 m hurdle race) 

78,43±13,64  83,45±11,42  86,08±12,20  1,29  0,29 

Laterality  index  (150m  hurdle race) 

76,19±61,92  13,13±88,03  65,81±67,05  2,61  0,09 

150  m  hurdle  race  –  irregular inter‐hurdle spacing. (s)  29,62±4,95  30,65±5,11  31,36±3,80  0,48  0,62 

Total  number  of  strides  (150 m hurdle race) 

82,29±13,43  87,45±11,48  90,69±7,16  1,99  0,15 

Laterality  index  (150m  hurdle race) 

85,71±36,57  19,19±85,65  48,72±65,03  3,45  0,04* 

T Cont. (s) – assisted phase  0,87±0,05  0,89±0,03  0,87±0,06  0,62  0,54 T Flight (s) – assisted phase  0,14±0,04  0,11±0,02  0,13±0,04  2,74  0,08 Height (cm) – assisted phase  2,75±1,48  1,53±0,59  2,22±1,38  2,90  0,07 Pace (step/s) – assisted phase  0,99±0,03  1,01±0,02  1,02±0,08  0,80  0,46 T Cont. (s) – unassisted phase  0,82±0,04  0,88±0,04  0,88±0,09  3,84  0,03* T Flight (s) – unassisted phase  0,16±0,05  0,12±0,03  0,13±0,04  2,92  0,07 Height (cm) – unassisted phase  3,28±2,00  1,82±0,81  2,24±1,40  3,07  0,06 Pace (step/s) – unassisted phase  1,03±0,05  1,00±0,03  1,01±0,11  0,33  0,72 * ‐ p≤0,05 Legend – as in Table 3 

Discussion 

  The study has an innovative and original character because of the use of OptoJump method for analyzing the hurdle runs, therefore  it  is diffi‐cult  to  find  similar  publications.  In  2001 Glazier  and  Irwin  conducted a research on  the validity of  stride  length estimates produced by Opto‐Jump, however  the  results  suggested  insufficient validity  in  this meas‐urement variable from a motor control perspective. 

Page 47: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Teaching methods in hurdle races and results in special field and laboratory tests 47

  The process of teaching the hurdling technique should consist of three stages:  physical  and  mental  preparation  for  hurdle  training,  learning a competition  technique and contest preparation. As  far as coordination abilities are concerned a very important role in developing and improv‐ing the technique (way) of hurdle clearing and running between hurdles is played by rhythmic abilities, kinesthetic diversification and also spatial imagination (Iskra 2001).    The research revealed statistically significant differences in the results of all groups in 150 m hurdle race with regular inter‐hurdle spacing only before  the experiment  (Tab. 3). This allows us  to  form a conclusion  that none of the methods of teaching the hurdling technique significantly in‐fluenced the choice of the  lead  leg and the number of strides at the dis‐tance with regular inter‐hurdle spacing. It suggests that hurdlers, know‐ing the distance between the hurdles, reacted spontaneously, with the in‐born level of rhythmic abilities and spatial intelligence. After the experi‐ment  statistically  significant differences  in  the  results were observed  in the laterality index of the 150 m hurdle race with irregular hurdle spacing (Tab. 4).  It  clearly proves  that  the  level of  chosen  coordination abilities (movement  rhythmization, spatial  intelligence)  increased.  It can be con‐cluded that the hurdler who doesn’t know the distance to the next hurdle has  to react more consciously, using  the store of special  flexibility exer‐cises which also  includes  the  level of chosen coordination abilities. The subjects didn’t have to react spontaneously with their  inborn ability po‐tentials  but  randomly  chose  the  leading  leg without  concentrating  on a fitter  or  more  dominant  one,  because  the  difference  in  the  level  of fitness of both  limbs reduced. This fact  is also confirmed by statistically significant differences in the average contact time in the unassisted phase which prove that after the teaching process the subjects did better in per‐forming the memorized stride rhythm.    In the group which was trained to hurdle with both right and left leg leading  after  a  5‐week period of  teaching  the  students  jumped  slightly lower and adjusted the rhythm better, especially in the unassisted phase (Tab. 4). Moreover, the height of the  jump can be significant for keeping the rhythm (the students jumped lower and adapted better to the memo‐rized rhythm which lengthened the ground contact time). 

Page 48: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

48 Janusz Iskra et al.

Conclusions 

1. A  5‐week  process  of  teaching  the  rudiments  of  hurdling  signifi‐cantly  influences  the choice of  the  lead  leg  in case of  the distance with irregular inter‐hurdle spacing. 

2. The  rhythmic movement  skills  assessed  by means  of  laboratory tests do not differ in three research groups. The method of hurdle runs’ teaching partly influences the increase of rhythmic abilities. 

3. Diagnostic usefulness of laboratory rhythmisation tests for estimat‐ing the choice of the lead leg requires further research. 

References 

Deuel N.R., Lawrence L. M. 1987. Laterality in the gallop gait of horses. Journal of Biomechanics 20(6): 645‐649. 

Glazier P. Irwin G. 2001. Validity of stride length estimates obtained from optojump. 19 International Symposium on Biomechanics in Sports, University of San Francisco, pp. 98‐101. 

Hay L. Schoebel P. 1990. Spatio‐temporal invariants in hurdle racing patterns. Human Movement Science 1: 37‐54. 

Iskra J. 1999. Bieg na 400 m przez płotki. Przygotowanie sprawnościowe i techniczne na różnych poziomach zaawansowania. WSP Rzeszów. 

Iskra J. 2001. Morfologiczne i funkcjonalne uwarunkowania rezultatów w biegach przez płotki. Akademia Wychowania Fizycznego, Katowice. 

Letzelter H., Letzelter M., Honda Y., Steiman W. (1995). Schrittgestaltung im 400‐m‐Hürdenlauf der Jugend. Leichtathletik, 10:41‐47; 11: 49‐51; 12: 52‐58. 

Mehlich R. 2004. Poczucie rytmu zawodników uprawiających bieg przez płotki. Praca doktorska. Akademia Wychowania Fizycznego, Katowice. 

Sedlacek J., Matousek R. 1985. Analŷza zmiĕn rychlosti v bĕhu na 400 m prekážek. Atletika 10, 16‐18. 

Waśkiewicz Z., Juras G., Raczek J. 1999. The computer supplemented diagnosis of rhythm. Journal of Human Kinetics 2 67‐78. 

Williams D.E., Norris B.J. 2007 Laterality in stride pattern preferences in racehorses. Animal Behavior 74, 941‐950.  

  

Page 49: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Building system of forecasting results jump height on neuro-fuzzy network … 49

BUILDING SYSTEM OF FORECASTING RESULTS JUMP HEIGHT ON NEURO‐FUZZY 

NETWORK CASCADE 

Ilya Y. Krivetskiy, Grigoriy I. Popov1 

Introduction 

  High jump has a fairly complicated biomechanical structure, which is difficult  to model using  the  system of  equations due  to high degree of freedom  in motion  of  different  parts  of  the  body which  varies  signifi‐cantly in its kinematic characteristics during the process of a jump. There is an opportunity  to overcome  these difficulties owing  to modern com‐puter technologies, in particular, neural system formalization.    Previously, we attempted  to create  two models of a high  jump, pro‐jecting  both  the  success  of  clearing  the  bar  and doing  so  on  a  specific mark [2]. The first system is based on discriminant analysis, and the sec‐ond is done using cascaded fuzzy neural network; N.S. Bezrukov et al [1] theoretically proved  the possibility of employing  this network  for mod‐eling  various  prediction  systems. We  found  out  that  system  based  on fuzzy  neural  network  has  less  forecast  error  rather  than  discriminant model, which  is  important  for working out  the  jump  technique. More‐over, it has a number of advantages: user can educate the system himself as the number of experiments grows; software  interface allows not only forecasting,  but  modeling  the  conditions  for  the  successful  jump  by changing input data. Therefore, we can assume that neural network sys‐tems  are  promising  in  technical  track  and  field  athletics,  in  particular, high jumping.  

1 - The Russian State University of Physical Education, Sport, Youth and Tourism,

Department of Natural Sciences, Moscow, Russia.

Page 50: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

50 Ilya Y. Krivetskiy and Grigoriy I. Popov

  A number of biomechanical  indicators, allowing  the highest  forecast accuracy  for  the  success  of  a  jump  on  a  set  height, were  selected  for building a neural network as a  result of multiple discriminant analysis. At the same time, for the real‐life training practice it is recommended for the model to include those parameters that can be changed along the way to  achieve  rational  biomechanical  correlations  ensuring  the  success  of a high jump.    The  aim  of  our  study  was  to  construct  a  biomechanical model  of a high  jump  based  on  cascaded  fuzzy  neural  network  to  optimize  the training process of high jumpers.  

Methods  

  An athlete – master of sports – took part in the research. Videocyclo‐graphy was  the main  instrument  for  collecting  data;  it  recorded  kine‐matic motions of high jumper as he performed competitive exercises.    Two high‐speed video cameras (210 frames per second and 50 frames per  second)  angled  at  45º  to  each  other were  used. Reflective markers were placed on the ankle, knee, hip, shoulder and elbow of the subject.    92 high  jumps were  recorded. Processing and calculation of  the  reel were done with video analysis software Dartfish (Switzerland) by 48 ki‐nematic characteristics: time, angle, speed and line.  

Results 

  In order to select those biomechanical parameters which can be influ‐enced by the means of training we chose those characteristics that influ‐ence  the  success of a  jump  for each model  in  the  system. We analyzed samples of kinematic parameters  in successful and  failed attempts, and then, we defined parameters significantly different in the following sam‐ples using Student criterion:  1. Successful and failed attempts (actual height, recorded at the level 

of general center mass passing the highest  lifting point, below the bar);  

2. Successful  and  failed  attempts  (actual  height  is  either  above  or equal to the bar).  

Page 51: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Building system of forecasting results jump height on neuro-fuzzy network … 51

Then  the 10 parameters  that can be subject  to correction with methodic instructions  or  training means were  selected  out  of  the  received  kine‐matic parameters (Tab. 1, 2).    Systems for forecasting the success of a high  jump were modeled us‐ing  cascaded  fuzzy  neural  network  in  Medical  Toolbox  package  [1]. These systems have the same structure, showed on the Fig. Input data are parameters determined above.    Forecast system consists of two units: pre‐processing unit and neural fuzzy output unit. Pre‐processing unit is an exponential function for each input signal and serves to ensure the equivalence of transformed data in range and distribution. Pre‐processing unit ensures that transformed data is in the same range (‐1, 1) with an equal distribution.  

Table 1 

Kinematic characteristics of the subject influencing the success of a jump on a given height  

  Subject 1  Competitive result (bar height) (m) 2  Distance between the take‐off point to the bar projection (m)  3  Body angle to the vertical line at the take‐off (degrees)  4  Body angle  to  the vertical  line at  the amortization stage at  the penultimate 

stride (degrees)  5  Average length of the last three strides (m)  6  Average tempo of the last three strides (steps/second)  7  Coefficient of tempo mobilization  8  Hip angle at the take‐off point (degrees)  9  Angle at the placement for take‐off (degrees)  10  Hip joint angle in the take‐off amortization stage (degrees)     Neural  fuzzy  output  unit  (Fig.1)  is  a  convergent  tree‐like  structure consisting of four layers with nodes (first layer has 5 nodes, the second – 2  nodes,  the  third  and  the  fourth  each  have  1  node).  Each  layer  has hybrid network with ANFIS  (Adaptive‐Network‐Based Fuzzy  Inference System) architecture. It was suggested by Jang in early 1990s and is of the hybrid fuzzy neural networks – neural network of direct distribution of the special signal [3].  

Page 52: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

52 Ilya Y. Krivetskiy and Grigoriy I. Popov

Table 2 

Kinematic characteristics of the subject influencing the success of clearing the bar at the actual height of a jump  

  Subject 1  Actual height of a jump (m)  2  Distance between the take‐off point to the bar projection (m)  3  Body angle to the vertical line at the take‐off (degrees)  4  Body angle  to  the vertical  line  in  the amortization stage at  the penultimate 

stride (degrees)  5  Velocity of the last stride (m/s)  6  Duration of the support phase for the last stride prior to the take‐off (s)  7  Length of the last stride prior to the take‐off (m)  8  Average length of the last three strides (m) 9  Average tempo of the last three strides (steps/second)  10  Tempo mobilization coefficient   

 Fig. 1 

Structure of the forecasting system of a success of a jump based  on cascaded fuzzy neural networks  

  

Page 53: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Building system of forecasting results jump height on neuro-fuzzy network … 53

  Neural fuzzy output unit (Fig.) is a convergent tree‐like structure con‐sisting of  four  layers with nodes  (first  layer has 5 nodes,  the second – 2 nodes, the third and the fourth each have 1 node). Each layer has hybrid network with ANFIS (Adaptive‐Network‐Based Fuzzy Inference System) architecture. It was suggested by Jang in early 1990s and is of the hybrid fuzzy neural networks – neural network of direct distribution of the spe‐cial signal [3].    Hybrid networks have  single‐type  structure and are distinguished by the coefficients which are determined during the education of network in the software.    Performance of  each  sub‐system  is  estimated  at  the output of  fuzzy neural output unit. For  the  first one  it  is an athlete will clear  the bar  is below 0, otherwise – won’t be able to do that. The error in this system for the training data was 0% and for the verification data – 7.7%. For the sec‐ond one it is an athlete will jump higher than the bar level and clear it if less than 0, otherwise – will be able to jump higher than the bar, but will knock it down. The error in this system for the training data is 9.1% and for the verification data – 16.7%.  

Discussion  

  As demonstrated by  the  research  [2],  success of a  jump depends on a number  of  kinematic  characteristics,  and  they  depend  on  each particular athlete. Core contradiction  in the motion education  lies  in the fact that daily practice of using training methods is based on forming the inner content of motions by trainee trying to imitate some ideal external forms of the exercise showed to him by a coach as an example [5]. In the meantime,  it  is  obvious,  that  those  external  motions  themselves  are derived  from  changes  in  the  inner  content,  in  particular,  coordination between muscle groups (intermuscular coordination) of an athlete in any given  exercise.  Deep‐rooted  practice  of  training  by  imitating  and  the virtual  absence  of  any methodical means  to  control  the  correct  inner content of motions hindered the comprehension of the said contradiction. Inability of the trainee to master the complicated move right away forced 

Page 54: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

54 Ilya Y. Krivetskiy and Grigoriy I. Popov

coaches  to use  such  training plans  that  simplified and broke down  the move into several elements.    The approach used in our research is aimed at combining the coordi‐nating components of the movement structure during a jump with exter‐nal  parameters  of  this motor  activity,  controlled  by  the  biomechanical analysis of  a  jump  and pedagogical observations  available  to  a  trainer. Certainly, only a  limited number of parameters can be analyzed by  the developed neural model due to its inherent limit on the used indicators. But even this model if provided with some parameters can predict other indicators which would allow improving the result of a particular athlete. These estimations will lay down the foundations for the training process aimed at achieving a particular result.  

Conclusion 

  At present, comparing  the model and actual parameters achieved  in a jump ensures the optimum selection of training methods. At the same time, the static and average nature of model characteristics prevents from taking  individual  features  of  an  athlete  into  account  from  the  point  of view of biomechanics of a jump.   The  interactive system  for  forecasting  jump success which we devel‐oped  is based on  the analysis of biomechanical characteristics of a high jump. It allows creating  individual models for high‐class athletes. Using this  instrument, which  takes  into account  individual biomechanical  fea‐tures of the  jumping style of an athlete, we can analyze all the stages of a jump in detail and improve the technique by pointed correction of par‐ticular motions of body parts. It will lead to achieving a perfect combina‐tion of kinematic parameters which would insure the highest result.    The important feature of the developed system with hybrid networks with ANFIS architecture is a possibility of reeducating it as a number of experiments grows. An opportunity for mutual improvement of a system and a user  is what distinguishes  it from a set of modern model features used in theory and practice of training. Software interface allows chang‐ing input system data and therefore model a result of a jump for different combinations of its biomechanical parameters.  

Page 55: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Building system of forecasting results jump height on neuro-fuzzy network … 55

References 

Bezrukov N.S., Eremin E.L., Ermakova E.V., Kolosov V.P., Perelman Y.M. Automated system Medical Toolbox for diagnosing bronchial asthma using rheoencephalography results. Informatics and Control Systems. 1 (11): 73‐80, 2006.  

Jang J.‐S. R. ANFIS: Adaptive‐Network‐Based Fuzzy Inference System. IEEE Trans. Systems & Cybernetics. 23: 665‐685, 1993.  

Krivetsky I.Y., Popov G.I., Bezrukov N.S. Modeling the success of motions in high jumps. Informatics and Control Systems. 2 (28): 126‐132, 2011. 

    

Page 56: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

56 Patrycja Kołacz et al.

THE INFLUENCE OF PERTURBATION  ON THE LIMITS OF STABILITY 

Patrycja Kołacz, Rafał Zając, Krzysztof Szydło,  Kajetan Słomka, Grzegorz Juras1 

Introduction 

  Postural  stability  is  a  very  complex  phenomena  that  is  beyond  our conscious processes.  Fear  of  falling  or  anxiety  concerning  stability  loss can  be  reflected  in modification  of  body  posture  during  quiet  stand‐ing (Adkin et al. 2000, 2001, Carpenter et al 2001, Brown et al. 2006). It is well known that fear of falling may lead to decrease of the center of pres‐sure range (COP) or increase in the center of pressure velocity. It is due to increased ankle joint stiffness and increased agonist and antagonist mus‐cles  work (Adkin,  2002).  In  order  to  manipulate  psychological  factor which  is  fear of  falling, usually heights  is used (Adkin et al. 2002, 2003, 2009, Brown et al. 2005, Carpenter et al. 2001, Davis et al. 2008, Min et al. 2011). According  to Brown  et  al.  (1999)  fear of  falling  is based on per‐ceived risk of  injury. They also reported that the significantly higher  in‐stability  can  be  observed when  people  stand  81  cm  above  the  ground level  compared  to  19  cm. Usually  similar  studies  are  limited  to  quiet standing. Therefore  the aim of  this work was  to define  the  influence of height on postural stability with the use of Limits of Stability Test (Juras et  al.  2008).  In  order  to  increase  fear  of  falling  visual  information was limited.   

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Department of Human Motor

Behaviour, Katowice, Poland

Page 57: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of perturbation on the limits of stability 57

Methods 

  The  study  was  conducted  on  15  healthy,  male,  PE  students. They were at  the  age  of 21  ±  1,2  years, their  average  body weight  and height were 75  ± 5,1  kg, and  181 ±  6,5 cm  respectively  (mean±SD).  Sub‐jects who were professional sportsmen, or reported any  injuries, or  fear of heights were excluded from the experiment. The study was approved by the Institutional Ethics Committee.   COP  displacements  were  recorded  with  the  use  of  force  platform (AMTI Accugait) with  the  sampling  frequency  set  to  50 Hz.  The  force platform was placed on the ground level (LO), and at the height of 90 cm above  the  ground  level  (HI). The  platform was  placed  on  the stable wooden platform with the support surface size of 120x 120 cm and height of 90 cm. For security reasons gymnastic mats were placed in front of the platform.   In order to check the influence of height on the extent of postural sta‐bility in  the  sagittal  plane the  limits  of  stability  (LOS)  test  was  used (maximum forward lean). Subjects were asked to use ankle joint strategy to  perform  the  forward  lean.  The  test was conducted barefoot.  Partici‐pants  stood  straight  with  feet hip‐width  apart,  with  arms  along  their sides  and gaze  directed straight  ahead. Each  trial  lasted 30  seconds. All trials started with 10 seconds of quiet standing, after which an acoustic signal was  triggered  to  initiate  the  forward  leaning phase. Subjects exe‐cuted  the  leaning movement at  their own pace until  they  reached  their maximal range. A maximal leaning position achieved by the subjects was maintained until  the  end of  the  trial,  15  seconds on  average.  If partici‐pants  lost balance  they were asked  to repeat  the  trial  (Juras et al. 2008). Each measurement was repeated two times and these results were aver‐aged  for  the  further  analysis.  The  experiment  consisted  of  eight  trial conditions sequenced in the following order: forward LOS test at a height of 90  cm above  the  ground with  eyes  open  and  next with  eyes  closed, backward LOS test at a height of 90 cm above the ground with eyes open and  next  with  eyes  closed.  The  same procedure  was repeated  at  the ground level.  

Page 58: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

58 Patrycja Kołacz et al.

 Fig. 1 

Experimental conditions (LOS test forward)  

 Fig. 2  

COP displacement during LOS test forward in AP    The  following variables were  taken  to  further analysis:  the  linear re‐gression  coefficient  (B),  the  average value  of the  center  of pressure  tra‐jectory  (S), COP range (R),  time to move the COP (T)  and  the maximal value of COP A/P trajectory with an appropriate  index according to the phase (MAX) Next we  conducted  one‐dimensional  tests  for  repeated measurements and multivariate tests for repeated measurements. 

Page 59: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of perturbation on the limits of stability 59

Results 

Forward Limits Of Stability Test    There was no significant effect height and vision in forward Limits Of Stability  test.  There was  a  significant main  effect  for  regression  coeffi‐cients  in  the  1st  phase,  10s  of  quiet  standing  [F(3,39)  =  2.96,  p=  0.043]. There  were  no  significant  main  effects  for  regression  coefficients  3rd phase, maintenance of maximal  forward  leaning position  [F(3,39)= 0.18, p= 0.901]. There were no significant differences between the heights and no significance between the eyes closed and open. No  significant differences were observed  for  the  average value of COP path in the 1st phase [F(3,39)= 0.32, p= 0.811]. There was no significant dif‐ference between  the heights  and no  significant  effect between  the  eyes open and closed. There was no significant main effect for range in 1st phase [F(3,39)= 0.24, p=0.61] and 3rd phase [F(3,39)= 0.78, p= 0.423]. In both phases was not sig‐nificance  between  the  heights LO  and HI  and  between  eyes  open  and closed.    There was no  significant main  effect  for maximal value of  the COP A/P  trajectory within  all  three  phases  [F(3,39)=  2.01,  p=  0.128]  (Fig.  3). There  was  no  significant  main  effect  between  with  eyes  open  at  the height LO and open eyes on height HI  (8.79 cm).  It was  the same with eyes closed on height LO and eyes closed on height HI. 

Limits of stability test in backward lean There was no significant effect  for analyzed variables on Limits Of Sta‐bility test in backward between the heights and vision and no vision.   There was not a significant main effect for regression coefficients in 1st phase [F(3,39)=0.90, p= 0.449] . There was a significant main effect for re‐gression coefficients in the 3rd phase [F(3,39)= 4.08, p=0,013]. A significant effect was between eyes open at the height LO and eyes closed on height Hi. There were no significant differences between the rest of the sentence conditions. 

Page 60: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

60 Patrycja Kołacz et al.

0123456789

10

O_LO O_HI C_LO C_HI

Max

imum

incl

inat

ion

[cm

]

 Fig. 3 Average values of maximum inclination forward. O‐ eyes open, C‐ eyes closed, 

LO‐ surface height 0cm, HI‐ height 90 cm above ground level.     

 

0

12

3

4

56

7

89

10

O_LO O_HI C_LO C_HI

Max

imum

incl

inat

ion

[cm

]

 Fig. 4 Average values of maximum inclination back O‐ eyes open, C‐ eyes closed,  

LO‐ surfach height 0cm, HI‐ height 90 cm above ground level.  The  next  step was  analyzed  S1 where was  not  significant main  effect [F(3,11)= 2.31, p= 0.131]. There was no significance between  the heights and no significance between the eyes open and closed.   There was a significant main effect for range in 1st phase [F(3,11)= 3.82, p= 0.043]. A significant effect was between eyes open on height LO and eyes  closed at  the  same height.  In other  cases,  there was no difference. 

Page 61: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of perturbation on the limits of stability 61

There was no significant main effect for range in 3rd phase [F(3,39)= 1.29, p=0,289].   Last variable analyzed was the maximal value of the COP A/P trajec‐tory with an according to the phase. There was no significant main effect [F(3,11)= 0.54, p= 0,665], as well as between eyes open at height LO and open eyes on height HI. The same situation was in the case of eyes closed on height LO and eyes closed on height HI. 

Discussion 

  The aim of this study was to determine the effect of the human pos‐tural stability.  In  these studies,  there was no significant effect height on postural  stability  in  contrast  to  the  studies  conducted  by  Adkin  et  al (2002), Brown et al (2005), Carpenter et al (2001), Davis et al (2008). When threatened, participants adopted a  tighter  control of posture,  character‐ized by smaller amplitude and higher frequency of postural sway during quiet standing and  reduced displacement and velocity of  the COP.  It  is due  to  increased ankle  joint stiffness and  increased agonist and antago‐nist muscles work  (Adkin,  2002).  Increased  ankle  joint  stiffness would lower the value of the parameter maximum inclination but maximum in‐clination was no significant effect. On  this basis,  it can be assumed  that there was no fear of falling and height of 90 cm did not affect the postural stability. Perhaps this is due to the selection of the research group. 

Referents 

Adkin A.L., Frank J.S., Carpenter M.G., Peysar GW. Fear of falling modifies anticipatory postural control. Exp Brain Res, 2002. 143: 160–170.  

Adkin A.L., Frank J.S., Jog M.S. Fear of Falling and Postural Control in Parkinson’s Disease, Movement Disorders, 2003. 18: 5.  

Adkin A.L., Frank J.S., Carpenter M.G., Peysar G.W. Postural control is scaled to level of postural threat. Gait & Posture, 2009. 12: 87–93.  

Brown L.A., Melody A.P., Doan J.B. The effects of anxiety on the regulation of upright standing among younger and older adults. Gait & Posture, 2006. 24:397–405. 

Carpenter M.G., Frank J.S, Silcher C.P., Peysar G.W. The influence of postural threat on the control of upright stance. Exp Brain Res, 2001. 138(2) 210–8. 

Page 62: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

62 Patrycja Kołacz et al. Davis R., Campbell A., Adkin A.L., Carpenter M.G. The relationship between fear of 

falling and human postural control, Gait & Posture, 2009. 275–279. 

Juras G., Słomka K., Fredyk A., Sobota G., Bacik B. Evaluation of the Limits of Stability (LOS) Balance Test, Journal of Human Kinetics, 2008. 19 39‐52 

Min S., Kim J., Parnianpour M. The effects of safety handrails and the heights of scaffolds on the subjective and objective evaluation of postural stability and cardiovascular stress in novice and expert construction workers, Applied Ergonomics, 2011. 1‐8. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 63: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Comparison of mechanical parameters of the vertical jump with varying load... 63

COMPARISON OF MECHANICAL PARAMETERS OF THE VERTICAL JUMP  

WITH VARYING LOAD MUSCLES IN BASKETBALL PLAYERS 

Henryk Król1 

Introduction 

  Mechanical  characteristics  of  skeletal muscle  have  a major  effect  on force and speed of muscle actions, whereby  the central nervous system has a preferred muscle action strategy to maximize performance in most fast movements. This strategy is most beneficial in high‐effort events, but it  is  also usually  selected  in  sub‐maximal  effort movements  (Knudson, 2007). Most movements unconsciously  begin with  a  stretch‐shortening cycle  (SSC):  a  counter movement  away  from  the  intended direction of motion, which  is  decelerated with  eccentric muscle  action;  and  this  is immediately  followed  by  concentric  action  in  the  direction  of  interest. “This bounce out of an eccentric results in potentiation (increase) of force in  the  following concentric action  if  there  is minimal delay between  the two muscle actions”  (Bober 1995; Elliott et al., 1999; Knudson, 2007 and Wilson et al., 1991). During muscular movements,  the periodic shorten‐ing‐stretch cycle concludes when  the muscles undergo concentric short‐ening  followed by  eccentric  elongation,  as  the muscle  torque decreases below the resistance torque (Rassier, 1999).   “The performance benefit of the SSC coordination over purely concen‐tric actions  is usually between 10 and 20%, but can be even higher, and the  biomechanical  origin  of  these  functional  benefits  is  still  unclear”  1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Biomechanics Laboratory,

Katowice, Poland

Page 64: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

64 Henryk Król et al.

(Knudson, 2007). Many biomechanical variables have been examined  to study the mechanism of the SSC, and the benefits of the SSC are depend‐ent on when these variables are calculated (Bird and Hudson, 1998), and the resistance moved  (Cronin et al., 2001). Beneficial mechanisms of  the SSC  coordination  effects  are  of  considerable  interest  to  biomechanics. There are  four potential  sources of  the greater muscle  force  in  the  con‐centric  phase  of  the  SSC:  contractile  potentiation,  reflex  potentiation, storage and reutilization of elastic energy, and the time available for force development (Knudson, 2007; Komi, 1986).   Independently of the sources of greater muscle force during the con‐centric phase of the SSC, sport practitioners are mainly interested in how to better exploit  this phenomenon  in sports performance.  In sport prac‐tice,  the  exercises  based  on muscle  stretch‐shortening  cycle  are  named plyometric  exercises  or,  simply,  plyometrics.  These  exercises  stimulate changes  in  the neuromuscular system,  increasing muscle group abilities to a  faster and stronger  response  to small and  rapid changes  in muscle length (Kielak and Pac‐Pomarnacki, 2002). Plyometric training will likely increase the athlete’s ability to tolerate higher eccentric muscle forces and increase  the potentiation of  initial  concentric  forces  (Komi, 1986; Trzas‐koma and Trzaskoma, 2001). “Plyometrics are most beneficial for athletes in high‐speed and power activites” (Knudson, 2007).   One of  the  classical  examples of  such  exercises  is  the vertical depth (drop)  jump. There has been  considerable amount of biomechanical  re‐search  concerning  lower‐body  drop  jumping  plyometrics  (Bober  et  al., 2006; Komi and Bosco, 1978; Zatsiorsky and Kraemer, 2006). During the depth jump (in the landing phase), a high energy load is exerted on knee joint straightening and ankle  joint  flexing muscles. Athletes who stereo‐typically utilize  jump movements  show  increased muscle activity  (exci‐tation), which resulted from adaptation (mainly at the spinal cord  level) of  the  central  nervous  system  (CNS)  to  sport‐specific  activities  (Sale, 1992). As  confirmed by Komi  (by Sale, 1992)  in his  study on volleyball players,  the CNS  adaptation during  sport‐specific  exercise  extended  to a full  range  of  loads  (various  heights  of  drop  jump). Komi’s  research, however,  showed  that,  in  comparison  to  the  control group  (untrained), the volleyball players group achieved better drop jump results at only the 

Page 65: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Comparison of mechanical parameters of the vertical jump with varying load... 65

0.60 m height.  In Trzaskoma’s  (2001) opinion,  this height approximates the height of an average elevation of the center of gravity during the ver‐tical jump, which was registered in high performance volleyball players. Analogically  results  of  female  gymnasts,  in  comparison  to  the  control group, were significantly better in the full range of extending loads. The greatest  differences  were  observed  in  the  largest  drop  jump  heights (Bober et al. 2007). The aim of this study was to determine if the greater load in the expan‐sion phase  (eccentric muscle  action)  in  the  jump  affects  the  size  of  the mechanical parameters of the jump. 

Material and methods 

  Thirteen young male basketball players participated in this investiga‐tion. Their mean  age was  17.0  ±  0.63 years, height  189.8  ±  6.1  cm,  and weight 82.4 ± 6.8 kg. All subjects (athletes of the Sport High School) gave their written consent to participate in the study.   All subjects were tested under the same time and temperature condi‐tions in our laboratory. The warm‐up included 10 minutes of cycling on an Excalibure Sport ergometer (LODE, USA) at a constant cadence of 70 rotations per minute  (RPM) with a work  load of 1.5 W/kg,  followed by a 10‐minute  stretching  program.  The  warm‐up  were  followed  by 3 counter movement  jumps on  a  force plate. Afterwards,  subjects were instructed about how to carry out the jumps: ʺjump as high and as fast as possibleʺ.    Then,  tests were  performed  that  consisted  of  five  single  “maximal” standing vertical  jumps1  (counter movement  jump – CMJ). The  task  for the basketball players2 was to touch an over head bar (five single vertical jumps ‐ special counter movement  jump – SCMJ). The subjects also per‐formed five single drop jumps from an elevation of 0.40 m (DJ). Intervals 

1 A modified version of the test, without the use of arm swings, was adopted (Komi and

Bosco, 1978). 2 According to earlier studies (Król, 2001), it is known that full engagement of subjects is

achieved only when a specific task is presented to them. Athletes who practiced for 6 weeks with the bar improved their jump height about 4 cm, and those who practiced without the bar - only about 2 cm.

Page 66: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

66 Henryk Król et al.

between consecutive  jumps were set on the basis of prior testing experi‐ence. The  interval between single  jumps and  the  series of  jumps varied from  45  to  60  s. Ground  reaction  forces were  registered  using  the KI‐STLER 9182C force platform. MVJ software was used for signal process‐ing  (Król,  1999)  and  enabling  calculations  of  kinematic  (height  of  the jump  ‐ h) and kinetic parameters (mean power  ‐ Pmean and peak power  ‐ Ppeak during the take‐off phase) of the subject’s jumping movements (On‐line system). 

Statistical analysis 

Statistical  analysis  were  carried  out  using  software  Statistica  v.  9.0 (Statsoft, USA). Descriptive statistics (mean, and standard deviation) for all measured mechanical parameters were calculated. The normality dis‐tribution of data was  checked with  the Shapiro‐Wilk  test. Because data distribution was not normal, the Wilcoxon Matched Pairs Ranks test was used. 

Results and discussion 

  The height of CMJ describes the motor potential, and more precisely, ac‐cording  to  Trzaskoma  (2001),  the  jumping  potential. According  to  Trzas‐koma’s criteria  (2001), results of selected competitors, presented  in  table 1, are relatively poor.  

Table 1 

The average height of jump (h), the average mean power (Pmean) and the average peak power (Ppeak) in three kinds of vertical jump: counter movement jump (CMJ), special vertical jump (touching a bar with the head) (SCMJ) and drop 

jump (DJ) of basketball players Parameter  h [m]  Ppeak [W]  Pmean [W] 

CMJ Mean; SD 

0.394 ± 0.058  2136.6 ± 345.1  1277.0 ± 262.7 

SCMJ Mean; SD 

0.401 ± 0.047  2241.2 ± 359.8  1389.5 ± 254.6 

DJ Mean; SD 

0.397 ± 0.052  2349.1 ± 779.7  1471.6 ± 542.2 

Page 67: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Comparison of mechanical parameters of the vertical jump with varying load... 67

  However, it needs to be stressed that subjects performed the modified jump version, with their arms behind their back. It is acknowledged that due to the lack of arms swing, jumps can be lower of about 5 cm on aver‐age.  In similar conditions, elite athletes  from 6 different  individual and team  sports obtained  even  lower  results  (Tab.  2; Kollias  et  al., 2004)  in comparison to our results. In comparison to ski jump competitors (report for AZS‐AWF Katowice  club; unpublished data; Tab.  2),  these  findings are significantly smaller, as we had expected. On the other hand, in com‐parison to first league soccer players, the results of basketball players are comparable  (Tab.  2; Król,  2008).  Interestingly,  in most of  the  examined cases,  slightly higher values of  jump heights were  achieved when  sub‐jects performed the drop jump (DJ; Tab. 1). It is even move visible when analyzing mean power  (Pmean) and peak power  (Ppeak).  In order  to verify these differences  in CMJ, SCMJ and DJ, Wilcoxon’s Matched Pairs Test was conducted. Results are presented in table 3.   Results show  that  the height of  the  jump  (h),  the mean power  (Pmean) and the peak power (Ppeak), are not statistically significant higher in DJ in comparison to CMJ. Results enclosed in Table 3 do not prove fine adap‐tation  of  the nervous  system  of  basketball players  to muscle  extension and workload, as a result of the drop  jump from the height of 40 cm, as we had expected. This regularity has been found, while for acrobats. Pre‐sumably, this height is closest to that which acrobats experience in land‐ing, after performing  flic‐flacs or roundoffs. Trzaskoma  (2001) provided a similar example with volleyball players, however, their optimal height is, as mentioned earlier, 0.60 m, or according to Komi and Bosco (1978), 0.66 m. The  figure presented by Trzaskoma  (2001; p. 127),  shows  jump values of acrobats in drop jumps from different heights. Here, one can observe the highest values of 0.40 m height drop jump. Our results  confirm  results presented  by Bober  et  al.  (2001), which  concern more skilled basketball players. They were jumping from heights ranging from 0.15 m to 0.76 m, and achieved worse results in average in DJ than in CMJ.    

Page 68: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

68 Henryk Król et al.

   

Page 69: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Comparison of mechanical parameters of the vertical jump with varying load... 69

 

Page 70: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

70 Henryk Król et al.

Table 6 

he results of Wilcoxon’s Matched Pairs Test for the height of the jump (h), the mean power (Pmean) and the peak power (Ppeak), in three variances of the vertical jump: counter movement jump (CMJ), special vertical jump (touching a bar 

with the head; SCMJ) and drop jump (DJ) of basketball players Parameter  Pair of 

variables Number of cases 

T  p 

h  CMJ ; DJ  13  29  0.2489 h  SCMJ ; DJ  13  39  0.6496 Pmean  CMJ ; DJ  13  38  0.6002 Pmean  SCMJ ; DJ  13  44  0.9165 Ppeak  CMJ ; DJ  13  27  0.1961 Ppeak  SCMJ ; DJ  13  42  0.8068 

 T – value of Wilcoxon’s test for group of N<25, bold font refers to a sta‐tistically significant result (p<0.05). 

Conclusion 

Based  on  the  results  obtained  from  our  study, we  drew  the  following conclusions:  

- Young basketball players of our study, obtained mediocre  jump heights.  It  is probably not  the most  important  factor  for success in this sport discipline. 

- Drop jumps did not proved to be a more effective way to increase power  output  and  jumping  performance  than  other  vertical plyometric exercises such as the counter movement jump in bas‐ketball players. 

References 

Bird M., Hudson J. (1998) Measurement of elastic‐like behavior in the power squat. J. Sci. Med. Sport, 1:89‐99. 

Bober T. (1995) Działanie mięśni w cyklu rozciągnięcie‐skurcz a skuteczność techniki sportowej. Sport Wyczynowy, 1‐2:  

Bober T. et al. (2006) Biomechanical criteria for specifying the load applied in plyometric training. Res. Yearbook Stud. Phys Educ. Sport, 12:227‐231. 

Page 71: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Comparison of mechanical parameters of the vertical jump with varying load... 71

Bober T., Rutkowska‐Kucharska A., Pietraszewski B. (2007) Ćwiczenia plyometryczne – charakterystyka biomechaniczna, wskaźniki, zastosowanie. Sport Wyczynowy, 7‐9:5‐23. 

Bober T., Rutkowska‐Kucharska A., Szpala A. (2001) Hard vs. soft landing in depth jump. Acta Bioengin. Biomech., 4:suppl. 1:595. 

Cronin J.B., Mcnair P.J., Marshall R.N. (2001) Magnitude and decay of stretch‐induced enhancement of power output. Eur. J. Appl. Physiol, 84:575‐581. 

Elliott B.C., Baxter K.G., Besier T.F. (1999) Internal rotation of the upper‐arm segment during a stretch‐shortening cycle movement. J. Appl. Biomechanics, 5: 381‐395. 

Kielak D., Pac‐Pomarnacki A. (2002) Ćwiczenia plyometryczne – ich istota i znaczenie (I). Sport Wyczynowy, 11‐12:13‐24. 

Knudson D. (2007) Fundamentals of biomechanics. Chico, Springer. 

Kollias I., Panoutsakopoulos V., Papaiakovou G. (2004) Comparing jumping ability among athletes of various sports: vertical drop jumping from 60 centimeters. J Strength Cond Res, 2004 18: 546‐550.  

Komi P.V. (1986) The stretch‐shortening cycle and human power output. In: Jones N.L., McCartnay N., McComas A.J. (Eds.), Human muscle power (pp.27‐39). Champaign, IL: Human Kinetics. 

Komi P.V., Bosco C. (1978) Utilization of stored elastic energy in leg extensor muscles by men end women. Med. Sci. Sport., 10(4):261‐265. 

Król H. (1999) The influence of external factors on result of a motor performance, (In Polish). Acta Bioengin. Biomech. 1:suppl.1:253‐256. 

Król H. (2008) Speed strength abilities of football players with different field specialization. In: Juras G., Słomka K. (eds.), Current Research in Motor Control III. From Theories to clinical applications (pp. 191‐196), AWF, Katowice. 

McClymont D. (2003) Use of the reactive strength index (RSI) as a plyometric monitoring tool. 5thWorld Congress of Science in Football, Lisabon. 

Rassier D.E., Macintoh B.R., Herzog W. (1999) Length dependence of active force production in skeletal muscle. J. Appl. Physiol, 86:1445‐1457. 

Sale D.G. (1992) Neural adaptation to strength training. In: Komi P.V. (ed), Strength and power in sport (pp. 249‐265), Oxford, Blackwell Scientific Publications. 

Page 72: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

72 Henryk Król et al. Trzaskoma Z., Trzaskoma Ł. (2001) Kompleksowe zwiększanie siły mięśniowej 

sportowców. COS, Biblioteka Trenera, Warszawa. Wilson G.J., Elliott B.C., Wood G.A. (1991) The effect on performance of imposing 

a delay during a stretch‐shortening cycle movement. Med. Sci. Sport. Exer, 23:364‐370. 

Zatsiorsky V.M., Kraemer W.J. (2006) Practice and Science of Strength Training. Champaign, IL: Human Kinetics. 

 

Page 73: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The comparative analysis of the standing backward piked somersault (case study) 73

THE COMPARATIVE ANALYSIS  OF THE STANDING BACKWARD PIKED 

SOMERSAULT (CASE STUDY) 

Henryk Król, Małgorzata Klyszcz ‐ Morciniec, Grzegorz Sobota1 

Introduction 

  The structure of the acyclic movement generally consists of the initial, main and  final phase. As  far as  the  specific acyclic movements  such as jumping,  throwing and kicking are concerned,  the names of  the phases are differentiated. Taking  into account  for example  tumbling  (backward somersault) particular phases are as follows counter‐movement, take‐off, flight and  landing. The counter‐movement  is a special case of the  initial phase whose aim  is to create optimal conditions for the  implementation of the main phase. It  is achieved by the pre‐stretching of the muscles of both limbs (gastrocnemius, quadriceps and gluteus) and a trunk (erector spinae  pars  lumborum).  It  increases  the  elastic  energy  of  the muscles, which  is  called,  in  biomechanics,  the  stretch‐shortening  cycle  (Cronin I wsp. 2001). Both the take‐off and the flight are the main phases since the main  task  is then performed. The main  task  is connected with  the body rotation around the free axis. The purpose of the take‐off is to provide the projection velocity needed  to  lift  the body and  the angular momentum required to perform a rotary motion. The flight  includes grouping (dur‐ing the ascent of the body) and come out (during the descent). The effec‐tiveness of this phase is determined by the skillful use of the principle of the  conservation  of  the  angular  momentum  (Hochmuth,  1981;  Bober, 2003). The aim of the landing is to break the momentum and the angular 

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Katowice, Poland

Page 74: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

74 Henryk Król et al.

momentum of the body. Moreover, its purpose is to protect the  joints of lower limbs from damage and to restore the standing position.   Although each phase of the movement is important, special attention in the evaluation of the  jumping technique needs to be paid to the take‐off  phase.  In  the  presented  literature  the  kinematics  of  the  standing backward somersault  is determined by the method of film (Łukin, 1966; Parlak 1973). Dworak (1996) and Łukjan and Parlak (2005) also used the force platform. Bioelectric  activity of  the  two muscles during  the back‐ward somersault was studied by Łojek et al.  (1999). EMG of  three mus‐cles was used to obtain the characteristics of the muscle activation of the gymnasts  during  the  take‐off.  It  was  implemented  by  McNeal  et  al. (2007).   There  is  no  information  about  kinematics,  kinetics  and  bioelectrical activity of the muscles during the performance of the standing backward somersault. A similar measurement  system using  the SMART‐E  system and a force platform allowed for achieving the aim of our research, which was connected with  the comparative analysis of  the standing backward piked somersault performed twice every half a year. 

Methods 

  The research is a pilot study to a broader issue which is to investigate the mechanism of the take‐off  in tumbling. The research was conducted twice (December 2010, June 2011) on a woman gymnast (body mass 52kg and body height 161cm, championship class  in artistic gymnastics). She also  had  a  thirteen‐year‐training  experience.  She was  informed  of  the nature of the research in advance and prior to the research she provided a written consent to participate. After a general and then a special warm up  the research subject made  two attempts  to perform a standing back‐ward piked somersault. The rest periods between the jumps lasted about 3 min.   Using  the  SMART‐E measuring  system  (BTS,  Italy)  a multi‐dimen‐sional registration of  the motion was made. The system  includes six  in‐frared  cameras with a  frequency of 120Hz, modules  for wireless meas‐urement of the bioelectrical activity of the muscle called EMG Pocket and 

Page 75: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The comparative analysis of the standing backward piked somersault (case study) 75

the  AMTI  force  platform  (USA).  The  smart  sofware  (Smart  Capture, Smart Tracker  i Smart Analyzer) enables  the spatial modeling  (3D) and the  calculation  of  mechanical  parameters.  Large  spatial  accuracy  was achieved by attaching the test passive markers to the body of the research subject. The markers were placed in specific locations on both sides of the body allowing to determine the overall center of the mass (COM) of the body. After  the  calibration  of  the  system  the  accuracy  of  the  distance between  two markers  in 3D was 0,4mm. Before  the performance of  the exercises the skin of the player was specially prepared in the place where the mounting  surface electrodes were  to be  located  in  the places of  the motor activation of the muscles (according to the direction of fibers) were supposed to monitor the  level of  involvement of certain muscles (tibialis anterior, gastrocnemius (captur mediale), rectus femoris, biceps femoris, gluteus maximus, rectus abdominis, deltoideus (pars anterior), erector spinae. All of the electrodes  remained  in  the  same  place  until  the  end  of  the  second  at‐tempt.  EMG  signals  were  recorded  using  Pocket  EMG  system  with a sampling rate of 1kHz. Then they were filtered through the medium of a Butterworth 20‐500Hz bandpass filter – the pass. In order to obtain an integrated electromyographic record (IEMG) at fixed intervals of 0,1s and separately  for  each  muscle  MATLAB  computer  software  was  imple‐mented. A vertical component of a ground  reaction  force was  recorded and then its size within characteristic moments of time was determined. All of  the measurements were  synchronized  in  time by using  the CUP. This approach allowed  to analyze  the changes  in movement within  the kinematic and kinetic parameters. It also gave the analysis of the level of the muscle  activity.  The  use  of  this modern measurement  system  has helped in the overall description of the techniques used in the backward piked somersault. 

Results and discussion 

  Tables 1, 2, 3, and 4 and Figures 1 and 2 present the obtained results. It allowed  to  compare  the  way  the  backward  piked  somersault  is  per‐formed in two different studies. Taking into account the aim of the take‐off somersault, it is to give both the exit (project) velocity necessary to lift the 

Page 76: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

76 Henryk Król et al.

body (volume displacement conditioning the body in flight) and to obtain the an‐gular momentum needed to perform a rotary motion. These mechanical prop‐erties were mostly analyzed.   In  the  first  study  the  vertical  displacement  of  the  body  during  the piked somersault was about 0.01m lower in comparison with the second study. However,  in  the  second  study  the position  that was adopted by the gymnast after landing was 0.03m more shallow (Tab. 1). 

Table 1 

Temporary positions and vertical displacements of the gymnast’s body [m] in the first and second study 

Location   Vertical displacement  Position  

Study 1  Study 2  Study 1   Study 2  Starting  Squat in the end  of the counter‐movement  The highest position in flight  Squad in landing phase 

0.99   

0.78  

1.19  

0.52 

0.97   

0.82  

1.24  

0.55 

  

‐0.21  

0.41  

‐0.67 

  

‐0.15  

0.42  

‐0.69  

‐ (‐) downwards movement of the body    In  the  first  study  smaller displacement of  the body  (0.41m)  in  flight during  the  piked  somersault  is  reflected  in  the  duration  of  this  phase (Tab. 2). This is due to a smaller angular momentum in this attempt (Tab. 3). In the second study in slightly more upright body position at the end of the take‐off phase (see the value of the moment of inertia) greater an‐gular momentum resulted in higher temporary velocity at that moment. Horizontal  displacements  center  of mass  (COM)  in  the  sagittal  plane throughout  the  course of both  studied  somersaults were  similar.  In  the second  somersault  temporal  reduction  of  the  counter‐movement  and take‐off  phase  by  0.20s  and  0.01s  respectively was  observed. What  is more, an increase in the flight phase (about 0.03s) was also presented.   

Page 77: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The comparative analysis of the standing backward piked somersault (case study) 77

Table 2 

The duration of particular phases (s) Phase  Study 1  Study 2 

Counter‐movement Take‐off Flight  

0.93 0.40 0.52 

0.73 0.39 0.55 

 Table 3 

The angular momentum and its components in the end of the take‐off phase 

Study  Angular momentum (kgm2/s) 

Vertical velocity (rad/s) 

Moment of inertia (kgm2) 

1  49.1  4.90  10.0 2  55.0  5.17  10.6  

Table 4 

Vertical reaction force in the characteristic periods of time (Fig. 1B and 2B) Vertical reaction force (N) Study 

R1  R2  R3  R4  R5  R6 1   378  665  460  807  248  1609 2  391  666  393  774  188  1688    Looking at the characteristics of the vertical reaction force with refer‐ence to two somersaults (Fig. 1B and 2B and Tab.4) only slight differences within  the  selected moments  of  time were  shown  (R1‐R6  parameters). However, the vertical reaction force does not directly affect the displace‐ment of the body in the flight phase of the gymnast. As it is known from the impulse‐momentum relationship (V=Ft/m) time influences the projection velocity and thus the size of the displacement of the body (h = V2/2g). The mass of the gymnast must be constant. 

Page 78: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

78 Henryk Król et al.

 

 

 Fig. 1 Temporal characteristics of the standing backward piked somersault in the first study: A) vertical displacement COM of the body (Y COM); B) vertical ground reaction (Ry); body weight (Q); C) integrated EMG TIB – tibialis anterior,  GA – gastrocnemius (caput mediale), REC – rectus femoris, BFE – biceps 

femoris, ABD – rectus abdominis, GLM – gluteus maximus, DEL – deltoideus (pars anterior), ERS – erector spinae. Phases of the movement: Phase 1 – conter‐movement, Phase 2 – take‐off; Phase 3 – flight. Characteristic values of the 

ground reaction force; R1‐R6.  

Page 79: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The comparative analysis of the standing backward piked somersault (case study) 79

 

 

 Fig. 2 Temporal characteristics of the standing backward piked somersault in the 

second study.The explanations of the symbols are found in Fig.1    Bearing in mind all of the characteristics of R(t), from the beginning of the counter‐movement to the completion of the the take‐off phase (Fig. 1B and 2B), the impulse of the take‐off phase in the second study is probably slightly higher than in the first study. The size of the obtained ground re‐action  force  is  a  response  to  the  forces  developed  by  the  individual groups of the muscles acting on the bone. Although they were not deter‐

Page 80: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

80 Henryk Król et al.

mined  in  the  conducted  research,  an  indirect  (very  rough) way  of  as‐sessing the contribution of individual muscle groups in the overall reac‐tion  force may be a degree of a muscle  involvement, established on  the basis of the bioelectrical activity. Fig. 1C, and 2C present integrated elec‐tromyograms (IEMG) of the investigated muscles. Two of them, i.e. mus‐culus  gastrocnemius  and musculus  deltoideus  (pars  anterior)  are  character‐ized by a clearly high activity. It mostly applies to two moments of time, i.e. the end of the take‐off phase and the beginning of the landing phase. If we were  to  take  into consideration  the  remaining muscles, our atten‐tion should be focused on the larger activity of musculus rectus abdominis at the beginning of the flight phase in the piked somersault.  

Summary 

  Using a  thorough methodology while examining  the  standing piked backward somersault allows to present its external and internal structure of  the movement  (Król  and Mynarski,  2005).  Both  functional  relation‐ships  between  kinematic  and  kinetic parameters  of  the movement  and their relatively large dependence on the activity of the participating mus‐cles facilitates the analysis of performing the exercise.   Comparing  the  parameters  and  the  temporal  characteristics  of  the piked somersault presented by the gymnast in the first and second study, the differences were rather small. The backward piked somersault in the second study, in comparison with the first one, was characterized by the higher height of the flight phase and greater angular momentum devel‐oped by the end of the take‐off phase. The rhythm of the analyzed exer‐cise  was  varied.  It  was  the  result  of  shortening  the  duration  of  the counter‐movement  and  take‐off phases  and  increasing  the  flight phase. On  the basis of  the  recorded EMG  signals  the highest  activity was ob‐served for two muscles: the gastrocnemius muscle and the deltoideus (pars anterior) muscle.  It  is mostly  connected with  two moments of  time:  the end of the take‐off phase and the beginning of the landing phase. In ad‐dition,  the  rectus  abdominis muscle  showed  greater  activity  in  the  early phase of the flight.  

Page 81: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The comparative analysis of the standing backward piked somersault (case study) 81

  Judging  from  the results of  the pilot study one  is not able  to predict similar temporal characteristics which could apply to different players. In this article we wanted to present similarities and differences between the parameters and temporal characteristics of only one gymnast performing the same exercise twice. It was done by means of a modern and compre‐hensive research methodology. 

References  

Bober T. Technika sportowa – ujęcie biomechaniczne. W: Zagadnienia sportu – technika ruchu. C. Urbanik (red.) AWF, Warszawa, 5‐18, 2003. 

Cronin J.B., McNair P.J., Marshall R.N. Magnitude and decay of stretch‐induced enhancement of power output. European Journal Applied Physiology, 84, 575‐581, 2001. 

Dworak L., Mączyński J., Wojtkowiak T. Zależność przeciążeń dynamicznych od rodzaju podłoża na przykładzie elementu akrobatycznego salto w tył z miejsca. Wychowanie Fizyczne i Sport, 4, 33‐40, 1996. 

Hochmuth G. Biomechanik sportlicher Bewegungen. Sportverlag, Berlin, 1981. 

Król H., Mynarski W. (2005) Cechy ruchu – charakterystyka i możliwości parametryzacji. AWF, Studia nad motorycznością ludzką nr 7, Katowice. 

Łojek M., Kosmol A., Kuder A., Obrębski D. Elektromiograficzna analiza salta w tył wykonywanego na podłożu o różnej elastyczności. In: Gimnastyka – taniec w teorii oraz praktyce wychowania fizycznego i sportu. Z. Szot, D. Fostiak, M. Lipowski (red.) Materiały z Międzynarodowej Konferencji Naukowo‐Metodycznej Gdańsk 20‐21 listopada 1997, 139‐142, 1998. 

Łukin M. Salto nazad z miesta. Teoria i Praktika Fiziczeskoj Kultury, 12, 1966. 

Łukjan M., Parlak J. Porównanie struktury odbicia w wyskoku dosiężnym i w przewrocie lotnym w tył z miejsca (studium przypadku). Amtropomotoryka, 32, 51‐58, 2005. 

McNeal J.R., Sands W.A., Shultz B.B. Muscle activation characteristics of tumbling take‐offs. Sport Biomechanics, 6, 375‐390, 2007. 

Parlak J. Ocena skuteczności fazy odbicia w skokach akrobatycznych z miejsca i z rozbiegu. Praca doktorska, AWF, Warszawa, 1973. 

 

Page 82: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

82 Lidia Kuba et al.

THE INFLUENCE OF PILATES EXERCISES ON POSTURAL STABILITY OF YOUNG AND OLDER WOMEN ‐ COMPARISON 

OF THE EFFECTS OF SHORT‐TERM TRAINING 

Lidia Kuba, Artur Fredyk, Izabela Zając‐Gawlak, Joanna Kantyka1 

  The subject of the rate of injuries which are caused by falls induced by imbalances  of  the  elderly  has  been  undertaken  repeatedly.  These  are many separate factors which cause the decline  in the balance of the eld‐erly:  reduced  sensitivity of  skin  receptors, poor eyesight and vestibular dysfunction,  slowed down  reaction  times  and  the  aggravation of other co‐ordination  skills  (Skeleton  2001).  Balance  disorders  are  the  major symptom of postural instability. Especially the dynamic postural stability decrease  recorded before and after  the age of 85. This  concerns mainly physically inactive persons (Rockwood et al. 2004). Especially for women, studies  showed  an  increase  in  the  level  of  instability with  aging when compared to men. It is necessary to minimize this problem by increasing the preventive action (Simey 1999). The paramount importance of physi‐cal activity  for  the development of postural stability  in postmenopausal women must be emphasized here. Starting physical activity at the age of 60 years gives similar results for the people who have always been active, whereas much better than for those who have been inactive for their life‐time (Perin et al. 1999). An effective strategy counteracting the age related negative postural stability changes is needed which would allow to iden‐tify  the  cause  and  to  take  action  already  at  the young  age  (Choy  et  al. 2003). The optimum seems to be applying appropriate training programs 

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Katowice, Poland

Page 83: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of pilates exercises on postural stability of young and older... 83

and  the  systematic participation  in  appropriate physical  activities  from youth to old age.   The object of  this  study  is  the  evaluation of  the  influence of  short–term Pilates training on the postural stability of young and older women as well as verification of the fraction of women in whom an improvement or a deterioration was observed in terms of the analyzed parameters. The effects of training designed to  improve postural stability  in both groups of women has also been compared. 

Methods 

  Fifty women, including twenty‐two at the age of 20.5±0.5 and twenty‐eight at  the age of 59±5 have  taken part  in  this experiment. The experi‐mental group consisted of healthy subjects only. All the applied methods, the plan and scope of the research have been accepted by the IRB board of the Academy of Physical Education in Katowice.    Both  the young and  the older women participated  in a  three‐month Pilates  training  program.  The women  exercised  twice  a week  for  one hour  for  three months. Both groups used  the  same  exercises, however, the program was assumed to adapt to the  level of difficulty of the exer‐cises to the individual abilities of its participants.   We  used  the AMTI  (typ  BP6009000)  force  platform  to  evaluate  the subject’s postural stability during quiet standing (closed base). Measure‐ments included the assessment of postural stability parameters: total path length of  the  foot  to  the ground pressure  (lenght_COP  ‐ center of pres‐sure), the average speed of COP displacements (AVG_velosity) and stan‐dard  deviations  pressure  force COP displacement  in  the  sagittal  plane (COP_X) and coronal (COP_Y). Measurements were made twice: the first stage  involved  the measurement  of  starting  parameters  and  a  second evaluation of the same parameters after three months of practicing.    Prior  to  all  calculations  the  standard descriptive  statistics were per‐formed.  The  influence  of  Pilates  training  on  the  registered  parameters was analyzed by means of relative differences between the obtained em‐pirical data before and after the training. The level of significance was set at p  <  .05. The  fraction of women who  showed  either  improvement or 

Page 84: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

84 Lidia Kuba et al.

deterioration in their postural stability parameters was estimated on the basis of independence chi‐squared tests. An analysis of variance with in‐teractions was used to compare the effects of training for both groups.  

Results 

  The obtained results which constituted the selected parameters of the postural  stability of women have been  analyzed.  In order  to verify  the correctness of conclusions  in  terms  their significance on  the basis of  the confidence  interval  the skewness and kurtosis values  for  the differences have been estimated which have  confirmed  that  the analyzed variables show normal distributions. As far as the COP path length and the speed of COP displacements are concerned no statistically important influence of the applied exercise program on the postural stability of the examined women has been found. The results of the analyses for these variables are identical  as both  these variables  are  related  to  each other by  the  linear function AvgVel=lenght/(time of measurement). Still,  the parameters of the standard deviation of  the COP  foot pressure  force on  the ground  in the analyzed planes (sagittal and coronal) look different in the groups of young and, respectively, older women. In the case of the young women both variables have  improved, however,  the  statistically  important dif‐ference was  recorded  in  terms of  the  standard deviation  in  the  coronal plane. These variables  look different with  the older women. Both  tested parameters have declined in a statistically important way (Tab. 1).   The percentage of improvement and deterioration of the postural sta‐bility  of  the  tested women has  been  estimated  by  the  chi‐squared  test. The results were different for both these groups. More cases of worsening of  COP  path  length  and  the  average  speed  of  COP  displacement  pa‐rameters have been recorded for the older women whereas for the young ones  these  values  stayed  at  the  same  level. However,  in  terms  of  the standard deviation of  the COP  foot pressure  force on  the ground  in  the sagittal  and  coronal  planes  the  results  have  improved  slightly  for  the majority of  these women and have worsened  for  few of  them, still,  this deterioration was so remarkable  that  it had counterweighed  the change thus making it negative. These values are different for the young women,  

Page 85: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of pilates exercises on postural stability of young and older... 85

  

Page 86: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

86 Lidia Kuba et al.

slightly more than half of them had a deterioration and the rest of them an improvement (Tab. 2).   Following  to  the  variance  analysis  including  interaction  no  statisti‐cally significant difference of the effects of short term Pilates training on the  postural  stability  improvement  for  both  test  groups  of  women (p>0.05) has been recorded. The  level of the postural stability of the test subjects has been verified. It was higher in a statistically significant man‐ner  in  the group of young women  than  in  the older group  in both  tests together (p<0.022).  

Discussion  

  The applied 3 month Pilates  training  turned out  to be  insufficient as a stimulus  for  improvement  of  the  analyzed  parameters  of  postural stability both in the group of young and older women. No improvement of motor  skills  has  been  recorded  in  similar  tests  on  the  influence  of Pilates  exercises  on  the  balance  of  elderly women  (Bird  2011, Kloubec 2010).  Also,  in  other  short  term  training  programs  where  various recreation classes were used the balance rate has not improved, however, the  researched parameters have dropped  for  the  inactive  control group (Buchner et al. 1997, Lord et al. 1995). Therefore,  it can be assumed that the balance maintained by the older women at the same level by means of  the applied motor exercises constitutes a positive result. Most proba‐bly, adding some appropriate exercises or counterbalance elements to the applied program will help to get the expected effects. According to Nitz et al. (2004) a specific training based on the strategy of balance develop‐ment with the use of special training equipment brings better effects than the traditional classes.   The analysis of the fraction of women who sustained either improve‐ment or deterioration of the researched parameters of their postural sta‐bility allowed  to  look more closely  into  the changes which were  taking place in the tested groups. By 46% of women the results have improved and  by  54%  they  have  declined  which  means  that  the  training  had brought better effects  for  the postural stability of  the older women who sustained  improvement.  In  the  same way,  these  values  have  dropped 

Page 87: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of pilates exercises on postural stability of young and older... 87

slightly by  the older women who  sustained aggravation. The  effects of the training were different in the case of young women whose 50% sus‐tained improvement and the other 50% have declined. These differences might have depended on the individual abilities of the exercising persons and  that  they have  resulted  from  the difficulties of  learning all parts of the  training which are  the condition of  training effectiveness. The most important  parts  include  the  following  skills:  abdominal  deep muscles contraction, movement improving correct breathing technique, body sta‐bilization,  assuming  the  correct  starting  positions  and  the  precise  per‐formance  of  exercises  as well  as  the  coordination  of  all  these  elements while training.    However,  the  effects  of  the  training  arouse  interest  in  terms  of  the standard deviation parameters of COP pressure  in  the analyzed planes. 71%  improvement  and  29%  deterioration  was  recorded  for  the  older women  in  the  sagittal plane, alike  in  the  coronal plane, where 68% got improvement and 32% deterioration. It means that the regular participa‐tion  in Pilates classes has caused a significant differentiation of the ana‐lyzed deviations in both planes for a small number of older women. This phenomenon looked different by the young women where 45% have ob‐tained better and 55% worse results, though, these values differed much less than by the older women. Such variance of deviations differing both groups  from each other depends most probably on  the  individual abili‐ties of each single person to perform the training program. Especially by the older women some single cases of  remarkable aggravation were  re‐corded which, in consequence, have negatively affected the summarized values of the tested parameters.   The  last stage of  this research  involved  the comparison of  the effects of short term Pilates training for young and older women and the verifi‐cation of their postural stability level for both tested groups. No statisti‐cally  important  difference  of  training  effects  has  been  noted  in  both groups. The training turned out to be insufficient both for the young and the older women. The applied training program was, most certainly, too short, which has not allowed  its participants  to obtain  the  expected  ef‐fects.  It  should have been  extended, additionally, by  some  specific bal‐ance  exercises designed  to  improve  the postural  stability. The  summa‐

Page 88: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

88 Lidia Kuba et al.

rized  level of  the postural  stability of  the younger women was  statisti‐cally noticeably higher  than of  the older women  (p<0.022). The  studies performed by other scientists in similar age groups have also confirmed higher instability of the elderly (Hasselkus, Shambes 1975).  To conclude, this study showed that 3 month Pilates training is not suffi‐cient  in  terms of stimulating  the  increase of  the postural stability of  the tested groups. The fraction of the women who sustained either improve‐ment or deterioration of postural stability appears different for any single parameter  in  both  tested  groups. No  statistically  significant  difference was recorded in terms of the effects of short term Pilates training for the postural stability in both tested groups of women (p>0.05).  

References 

Bird M.L., Hill K.D., Fell J.W. A randomized controlled study investigating static and dynamic balance in older adults after training with Pilates. Arch Phys Med Rehabil. 2012; 93 (1):43‐9.  

Buchner D.M, Cress ME, de Lateur BJ, Esselman P.C., Margherita A.J., Price R., Wagner E.H. The effect of strength and endurance training on gait, balance, fall risk, and health services use in community‐living older adults. J Gerontol Med Sci. 1997; 52A: M218–M224. 

Choy N.L., Brauer S., Nitz J. Changes in Postural Stability in Women Aged 20 to 80 Years. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 2003; 58 (6): M525‐M530. 

Hasselkus B.R., Shambes G.M. Aging and Postural Sway in Women. J Gerontol. 1975; 30: 661 – 667.  

Kloubec JA. J Strength Cond Res. Pilates for improvement of muscle endurance, flexibility, balance, and posture. J Strength Cond Res. 2010; 24(3):661‐7. 

Lord S.R., Ward J.A., Williams P., Strudwick M. The effect of a 12‐month exercise trial on balance, strength, and falls in older women: a randomized controlled trial. J Am Geriatr Soc. 1995; 43 (11):1198‐206. 

Nitz J.C., Choy N.L. The efficacy of a specific balance‐strategy training programme for preventing falls among older people: a pilot randomised controlled trial. Age Ageing, 2004; 33:52 – 58.  

Perrin P.P., Gauchard G.C., Petrrot C., Jeandel C. Effects of Physical and sporting activities on balance control in eldery people. Br. J. Sports Med. 1999; 33:121‐6. 

Page 89: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of pilates exercises on postural stability of young and older... 89

Rockwood K., Howlett S.E., MacKnight C., Beattie B.L., Bergman H., Hébert R., Hogan D.B., Wolfson C, McDowell I. Prevalence, Attributes, and Outcomes of Fitness and Frailty in Community‐Dwelling Older Adults: Report From the Canadian Study of Health and Aging J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2004; 59: 1310 – 1317. 

Simey P., Pennington B. Physical activity and prevention and menagement of falls and accidence among Older People: Guidelines for Practice. London: Health Educatin Authority, 1999. 

Skeleton D.A. Effects of physical activity on postural stability. Age and ageing. 2001; 30‐5: 33‐39. 

         

Page 90: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

90 Liudmila Liutsko et al.

CHANGES IN FINE MOTOR BEHAVIOUR WITH AGE (BASED ON VISUO‐

PROPRIOCEPTIVE AND PROPRIOCEPTIVE ONLY FEEDBACKS)  

Liudmila Liutsko1, Ruben Muiños1 and Josep Maria Tous‐Ral2 

Introduction 

  Given that human life expectancy is increasing and the percentage of elderly  people  is  on  the  rise,  the  question  of  how  to maintain  health among  the  elderly  is becoming  ever more  crucial. Preventive measures with  integrative  approach  are  required  involving different  areas  of  re‐search. One of these areas concerns postural control and proprioception, where  studies  have  examined ways  of  preventing  age‐related  sensori‐motor deficits.   Changes in vision and balance: a progressive worsening is usually ob‐served  in  vision  after  age  50  and  in  balance  after  age  65  (Sturnieksa, Georgea and Lord 2008). Proprioception also decreases with age and this is closely related to the loss of muscle and joint strength. Muscle strength has been found to peak until the fifth or sixth decade, but shows a 50% decrease by age 80  (Cole, Rotella and Harner 1999; Sturnieksa, Georgea and Lord 2008). Research in this context has suggested that  just as brain exercises are needed to maintain cognitive performance as one gets older, it  is  also  important  to  engage  in  daily  physical  activity  (Ribeiro  and Oliveira 2007) and eat a diet that is rich in antioxidants or essential fatty 

1 - Laboratory Mira y López, Department of Personality, Assessment and Treatments,

Faculty of Psychology, University of Barcelona, Spain 2 - Neuroscience Institute, Faculty of Psychology, University of Barcelona, Barcelona,

Spain

Page 91: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in fine motor behaviour with age (based on visuo-proprioceptive and... 91

acids  (Willis,  Shukitt‐Hale  and  Joseph  2009)  in  order  to preserve  one’s proprioceptive function.    As far as lateralization is concerned, some researchers have shown de‐creased hand asymmetry in motor tasks with aging (Przybyla, Haaland, Bagesteiro and Saiburg 2011), while others have reported faster work of the right hemisphere (left hand), which did not change much with age on non‐verbal  and visual  tasks  (Stern, Oster  and Newport  1980). Research using  fMRI  has  also  identified  an  age‐related  shift  from  automatic  to more cognitively controlled movements as subjects get older (Heuninckx, Wenderoch, Debaere, Peters and Swinnen 2005).    In  light of  these  findings, our aim here was  to examine whether age has an influence on proprioceptive and visuo‐proprioceptive function in relation to fine motor performance. Specifically, this was a cross‐sectional study  in which  subjects  of  different  ages were  required  to  trace  over a model line. We measured precision of line length and task speed in the frontal and transverse directions and for both hands (in order to examine asymmetry in motor lateralization). 

Methods 

Participants   The sample comprised subjects from the general population with nor‐mal or corrected‐to‐normal vision (N=196, age=33±21 years, range: 12‐95, men: 75%). Those  individuals who had any been  forced  to change  their hand  dominance  at  school were  excluded  from  the  study. All  subjects took part voluntarily, were informed about the aims of the research and gave their consent prior to inclusion in the study. 

Software and Intstruments   The validated (Muiños 2008) computerized test (Tous and Viadé 2002; Tous, Viadé and Muiños 2007) was based on the original manual version proposed  by Mira  (1958)  as  a method  of myokinetic  psychodiagnosis (MKP). It comprised a tactile screen (LGE, resolution of 1280x1024, opti‐mal  frequency of 60 Hz)  in conjunction with a sensory stylus  (for hand drawings), both of which were connected to a laptop computer (Pentium 

Page 92: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

92 Liudmila Liutsko et al.

IV) on which was  installed  specially designed software  for data coding and analysis (Tous 2008), and a piece of cardboard (or opaque screen) to hide  the  active  arm  and prevent  the  subject  from  receiving movement feedback. 

Procedure Instructions to participants:   “You have to trace the model line as much precise as you can, without inter‐rupting  or  lifting  the  hand”.  The  task was  repeated  for  both  hands  and transversal and frontal movement types.   Participants made 3 trials (complete movements) in PV test condition, followed by 10 trials in P sensory conditions. The line lengths of the last movements of each sensory condition were compared; as well total time (ms) spent and each sensory condition of the task. 

Statistical Analysis    Paired correlations (r) and differences (t) for repeated measures were calculated with use of SPSS.18 to see how the motoralization asymmetry between hands was changed with age, as well as existence of P/PV de‐pendence  in  the performance. Regressions  analyses were performed  to see how the precision and velocity of task were changes through life. 

Results 

  Fine motor  behaviour,  in  the  form  of  the  precision  of  line  lengths (tracing over 40 mm model  lines) and  task speed, was measured  in  the frontal and transverse directions for both hands and under two test con‐ditions: proprioceptive  information only (P) and proprioceptive + visual information (PV). Age was shown to have an  influence on the precision and  speed  of  fine motor  performance  under  different  test  conditions, with  the  best  performance  being  achieved  at  middle  age  and  with a quadratic  polynomial  function  providing  the  best  fit  for most  of  the variables.  Inflection  points  (i.e.  the  critical  age  at which  the  graphical analysis showed the change in performance) ranged from 31 to 48 years old for the best fitting regressions in relation to precision, and from 36 to 40 in relation to time (Tab. 1, 2).  

Page 93: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in fine motor behaviour with age (based on visuo-proprioceptive and... 93

  

Page 94: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

94 Liudmila Liutsko et al.

    

Page 95: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in fine motor behaviour with age (based on visuo-proprioceptive and... 95

As  regards  asymmetry  of motor  lateralization,  the  results  showed  that left‐hand  performance was  significantly  faster  for  some  variables  and some age groups; however, the precision was worse when the differences between L and R hands were statistically significant. 

Discussion and conclusions 

  The  age‐related  relationship  between  fine motor  precision  and  task velocity  based  on  either  proprioception  only  or  visuo‐proprioceptive feedback  had  a  non‐linear  dependence.  This  relationship was  fitted  to a quadratic  polynomial  as  a  general  approximation  (improving  their values up to middle age, when both precision and velocity reached their best performances) and followed by a posterior worsening due to aging processes.  Proprioception  was  the  first  to  deteriorate  and  had  higher variance  in  performance,  especially  in  older  subjects.  Practical implications:  proprioception  training  to maintain  it  at  good  level will allow  that  quality  of  life  (physical  and  psychological)  to  be  prolonged with aging. 

References 

Cole KJ, Rotella DL, Harner, JG (1999) Mechanisms for age‐related changes of fingertip forces during precision gripping and lifting in adults. The Journal of Neuroscience, 19(8): 3238‐3247 

Goble D, Coxona JP, Wenderotha N, Impea, AV, Swinnena, SP (2009) Proprioceptive sensibility in the elderly: Degeneration, functional consequences and plastic‐adaptive processes. Neuroscience & Behavioral Reviews, 33(3): 271‐278 

Heuninckx S, Wenderoch N, Debaere F, Peters R, Swinnen S (2005) Neural basis of aging: the penetration cognition into action control. The Journal of Neuroscience, 25(29): 6787‐6796. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1263‐05.2005 

Mira E (1958) Myokinetic psychodiagnosis. (M. K. P.) New York: Logos 

Muiños R (2008) El psicodiagnóstico miokinético: desarrollo, descripción y análisis factorial confirmatorio [thesis in Spanish, abstract in English], Barcelona: UB 

Page 96: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

96 Liudmila Liutsko et al. Tous JM, Viadé A (2002) Advances in MKP‐R. Psicologia em Revista, 8(12): 95‐

110. [In Spanish, English summary]. 

Tous JM, Viadé A, Muiños R (2007) Validez estructural de los lineogramas del psicodiagnóstico miokinético, revisado y digitalizado (PMK‐RD). Psicothema, 19(2): 350‐356 

Tous, J.M. (2008) Diagnostico Propioceptivo del Temperamento y el Carácter DP‐TC. Barcelona: Lab. Mira y López. Department of Personality, Assessment and Psychological Treatments, University of Barcelona. 

Przybyla A, Haaland K, Bagesteiro, Saiburg R (2011) Motor asymmetry reduction in older adults. Neuroscience Letters, 489(2): 99‐104  

Ribeiro F, Oliveira J (2007) Aging effects on joint proprioception: the role of physical activity in proprioception preservation. Eur Rev Aging Phys Act: 4:71‐76; doi 10.1007/s1556‐007‐0026‐x. 

Sturnieksa DL, Georgea RSt, Lord SR (2008) Balance disorders in the elderly. Clinical Neurophysiology, 38(6): 467‐478 

Willis LM, Shukitt‐Hale B, Joseph JA (2009) Modulation of cognition and behaviour in aged animals: role for antioxidant‐ and essential fatty acid‐rich plant foods. Am J Clin Nutr, 89(5): 1602S‐1606S 

 

 

 

  

Page 97: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Step initation:Characteristics from accelerometry and camera motion … 97

STEP INITIATION: CHARACTERISTICS  FROM ACCELEROMETRY AND CAMERA 

MOTION CAPTURE SYSTEM 

Jana Lobotkova, Zuzana Halicka, Kristina Buckova,  Frantisek Hlavacka1 

Introduction 

  Step initiation is a complex motor task that entails the transition from a quiet  standing  posture  to  dynamic  equilibrium  that  allows  forward body progression (Rocchi et al., 2006). Important aspect of the beginning of  gait  is  the  anticipatory  postural  adjustments  (APAs)  reflecting  the body´s  ability  to  predict  the  postural  disturbances  occurring with  for‐ward movement  (Crenna,  Frigo,  1991). Disturbances during  gait  initia‐tion (GI) occur often in elderly and may cause a decrease in balance con‐trol ability during walking. There are many studies, which evaluate GI by different types of temporal‐spatial parameters. The purpose of this pilot study  was  to  determine  the most  sensitive  kinetic  and  kinematic  pa‐rameters of GI in young healthy subjects when taking short, normal and long steps. 

Methods 

  Ten healthy young  adults  (4 men  and  6 women; mean  age  27.3±1.2 years) participated  in  the study. None of  the subjects  reported orthope‐dic,  cardiovascular,  or  neurological  diseases  or  dysfunctions,  they  had any history of  falls, or any pain at  the  time of  testing. All subjects gave 

1 - Laboratory of Motor Control, Institute of Normal and Pathological Physiology, Slovak

Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia

Page 98: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

98 Jana Lobotkowa et al.

written  informed  consent  prior  to  participation  and  the  Local  Science Ethical Committee approved the experimental protocol.  Foot  reactions were measured  at  the  initial  stance  using  custom made 0.45 x 0.45 m force platform equipped with automatic weight correction, and quantified by displacement of  center of  foot pressure  (CoP)  in  the anterior‐posterior  (AP)  and medial‐lateral  (ML) direction. Accelerations of upper  and  lower  trunk were measured by  two  inertial MTx  sensors (Xsens Technologies, B.V., Netherlands) with 3‐D accelerometers (± 1.7g range) mounted on  the anterior  trunk at  the  level of  sternum  (AccSter) and the posterior trunk at the level of the fifth lumbar vertebra (AccL5). Data  from  the  force platform  and  accelerometers were  acquired  at  100 Hz.  Spatial  and  temporal  kinematic  gait  initiation  parameters  were automatically recorded by motion capture system (BTS Smart DX, Italy) equipped with  6  infrared  cameras  and  sampling  frequency  of  100 Hz. Twelve  spherical,  retro‐reflective markers  (1.5 cm  in diameter) were bi‐laterally placed  on  anatomically well‐defined points:  acromion,  antero‐superior iliac spine, knees, heels, lateral malleoli and the fifth metatarsal head,  two  retro‐reflective markers were also placed  identically with ac‐celerometers on sternum and L5.   Subjects  stood  on  a  force plate,  a walkway was  expanded  from  the force plate by additional 1.3 m wide and 3 m long wooden platform, with force  plate  embedded.  Subjects  were  instructed  to  initiate  gait  from a standing posture after an auditory cue and take 5‐6 steps in a forward direction,  starting with  the  right  leg.  In  each  trial,  they walked at  their self‐selected, shorter and longer steps, respectively. Initial stance position was  consistent  from  trial‐to‐trial  by  tracing  foot  outlines  on  the  force plate.  Five  trials  of  step  initiation  in  each  step  length  condition were acquired  and  averaged.  In  each  trial,  the  first  step was  evaluated  and analyzed with MATLAB program.    In the process of step initiation, we differentiated between two phases – preparatory  (APAs)  and  execution phase  (EXE).  In both phases, pos‐tural sway was evaluated from CoP displacements after applying 10‐Hz cut‐off filter. The sternum and L5 acceleration output was also  low‐pass filtered with cut‐off frequency of 3 Hz as well as trunk angle calculated from markers placed on upper and lower trunk.  

Page 99: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Step initation:Characteristics from accelerometry and camera motion … 99

0 50 100 150-10

-5

5

10[cm]

0

0 50 100 150-4

-2

0

2

4

0 50 100 150-4

-2

2

4

[ms]

[ms]

[ms]

[m.s-2]

[m.s-2]

0 50 100 150-10

-5

0

5

10[cm]

[ms]

0 50 100 150-4

-2

0

2

4

0 50 100 150-4

-2

0

2

4

[ms]

[ms]

[m.s-2]

[m.s-2]

ACoP

BAcc L5

CAcc Ster

AP direction ML directionforward

backward

step side

stance side

APAs EXE EXEAPAs

HO TO HC

0

HCTOHO

 Fig. 1 Excursions of CoP (A), lower (B) and upper (C) trunk accelerations during 

APAs and execution phase (EXE) of GI in representative subject: short step trial (dashed), normal (grey) and long (black) step trials. Left panel – anterior‐

posterior, right panel – medial‐lateral directions. HO, TO, HC: heel off, toe‐off, heel contact of stepping leg in long step trial. 

 The following characteristics were compared from the CoP displacements and  trunk accelerations:  (1) APAs AP amplitudes,  that are peak of CoP excursion, peak AccL5 and AccSter trunk accelerations from the baseline in AP direction and (2) APAs ML amplitudes that are peak of CoP excur‐sion, peaks of upper and lower trunk accelerations in ML direction. The same  parameters we  evaluated  also  during  the  execution  phase  of GI, 

Page 100: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

100 Jana Lobotkowa et al.

especially  in  two events,  toe‐off  (TO) and heel contact  (HC) of stepping leg: (3) EXE AP amplitudes, that are peak of CoP excursion, peak AccL5 and AccSter  trunk accelerations  in AP direction  in  toe‐off as well as  in heel contact and (4) EXE ML amplitudes, that are peak of CoP excursion, peak AccL5 and AccSter trunk accelerations in ML direction in both, toe‐off  and  heel  contact  events.  Trunk  angle  and  trajectories  of  markers placed on sternum and L5  in sagittal and  lateral plane were also evalu‐ated. Data were statistically analyzed using Student´s  t‐test, p<0.05 was considered significant. Figure 1 shows example of CoP and acceleration signals  (sternum, L5) collected  from a representative subject both  in AP and ML directions, together with the extracted features. 

Results 

  Gait  initiation  involves  the preparation  (APAs) and execution of  the first step. Significant differences in APAs while taking short, normal and long steps were showed in parameter CoP displacement and acceleration of upper trunk in both AP and ML directions (Fig.2 A). The sternum ac‐celeration  showed  lateral‐backward  excursion  in  correspondence  to  the lateral‐backward displacement of CoP. Backward CoP shift in APAs was 3.67 cm, 5.04 cm, 5.77 cm during  the short, normal and  long step  trials, respectively. Lateral CoP  shift  in APAs  toward  the  swing  leg was  3.33 cm,  3.79  cm,  3.94  cm during  the  short, normal  and  long  step  trials,  re‐spectively  (Fig.2 A‐a).  Backward  acceleration  of  sternum  in APAs was 0.27 ms‐2, 0.40 ms‐2, 0.61 ms‐2 and lateral sternum acceleration toward the swing leg was 0.51 ms‐2, 0.56 ms‐2, 0.67 ms‐2 during the short, normal and long  step  trials,  respectively  (Fig.2 A‐b).  In acceleration of  lower  trunk, APAs appeared only in two subjects in all conditions in both AP and ML directions.  In  trunk  angle  and  trajectories  of  sternum  and  L5 markers, APAs were detected in none of the trials of subjects.   In execution phase of the first step, we focused on CoP displacement and  sternum and L5 accelerations  in  two different events –  toe‐off and heel  contact  of  the  stepping  leg.  Significant  differences  between  short, normal and  long step  trials were found  in AP CoP displacements (Fig.2 B‐a), AP and ML acceleration of sternum (Fig.2 B‐b) and AP acceleration 

Page 101: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Step initation:Characteristics from accelerometry and camera motion … 101

of  lower  trunk  (Fig.2  B‐c)  during  the  toe‐off. At  the  end  of  execution phase, in heel contact, acceleration of sternum (Fig.2 C‐b) and L5 (Fig.2 C‐c)  in both AP and ML directions was significantly different. No signifi‐cant differences were found in CoP displacement at the time of heel con‐tact. Changes in trunk angle and trajectories of sternum and L5 markers during execution phase were not significantly different comparing short, normal and long step trials.  

0

0,5

0,7

0,1

0

1

3

5

7

0

2

4

6

8

10

0,3

0

2

4

6

8

10

0

0,05

0,15

0,25

0,35

0

1

2

3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

0,5

1,5

2,5

3,5

AAPAs

CoP [cm] Acc Ster Acc L5

BEXE-TO

CEXE-HC

[m.s -2] [m.s -2]

AP ML AP ML MLAP

a b

ca

a

b

b c

* * ** * * **

* ***

* ***

* * ** * **

* * ** * **

* **

* ***

* * ** * * ** *

* * **

**

* * ** * * * *

* ** **

 Fig. 2 Grouped averages of GI parameters: CoP displacement, acceleration of sternum and L5 during the APAs (A), execution phase in toe‐off (B) and heel contact (C) in AP and ML directions. Three different step length conditions are compared: 

short (light grey), normal (grey) and long (black) steps.  The averaged data are presented as mean values.  

Significant differences are marked: *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001. 

Page 102: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

102 Jana Lobotkowa et al.

Discussion 

  Our  results  suggest  that CoP displacement  in AP  direction  is more sensitive for recording changes during GI while taking steps with differ‐ent length, more significant in APAs. Other studies are oriented mostly in both, AP  and ML  directions,  especially  in  patients  (Henriksson  et  al., 2011), but some of them consider as more significant ML direction (Roc‐chi et al., 2006). Little  is known about determining of GI parameters by accelerometers. Mancini  et  al.  (2009)  evaluated APAs  in  Parkinson  pa‐tients using Acc L5, but our  results  indicate  that more  suitable  for de‐tecting changes during GI in both APAs and execution phase is recording of upper trunk acceleration. In our pilot study, APAs were detected only in two from ten subjects using accelerometer on L5, in contrary accelera‐tion of sternum revealed significant changes in all subjects during APAs and also execution phase in both, AP and ML directions. More significant differences during  execution  phase  showed  accelerations  of  upper  and also lower trunk in both directions in heel contact of stepping leg, than in toe‐off event. Data from motion capture system are often used for deter‐mining  gait  initiation  events  like  TO, HC  or  temporal  parameters. We also focused on trunk tilt in sagittal and lateral planes during GI and on trajectories of sternum and L5 markers. In spite of promising changes in trunk angle, these were not significantly different in relation to different step length conditions.  

References 

Crenna P., Frigo C. A motor programme for the initiation of forward‐oriented movements in humans. J Physiol. 437: 635‐53,1991 

Henriksson M., Henriksson J., Bergenius J. Gait initiation characteristics in elderly patients with unilateral vestibular impairment. Gait & Posture. 33:661‐667, 2011 

Mancini M., Zampieri C., Carlson‐Kuhta P., Chiari L., Horak FB. Anticipatory postural adjustments prior to step initiation are hypometric in untreated Parkinson´s disease: an accelerometry based aproach. European Journal of Neurology. 16:1028‐1034, 2009 

Page 103: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Step initation:Characteristics from accelerometry and camera motion … 103

Rocchi L., Chiari L., Mancini M., Carlson‐Kuhta P., Gross A., Horak FB. Step initiation in Parkinson´s disease: Influence of initial stance condition. Neuroscience Letters. 406: 128‐132, 2006 

Acknowledgments 

This work was supported by VEGA grant No. 2/0186/10.      

Page 104: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

104 Guo Mei-Chun and Hwang Ing-Shiou

PRACTICE‐RELATED ADAPTATION  TO MOTOR OUTPUT WITH ADDITIVE  

LOW‐LEVEL NOISE 

Guo Mei‐Chun, Hwang Ing‐Shiou1 

Introduction 

  Movement  variability  is  an  inherent  feature  for  all  stages  of motor learning. Attainment of motor success is a dynamic process for acquiring movement solutions and minimization of movement variability (Fetters, 2010). Increase in the degree of noise relative to motor command during motor  learning  could  impedes  information  detection,  adding  to  uncer‐tainty  and  learning  difficulty  for  increase  in  cognitive  and  perceptual loads  (Newell, Slifkin, 2000). However, many  recent work on stochastic resonance show that noise at very low level may facilitate task perform‐ance. Through an adequate  low‐level mechanical noise,  that may  cause small  or  random  receptor  potential  fluctuations,  added  to  a  normally subthreshold, and makes the stimulus being detected (Magalhaes, Kohn, 2011; McDonnell, Albert, 2009). It is of theoretical interests to explore the adaptive roles of unperceivable noise on motor  learning, if the feedback system  contains  information  irreverent  to  task  goals.  This  experiment contrasted  practice  benefits  between  force‐matching  guided  by  visual feedback with  and without  artificial noise.  It was hypothesized unper‐ceivable noise was detrimental to motor skill advancement.      

1 - Institute of Allied Health Science, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan

Page 105: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Practise related adaptation to motor output with additive low level noise 105

Methods 

  Twenty‐four healthy volunteers participated  in  this  study  and were randomized to two groups with equal subjects, the control and  interfer‐ence groups. Upon hearing an auditory cue, the subject soon responded to conduct a force‐matching by coupling the force impulse generated by thumb‐finger  precision  to  the  trajectory  of  a  visual  target  (Fig.  1(a), Fig. 2).  The  subjects  in  the  control  group  (n=12)  were  provided  with visual feedback of actual force response, whereas visual feedback of force impulse  for  subjects  in  the  interference  group  (n=12)  was  artificially added with  low‐level  of  noises  (signal‐to‐noise  ratio  =  50). There were a total of  twelve  experimental  trials with  1‐minute  rest period between trials.  Each  trial  allowed  the  subjects  roughly  eighteen  force‐matching attempts. The first 3 experimental trials were baseline pre‐training trials, followed by 6 practice trials and 3 post‐practice trials (Fig. 1(b)). Figure 2 displays  the  experimental  setups.  Analyzed  behavior  parameters,  in‐cluding normalized force error (NFE), variability of matching error, reac‐tion time (RT), time to force peak (Tpk), and force impulse variability were calculated. Two‐way  repeated measures ANOVA  (2  x  2) were  used  to compare  group  effect  (control  vs.  interference)  and  phase  effect  (pre‐practice  vs.  post‐practice)  on  all  behavior measures.  Paired‐t  test was used as post‐hoc. A significant level of .05 was adopted.  

 (a)  (b) 

Fig. 1 (a) ‐ Force‐matching cycle diagram (b)‐ experimental procedure 

 

Page 106: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

106 Guo Mei-Chun and Hwang Ing-Shiou

 Fig. 2 

Experimental settings 

Results 

Representative raw data and behavioral parameters are shown  in figure 3.  Normalized  force  errors  (NFE)  showed  a  significant  decrease  after practice  for both groups  (P <  .001) without  interaction between practice and  group  effects  (F1,22=.101,  P=  0.754;  F1,22=1.473,  P=  0.238)  (Fig.  4(a)). Likewise,  force‐matching  practice  led  to  a  significant  decrease  in  vari‐ability  of  force‐matching  error  for  both  the  control  and  interference groups  (P <  .001)  (Fig. 4  (b)). Although  the  interference group exhibited a shorter  Tpk  than  the  control  group  in  the  baseline  and  post‐practice conditions, yet practice did not alter RT (P=  .694), and Tpk (P = .619)(Fig. 5(a), (b)). The variability of force impulses was also independent of group (F1,22=.254, P = .619) and practice (F1,22=.325, P = .574) effects. 

Page 107: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Practise related adaptation to motor output with additive low level noise 107

 

 Fig. 3  

Representative raw data and behavioral parameters  

Number of blocksPre 4 5 6 7 8 9 Post

Norm

alize

d fo

rce

erro

r (%

)

0

15

20

25

30

35ControlInterference

Number of blocksPre 4 5 6 7 8 9 Post

Varia

bilit

y of

mat

chin

g er

ror

0

4

6

8ControlInterference

  (a) (b) 

Fig. 4 The contrasts of (a) normalized force error (NFE) and (b) the variability 

of matching error (* < .001). 

Page 108: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

108 Guo Mei-Chun and Hwang Ing-Shiou

  

Pre Post

Rea

ctio

n tim

e (m

s)

0

100

200

300

400ControlInterference

303.5(18.3)

304.7(17.8)

312.2(19.3)

321.9(15.5)

  Pre Post

Tim

e to

pea

k fo

rce

x 10

2 (ms)

0

2

4

6

8

10

12

14 ControlInterference* *

1049.5 (48.2)

1059.3 (56.2)

802.8(69.3)

823.2(69.6)

 (a)  (b)  

Fig. 5 The contrasts of (a) reaction time (RT) and (b) the time to peak force (Tpk) 

(* < .001).   

Discussion 

  Practice benefit at  the behavioral  level  is not contextually  influenced by motor output with additive low‐level noise. The shorter Tpk indicated a strategic change in generation of force impulse and effective execution to attain force‐matching success. Similar to the control group, the present study suggested that the interference group could overcome uncertainty and  improve  force‐matching quality  through practice, underlying adap‐tive neural process  to  cope with visuomotor variability during  skill ac‐quisition. 

References 

Fetters L., Perspective on variability in the development of human action. Physical Therapy, 90(12):1860‐1867, 2010. 

McDonnell M.D., Abbott D. What is stochastic resonance? Definitions, miscopnceptions, debates and its relevance to biology. PLos Comput Biol, 5(5):e1000348, 2009. 

Page 109: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Practise related adaptation to motor output with additive low level noise 109

Magalhaes F.H.,Kohn A.F. Vibratory noise to the fingertip enhances balance improvement associated with light touch. Exp Brain Res, 209:139‐151, 2011 

Silfkin A.B., Newell K.M. Variability and noise in continuous force production. Journal of Motor Behavior, 32(2): 141‐150, 2000. 

Newell K.M., Silfkin A.B. The nature of movement variability. In Motor Behavior and Human Skill: A Multidisciplinary Approach. J.P. Piek, eds. Champaign, IL: Human Kinetics, 1998. Pp. 141‐160. 

 

 

 

 

 

 

 

  

Page 110: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

110 Agnieszka Nawrat-Szołtysik et al.

THE OWN MODIFICATION OF EXERCISE BY MEHRSHEED SINAKI AND NORDIC 

WALKING FOR SECONDARY PREVENTION IN OSTEOPOROSIS 

Agnieszka Nawrat‐Szołtysik, Józef Opara, Cezary Kucio1 

Introduction 

  Due to lack of effective drugs in osteoporosis it is absolutely required to  conduct  comprehensive  treatment,  i.e. medication,  proper  diet  and adequate  physical  activity.  There  is  convincing  evidence  that  physical activity effectively slows bone loss in postmenopausal women in a dose‐dependent manner. Exercise programs may  increase bone mineral den‐sity  (Schmitt  et  al.  2009).  In  addition,  strengthening  of  the  paraspinal muscles may maintain not only good bone mineral density  (BMD) but also reduce the risk of vertebral fractures (Pfeifer et al. 2004). The author of one of  the  first exercise programs  for patients with osteoporosis was Mehrsheed  Sinaki  who  recommended  following  exercises:  stretching, strengthening the muscles of the back, abdomen and low back‐rump, and isometric exercises with resistance  (Sinaki et al. 2010). Excellent  form of physical  activity  in  osteoporosis  is  a walk,  during which  the  skeleton works due  to  the universal  force  of  gravity.  Its  action,  associated with variable muscle  tone,  improves  the  resorption  and bone  formation  and strengthens  the muscles  of  the  spine.  Today more  and more  common form of walking becomes a Nordic Walking, which forces the upper body involvement  and  activates  those  muscles  which  usually  are  passive during normal walk (Kocur 2006).   1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Faculty of Physiotherapy,

Katowice, Poland

Page 111: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The own modification of exercise by mehrsheed sinaki and nordic walking for … 111

  The aim of this study was to assess the impact of modified Mehrsheed Sinaki exercises and Nordic Walking on bone density, range of motion of the arms, pain, motor skills, balance and reducing the risk of falling. 

Material and Methods  

  The  study  included 24  residents of  three nursing homes, aged 65‐89 years  (av.  77  years).  The  study  involved  women  who  were  able  to understand  the  nature  of  research,  in  whom  the  osteoporosis  was confirmed by densitometric examination (T‐score ≤ ‐2.5). All were treated pharmacologically  with  anti‐osteoporosis  drugs.  The  subjects  were divided into two groups, 12 persons each. In group 1 (intervention) were women  who  participated  in  the  annual  exercise  and  Nordic Walking classes, mean age 78 years, mean T‐score ‐3.39. Group 2 (control) did not benefit from any form of motor activity, mean age 80 years, mean T‐score ‐3.58. Main outcome measure: bone densitometry, the assessment of pain using a numerical scale  (NRS),  the assessment of shoulder  joint motion using a goniometer  (raising arm by bending  forward  ‐ Wzp, raising  the limb side by visiting ‐ Wzb), Timed ʺUp & Goʺ Test and Functional Reach Test (FR). According to Podsiadło and Richardson`s the Timed Up & Go test  allows  to  assess  a pace,  changing position  from  sitting  to  standing and  from  standing  to  sitting  position  without  assistance  (Podsiadło, Richardson 1991). FR test measures how far the patient can lean forward with a stable pelvis and alloys while still remaining  in contact with  the ground. All  tests were  carried  out  twice:  before  and  after  the  year  of treatment. 

Own modification of Meehrsheed`s Sinaki exercise program   The  original  program  of  exercises  by  Sinaki  was  conducted  in  5 starting positions: standing, sitting in a chair, supported kneeling, sitting on the floor and lying on the ground (Sinaki et al. 2010). To be available and safe for elderly women, we performed only in the sitting position on a  chair.  The  program  consists  of  a  warm‐up,  stretching  exercises, exercises to strengthen abdominal and back muscles, isometric exercises, drills  and  exercises  with  resistance  relaxants.  Classes  were  held  for a year, twice a week for 45 minutes each session. 

Page 112: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

112 Agnieszka Nawrat-Szołtysik et al.

Nordic Walking Nordic Walking Classes were conducted on the level ground, throughout two  times  a  week  (depending  on  weather  conditions).  The  training session  consisted  of  5‐10  min.  warm‐up  of  stretching  and  breathing exercises, 30 min. main part  ‐  time  (increased every  three months  for 5 min.), fade phase. Statistical analysis was performed based on  the elements of descriptive statistics: arithmetic mean,  standard deviation.  In order  to  compare  the obtained  results  we  used  Studentʹs  t‐test,  indicating  significance  at p<0.05. 

Results  

  Our study showed an improvement or a tendency to improvement in the  group  1  (intervention)  in  all  parameters.  Statistically  significant results  (p  <0.05) were observed only  in  the Timed  ʺUp & Goʺ  test, FR, NRS  scale,  the  Wzp.  The  execution  time  of  ʺUp  &  Goʺ  test  in  the intervention group was average 20.63 seconds before  the study and has been shortened to the average of 17.58 seconds (p = 0.004). In the control group, the time needed to perform the Timed Up & Go test before study was an average of 28.85 seconds and after a year has been extended  to 29.99  sec.  The  results  of  the  Functional  Reach  test  improved  in  the intervention group in 83.33% patients and only in 16.67% patients in the control group. Average distance  stretching before  treatment  in group 1 was 22.67 cm and 20.25 cm  in group 2, and after a year was an average 24.83 cm in group 1 (p = 0.03) and 18.42 cm in group 2. In 58% of patients in group  1  the  reduction of pain has been observed on  average by  2.5 percentage points in NRS scale (p = 0.04) while in group 2 the reduction of pain was observed  in 41.67% of patients by an average of 1.4 points NRS.  Improvements  in mobility  of  shoulder  in  the  intervention  group was an average of 2.5 degrees (Wzp) (p = 0.02) and 1.25 degree (Wzb). In the control group decreased mobility of an average of 5 degrees  (Wzp) and 0.84 degree  (Wzb) has been observed. As  for bone density: T‐score has been grown  in both groups:  an  average of  0.27  in  the  intervention group, while in the control group 0.19. 

Page 113: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The own modification of exercise by mehrsheed sinaki and nordic walking for … 113

Discussion  

  Several studies have shown  that  the  introducing physical exercise  in patients with osteoporosis  increased  the  therapeutic  effect  compared  to a group  of  patients  in  which  there  is  no  physical  activity  (Roch Radziszewski et al. 2004). The analyzed results showed walking to be ef‐fective on both BMD of  the  spine 1.31  [95%CI  (‐0.03, 2.65)] and  the hip 0.92  [95%CI  (0.21,  1.64)].  Aerobic  exercise  was  effective  in  increasing BMD of  the wrist 1.22  [95%CI  (0.71, 1.74)]  (Bonaiuti et al. 2002).  In our study  results showed  the persistence of T‐scores at  the same  level with a tendency  to  improve  both  in  the  intervention  group  (mean improvement  0.27  T‐score)  and  controls  (mean  improvement  0.19  T‐score). The researchers speculate that does not get too high an increase in bone density in the test group relatively to the control may be associated with an insufficient supply of calcium in the diet in subjects. The study of Owecki  et  al.  showed  a  significant  statistical  improve  of  bone  density only  in  the  group  that  consumed  large  amounts  of  dairy  products, including high physical activity (Owecki et al. 2002).   In all patients who attended  for 12 months  for Nordic Walking and participated  in a modified exercise program Sinaki statistical significant improvement in Get up & Go test has been observed. 66.67% of patients from group 1 obtained after one year score below 20 seconds.    Physical activity in older ages can be recommended to improve mus‐cle strength and balance, to reduce the risk to fall and fractures (Karlsson et al. 2006). Mętel and co‐workers in their study showed an improvement in  the  Functional  Reach  test when  carried  out  in women  in  the  65‐70 years age category, while in the control group it was observed the reduce of average distance to reach in both women and men (Mętel et al. 2010). In our study, similar results were obtained. In the FR test 58.33% of group 1  achieved  the  result of more  than  25  cm, while only one person  from Group  2.  According  to  the  guidelines  given  by  the  Jonsson  and  co‐workers,  the  result  of  FR  test  15‐25  cm  is  twice  higher  risk  of  falling (Jonsson  et  al.  2002). Roghani  et  al.  showed  that  the  two  exercise  pro‐grams  stimulate  bone  synthesis  and  decrease  bone  resorption  in  post‐menopausal women with osteoporosis, but  that  exercise while wearing 

Page 114: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

114 Agnieszka Nawrat-Szołtysik et al.

a weighted  vest  is  better  for  improving  balance  (Roghani  et  al.  2012). Although we didn`t observed high increase in bone density, a number of other  beneficial  changes  under  the  influence  of  physical  activity  in intervention  group  could  be  observed,  thereby  reducing  the  risk  of falling. 

Conclusions:  

  Own modification of Meehrsheed`s Sinaki exercise program together with Nordic Walking  improved  the range of motion  in  the  joints of  the arms, pain, motor  skills, balance, and  reduced  the  risk of  falling  in  the intervention  group  consisted  of  12  elderly  women  suffering  from osteoporosis comparing to the control group.  

References 

Bonaiuti D., Shea B., Iovine R., Negrini S., Robinson V., Kemper H.C., Wells G., Tugwell P, Cranney A. Exercise for preventing and treating osteoporosis in postmenopausal women. Cochrane Database Syst. Rev. 3: CD000333, 2002 

Jonsson E., Henriksson M., Hirschfeld H. Does the Functional Reach Test reflect stability limits in elderly people? J. Rehabil. Med. 35: 26‐30, 2002 

Karlsson M.K., Nordqvist A., Karlsson C. Physical activity, muscle function, falls and fractures. Food Nutrition Res. 52: 1‐7, 2008 

Kocur P., Wilk M. Nordic Walking – a new form of exercise in rehabilitation. Medical Rehabilitation 10(2): 1‐8, 2006 

Mętel S., Milert A., Szczygieł A., Drozd A., Kwiatkowska A., Krzemińska M. The influence of 6‐months sensomotoric training on physical performance in the elderly with chronic back pain. Advances in Rehab. 24(3): 51‐65, 2010 (Polish) 

Owecki M., Horst‐Sikorska W., Baszko‐Błaszyk D., Sowiński J. Influence of diet and physical activity on the course and therapy of osteoporosis. Pol. Merkur. Lekarski 13(78): 473‐476, 2002 (Polish) 

Pfeifer M., Sinaki M., Geusens P., Boonen S., Preisinger E., Minne H.M. for theASBMR Working Group on Musculoskeletal Rehabilitation. Musculoskeletal Rehabilitation in Osteoporosis: A Review. J. Bone Mineral Res. 19(8): 1208–1214, 2004 

Page 115: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The own modification of exercise by mehrsheed sinaki and nordic walking for … 115

Podsiadło D., Richardson S. The Timed “Up & Go”: A test of basic functional mobility for elderly persons. J. Am. Geriatr. Soc. 39: 142‐148, 1991 

Roch Radziszewski K., Nicpoń K., Marszałek A. Comparative evaluation of the effectiveness of physical and pharmacological treatments for osteoporosis. Fizjoter. Pol. 4(3): 218‐225, 2004 (Polish) 

Roghani T., Torkaman G., Movasseghe S., Hedayati M., Goosheh B., Bayat N. Effects of short‐term aerobic exercise with and without external loading on bone metabolism and balance in postmenopausal women with osteoporosis. Rheumatol. Int. Mar 24, 2012 [Epub ahead of print] 

Schmitt N.M., Schmitt J., Dören M. The role of physical activity in the prevention of osteoporosis in postmenopausal women ‐ An update. Maturitas 20; 63(1): 34‐38, 2009 

Sinaki M., Pfeifer M., Preisinger E., Itoi E., Rizzoli R., Boonen S., Geusens P., Minne H.W. The role of exercise in the treatment of osteoporosis. Curr. Osteoporos Rep. 8(3): 138‐144, 2010 

            

Page 116: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

116 Karina Nowak et al.

EMG SIGNAL ANALYSIS THE MVC TEST BEFORE AND AFTER FUNCTIONAL TESTING 

IN PATIENTS WITH GONARTHROSIS 

Karina Nowak1, Grzegorz Sobota1, Bogdan Bacik1 ,  Grzegorz Hajduk2, Damian Kusz2 

Introduction 

  Muscle work performed  is closely  interwoven with  the phenomenon of fatigue, the mechanism is still under investigated. To assess the fatigue and musculoskeletal parameters can be used surface electromyography, which is a non‐invasive method involving the registration of bioelectrical activity of muscles  (Minns 2005). Under  the  influence of muscle  fatigue changes  are  visible  in  the  record  electromyogram  by  changing  the  pa‐rameters  of  the EMG  signal. This  process  increases  the  amplitude  and shift  towards  lower  frequencies  of  the EMG  signal. The  resulting  local muscle  fatigue  is one of  the  emerging problems  in  the  analysis of bio‐electrical  signals  that  can affect  test  results  (Błaszczyk 2004). The  study was therefore an attempt to assess changes in the parameters of the signal spectrum  quadriceps  femoris muscle bioelectrical,  recorded during  the  so‐called MVC  test before and after a series of standardized  tests assessing the functional status of the patient.    The research questions was: 

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Department of Motor Human

Behaviour, Institute Biomechanics, Katowice, Poland 2 - Medical University of Silesia Katowice, Department and Clinic of Orthopaedic and

Traumatology, Katowice, Poland

Page 117: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

EMG signal analysis the MVC test before and after functional testing in … 117

1. Are there changes in mean and median frequency bioelectrical signal quadriceps  femoris muscle MVC  recorded  during  the  test  before  and after a series of functional tests? 

2. Is the observed changes may affect the further analysis and interpre‐tation of the standard bioelectrical signal? 

Methods 

  A  prospective  study  of  22  patients  hospitalized  in  the  Independent Public Clinical Hospital, Department of Orthopaedics and Traumatology Clinic Locomotor Medical University of Silesia in Katowice. The research project  has  been  approved  by  the  Bioethics Committee  of  the Medical University  of  Silesia  (L.dz.KNW/0022/KB1/145/09).  Patients  with  os‐teoarthritis of the knee were enrolled for a total knee surgery. After initial screening  for  further  studies  joined 20 patients  (Tab. 1). The  study was carried  out  before  surgery.  For  measuring  device  used  MyoTrace400 (Noraxon, USA) recording bioelectric signals of the three heads of quadri‐ceps femoris muscle during MVC performed the test twice, before and af‐ter a series of functional tests. 

Table 1 

Characteristics of the research group Age [years]  Height [m]  Weight [kg] 

Sex N 

X   SD  X   SD  X   SD Female  13  67.4  6.33  1.61  0.079  85.8  13.20 Male  7  68.8  7.52  1.69  0.092  89.7  15.55 Together  20  67.8  6.54  1.63  0.091  87.0  13.64 X  – mean, SD – standard deviation    Electrodes provided on the body surface tested in accordance with the general recommendations by SENIAM on the right leg (RT) and left (LT) signals were  recorded  from  the  following muscles: Rectus Femoris  (RF), Vastus Medialis Obliguss (VMO) and Vastus Lateralis Obliguss (VLO). Pa‐tients performed  functional  tests, which  are utilitarian  function, during which  the muscle  function was studied. The duration of  the  trial was 3 min. 40 seconds. to 4 min. 50sek. Tests were performed sequentially, ʺsit‐

Page 118: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

118 Karina Nowak et al.

ting down and getting up from a chairʺ, ʺgoing up and down the stairsʺ, ʺstraightening  and  bending  the  kneeʺ  and  ʺwalking  on  a  treadmillʺ  at 1km/h. Number of test samples ranged from one to several repetitions (at least once, max. three times). The difference resulted from the exercise to take the state and the involvement of the patient. Trying maximum voli‐tional isometric contraction (MVC) took about 7‐8 seconds for each test. The subject accepted a sitting position, bending your hips at 90 degrees with  the  trunk stabilized chair. Then,  in  the sagittal plane  flexural posi‐tion knees to an angle of 65 degrees you tried to overcome the resistance lever rigidly attached  to a chair while  trying  to straighten  the knee. For each signal an average maximum voltage bioelectric in 1 second window was taking and performed FFT analysis in whole test period. To evaluate the statistical differences between the first and second study used a pack‐age Statistica (Statsoft, Poland). 

Results 

  Set the parameters of descriptive statistics, and because of the lack of normal  distribution  was  performed  nonparametric  test  statistics  for measuring the system dependent ‐ Wilocoxona test. 

Table 2 

Wilocoxon test results for comparison of the mean frequency bioelectrical signal before and after the functional tests. Bold results significant on the level p<0.05 Pair of variables  N T  Z  p 

MeanF1_LVLO & MeanF2_LVLO  20 44,50  2,03  0,042 MedF1_LVMO & MedF2_LVMO  20 33,50  2,66  0,007 MeanF1_LVMO & MeanF2_LVMO  20 34,00  2,65  0,008  

Page 119: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

EMG signal analysis the MVC test before and after functional testing in … 119

 Fig. 1 

The average value of the mean frequency [Hertz] for selected heads of the quadriceps femoris muscle (VLO – Vastus Lateralis Obliguss, RF ‐ Rectus Femoris, VMO ‐ Vastus Medialis Obliguss) on the right (R) and left (L)  

before and after the functional tests   

 Fig. 2 The value of the median frequency [Hertz] for selected heads of the quadriceps muscle (VLO – Vastus Lateralis Obliguss, RF ‐ Rectus Femoris, VMO ‐ Vastus Medialis Obliguss) on the right (R) and left (L) before and after the functional 

tests 

Page 120: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

120 Karina Nowak et al.

Discussion 

  Understanding the processes involved in the emerging muscle fatigue using surface electromyography  in  the clinical assessment of patients  is important. Provides direct insight into the work the muscle, facilitates the measurement  of  the  activity  and  allows  you  to  identify weak muscles (Benedetti et al. 2003). Undertaking a number of studies on  the analysis and interpretation of bioelectrical signals demonstrates the need for stan‐dardization of test methods MVC. There is no predetermined time dura‐tion as the isometric contraction and its range during the research varies from 3 seconds to 8 seconds. Imposed on the duration of  isometric con‐traction often do not  take  into  account  the  individual  characteristics of the  respondents,  it may be  too short or  too  long. The disadvantage  test MVC is not sure that the person actually trying to test 100% of their cur‐rent  capabilities  to  perform  isometric  tension  (Callaghan  et  al.  2009). Conducted studies show the changes of frequency and amplitude of bio‐electrical signal quadriceps MVC recorded during the test before and af‐ter a series of functional tests as compared to the prior tests, which may be  indicative of muscle  fatigue. Bioelectric signals  from  the  test MVC  is used  to normalize  the amplitude of electromyography recording, so  the difference could be as high as several percent, not because of  increased muscle activity, but because of his fatigue and changes in amplitude and frequency characteristics (Nowak et al. 2010). 

Conclusions 

1. There  are  changes  in  the  average  frequency  of  the  EMG  signal measured during the test MVC before and after the functional tests. Changes are observed in two of the three muscles evaluated: Vastus Lateralis Obliguss  (VLO) and Vastus Medialis Obliguss  (VMO) on the left side. 

2. The  observed  changes  may  affect  the  further  analysis  and interpretation of  the standard bioelectrical signal changing  its value by as much as  ten percent.  It  is  reasonable  to control  the degree of muscle fatigue especially during long or intensive research effort. 

Page 121: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

EMG signal analysis the MVC test before and after functional testing in … 121

References 

Benedetti M.G., Catani F., Bilotta T.W., Marcacci T.W. Mariani E. , Giannini S.: Muscle activation pattern and gait biomechanics after total knee replacement Clinical Biomechanics 18: 871–876, 2003 

Błaszczyk J.: Biomechanika kliniczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL Warszawa, 2004. Pp. 171‐191 

Callaghan MJ., McCarthy CJ., Oldham JA.: The reliability of surface electromyography to assess quadriceps fatigue during multi joint tasks in healthy and painful knees. J Electromyogr Kinesiol. 19(1): 172‐80, 2009 

Minns R.J.: The role of gait analysis in the management of the knee. Knee 12: 157‐162, 2005 

Nowak K., Sobota G., Hajduk G., Bacik B., Kusz D.: The effect of fatigue on the value of bioelectrical signal MVC test gonartrozą patients. Current problems of Biomechanics 4: 143‐146, 2010 

                  

Page 122: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

122 Marzena Paruzel-Dyja et al.

FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS VS. PHYSICAL FITNESS 

PREPARATION OF 18 YEAR OLD FOOTBALLERS 

Marzena Paruzel – Dyja1, Leszek Dyja2, Janusz Iskra1,  Jarosław Gasilewski3 

Introduction 

  Motor fitness tests i.e. sprints or endurance tests are an important part of  footballer’s motor  fitness preparation  control. There are many possi‐bilities  of  testing  speed  and  endurance.  The most  important  factors  of choosing adequate methods are reliability and possibility to use them in each  period  of  sport  preparation  without  interference  in  the  training process.    Functional Movement  Screen  is  a  grading  system  created  a  decade ago in the USA by Cook G., to asses functional movement patterns, limi‐tations  and  asymmetries  or  even  the  risk  of  injuries.  The  tool  is most popular in the USA, recently used also in Poland.    The aim of this pilot study was to find correlations between the results in FMS system and other components of motor fitness preparation (i.e. speed of running  and  endurance  test PWC  170),  years  of  sport practice  as well  as a number of previous injuries in the group of 18‐year old footballers.   

Methods  1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Katowice, Poland 2 - Polish Football National Team, Poland 3 - State Higher Vocational School in Racibórz, Poland

Page 123: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Functional movement patterns and limitations vs. physical fitness preparation … 123

  The research group consisted of Polish footballers from teams playing in  the  highest  youth  league  (n=48,  age  17.59  ±  1.03).  Body mass  and height measurement were done with standard procedures and devices.   To assess  the  level of motor  fitness of  the subjects,  the authors used several  tests.  Among  them  there  was  Functional  Movement  Screen, which reliability has been established across multiple studies, examining this 21 point  screen  (Frohm  et al. 2011; Onate  et al. 2012; Teyhen  et al. 2012). These  studies  have  revealed  high  reliability  between  raters who have been  trained  in  the Functional Movement Screen, even with mini‐mal  training  (4  hours)  using  videotaped  as  well  as  real  time  scoring methods. In this study there were two independent raters (certified FMS experts) and the screening process was recorded by a camera recorder as well. During this test each subject performed seven exercises (deep squat, hurdle  step,  shoulders’ mobility,  in‐line  lunge,  active  straight  leg  rise, push up,  rotary  stability). The  score varied  from 3  to 0 points, where 3 was a good movement pattern and 0 when pain occurred. The result was a sum of grades gained in seven exercises (maximum 21 points).   Another test was a 30 m sprint run from a standing pose, done after a warm‐up. A set of three point photocells was used to measure the time of 5 m, 10 m, 20 m and 30 m. Subjects run the distance of 30 m three times with an approximate 6 minute rest. On the basis of the same tests the ex‐plosive power of  lower  limbs  (or one may call  it  the ability  to perform a speedy start) was calculated as follows: result of 10 m divided into two minus first 5 m. Best trials were used for the analysis.    The next  test was a PWC 170  test, performed on  cycle ergometer of Daum Electronic 8008 TRS and applied  to  find physical  capacity of  the footballers. The trial lasted 8 to 12 minutes, depending on the pulse of the subject, plus 7 minutes of rest. The pulse rate of each person was taken by a Polar RS300X training computer, 5 minutes before (sitting), during and 7 minutes after the test.   Additionally  the  subjects were  asked  to  fill  in  a  short  survey  about their sport experience, number and  type of previous  injuries, hours per week spent at training sessions as well as recreation activities.  

Page 124: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

124 Marzena Paruzel-Dyja et al.

Gathered data were  analyzed with  the  use  of  basic  statistical methods (mean,  SD, minimum  and maximum values)  as well  as  the  analysis  of variance (ANOVA) – Statistica program. 

Results 

  General  statistics  (mean  ±  SD, min  and max values)  of  the  research group are shown in table 1. The age of the footballers varied from 16 to 19 but  at  the  same  time  the minimal  training  experience was  3 years  and maximal 16 years. They spent usually about 12 hours a week at football training  sessions,  while  some  of  them  claimed  it  was  even  25  hours a week. The average number of points in FMS test was almost 18 (17.7) – the lowest was 15 and the highest score was 20. The FMS exercises were: 1st – deep squat, 2nd ‐ hurdle step, 3rd ‐ in‐line lunge, 4th ‐ shoulders’ mo‐bility, 5th ‐ active leg rise (back lie), 6th ‐ push up and 7th – rotary stability (in “on all  fours” position). Best  results were achieved  in  the  fifth exer‐cises, what means  that generally  the young competitors had good  flexi‐bility  of  hamstring muscles.  The  lowest  average  result was  in  the  last movement (2.08), but at the same time there wasn’t any one‐point result, what means  that  there were mostly  two point grades.  In all seven FMS tests there was no case of a zero grade, what means that no one have felt pain during the exercises.    As far as an  indirect test of physical capacity PWC 170  is concerned, the average result of the subjects was 3.23 ± 0.45 watt/kg and in PWC 130 it was 1.74 ± 0.34 watt/kg.  In speed  tests  (5 m and 30 m)  the  footballers achieved accordingly 1.028 ± 0.041 s and 4.216 ± 0.127 s.    The analysis of variance was done after dividing  the  research group into two subgroups (A and B), according to sum of points in FMS results. The results are shown in tab. 2.   The most significant correlations were  found between  the  final score in  FMS  and  speed  as well  as  explosive  power  of  lower  limbs  (p≤0.04; F=4.62 and F=4.64). There was also a significant relationship between the FMS score and physical capacity measured during an  indirect test PWC 170  (F=4.26;  p≤0.05).  The  average  hours  spent  at  training  sessions  in 

Page 125: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Functional movement patterns and limitations vs. physical fitness preparation … 125

a week time have positively influenced the footballers’ functional move‐ment patterns (p≤ 0.05; F=4.10). Additionally  I was noticed  that among  the  subtests of FMS,  there were some  exercises  more  significantly  influencing  the  final  score  in  FMS. Among them there were: in‐line lunge (p ≤0.001), shoulders mobility (p ≤ 0.01), hurdle step (p≤ 0.01), push‐up (p ≤ 0.01) and deep squat (p ≤ 0.05; Tab. 2).  

Table 1 

General characteristics of research group  No  Variable  Unit  Mean  Min  Max  SD 

1.  Age  years  17.59  16.00  19.00  1.03 2.  Body height  cm  177.95  166.00  191.00  6.10 3.  Body mass  kg  69.43  53.00  85.40  6.99 4.  Training experience  years  8.14  3.00  16.00  2.84 5.  Training h/week  hours  12.08  7.5  25.00  3.22 6.  Recreation h/week  hours  2.20  0  6.00  1.73 7.  Injuries  no  1.22  0  4  1.02 8.  FMS (1)  points  2.22  1  3  0.48 9.  FMS (2)  points  2.61  2  3  0.50 10.  FMS (3)  points  2.64  1  3  0.55 11.  FMS (4)  points  2.79  2  3  0.42 12.  FMS (5)  points  2.90  2  3  0.32 13.  FMS (6)  points  2.53  1  3  0.65 14.  FMS (7)  points  2.08  2  3  0.28 15.  FMS (sum)  points  17.74  15.00  20.00  1.58 16.  PWC 170  watt/kg  3.23  2.50  4.28  0.45 17.  PWC 130  watt/kg  1.74  0.90  2.53  0.34 18.  5 m   s  1.028  0.930  1.115  0.041 19  explosive power  s  0.297  0.202  0.376  0.041 20.  30 m  s  4.216  3.968  4.446  0.127       

Page 126: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

126 Marzena Paruzel-Dyja et al.

Table 2 

Results of the analysis of variance (ANOVA) in the group of 18‐year old footballers 

No  Variable  Group A  Group B  ANOVA F p 

1.  Age  17.47  17.67  0.87  0.36 2.  Body height  178.47  177.41  0.86  0.43 3.  Body mass  68.11  71.66  0.23  0.80 4.  Training 

experience 7.36  8.77  2.41  0.14 

5.  Training h/week  13.21  11.16  4.10  0.05* 6.  Recreation h/week  2.60  1.87  1.54  0.23 7.  Injuries  1.06  1.34  0.68  0.42 8.  FMS (1)  2.42  2.05  6.35  0.02* 9.  FMS (2)  2.89  2.39  12.66  0.002** 10.  FMS (3)  2.95  2.39  13.45  0.001*** 11.  FMS (4)  3.0  2.62  9.92  0.004** 12.  FMS (5)  3.0  2.88  3.79  0.06 13.  FMS (6)  2.83  2.29  7.67  0.01** 14.  FMS (7)  2.12  2.05  0.62  0.44 15.  PWC 170  3.45  3.02  4.26  0.05* 16.  PWC 130  1.86  1.62  0.97  0.34 17.  5 m   1.015  1.047  4.62  0.04* 18  explosive power  0.28  0.311  4.64  0.04* 19.  30 m  4.194  4.234  0.97  0.34 * p≤ 0.05, ** p ≤ 0.01, *** p≤ 0.00 

Discussion  

  There were some former studies, that have utilized screening statistics to establish the cut off score of 14 points as being appropriate to identify individuals who are at risk of an  injury (Kiesel et al., 2007, O’Connor et al., 2011). Odds ratio in these studies have ranged between 2.3‐8.3 in pro‐fessional  football  players,  basic  training  soldiers  and  firefighters  in training. Chorba et al. (2010) have also found similar correlations in col‐lege  athletes, however  the positive  likelihood  ratio was not  significant. Other  research  (among  firefighters) examining  the cut score of  the FMS 

Page 127: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Functional movement patterns and limitations vs. physical fitness preparation … 127

has suggested that failure on the FMS, operationally defined as below 16 points in this study, was strongly associated with an injury in the previ‐ous year (Peate et al., 2007). On the contrary, Schneiders et al. (2011) did not observe any  significant difference  in FMS  scores of active adults  in subjects with a prior injury.   The subjects of our study were healthy competitors, with on average 1.22  injuries  in previous years, however  there was no correlation  found between the result in FMS and former injuries, like in Schneiders’ studies. Maybe it resulted from the fact that the average result in FMS in our re‐search group proved to be higher in comparison to the US studies.   The relations  found between PWC 170  test as well as speed  test and the results of FMS are quite puzzling. Additionally we found correlation between FMS results and  time spent on  training sessions per week. We may conclude  that probably  the competitors attending more  (or  longer) training sessions, had more possibilities to be generally well prepared.    According to Gray Cook (2004) core stability training, balanced body and lack of asymmetries in muscle strength is essential in elite athletes. It enables  the athletes  to  train efficiently, avoid  injuries and  increase  their sport  performance.  The  relationship  between  the  level  of  functional movement  patterns  and  other  aspects  of  strength  and  conditioning  of young footballers found in this study shows it may be true in this case as well. However, broader study is essential to learn if the results may refer to the whole population. 

References 

Cook G. 2004. Athletic body in balance – optimal movement skills and conditioning for performance. Human Kinetics, United States of America  

Chorba RS, Chorba DJ, Bouillon LE, Overmyer CA, Landis JA. 2010. Use of a functional movement screening tool to determine injury risk in female collegiate athletes. N. Am. J. Sports Phys. Ther. Jun;5(2):47‐54.  

Frohm A, Heijne A, Kowalski J, Svensson P, Myklebust G. 2012. A nine‐test screening battery for athletes: a reliability study. Scand. J. Med. Sci. Sports. Jun; 22 (3):306‐15  

Page 128: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

128 Marzena Paruzel-Dyja et al. Kiesel K, Plisky PJ, Voight M. 2007. Can serious injury in professional football be 

predicted by a preseason Functional Movement Screen? N. Am. J. Sports Phys. Ther.; 2 (3): 76‐81.  

OʹConnor FG, Deuster PA, Davis J, Pappas CG, Knapik JJ. 2011. Functional movement screening: predicting injuries in officer candidates. Med. Sci. Sports Exerc. Dec;43(12):2224‐30.  

Onate JA, Dewey T, Kollock RO, Thomas KS, Van Lunen BL, DeMaio M, Ringleb SI. 2012. Real‐time intersession and interrater reliability of the functional movement screen. J. Strength Cond. Res. Feb; 26(2):408‐15.  

Parchmann CJ, McBride JM. Relationship between functional movement screen and athletic performance. 2011. J. Strength Cond. Res. Dec; 25(12):3378‐8.  

Peate WF. Bates G. Lunda K. Francis S. Bellamy K. 2007. Core strength: A new model for injury prediction and prevention. J.Occup. Med. and Tox. 2 

Schneiders AG, Davidsson A, Hörman E, Sullivan SJ. 2011. Functional movement screen normative values in a young, active population. Int. J. Sports Phys. Ther. 6 (2):75‐82.  

Teyhen DS, Shaffer SW, Lorenson CL, Halfpap JP, Donofry DF, Walker MJ, Dugan JL, Childs JD. 2012. The Functional Movement Screen: a reliability study. J. Orthop. Sports Phys. Ther. Jun;42(6):530‐40 

 

 

 

  

Page 129: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Sports results in weightlifting and their determinants 129

SPORTS RESULTS IN WEIGHTLIFTING  AND THEIR DETERMINANTS 

Anna Pilis, Krzysztof Mizera, Cezary Michalski, Jakub Jelonek,  Łukasz Grela, Karol Pilis1 

Introduction 

  A  great deal  of  emphasis  in  sport  science  is placed  on  the  effect  of body size on its physiological function. It has been demonstrated that the relationships between body size  (independent variable) and physiologi‐cal variables, including weightlifting sports results (dependent variables) were  intensively  studied. None of  the models proposed by Lietzke  (5), Vorobjev  (8) and Croucher et al.  (2)  for world records achieved  in  indi‐vidual weight classes was adopted.   Sinclair  (7)  was  the  first  researcher  to  isolate  log‐linear  allometric equation  as  a  special model  that described  exercise  abilities  of weight‐lifters with  respect  to  their body mass. He determined men’s world  re‐cords  in  each weight  class  as  a function  of  body mass. However,  the sports  results  were  not  linearly  adjusted  to  body  mass,  whereas  the equation  of  the  second  degree  that  described  this  relationship  caused a disturbance  in the allometric model. Sinclair avoided the homogeneity of body structure and composition in the heaviest weight class by using the method of least squares for calculations (7). Moreover, Sinclair devel‐oped  a  table  of  coefficients  which  allow  for  comparison  of  exercise abilities of weightlifters across weight categories. Hester et al. (4) argued that the model proposed by Sinclair is best adjusted to men as it points to the  lowest coefficient of variation, although  it gives  some preference  to athletes with body mass >120 kg. Hence, Hester et al. (4) concluded that 

1 - University of Czestochowa, Institute of Physical Educations and Tourism, Poland

Page 130: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

130 Anna Pilis et al.

the ultimate  formula of  exercise  abilities of weightlifters depending on body composition and mass was not developed yet.    The goal of the present study is to provide answer to the question of how the results in snatch, clean and  jerk and both lifts described by Sin‐clair  score,  absolute  values  (kg)  and  the  values  relative  to  body mass (kg/kg)  and  lean  body  mass  (kg/kgLBM)  change  depending  on  body height, mass and composition in weightlifting athletes. 

Material and Methods 

  The  study  analyzed  10  non‐obese  athletes  (age  –  23,2  ±  2,86  years; height – 174,5 ± 7,78  cm; weight – 93,05 ± 15,87 kg, BMI – 30,79  ±  3,15 kg/m2;  fat  content  –  13,87  ±  3,15 %, mean  sports  results  in  both  lifts  – 368,10 ± 45,26 kg) who were members of the national Polish weightlifting team whose sports results obtained in snatch, clean and jerk and both lifts as well as the corresponding Sinclair score were recorded during the Na‐tional Polish Championships. Before  the competition,  the age and body height  of  the  subjects was  recorded  and  some  somatic measurements were made by means of a device body composition analyzer ‐ Tanita TGF 300  (Japan). The device was used  for determination of: body mass, BMI index,  fat mass expressed  in percentage and kg, water content and  lean body mass (LBM) expressed in kg. These data were used for calculation of water content  in  the body and LBM expressed  in percentage and  the weight/height ratio. After calculating the arithmetic means and standard deviations  for  individual variables between sports results  (snatch, clean and  jerk  and  both  lifts)  expressed  in  absolute  terms  (kg)  and  relative terms with  respect  to  body mass  (kg/kg)  and  LBM  (kg/kgLBM)  and  the above somatic variables,  the authors calculated Pearson’s  linear correla‐tion coefficients. The statistical significance was set at p<0.05. 

Results 

  Linear  correlation  coefficients  contained  in  table  1  exhibit  a  statisti‐cally  significant  positive  relationship  between  the  results  achieved  in snatch, clean and  jerk and both lifts expressed in absolute terms and the   

Page 131: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Sports results in weightlifting and their determinants 131

 

Page 132: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

132 Anna Pilis et al.

 

Page 133: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Sports results in weightlifting and their determinants 133

following somatic variables: body mass, body height,  fat content, water content  (kg),  BMI  and weight/height  ratio.  Furthermore,  the  percentage values  of water  content  and  LBM  exhibit  statistically  significant  negative correlations with the results obtained for snatch, clean and jerk and both lifts.    The magnitude of results expressed in kg, kg/kg, kg/kgLBM and Sinclair score units in both lifts correlated positively with BMI and weight/height ratio, as well as negatively with percentage body water content (p<0.05) – table 1, 2, 3.    Analysis of table 2 reveals that the results of snatch, clean and jerk and both  lifts  expressed  relative  to  body mass  correlated  significantly  and negatively with  such  somatic  variables  as  body mass,  body  height,  fat content  (kg),  water  content  (kg),  lean  body  mass  (kg)  and  body weight/height ratio.    Analysis of  table 3  revealed only  significant negative  correlations of results  in  snatch,  clean  and  jerk  and  both  lifts  expressed  as  relative  to LBM,  with  body  water  content  expressed  in  kg  and  with  body weight/height  ratio. As  results  from  the data  contained  in Table 4, Sin‐clair  score  significantly  correlates with  absolute  results  in  snatch,  clean and jerk and both lifts, whereas it did not exhibit significant correlations with sports results expressed relative to body mass and LBM. 

Discussion 

  Analysis of the data above revealed that body mass and mass‐related parameters (body height, percentage fat expressed in percentage and kg, LBM  and water  content  expressed  in  kg,  BMI  and weight/height  ratio correlate positively and linearly with absolute results in snatch, clean and jerk and both lifts and negatively with LBM and water content expressed in percentage terms. Part of these relationships was discussed in previous study by Pilis et al. (6). This linear relationship of men’s world record to‐tals in weightlifting with respect to body mass was proposed by Vorobjev (8). This model was  justified in times when the heaviest weight class in‐cluded only the athletes with body mass over 90 kg, since the body mass in  all weight  classes was more homogenous. Vorobjev’s  reasoning was consistent with previous  log‐linear model of world  record  relationships 

Page 134: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

134 Anna Pilis et al.

in weightlifting  triple  event  (replaced  later with  the double  event)  and body mass in  individual weight classes (including the heaviest > 90 kg), which was  proposed  by  Lietzke  (5).  Introduction  of  additional weight classes in the following years, i.e. 52, 100, 100 and > 110 kg disturbed the homogeneity of body composition, whereas log‐log straight linear for the relationship discussed  showed  lower slope which amounted  to 0.58  for both events, which was regarded to be a manifestation of the disappear‐ance  of  linearity  in  terms  of  the  discussed  relationship.  It  is  in  these heavier weight classes where the mass of non‐twitch tissues starts to rise rapidly, resulting in a loss of the linear relationship, also with respect to other mass‐related parameters. Nowadays, there are three weight classes with body mass over 90 kg i.e. 94, 105 and > 105 kg, which causes that the linear model of  the dependency of  the  results  in  snatch,  clean and  jerk and both lifts on body mass can be unfit. It is estimated that the threshold of body mass  at which body  composition homogeneity  starts  to disap‐pear is 83 kg in men (3). Although 4 out of 10 athletes in our study had body mass < 90 kg whereas 3 of them were < 83 kg, the Pearson’s coeffi‐cients of  linear correlation of body mass and  its derivatives with the re‐sults  in  snatch,  clean  and  jerk  and  both  lifts  remained  at  the  level  of p<0.001  (Tab. 1).  It  is  likely  that  the  lower sport skill  level presented by athletes  in  this  study  compared  to  world  record  holders  allowed  for maintaining  linear  relationships. Another  cause of  these  linear  relation‐ships of sport skill results and body mass with its derivatives can be that the homogeneity  threshold  for body  composition  in weightlifters  today has been shifted towards higher values of body mass. The shift in homo‐geneity of body  composition  in  the group  studied  can be  explained by e.g.  low content of  fat  tissue, which was on average 13.9 ± 3.2 %. Apart from the determination of the threshold of homogeneity of body mass of different men’s weight  classes  below  83  kg,  Ford  et  al.  (3)  also  deter‐mined an optimum threshold body height at which the best sports results can be obtained  (183 cm), which was exceeded by only 2 athletes  in  the group studied. Both somatic determinants of sports results i.e. body mass and weight correlated with the results in snatch, clean and jerk and both lifts: body mass at  the  level of p<0.001, whereas body height  for snatch and both  lifts at p<0.01 and  for  jerk at p<0.05.  If both somatic variables 

Page 135: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Sports results in weightlifting and their determinants 135

were combined  into one  index,  i.e. body weight/height,  it was observed that it exhibited the strongest correlation of all somatic variables with ab‐solute sports results (p<0,001) and Sinclair score for both lifts (p<0.05). It results that the group of weightlifters presented in this study was homo‐geneous in terms of body composition.   Sinclair score calculated in the present study showed high correlation coefficients with results of snatch, clean and  jerk and both lifts (p<0.001) (Tab. 4), although  these points, compared  to world results  in weightlift‐ing remains curvilinear (1, 7). A distinct flattening of this relationship for the years 2009‐2012 for men is observed over the body weight of 105 kg, whereas mean body mass of weightlifters in the present study fluctuated around  93  kg. Obtaining  these high  coefficients  of  linear  correlation  of sports results with body mass in the present study suggests a homogene‐ity of body composition  in  the weightlifters  studied. The Sinclair  score, which describes the sports results, did not correlate with the most of so‐matic variables, which  suggests  that, when developing Sinclair’s  coeffi‐cients,  variables  other  than mass were  also  considered  (7).  In  somatic variables,  the  only  significant  correlation  coefficients  for  Sinclair  score that expressed the results in clean and jerk and both lifts were positive for BMI and negative for percentage body water. Furthermore, as mentioned above, the weight/height ratio correlated positively with Sinclair’s index calculated for clean and jerk.    However, when sports results are expressed in relative units to body mass or LBM, their correlations with body mass and other somatic vari‐ables and  their derivatives  are negative,  less  significant or  insignificant (Tab. 2 and 3), which was partially demonstrated before (6). The relative results  in weightlifting, particularly  in respect to body mass, are easy to be calculated and therefore used in practice by many coaches. However, they contain wrong indications with respect to heavier weight categories where homogeneity of body composition starts  to disappear. Therefore, Sinclair score was used in order to provide opportunities for comparison of  sports  results  obtained  in different weight  categories, which  consid‐erably compensates for the  lack of homogeneity of body composition of the heaviest athletes (over 105 kg), which is not compensated when using the  relative  results  in  snatch,  clean and  jerk and both  lifts expressed  in 

Page 136: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

136 Anna Pilis et al.

kg/kg units. This means that comparison of sport skill level across differ‐ent weight categories by relative sports results calculated with respect to body mass with exclusion of the heaviest athletes is possible. The signifi‐cant  correlation  coefficients present  in our  study  relative  to body mass with somatic variables, with mean body mass of 93.05 ± 15.87 kg and con‐siderable standard deviation suggests that the threshold of homogeneity of body  composition might  reach  the heavier weight  classes,  including the  category  of  105  kg.  It  should  be  expected  that  body  composition above this threshold will not be homogeneous and using these sports re‐sults for intergroup comparison will be incorrect.   It seems  that  it  is not only  the elevated value of  fatty  tissue  that  im‐pacts on  changes  in homogeneity of body  composition  in  the group of weightlifters studied. This also results from the fact that when calculating the relationships of sports results expressed as relative  to LBM with so‐matic  variables,  these  correlations  disappeared  in  the  most  of  cases, whereas  significant  relationships with  these  sports  results were main‐tained  for body water content expressed  in kg and weight/height  ratio. Therefore,  it should be expected  that apart  from  fatty  tissue, other non‐twitch tissues might cause changes in homogeneity of body composition, with particular focus on heavier weight categories. The usefulness of ex‐pressing  sports  results  in  relative  terms  (i.e.  kg/kg  LBM)  should  be viewed  as  little  significant  for  evaluation  of  training  adaptations  in weightlifter’s body.    When  using  relative  sports  results,  the  Sinclair  score  does  not  play a significant  role  in  evaluation of  sport  skill  level  in  study participants since the absolute sports results described by this score did not correlate with relative achievements and the most of somatic variables. 

Conclusions 

1. The highest predictive value for the evaluation of sport skill level in weightlifters, expressed by  linear correlation,  is observed  in somatic variables when the results in snatch, clean and jerk and both lifts are expressed in absolute values. Lower predictive value can be found if these values are expressed as relative to body mass and to LBM.  

Page 137: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Sports results in weightlifting and their determinants 137

2. When  evaluating  the  sport  skill  level  in  weightlifting,  body weight/height ratio exhibits the highest effect among all the somatic variables, regardless whether sports results are expressed in absolute terms or relative terms with respect to body mass or LBM. 

3. Sinclair  score  provides  a  good  description  of  sport  skill  level  ex‐pressed  in  absolute  results  in  snatch,  clean  and  jerk  and  both  lifts, even in the case of calculating linear correlations.  

4. The  relative  results  in weightlifting  expressed  as  relative  to  body mass and LBM do not show linear correlations with absolute results in snatch, clean and jerk and both lifts and the corresponding Sinclair score, although using them for comparison of sport skill level of the athletes from different weight categories is justified if body composi‐tion homogeneity is maintained.  

References 

Batterham A.M., George K.P. Allometric modeling does not determine a dimensionless power function ratio for maximal muscular function. J. Appl. Physiol. 83(6): 2158‐2166, 1997. 

Croucher J.S. An analysis of world weightlifting records. Res. Q. Exerc. Sport 55: 285‐288, 1984. 

Ford L.E., Detterline A.J., Ho K.K., Cao W. Gender‐ and height‐related limits of muscle strength in world weightlifting champions. J. Appl. Physiol. 89: 1061‐1064, 2000. 

Hester D., Hunter G., Shuleva K., Kekes‐Sabo T. Review and evaluation of relative strength handicapping models. National Strength Conditioning Assoc. J. 12: 54‐57, 1990. 

Lietzke M.H. Relation between weight‐lifting totals and body weight. Science 124: 486‐487, 1956. 

Pilis W., Langfort J., Zarzeczny R., Zając A., Wojtyna J. Morphological and physiological characteristic of top weight lifters. Biology of Sport, 7(2): 113‐126, 1990. 

Sinclair R.G. Normalizing the performances of athletes in Olympic weightlifting. Can. J. Appl. Sport Sci. 10: 94‐98, 1985.  

Vorobjev A.W. Tjazelaja Atletika. Moscow: Fizkul’tura I Sport, 1981. 

 

Page 138: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

138 Krzysztof Przednowek et al.

THE USE OF SELECTED LINEAR MODELS IN PREDICTING THE RESULTS  OF 400‐METRE HURDLES RACES 

Krzysztof Przednowek1, Janusz Iskra2, Stanisław Cieszkowski1 

Intrudaction 

  The use of linear multiple regression in predicting sports results was, inter alia, described  in a study (Maszczyk, Zając, Ryguła 2011)  in which models  predicting  the  result  of  a  javelin  throw  were  presented.  The model was constructed in such a way that it could be used to assist in the choice  and  selection  of  prospective  javelin  throwers.  On  the  basis  of a selected set of input variables, the distance of a  javelin throw was pre‐dicted. Predicting sports results by using linear regression was also pre‐sented  in  another  study  (Przednowek, Wiktorowicz  2011). A  ridge  re‐gression model was used which predicted  the  results of a  race walking competition following a set of direct pre‐race preparation (DPP) training. At the model input stage basic somatic features (height and weight) were given, as well as training loads on selected days of DPP, while the output model was the predicted result over a distance of 5 km. The use of such solutions  supports  and  sometimes  optimizes  the  selection  of  training loads.  The  following  study  presents  the  application  of  selected  linear models realizing the task of predicting the results  in 400‐metres hurdles races. Each  of  the  selected models was described  in  terms  of  the  error which it generates during the prediction of results. The main aim of this work is to verify the effectiveness of using selected forms of multiple lin‐ear regression to predict the results of 400 m hurdles races. 

1 - University of Rzeszow, Department of Physical Education, Poland 2 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Katowice, Poland

Page 139: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The use of selected linear models in predicting the results of 400-metre… 139

Material 

  The models were constructed using training data from 400 m hurdles athletes. The annual training cycle was divided into three equal periods: the  general  preparation  period  (from  October  to  January),  the  special preparation period (from February to May) and the pre‐competition pe‐riod (from June to September). The analysis involved 22 groups of train‐ing means (Iskra 2001). Additionally, the results of six performance tests done at every stage of a yearly cycle and somatic feature of the competi‐tors (Body Mass Index) were taken into account. There were 96 patterns in total. The description of the variables used to construct the models  is shown  in  table  1.  It  is worth mentioning  that  competitors were highly trained. Taking  into account  the difficulty  in conducting a  test at 400 m hurdles in each of the analyzed stages of training as a valid outcome the result achieved at the distance of 500 m was used. In numerous scientific studies (Iskra 2001) it was demonstrated that results obtained from 500 m sprint  are  strongly  correlated  to  results  achieved  over  400 m  hurdles races. 

Method 

  The  linear multiple regression model was used  to predict  the results of  all  the  500 m  races. Apart  from  the  classic model  calculated  by  the method of  the smallest squares, shrinkage regression was  implemented. Shrinkage models  include  inter  alia:  ridge  regression  (Hoerl,  Kennard 1970)  and  Lasso  regression  (Tibshirani  1996).  Characteristically  these models  use  a weighting  system  during  calculating which  is  a  type  of penalty linked to the size of the regression coefficients. Shrinkage regres‐sion is used to select variables in models with numerous input sets. As all the compared models had different characteristics, uniform quality crite‐ria were applied to all the calculated regressions. Given this, there  is al‐ways  the  possibility  of  the models  compared  and marked  generating very  small  error.  To  qualify  this,  a  cross‐test  cross  validation  test was used. This  is a qualitative evaluation method,  in which data  is divided into  two subsets:  teaching and  testing  (validation) subsets.  In  the study   

Page 140: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

140 Krzysztof Przednowek et al.

Table 1 

Description of the variables used to construct the models Variable  Description  Variable  Description y  Expected 500 m sprint (s)  x17  Aerobic endurance (m) x1  Age (years)  x18  Strength endurance i (m) x2  Body mass index   x19  Strength endurance ii (n) 

x3  30 m sprint (s)  x20 General  strength  of  lower  limbs (kg) 

x4  Five‐jump‐test (m)  x21 Directed  strength  of  lower  limbs (kg) 

x5 Overhead  shot  put  throw (m)  x22 

Specific  strength  of  lower  limbs (kg) 

x6  Squat (kg)  x23  Trunk strength (amount) x7  Olympic clean (kg)  x24  Upper body strength (kg) 

x8  Current 500 m sprint (s)  x25 Explosive  strength  of  lower  limbs (amount) 

x9  Period OPO*  x26 Explosive  strength  of upper  limbs (amount) 

x10  Period OPS*  x27 Technical exercises – walking pace (min) 

x11  Maximal speed (m)  x28 Technical  exercises  running  pace (min) 

x12  Technical speed (m)  x29  Runs over 1‐3 hurdles (amount) 

x13 Technical  and  speed exercises (m) 

x30  Runs over 4‐7 hurdles(amount) 

x14  Speed endurance (m)  x31  Runs over 8‐12 hurdles (amount) 

x15 Specific  hurdle  endurance (m) 

x32 Hurdle  runs  in  varied  rhythm (amount) 

x16  Pace runs (m)     *‐in accordance with  the  rule of  introducing a qualitative variable of a “training  type” with the value of general preparation period, specific preparation period and competitive period  (pre‐race preparation period) was replaced with  two variables x9 and x10 holding the value of 1 or 0.  “leave‐one‐out” cross‐validation was used, which was based on separat‐ing teaching subsets from the data set and where it meant a number of all models (trainings). Each subset was constructed by eliminating one pat‐tern  from  the data set, which  then became an element of  the  testing set (Koronacki, Ćwik 2005). The measure of error is the mean square error: 

Page 141: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The use of selected linear models in predicting the results of 400-metre… 141

  = 96 (patterns),   – real value,   – generated value, 

Results 

Classic multiple regression model    First, a classic model of multiple regression was calculated by the least squares method. The model underwent cross‐validation  in order  to cal‐culate the generated error. The error value ( ) was ranked at 1.34 s2. The model took into account all variables as all the coefficients differed from 0. Table 2 presents the coefficients of the ordinary least squares re‐gression. 

Ridge regression model    In ridge regression a parameter λ is selected, which provides an addi‐tional penalty connected to the size of the coefficients of regression. In the case where λ = 0,  then  the  ridge model  is  simplified  to classic multiple regression. The  study marked  the  correlation between  the  cross‐valida‐tion error of the parameter λ changing within the range from 0 to 40 with 1 steps (Fig. 1). According to calculations the smallest error generated for the model  in which  the  parameter  equals  λ  =  22.  The  cross‐validation error for the optimal ridge regression equals 0.71 s2. Analysis fig. 1.  it  is also noticed that in the initial phase of model optimization, together with the growth of  the penalty parameter  the prediction  error  suddenly de‐creases. Table 3 shows the values of the coefficients of the optimal ridge model and similarly to the previous case all the coefficients are different from 0. 

Lasso regression model   Another model in the shrinkage regression family is Lasso regression. While calculating this regression a parameter L1 is chosen having values from 0 to 1. Lasso regression with L1 = 1 parameter is simplified to classic multiple  regression. A  period  of  correlation was marked  between  the values L1 and  the prediction error  (fig. 1). The  set of coefficients  shows 

Page 142: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

142 Krzysztof Przednowek et al.

(Tab. 4) that variables x2, x4, x6, x7, x10 ,x11, x13, x14, x16 ,x18, x20, x21, x22, x23, x28, x31, x32 are considered in the task of predicting the results over the 500 m distance  (coefficient equal 0). The error generated by  the optimal Lasso model (L1 = 0.5) reached the level of 0.52 s2 which makes it the best model to achieve the task of predicting outcomes over 500 m.  

Table 2 

The values of coefficients of classic multiple regression model Intercept  x1  x2  x3  x4  x5  x6  x7 21.34  ‐0.19  0.069  2.57  0.47  ‐0.33  4.62*10‐3  3.24*10‐3 x8  x9  x10  x11  x12  x13  x14  x15 0.61  0.74  0.43  ‐1.28*10‐4  1.26*10‐4  9.07*10‐5  2.09*10‐6  ‐1.15*10‐4 x16  x17  x18  x19  x20  x21  x22  x23 ‐3.82*10‐5  1.82*10‐6  9.43*10‐6  ‐5.07*10‐5  ‐3.15*10‐6  2.89*10‐6  1.17*10‐6  ‐6.77*10‐6 x24  x25  x26  x27  x28  x29  x30  x31 ‐3.82*10‐5  ‐1.09*10‐3  ‐7.68*10‐4  1.62*10‐3  ‐6.14*10‐4  ‐2.87*10‐3  ‐1.98*10‐3  2.47*10‐3 x32  3.16*10‐4 

 

Table 3 

The values of coefficients of ridge regression model (λ = 22) Intercept  x1  x2  x3  x4  x5  x6  x7 35.25  ‐0.17  ‐0.073  3.07  0.12  ‐0.17  7.63*10‐4  ‐1.37*10‐3 x8  x9  x10  x11  x12  x13  x14  x15 0.41  0.47  0.30  1.22*10‐5  1.48*10‐4  9.08*10‐5  5.52*10‐7  ‐9.06*10‐5 x16  x17  x18  x19  x20  x21  x22  x23 ‐3.12*10‐6  1.11*10‐6  ‐9.51*10‐6  ‐5.25*10‐5  ‐1.59*10‐6  ‐2.11*10‐6  4.40*10‐6  ‐1.76*10‐6 x24  x25  x26  x27  x28  x29  x30  x31 ‐2.63*10‐5  ‐1.06*10‐3  ‐9.42*10‐4  2.42*10‐3  1.31*10‐4  ‐3.16*10‐3  ‐3.01*10‐3  1.40*10‐5 x32  6.69*10‐4 

  

Table 4  

The values of coefficients of the optimal Lasso model (L1=0,5)  Intercept  x1  x3  x5  x8  x9  x12  x15 18.41  ‐0.11  1.28  ‐0.09  0.71  0.33  6.46*10‐5  ‐6.3*10‐5 x17  x19  x24  x25  x26  x27  x29  x30 4.51*10‐7  ‐2.77*10‐5  ‐3.82*10‐6  9.49**10‐4  7.46*10‐4  1.4*10‐3  6.96*10‐4  1.31*10‐3 

 

Page 143: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The use of selected linear models in predicting the results of 400-metre… 143

0,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,0

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Ridge regression

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1L1

Lasso regression

 Fig. 1 

The graph representing an error in relation to λ (ridge) and L1 (Lasso) parameters 

Discussion 

  The  study presents  an  innovative  approach  towards  supporting  the selection of  training  loads. The models presented may  serve  to predict the result achieved by the competitor after completing the suggested plan of  training. The outcome of  the  studies  shows  that Lasso  shrinkage  re‐gression  (with a parameter of L1 = 0.5)  is  the best  linear model  for pre‐dicting the results over 500 m (which is strongly correlated to 400 m hur‐dles races). The model generates a prediction error of   = 0.52 s2, which after reducing it into units of seconds gives an error of around 0.72 seconds. The classic multiple regression model with the value   = 1.34 s2 generates the highest prediction error and gives a much worse re‐sult  than  the other models. The authors plan  to extend  their research  in future  to verify  the validity of using not only  linear but also nonlinear models to predict the results in sporting races.  

References 

Hoerl A.E., Kennard R.W.: Ridge regression: Biased estimation for nonorthogonal problems. Technometrics, vol. 12, no. 1, 55–67, 1970. 

Iskra J.: Morfologiczne i funkcjonalne uwarunkowania rezultatów w biegach przez płotki. AWF Katowice 2001. 

Page 144: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

144 Krzysztof Przednowek et al. Koronacki J., Ćwik J.: Statystyczne systemy uczące się. Wydawnictwo Naukowo‐

Techniczne, Warszawa 2005. 

Maszczyk A., Zając A., Ryguła I.: A neural Network model approach to athlete selection. Sport Eng, no. 13, 83–93, 2011. 

Przednowek K., Wiktorowicz K.: Neuronowy system optymalizacji wyniku sportowego zawodników uprawiających chód sportowy. Metody Informatyki stosowanej. no. 4 (29), 189–200, Szczecin 2011. 

Tibshirani R.: Regression Shrinkage and Selection via the Lasso. Journal of Royal Statistical Society. Vol. 58, no. 1, 267–288, 1996. 

          

Page 145: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Translational abilities of hand manipulation in typically developing south… 145

TRANSLATIONAL ABILITIES OF HAND MANIPULATION IN TYPICALLY DEVELOPING 

SOUTH INDIAN CHILDREN 

D. Sangkari1, Ramkumar Govindarajalu2 

Study Purpose 

  The aim of the study is to establish the mean average scores of transla‐tional abilities of hand manipulation for typically developing children of age  group  3 to  8  years. The  rationale  behind  the  study  is  to  know  the contextual interference in the specific region of south India by consider‐ing  the  theoretical  background  of  dynamical  systems  theory  of motor control  that plays  in various  age groups with  classification of genders. The performance of  typically developing children will be considered as reference scores and this will acts as a quick screening component to de‐termine  the quality of dexterity skills  required  in daily activities. Based on  the  aims  &  objectives  the  null  hypotheses were  considered  before conducting the study. They are as follows, 

1. There  is  no  significant difference  found  in  the  age  and  gender performance in translational abilities of south Indian children of Chennai region. 

Related Literatures pertinent to translational abilities 

Translation Skills: This is one of the components of hand manipulation.    It is a linear movement of the object from the palm to fingers and fin‐gers  to  the palm. Since  In‐hand manipulation  skills develop during  the ages of three to six, facilitation of these skills is a critical part of preschool  1 - SRM University, Chennai, India 2 - Hamad Medical Corporation, Qatar

Page 146: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

146 Sangkari D. and Ramkumar M.G

children. It is important to offer many experiences to children that allow them to develop different in‐hand manipulation skills. Through these ex‐periences, children will eventually be able to grasp a pencil, crayon, etc., to scribble and write letters (Exner, 1989; 1992). Two  studies were  given  importance  that  addresses  on  the  translation abilities of children  towards  the performance over age and gender vari‐ables.   Humphry R, Jewell. K, Rosenberger. RC, (1995): This study examines the age‐related performance of in‐hand manipulation. Children between 2 years and 7 years of age, of  total 184 children were considered. They were  observed  during  the  in‐hand manipulation  activities  of  rotation, finger  to  palm  translation  and  palm  to  finger  translation.  This  study demonstrated  that  the  frequency of  two  types of  in hand manipulation which  increases with age & gender  that  illustrates  the uneven nature of development of different types of in hand manipulation skills.   Pehoski.  C,  Henderson  A,  (1997):  This  study  explains  the development  of  translation  skills  in  young  children.  154  right‐handed children between  the ages of 0  to 3 years and 6  to11 years of age & 13 adults were also considered. Participants were asked to pick 2 to 3 pegs and  stored  them  in  their  dominant  hand  and move  the  pegs  out  and placing again in the pegboard. Result of this study inferred that the girls are  favored  when  compare  to  boys  and  also  age  was  found  to  be a significant  factor  in  both  the  gender while  handled  number  of  pegs. Significant findings are how the children solved the problem  in moving the peg in and out of the palm when compared with the adults. 

Methodology 

  The study was conducted on 300 children with  typical development after screening. It consisted of equal number of boys and girls (n = 150). The  children were  included  based  on  the  following  screening  criteria. They are 1) 3 – 8 year old, 2) No physical and motor deficits, 3) No vision and hearing impairment, 4) No illness lasting for more than 3 months, 5) No  illness  at  the  time  of  the  test. The  following materials used  in  this study  are  Coins,  Stopwatch,  Table  and  Chair,  Plastic  money‐pot  and 

Page 147: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Translational abilities of hand manipulation in typically developing south… 147

Plastic plate. Five different denominations of coins were used. They are 25 paise, 50 paise, 1 Rupee, 2 Rupees and 5 Rupees. Coins were selected as measuring  tool  as  it  essentially  requires  the  translational  abilities  to manipulate as well as  it  is one of  the most  commonly used material  in daily  life. The children were selected  from a classroom  randomly. They were seated on the chair and asked to perform the test in their own writ‐ing desk that was provided in their schools. The children were positioned with hip in flexion up to 90˚ and feet placed on the floor. The desk height was adjusted according to the child, in order to accommodate their elbow on it at their chest level. The scoring system is based on the time taken to perform and the number of errors made by the children while picking up and transferring the coins from the plate to the money pot. Dropping the coins  outside  the money  pot  or  plate was  considered  as  an  error.  The scoring system was considered by time taken during the performance of the finger to palm translation of coins from the plate and palm to finger translation of coins into the money pot. The data was collected from 4 dif‐ferent schools using convenient sampling method. From each school 75 children were taken  into the study. Prior permission was obtained from the school principal and chairman through proper channel.  

Data Analysis  

  One way ANOVA was  used  to  analyze  the  difference  in  the  score across  the various age groups at p<0.05.Unpaired’  test was used  to  find the comparison of performance between two genders (Boys and Girls) at p<0.05. 

Discussion 

  Table  1  below  represents  that  comparison  of  time  taken  to perform finger  to palm  transfer of coins between boys and girls.  It  is  found  that the girl’s performance  is better than boys. There  is significant difference between boys and girls in finger to palm translation. Therefore the estab‐lished null hypothesis which states no difference between boys and girls in  this  context  is  rejected.  The  reason  behind  the  performance  of  girls 

Page 148: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

148 Sangkari D. and Ramkumar M.G

may  be  because  of  the  following  literature  evidence  as  stated  by  Dr. Bruce Perry (2006), Houston, Neurologist. The statements are as follows: 

• The area of the brain involvement in the language and fine motor skills mature about six years earlier in girls than in boys.  

• Girl’s  corpus  callosum  25 %  larger  than  boys. This  enables more cross talks between hemispheres because of the greater cross talks. 

• More cortical areas devoted to verbal functioning and hence girls are performing better  than boys  in  complexities of  reading and writing tasks.  

• Girl’s stronger neural connectors and a larger hippocampus pro‐vide  greater  use  of  sensory  memory  details  in  speaking  and writing 

  Table 2 and 3 below represents that comparison of error occurred dur‐ing the performance of finger to palm transfer and palm to finger transfer of coins in both the genders. It shows that there is significant difference in occurrence  of  error  between  boys  and  girls. The  occurrence  of  error  is lesser in girls than boys. Hence the null hypotheses which state no differ‐ence in error occurrence between boys and girls are rejected. This may be due  to  the reason  that girls have stronger neural connectors, which cre‐ates better listening skills than boys. The above statement is supported by findings of Dr. Bruce Perry (2006), Houston, Neurologist. 

Normative Table for FINGER TO PALM Translation Table 1 

Normative table for Translation in both genders  Time (Seconds)  Errors (Number) 

Boys  Girls  Boys  Girls Age Group Mean  SD  Mean  SD  Mean  SD  Mean  SD 

3 – 4  24.1  7.75  21.5  7.10  2.62  1.33  1.10  1.47 4 – 5  17.6  7.33  15.6  5.69  1.67  0.99  1.89  1.36 5 – 6  18.4  5.91  17.1  4.95  2.80  1.82  8.24  5.23 6 – 7  19.6  6.53  17.4  6.10  2.11  1.54  1.46  0.66 7 – 8  15.9  4.66  13.8  4.56  1.33  0.62  1.20  0.42 

 

 

Page 149: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Translational abilities of hand manipulation in typically developing south… 149

Table 2 

Normative table for Errors in Translation among both genders Time (Seconds)  Errors (Number) 

Boys  Girls  Boys  Girls Age Group 

Mean  SD  Mean  SD  Mean  SD  Mean  SD 3 – 4  18.7  6.93  15.9  5.12  1.45  0.82  0.73  1.39 4 – 5  15.1  5.26  13.3  5.6  1.75  0.71  1.67  0.58 5 – 6  17.0  6.09  15.1  4.86  1.73  0.79  7.95  4.93 6 – 7  17.4  6.17  14.7  5.68  1.80  1.22  1.38  0.52 7 – 8  14.6  4.10  13.9  4.11  1.50  0.71  1.33  0.52 

 Table 3 

Normative table for palm to finger Translation in both the genders Time (Seconds)  Errors (Number) 

Boys  Girls  Boys  Girls Age Group 

Mean  SD  Mean  SD  Mean  SD  Mean  SD 3 – 4  14.1  7.45  14.2  7.63  1.30  0.48  2.00  1.31 4 – 5  11.8  4.19  10.0  3.99  1.25  0.50  1.33  0.58 5 – 6  13.5  4.80  12.5  5.16  1.14  0.38  7.00  3.35 6 – 7  11.8  4.37  12.0  3.44  1.00  0.00  1.31  0.63 7 – 8  14.4  6.81  11.8  3.24  2.00  1.7  1.00  0.00 

   Table  3  below  represents  that  comparison  of  time  taken  to perform palm to finger transfer of coins between boys and girls. This table shows that  there  is no  significant difference between boys  and girls. The null hypothesis  is accepted. Palm  to  finger  translation  is difficult  than  finger to palm  translation  is due  to  the  influence of  the development of wrist and elbow stability as the proximal control for finger actions. Also, Hen‐derson  (1995) stated  that palm  to  finger  translation  is more difficult  for the child, so the child first learn finger to palm translation. This is because more  amount  of motor  control  is  essential  to  guide  the movement  to‐wards gravity in a refined manner (Eccentric control).    Other findings relevant to age represents there is significant improve‐ment of performance pertinent to  increase of age. Hence the established null hypothesis regarding to age  is rejected with acceptance of alternate 

Page 150: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

150 Sangkari D. and Ramkumar M.G

hypothesis. In children from 2 to 6 years of age development of fine mo‐tor skills by learning and manipulating small objects is supplemented by the growth in the intrinsic muscles. Thus, as age increases, the voluntary control  in  intrinsic muscles of hand are also  increases  in  importance  to muscular properties which  leading  to  the development of  in‐hand ma‐nipulation  skills.  This  supporting  rationale  is  found  in  www.iowa/ gov/educate 

Conclusion 

  This cross sectional study of 300  typically developing children gives the mean  scores  for  3  to  8  years  children  performance  in  translatory abilities of hand manipulation. Further the study investigates the quality of performance between boys and girls. Results clearly depicts that there is  a  significant  difference  in  the  performance  of  translational  task  be‐tween the gender and age variables. This normative data would serve as a reference criteria and  it can be used as a screening component  for es‐tablishing baseline measures and also to measure the outcome after any treatment protocols for the children with manipulatory deficits. 

Study Limitations:  

1. Due to the time constraints, the study was conducted in a sample of children  which  is  too  small  to  the  proportion  of  population  in Chennai region. So, it cannot be generalized to the entire population. 

2. Researchers used a common object viz., coin as a standard object of manipulation. But many  standardized dexterity  tests  involve ma‐nipulation of many  common objects  like paper  clips, bolts,  coins, etc. Therefore the ability to manipulate the coins may not be gener‐alized to the ability to manipulate other common objects. 

Recommendations 

1. This is a preliminary study done to establish the normative data for the translational  skills  in children using coins and  it may serves as quick 

Page 151: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Translational abilities of hand manipulation in typically developing south… 151

screening tool with reference scores. Follow up studies are required to test the reliability and validity of the tool created in this study. 

2. Translation is one among the three in‐hand manipulation skills for which  the  normative  data  has  been  established  in  this  study. Further  studies  can be done  to determine  the normative data  for other in‐hand manipulation skills (shifting and rotation). 

3. In  this  study,  the  normative data  of  translation  skills  for  normal children  has  been  determined.  The  sensitivity  of  the  tool  to discriminate  the children with and without dexterity problem can be studied in the future. 

4. Due to time constraints, the study was conducted only 3 – 8 years old children. It can be further extended to other higher age groups, until  the  rate  and  accuracy  of  children  performance  reaches plateau. 

Major References  

The zone of proximal development in in hand manipulation skills of non dysfunctional 3 – and 4 – year – old children”. Oct; 44 (10); 884 – 91, 1989, American occupational therapy Journal. 

Humphry R, Jewell K, Rosenberger RC. “Development of In – hand manipulation and relationship with activities”. Sep; 49(8): 763 – 71, American occupational therapy Journal  

Pehoski C, Henderson A, Tickle – Degnen L.“ In hand manipulation in young children translation movements”. Oct; 51(9): 719 – 28, 1997 American occupational therapy Journal 

     

Page 152: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

152 Karol Sohit and Jae Kun Shim

FIFTEEN MINUTE TREATMENT WITH LOW FREQUENCY, HIGH INTENSITY 

TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL NERVE SIMULATION (TENS) INCREASES MAXIMUM 

FINGER FORCE PRODUCTION 

Karol Sohit1, Shim Jae Kun2 

Introduction 

  Cutaneous  feedback  is  one  of  the primary  sensory modalities  for  suc‐cessful  completion  of  day‐to‐day  dexterous manipulation  tasks  (Johnson 2001) and loss of cutaneous feedback from the fingers has been reported to produce lower magnitudes of maximum voluntary force (MVF) production (Shim,  Karol  et  al.  2012).  Lower  MVF  by  the  fingers  is  known  to  be a predictor of poor general health conditions (Sayer, Syddall et al. 2006).    While  it  is well established that  loss of cutaneous feedback results  in a decrease in maximal force production (Shim, Karol et al. 2012), it is not yet known if the maximum motor output could be enhanced by increas‐ing the cutaneous feedback from the fingers. In recent years, transcutane‐ous  electrical  nerve  stimulation  (TENS)  has  emerged  as  an  important treatment  to  enhance  the  cutaneous  sensation  in  patients with  sensory deficits  (Celnik, Hummel  et  al.  2007). Although  the  exact  neurophysi‐ological mechanism  of  this phenomenon  is not  yet  known,  it has  been suggested  that  that  TENS  could  enhance  the  somatosensory  input  by selectively stimulating certain afferent fibers, which in turn could modu‐late  the motor output  (Akyuz, Guven et al. 1995). Further, different pa‐

1 - Harvard University, Boston, USA 2 - University of Maryland, College Park, USA

Page 153: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fifteen minute treatment with low frequency, high intensity transcutaneous … 153

rameters of TENS are known to have a varied effect on the neuromuscu‐lar system, and frequency of TENS stimulation has been shown to be one of the most important parameters (Walsh, Foster et al. 1995).    The purpose of this study is to investigate the effect of low frequency (4Hz) TENS as well as high frequency (110Hz) TENS on MVF production during multi‐digit pressing.  It  has  been  hypothesized  that TENS  treat‐ment would facilitate the motor output by enhancing the cutaneous feed‐back during multi‐digit pressing, thus resulting in greater MVF.  

Methods 

  Ten healthy young volunteers  (5 males  and  5  females,  age:  21.0±2.3 years)  participated  in  the  study.  Customized  equipment  consisting  of four one‐dimensional  force sensors was used  to measure  the maximum finger forces (Models 208 M182 and 484B, Piezotronics Inc., Depew, NY, USA). The  equipment has been used  in previous  studies by our group (Shim, Karol et al. 2012). C‐shaped aluminum thimbles were fixed at the bottom of each sensor in order to rest the distal ends of the fingers while pressing.  The  subject’s  hand  were  bent  slightly  at  the metacarpopha‐langeal joint (MCP), proximal interphalangeal joint (PIP) and distal inter‐phalangeal  joint (DIP) in order to make a dome shape, when the fingers rested on  the  testing  equipment. The  forearm of  the  subjects  rested on a frame, and the wrist and forearm were constrained using Velcro straps. During the experiment subjects pressed down on the C‐shaped thimbles.    Five different finger combinations (four single‐finger and one four‐fin‐ger combination)  for  the MVF  task were presented  to  the  subjects. One trial was performed  for each  finger combination. The  five combinations were presented to the subjects in a randomized order, with an interval of 3 minutes between consecutive pressing conditions. This process was re‐peated for three different experimental conditions of 4Hz, 110Hz and no TENS treatment. TENS was delivered via a portable unit (Elpha 3000 II, Danmeter A/S, biphasic, pulse width 200μs) with circular, self‐adhesive electrodes on the finger pads of index, middle, ring and little finger. The intensity was self‐selected by the subjects and set to the maximum toler‐able level. The electrodes were removed before conducting the MVF tri‐

Page 154: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

154 Karol Sohit and Jae Kun Shim

als. Data were collected on  three different days at  the same  time of  the day.  The  order  of  treatment  conditions was  randomly  assigned  to  the subjects. 

Results 

  The MVF  values  for  the  single  finger  tasks  increased  significantly compared to the baseline condition for the index, middle and little fingers after 4Hz TENS treatment. Specifically, the MVF values increased 28% for the index finger (from 41.6±6.3N to 53.2±7.2N), 30% for the middle finger (from  39.9±5.2N  to  49.2±6.3N)  and  25%  for  the  little  finger  (from 24.6±4.2N to 31.3±3.9N). No significant differences were observed for the ring finger task. Further, MVF values for the 110Hz condition were simi‐lar  to  the  baseline  condition  during  the  individual  finger  tasks.  These results were supported by ANOVA (Index: F2,18 = 13.5; p<.01; Middle: F‐2,18=5.83; p<.05; Little: F2,18= 6.05; p<.05). For the four finger pressing task, MVF values were 30% greater  than  the baseline  for 4Hz  condition and 15%  greater  than  the  baseline  for  the  110Hz  condition. MVF  increased from 77.0±9.2N in the baseline condition to 89.0±11.6N in the 110Hz con‐dition and 101.0±12.8N in the 4Hz condition. The results were supported by ANOVA (F2,18 = 8.94; p<.01).  

Discussion 

  Consistent  with  our  hypothesis,  MVF  increased  significantly  with TENS  treatment  in  comparison  to  the  baseline  condition.  Specifically, 4Hz condition produced greater MVF as compared to the baseline condi‐tion and the 110Hz condition for index, middle and little fingers. No sig‐nificant differences were observed for MVF in the ring finger among the three  experimental  conditions,  although  the  data  exhibited  a  similar trend of higher MVF values with 4Hz frequency. However, no changes in MVF were observed  in  individual  finger  tasks after 110Hz TENS  treat‐ment. In addition, 4Hz condition produced greater MVF for all the four fingers pressing  together,  followed by 110Hz and baseline condition re‐spectively.  110Hz  TENS  treatment  also  produced  greater MVF  values than the baseline conditions for all the four fingers pressing together.  

Page 155: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fifteen minute treatment with low frequency, high intensity transcutaneous … 155

  The experimental setup for this study afforded to stimulate the finger pads and had a minimal effect on the intrinsic or extrinsic muscles of the hand  directly.  Thus,  changes  in  motor  output  due  to  neuromuscular stimulation, as observed  in  some previous  studies  (Dickstein  and Kafri 2008), could therefore be ruled out in this study and the findings could be attributed to changes in somatosensory inputs alone. Cutaneous feedback is known  to be one of  the major  sensory modalities  affecting  the MVF production by the fingers of the hand (Collins, Knight et al. 1999; Shim, Karol et al. 2012). Although  the exact neurophysiological mechanism of changes in cutaneous sensation with TENS is not yet known, it has been shown  that  TENS  treatment  could  temporarily  increase  the  cutaneous sensitivity (Urasaki, Wada et al. 1998). TENS is thought to gate the soma‐tosensory input at the peripheral level, through large afferent fibers and centrally  through  the  cuneatus  nucleus  (Nardone  and  Schieppati  1989; Luft, Manto et al. 2005). There are four classes of low‐threshold mechano‐receptors  in human glabrous  skin  innervated by  four classes of periph‐eral afferent nerve fibers. The neurons in the primary motor cortex have receptive  fields  in  the  periphery  that  receive  inputs  from  the  primary somatosensory cortex (Johansson 1998). It is possible that low frequency TENS increased the cutaneous feedback, therefore changing the inputs to the primary somatosensory cortex, which  in  turn  facilitate  the  inputs  to the motor cortex, thus resulting in an  increased motor output. These re‐sults are consistent with our recent study where MVF values decreased with the removal of cutaneous feedback (Shim, Karol et al. 2012).    Low  frequency  somatosensory  stimulation  of  peripheral  nerves  has been  known  to  increase  the motor  evoked potential  as well  as  cortico‐motor  excitability  in  previous  studies  (Nardone  and  Schieppati  1989; Mima, Oga  et al. 2004; Mima, Oga  et al. 2004). Results  from  this  study suggest  that  the  increase  in motor  output  could  depend  on  TENS  fre‐quency as well as  the digits  involved  in  the  task.  Increase  in MVF after short  term TENS  treatment  is consistent with results  from such studies. The  significant  increase  in MVF with  short  term  TENS  is  encouraging and should be  followed up with more elaborate studies  to establish  the most optimal combination of TENS parameters to obtain maximum mo‐tor output.  

Page 156: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

156 Karol Sohit and Jae Kun Shim

  In conclusion, this study suggests an important technique to enhance the MVF production capacity by employing low frequency, high intensity TENS.  

References 

Akyuz, G., Z. Guven, et al. (1995). ʺThe effect of conventional transcutaneous electrical nerve stimulation on somatosensory evoked potentials.ʺ Electromyogr Clin Neurophysiol 35(6): 371‐376. 

Celnik, P., F. Hummel, et al. (2007). ʺSomatosensory stimulation enhances the effects of training functional hand tasks in patients with chronic stroke.ʺ Arch Phys Med Rehabil 88(11): 1369‐1376. 

Chesterton, L. S., N. E. Foster, et al. (2003). ʺEffects of TENS frequency, intensity and stimulation site parameter manipulation on pressure pain thresholds in healthy human subjects.ʺ Pain 106(1‐2): 73‐80. 

Collins, D. F., B. Knight, et al. (1999). ʺContact‐evoked changes in EMG activity during human grasp.ʺ J Neurophysiol 81(5): 2215‐2225. 

Dickstein, R. and M. Kafri (2008). ʺEffects of antecedent TENS on EMG activity of the finger flexor muscles and on grip force.ʺ Somatosensory & Motor Research 25(2): 139‐146. 

Johansson, R. S. (1998). ʺSensory input and control of grip.ʺ Novartis Found Symp 218: 45‐59; discussion 59‐63. 

Johnson, K. O. (2001). ʺThe roles and functions of cutaneous mechanoreceptors.ʺ Curr Opin Neurobiol 11(4): 455‐461. 

Kellis, E. and V. Baltzopoulos (1996). ʺResistive eccentric exercise: effects of visual feedback on maximum moment of knee extensors and flexors.ʺ J Orthop Sports Phys Ther 23(2): 120‐124. 

Luft, A. R., M. U. Manto, et al. (2005). ʺModulation of motor cortex excitability by sustained peripheral stimulation: the interaction between the motor cortex and the cerebellum.ʺ Cerebellum 4(2): 90‐96. 

Manjarrez, E., J. G. Rojas‐Piloni, et al. (2002). ʺInternal stochastic resonance in the coherence between spinal and cortical neuronal ensembles in the cat.ʺ Neurosci Lett 326(2): 93‐96. 

Mima, T., T. Oga, et al. (2004). ʺShort‐term high‐frequency transcutaneous electrical nerve stimulation decreases human motor cortex excitability.ʺ Neurosci Lett 355(1‐2): 85‐88. 

Page 157: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fifteen minute treatment with low frequency, high intensity transcutaneous … 157

Moss, F., L. M. Ward, et al. (2004). ʺStochastic resonance and sensory information processing: a tutorial and review of application.ʺ Clin Neurophysiol 115(2): 267‐281. 

Nardone, A. and M. Schieppati (1989). ʺInfluences of transcutaneous electrical stimulation of cutaneous and mixed nerves on subcortical and cortical somatosensory evoked potentials.ʺ Electroencephalogr Clin Neurophysiol 74(1): 24‐35. 

Oldfield, R. C. (1971). ʺThe assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory.ʺ Neuropsychologia 9(1): 97‐113. 

Richardson, K. A., T. T. Imhoff, et al. (1998). ʺUsing electrical noise to enhance the ability of humans to detect subthreshold mechanical cutaneous stimuli.ʺ Chaos 8(3): 599‐603. 

Sahaly, R., H. Vandewalle, et al. (2001). ʺMaximal voluntary force and rate of force development in humans‐‐importance of instruction.ʺ Eur J Appl Physiol 85(3‐4): 345‐350. 

Sayer, A. A., H. E. Syddall, et al. (2006). ʺIs grip strength associated with health‐related quality of life? Findings from the Hertfordshire Cohort Study.ʺ Age Ageing 35(4): 409‐415. 

Shim, J. K., S. Karol, et al. (2012). ʺTactile feedback plays a critical role in maximum finger force production.ʺ J Biomech 45(3): 415‐420. 

Slobounov, S., J. Johnston, et al. (2002). ʺMotor‐related cortical potentials accompanying enslaving effect in single versus combination of fingers force production tasks.ʺ Clin Neurophysiol 113(9): 1444‐1453. 

Tinazzi, M., S. Zarattini, et al. (2005). ʺLong‐lasting modulation of human motor cortex following prolonged transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) of forearm muscles: evidence of reciprocal inhibition and facilitation.ʺ Exp Brain Res 161(4): 457‐464. 

Urasaki, E., S. Wada, et al. (1998). ʺEffect of transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) on central nervous system amplification of somatosensory input.ʺ J Neurol 245(3): 143‐148. 

Walsh, D. M., N. E. Foster, et al. (1995). ʺTranscutaneous electrical nerve stimulation. Relevance of stimulation parameters to neurophysiological and hypoalgesic effects.ʺ Am J Phys Med Rehabil 74(3): 199‐206. 

Yue, G. and K. J. Cole (1992). ʺStrength increases from the motor program: comparison of training with maximal voluntary and imagined muscle contractions.ʺ J Neurophysiol 67(5): 1114‐1123. 

Page 158: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

158 Krzysztof Szydło et al.

THE INFLUENCE OF THE ADDITIONAL TASK ON POSTURAL STABILITY 

Krzysztof Szydło, Kajetan Słomka, Rafał Zając,  Patrycja Kołacz, Grzegorz Juras1 

Introduction 

  Human postural stability  is determined by a complex processes  that take  place  beyond  our  consciousness. Maintaining  stable  posture  does not require any effort  in most cases and therefore  it  is usually taken for granted. In a standing position we do not need to think about maintain‐ing a stable body position. It is controlled automatically if a person does not have any impairments.   Postural stability can be viewed as a regulatory process. It takes place in  the nervous  system,  and  is made possible  by processing  the  signals that reach mainly to the labyrinth, ocular apparatus, proprioceptors and touch  receptors. Under  physiological  conditions  these  processes  allow you to maintain a stable posture (Dijkastra at al., 1994, Kuo at al., 1998). Proprioception plays a key role in maintaining a balanced body position. Every person has  to deal with difficulties with body balance which  re‐quires high performance of multiple tasks at the same time. In the litera‐ture this term can be found as a dual‐task paradigm (Hsiang‐Ju et al.2001, Moghadam 2011,Donker et al. 2007,). The base  idea of this concept  is to reduce  attention which  is  essential  to  perform  the main  task,  by  per‐forming additional task (Müller et al., 2007).   Doker et al. (2007) concluded that posture equilibrium depends on the amount of attention invested in body control. It implies that the more at‐

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Department of Human Motor

Behaviour, Katowice, Poland

Page 159: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of the additional task on postural stability 159

tention we put into maintaining balance, the more stable it will be. How‐ever  in some situations,  internal concentration can disrupt balance con‐trol. Additional task depending on task difficulty can also affect the sta‐bility (Teasdale, Simoneau 2001). Therefore the effect of additional task is influenced by  trial design. The  aim of  this  study was  to determine  the effects of additional simple and choice reaction time task on the postural stability measured  in  a  simple  postural  task.  Participants  task was  to point the target displayed in the 3D glasses with their center of pressure viewed in real time on the oculars screen. 

Materials and methods  

  Fifteen  healthy  young  male  volunteers  participated  in  this  study. Mean age was 25 ± 2.21 years, and average body height and weight were 175 ± 5.53 cm, and 75 ± 4.23 kg respectively. All subjects were  informed about  the  execution  of  the  experiment  and  signed written  consent,  ac‐cording to procedures approved by an Institutional Review Board.    Ground reaction  forces were acquired with  the use of  force platform (AMTI, model AccuGait, USA), with a PC computer supported by Balance Trainer  software,  head mounted  display  (Z800  3Dvisor  eMagin, USA), and reaction time measurement device (MCZR/ ATB 1.0) In simple reac‐tion time condition participant responded to 12 stimuli’s, in choice reac‐tion  time  condition  to  18  stimuli’s.  In order  to  create more  challenging conditions in some trials soft base of support was used (sponge sized to match the platform dimensions‐ 50x50 cm).   During the whole experiment all subjects stood on the force plate and watched  the movement of  its own center of pressure  (COP)  in  the head mounted display. Their main goal was to point the target marked on the monitor with a dot  representing  the center of pressures actual  location. Targets were  located  in  the  50%  of  the maximum  base  of  the  support area. Only one  target was active at  the same  time, and after  reaching  it new  target  appeared. Order  of  targets  appearance was  randomized  to eliminate learning process. In the first trial reaching the set of targets was the main and only goal  for participant.  In  the second  trial subject addi‐tionally responded to the acoustic stimulus by pressing the button held in 

Page 160: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

160 Krzysztof Szydło et al.

his hand  (simple  reaction  condition). The  third  trial  included  the  same task but there were 2 types of signals (high pitch and low pitch) and par‐ticipant  responded with  right  or  left  hand. Next  three  trials were  per‐formed in the same order as the first three but on the soft base of support (10 cm thick foam). Each trial lasted 60 seconds.  The observed variables from AMTI platform were: ̵ Average Target Hit Time (Avg Hit t) [Sec.] ̵ Average Area Deviation (Avg Area Dev) [Cm.] 

  Therefore, these variables were further analyzed because they charac‐terize the performed task best. All data were evaluated in the statistica 10 software package. To examine  the effects of experimental conditions on the observed variables repeated measures ANOVA was performed with significance levels set at P < 0.05, and post hoc tests with Tukey’s correc‐tions were carried out. 

Results 

  Results show that increasing additional task difficulty resulted in less regular COP path in the research group. Perturbation during performing the main  task  while  simultaneously  executing  the  additional  tasks  in simple  reaction  condition  significantly  reduced  whole  body  reaction time. Means and standard deviations for all variables are presented in table 1. All participants performed the same set of trials in random order. Mean values of TargetHitT, are presented in figure 1. 

Table 1 

Mean values and standard deviations of observed variables. Variables  Non perturbed trial  Perturbed trial    NR  SR  CR  NR  SR  CR 

TargetHit T 2,961 ±0,740 

2,670 ±0,735 

2,601 ±0,602 

2,668 ±0,489 

2,596 ±0,634 

2,349 ±0,462 

AreaDev 30,941 ±5,894 

32,091 ±7,230 

36,201 ±11,915 

35,741 ±11,686 

42,135 ±13,743 

29,049 ±8,072 

 

Page 161: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of the additional task on postural stability 161

 Fig. 1 

Average Target Hit Time (Avg Hit t) [sec.]  Legend: NR – no reaction, PNR – perturbed no reaction, SR – simple reaction, PSR‐ perturbed simple reaction, CR – complex reaction, PCR‐ perturbed com‐

plex reaction    There was a significant main effect of trial condition on average target hit  time  ((F=  5,  10)  =  4.813,  p<0.05).  Target  hit  time was  significantly shorter  in  the PSR  (M= 2.349 sec., S= 0.634 sec.) compared with  the NR condition (M=2.961 sec. S=0.740 sec.).    Figure 2  shows  the mean values of AreaDev across  the  trials. There was  a significant main  effect of  trial  condition on AreaDev  ((F=5,  10)  = 2.947, p < 0.05). Area deviation was significantly different  in NR  (M=30. 941 cm, S=5. 894 cm) than in CR (M=36.201 cm, S= 11.915 cm) condition. Similar  results were observed  in  complex  reaction  condition  (M=36.201 cm, S= 11.915 cm). Reaction times were significantly different than in PSR condition (M=42.135 cm, S=13.743 cm). 

Page 162: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

162 Krzysztof Szydło et al.

 Fig. 2 

Average Area Deviations (Avg Area Dev) [cm] 

Discussion 

  The purpose of  this study was  to present  the  influence of additional task  on  the  primary  postural  task.  Increasing  additional  task difficulty resulted  in  less  regular COP  path  in  the  research  group.  Perturbation during performing the main task while simultaneously executing the ad‐ditional  tasks  in  simple  reaction  condition  significantly  reduced whole body reaction time. This may indicate that the difficulty of the additional task is not always linked to deterioration of postural stability. Results show  that  the average  target hit  time was significantly  lower  in more demanding  tasks.  Similar  results were  presented  by Doker  at  al. 2007, and Dault at al. 2004. Results also show that  increasing concentra‐tion on additional task can result in faster and more accurate execution of the main task. The average area deviation was increasing with task diffi‐culty.  In  perturbed  quiet  standing  condition  the  path  of  the COP was significantly higher. Pellecchia (2003) also suggest that the increasing dif‐ficulty of dual task causes the increase in COP length. Authors presenting both different  concepts  and  trying  to prove  its  authenticity  are mainly inspired by  ideas  taken from  the  field of psychology.  It  is also worth  to note that the degree of risk for the postural stability does not matter and 

Page 163: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The influence of the additional task on postural stability 163

the processes concernig postural  tasks are priorities (Muller at al. 2007). In this study results indicate that additional task may improve effective‐ness  but  only  if  the  additional  task  is  not  too  difficult.  There  is  also a trade‐off between execution accuracy and speed. The slower the move‐ment  the more  regular measurement.  This  information  can  be  used  in proprioception  training  in sports and rehabilitation. The additional  task may improve execution of primary task but should be performed slowly and should not require significant attention in task execution. 

References 

Dault M.C., Frank J.S. Does practice modify the relationship between postural control and the execution of a secondary task in young and older individuals? Gerontology. 50: 157‐164. 2004 

Dijkstra T.M., Schoner G., Gielen C.C. Temporal stability of the action‐perception cycle for postural control in a moving visual environment. Exp. Brain Res., 97: 477‐486. 1994. 

Donker F., Roerdink M., Greven A.J., Beek P.J. Regularity of center‐of‐pressure trajectories depends on the amount of attention invested in postural control. Exp. Brain Res., 181:1‐11. 2007 

Fitzpatrick R., McCloskey D. I. Proprioceptive, visual and vestibular thresholds for the perception of sway during standing in humans. Journal of Physiology, 478.1. 1994 

Huang H., Mercer V. Dual‐Task Metodology: Applications in Studies of Cognitive and Motor Performance in Adults and Children. Pediatr Phys Ther. 13; 133‐140. 2001 

Kuo A.D., Rosemary A., Speers R., Peterka J., Horak B. Effect of altered sensory conditions on multivariate descriptions of human postural sway. Exp. Brain Res., 122: 185‐195. 1998 

Moghadam M., Ashayeri H., Salavati M., Sarafzadeh J., Taghipoor K., D., Saeedi A., Salehi R. Reliability of center of pressure measures of postural stability in healthy older adults: Effects of postural task difficulty and cognitive load. Elsevier, Gait & Posture. 33: 651‐655. 2011 

Müller M., Redfern M., Jennings R. Postural prioritization defines the interaction between a reaction time task and postural perturbations. Exp. Brain Res. 183: 447‐456. 2007 

Page 164: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

164 Krzysztof Szydło et al. Pellecchia G., L., Postural sway increase with attentional demands of concurrent 

cognitive task. Gait Posture. 18: 29‐34. 2003 

Teasdale N., Simoneau M. Attentional demands for postural control: the effects of aging and sensory reintegration. Gait Posture 2001, 14: 203‐210. 

Winter D., A., Human balance and posture control during standing and walking. Gait & Posture. 3: 193‐214.1995 

Yeh T., Boulet J., Cluff T., Balasubramaniam R. Contributions of delayed visual feedback and cognitive task load to postural dynamics. Neuroscience Letters 481, 2010, 173‐177. 

           

Page 165: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in the level of stability while standing on the balance platform on... 165

CHANGES IN THE LEVEL OF STABILITY  WHILE STANDING ON THE BALANCE 

PLATFORM ON A RIGID AND COMPLIANT SURFACE 

Dariusz Tchórzewski1, Janusz Jaworski 

Introduction 

  The  contribution  of  individual  of  individual  sensory  inputs  in  pos‐tural control is not equal. It is believed that a particularly important role in the development of postural response proprioceptive inputs play (Pe‐terka  2002; Horak  2006).  Fluctuations  of  the  balance  platform  (seesaw) cause continuous changes in orientation, which is a major difficulty in the use  of  proprioceptive  information  about  the  relative  body  positions (Ivanenko et al. 1997). While standing on an unstable surface comes to the reorganization  of  postural  control mechanisms  and  their  adaptation  to new environmental conditions, resulting  in  increased body’s sways and a change in postural strategy (Gantchev and Dimitrova 1996). This ability to compensate of  the  loss or  retention of  information  from one or even two sources of sensory input by reorganizing and re‐establish the impor‐tance of information from all the senses is important to maintain stability (Mergner et al. 2003; Horak 2006).   The main aim of this study was to determine to what extent, with the help of visual  feedback mechanisms of postural control can compensate the distortion of prioprioceptive information caused by two factors. First factor  disturbance  with  balancing  on  a  rigid  surface  of  the  platform, while the second additional place on a platform of compliant surface. An  1 - University School of Physical Education in Cracow, Faculty of Physical Education and

Sport, Poland.

Page 166: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

166 Dariusz Tchórzewski and Janusz Jaworski

attempt to answer the questions: (1) as additional disturbance due to soft ground affects the level of postural stability? and (2) if this effect is simi‐lar in the planes of motion? 

Methods 

Subjects   Experiments  were  performed  on  20  young,  healthy  men  (age: 20.71±0.63). The average men’s height was 180,0 cm at the weight – 72,7 kg  (BMI  22,4). No one person had problems with  stability  and had no injury which  could  influence  on  the  results  of  the measurements.  All participants volunteered for the study. 

Equipment   The  level of dynamic balance was  assessed using  the Libra wobble‐board  by  EasyTech.  It  allows  determining  the  level  of  the  ability  to maintain  dynamic  balance  in  enforced  conditions.  The  outcome  of  the measurement  on  the wobble  board  is  global  (final)  result, which  com‐prises the following parameters: total area – zone between the actual line and the model central line (left/right in the frontal plane; front/back in the sagittal plane); extend area – zone behind  the settled  level of difficulty; extend  time – sum of  the  times existence beyond  the  level of difficulty, recovery time – the longest period of existence beyond the given area.   The final result is the weighted average (a number from 0 to 100) of 8 mentioned parameters (the value of 100 means the weakest balance, the value of 0 the best one) (Tchórzewski et al. 2007)   To obtain the conditions of soft surface Togu Aerostep (rubber made therapeutically device with  two  separate  chambers  filled with air, with the possibility of changing  the air pressure  inside) was put on  the plat‐form. 

Procedures   Subjects were  asked  to maintain  the  balance  platform  in  horizontal plane. The measurements were made  in two series. During the first one the  subjected  person  stood  on  rigid  surface,  during  the  second  on Aerostep. In every session one minute balancing was registered in frontal 

Page 167: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in the level of stability while standing on the balance platform on... 167

and sagittal plane. The measurement was made without shoes, in upright position with  parallel  feet.  A  straight  line was  the movement  pattern (Fig.1). Each measurement was preceded by a 30 s warm‐up   Tests were carried out using visual feedback. At eye level of tested at 1 m from the edge of the platform was placed 15 ʺmonitor screen, which displayed a graphic image of the course. The test was required to observe the  screen  during  the  whole measurement  and manipulation  of  such a platform that he plotted on a computer screen to best reflect the line of the line model (coinciding with it). The scope of the degree of difficulty was visualized on the monitor screen in  the  form of  two  located on both sides of  the pattern of parallel  lines. These parameters were based on earlier studies carried out on  the plat‐form Libra (Tchórzewski et al. 2010).  

 Fig. 1 Example of graphic record of trial’s process; A – frontal plane, B – sagittal plane 

 

Data analyses   The data obtained from individual measurements initially developed the  basic  methods  of  descriptive  statistics.  Calculated  the  arithmetic mean, variance, standard errors of the mean, standard deviation. To con‐firm the significance of differences between the two dependent tests were used matched pairs Wilcoxon test. Calculations were performed with the help of a computer program Statistica 10.0. 

Page 168: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

168 Dariusz Tchórzewski and Janusz Jaworski

Results 

  The results of measurements of the stability parameters were analyzed separately  for  the  rigid and compliant  surfaces  including  the  frontal and sagittal plane range of motion. The resulting arithmetic mean, standard er‐ror and 95% confidence interval average stability index (SI), total area (TA), the extend area (EA) and the extend time (ET) is shown in figure 2.    Differences between the parameters of stability in standing on a rigid and compliant surfaces highlight a different impact on the balance of the support  in both  considered planes of motion.  In  frontal plane,  in most cases  indicate  either  a  lack  of  differentiation  between  the  terms  of  the base of support or at a better balance of respondents on compliant sur‐face. In the sagittal plane better stability among tested on a rigid surface was showed (Tab.1).  

Table 1 

Differences between the results of the stability of parameters during  the balancing of rigid and compliant surface 

  frontal plane  sagittal plane 

parameter difference  ( x ±sx) 

T  p difference

(%) difference ( x ±sx) 

T  p difference 

(%) stability index 

‐0,46±0,2  48,0  0,0586  ‐12,7  0,70±0,3  55,0  0,0420  20,0 

total area  ‐5,94±4,3  70,5  0,1978  ‐6,8  19,68±5,5  33,5  0,0076  24,7 external area 

‐1,78±0,5  28,0  0,0040  ‐80,5  0,23±0,2  94,0  0,9679  7,8 

external time 

‐0,51±0,3  55,5  0,0646  ‐45,5  0,12±0,2  90,5  0,8563  7,3 

statistically essential values were distinguished in bold type % difference IS=[(ISCS‐ISRS)/ISRS]*100; % difference TA=[(TACS‐TARS)/TARS]*100; % difference EA=[(EACS‐EARS)/EARS]*100; % difference ET=[(ETCS‐ETRS)/ETRS]*100; 

RS–rigid surface; CS–compliant surface; IS–stability index; TA–total area; EA–external area;  ET– external time 

   There were  no differences  between  stability  parameters  obtained  in both planes. The results obtained on compliant surface showed a better stability in the frontal plane (Tab. 2).  

Page 169: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in the level of stability while standing on the balance platform on... 169

  RYC poprz  

Page 170: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

170 Dariusz Tchórzewski and Janusz Jaworski

Table 2 Differences between the results of parameter stability in the frontal  

and sagittal planes   rigid surface  compliant surface 

parameter difference  ( x ±sx) 

T  p difference

(%) difference ( x ±sx) 

T  p difference 

(%) stability index 

‐0,10±0,3  96,5  0,7510  ‐2,8  1,05±0,3  16,5  0,0027  33,6 

total area  ‐7,68±4,6  69,0  0,1790  ‐8,8  17,94±5,6  38,0  0,0124  22,0 external area 

0,70±0,5  91,5  0,6143  31,5  2,70±0,8  22,0  0,0033  626,7 

external time 

0,46±0,4  75,5  0,2708  41,1  1,09±0,3  32,5  0,0119  177,9 

statistically essential values were distinguished in bold type % difference IS=[(ISSP‐ISFP)/ISFP]*100; % difference TA=[(TASP‐TAFP)/TAFP]*100 

% difference EA=[(EASP‐EAFP)/EAFP]*100; % difference ET=[(ETSP‐ETFP)/ETFP]*100; SP–sagittal plane; FP–frontal plane; IS–stability index; TA–total area; EA–external area; ET– external time 

 

Conclusion 

  The use of compliant surface was designed  to determine  the signifi‐cance of mechanoreceptors  interest  in maintaining  the balance  in unsta‐ble ground conditions. Change in surface hardness of the base of support is one of  the most widely used  techniques  in  the  study,  the  role of  the somatosensory system  in postural control  (Marin et al, 1999, Patel et al, 2008). This method is based on the belief that the introduction of the de‐formable surface of  the base of support  to a  large extent  interferes with somatosensory afferent signals  responsible  for  the maintenance of equi‐librium,  and  thus  increases  its  dependence  on  visual  information  and vestibular (Wu and Chiang, 1996).   The usage of compliant surface in this study improved the level of sta‐bility of the subjected in frontal plane, but it was not changed in the sag‐ittal one. Compliant surface on the platform produces smaller corrective movements, which are performed with some delay. The usage of compli‐ant surface could contribute  to  reduction of corrective movements’ am‐plitude and can influence the improvement of the subjected stability.  

Page 171: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Changes in the level of stability while standing on the balance platform on... 171

References 

Gantchev GN, Dimitrova DM. Anticipatory postural adjustments associated with arm movements during balancing on unstable support surface. International Journal of Psychophysiology,1996; 22;117–122. 

Horak FB. Postural orientation and equilibrium: what do we need to know about neural control of balance to prevent falls? Age and Ageing, 2006; 35–S2: 7–11. 

Ivanenko UP, Talis VL. Effect of support surface stability on the postural vibration reactions in man. Human Physiology, 1995; 21: 116–124. 

Marin L, Bardy BG, Baumberger B, Fluckiger M, Stoffregen TA. Interaction between task demands and surface properties in the control of goal–oriented stance. Hum Movement Sci, 1999; 18: 31–47. 

Mergner T, Maurer C, Peterka RJ. A multisensory posture control model of human upright stance. Prog Brain Res., 2003; 142: 189–201. 

Patel M, Fransson PA, Lush D, Gomez S. The effect of foam surface properties on postural stability assessment while standing. Gait Posture, 2008; 28: 649–656. 

Peterka RJ. Sensorimotor integration in human postural control. J Neurophysiol, 2002; 88: 1097–1118. 

Tchórzewski D, Jaworski J, Bujas P. Influence of long–lasting balance on unstable surface for changes in balance. Human Movement, 2010; 11(2): 144–152. 

Wu G, Chiang JH. The effects of surface compliance on foot pressure in stance. Gait Posture, 1996; 4: 22–129. 

  

Acknowledgments 

The authors would like to thank Technomex Company for allowing them to use their equipment to do the research.   

Page 172: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

172 Milan Turek et al

FITNESS ASSESSMENT IN ICE HOCKEY 

Milan Turek, Marek Kokinda, Róbert Kandráč1 

Introduction 

  Exercise testing is irreplaceable with regard to qualified control of the training process providing  information on  the  states and changes  in all sports, whose primary aim  is to enhance performance. Its  interpretation enables coaches to actively engage in the training process and to predict the  increase and decline  in  sports performance. On  the basis of  the  as‐sessment of both  the  level and changes as a result of sustained training, exercise  testing  serves  to  assess  the  predispositions  necessary  for  the training process itself. The success in both individual and team sports lies in  the scientifically  justified system of  training activity. The selection of appropriate and verified methods under both specific and general condi‐tions has  to be performed on  the basis of  testing,  through which  the  in‐definite character of exercises is eliminated. Athleteʹs training level refers to a specific form of organismʹs adaptation to physical load. The adapta‐tion is the result of genetic dispositions and sustained training. Differen‐tiation  between  both  effects  in  real  conditions  is  practically  impossible without unconventional methods used  to uncover  ʺweakʺ performance‐determining links, which are used for the analysis and assessment of per‐formance.   Bunc  (2010)  states  that  testing  is  based  on  a model  physical  load, which must mimic  the competition conditions of  identical  intensity and duration. At the same time, it is necessary to assess the motor abilities of the tested person and apply dynamic load. Both components depend on the motor  competence  that  determines  the  performance  of  a particular motor task included in the assessment. The motor competence is charac‐ 1 - University of Presov in Presov, Faculty of Sport, Presov, Slovakia

Page 173: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fitness assessment in ice hockey 173

terized  by  two  parameters:  1.  Skill  –  technique  acquisition  related  to a motor task; 2. The state of the muscular system.    Sports performance  in  ice hockey  is alternate with regard  to exercise intensity  and  falls  into  the  category  of  the  so‐called  ʺmultiple  sprint sportsʺ (Helešic, 2009). These types of sports performances are character‐ized by alternation of maximal‐intensity short‐duration intervals and rest intervals.  The purpose of the study was to design a probability model the applica‐tion of which would  refine  the assessment of parameters of actual and continuous states in ice hockey players using factor and analytical proce‐dures.  

Methods 

  Tests and test‐related norms  in the test battery 1 of the Methods De‐partment of the Slovak Ice Hockey Federation (MD SIHF) include general and specific tests for individual age categories. The test battery serves for the U15, U18 and U20 categories and includes 10 subtests, which measure running  and  skating  speed,  lower‐body  explosive  strength,  maximal strength  of  arm  extensors  and  shoulder  joint muscles.  The  score  scale ranges from 1 to 80 points for the general fitness tests and 1 to 90 points for the specific fitness tests (see Table 1).    Using  the materials of MD SIHF, we devised a test battery 2  for  the assessment of general  and  specific motor  fitness. As  shown  in Table  1, battery 2  includes  field and  laboratory  tests measuring  strength,  lower‐body  flexibility,  skating  speed  and  agility. The  test of maximal  skating speed (Behma et al., 2005) was carried out together with the test of skat‐ing speed around the rink, which is used especially at the exhibitions of the National  hockey  league  or  Kontinental  hockey  league.  Single‐leg  broad jump  test and agility  test were performed adhering  to  the methods de‐scribed  by  Brooks  (Training  center).  The  laboratory  measurement  of strength was  conducted  using  a jump  ergometer.  Taking  into  account previously conducted studies, 4 variables were selected: no. 15, 16, 17 and 18 (see Table 1). The battery included also single‐leg squats, which were evaluated by  time needed  to perform  ten  squats and  the  test of  lower‐

Page 174: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

174 Milan Turek et al

body flexibility. The results of the test batteries were processed using cor‐relation  and  factor  analysis.  Contrary  to  the  correlation  computations, which provide information not only on the degree of correlation between several measured  values,  the  factor  and  analytical  procedures  are  ori‐ented at the quality of the correlation. The orthogonal rotation of factors into a simple structure was performed using the Varimax method.  

Results 

  The  test batteries 1 and 2 represent  two relatively  independent units with certain consistency in individual test items. Almost every test item is related to another variable, which is most probably a determining factor of skating speed.    The level of significance of factor loading was set at < 0.4 (Perič, 2008). Their significance is indicated in bold letters.    In test battery 1 of the MD SIHF four factors, which are indicators of conditioning  abilities,  were  extracted.  With  regard  to  the  conducted analysis, we may conclude partial incompleteness of the battery and the need  to  complement  the battery with  test  items, which would be more indicative of skating performance.    The  saturation  of  five  factors within  the  test  battery  2  has  demon‐strated hierarchy of individual parameters, which are actually indicative of skating performance. With certain degree of scientific skepticism, this battery may be regarded as a relevant indicator.    The  factor 1 covers 22 percent of  the whole complex area.  Its base  is formed by abilities related to explosive strength. The loading of the factor 2 of the total variance equaled 20.4 %. This factor can be considered the factor of skating and running speed, speed endurance and agility as it is saturated by variables of  jump ergometry and  the  test of skating speed. Therefore,  the  factor  can be  regarded  as  the  energetic  factor of  skating performance. The  loading of the factor 4 of the total variance amounted to  13.8 %  and  is  saturated  by  variables  of  agility  and  single‐leg  broad jumps.  The  factor  represents  frequency  speed  and  explosive  strength. Factor  6  seems  to  be highly  specific  being  saturated  by  the variable  of skating speed and representing factor of maximal skating velocity. This is 

Page 175: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fitness assessment in ice hockey 175

indicative of  its specific position  in  terms of skating speed. Specific vari‐ance (SV – 17.5 %) of the factor model 1 is not directly associated with the content of the test items. It is probably saturated by personal, psychologi‐cal and other variables, which do not make part of motor parameters.  

Table 1 

Arithmetic means and standard deviations in test batteries 1 and 2 Ice hockey players U18 (N=22)   No  Variable 

x  s 

Specific motor fitness (Battery 1) 

1. 2. 3. 4. 

Forward skating 36m (s) Backward skating 36m (s) Forward skating 6x9m (s) Forward skating 6x54m (s) 

5.2 6.2 13.5 49.4 

0.2 0.2 0.6 1.2 

Specific motor fitness (Battery 2) 

5. 6.  

Test of maximal skating velocity (km/h) Test of skating speed – 1  lap around the rink (s) 

32.8 15.3  

1.8 0.5  

General motor fitness (Battery 1) 

7. 8. 9. 10. 11. 12. 

60m run (s) 400m run (s) 1500m run (s) 6x9m run (s) Standing broad jump (cm) Bench press (kg) 

8.3 65.1 381.9 14.6 230.5 68.7 

0.2 2.0 28.7 0.2 7.3 8.4 

General motor fitness (Battery 2) 

13. 14. 15. 16.  17.  18. 19. 20. 21. 22. 

Sit‐and‐reach (cm) Agility ‐ octagon (s) J. ergometer tc time of contact (s) J. ergometer P performance  in the active push‐off phase (W/kg) J. ergometer v velocity  in the final push‐off phase (m/s) J. ergometer h height of jump (cm) Single‐leg broad jump: left leg (cm) Single‐leg broad jump: right leg (cm) 10 single‐leg squats: left leg (s) 10 single‐leg squats: right leg (s) 

16.5 5.0 0.2 39.2  2.4  30.4 192.7 194.3 6.6 6.7 

4.9 0.6 0.1 5.4  0.1  3.1 14.4 11.2 0.5 0.6 

Legend: No. – order number, J. ergometer – jump ergometer, N – number of players,  x – arithmetic mean, s – standard deviation. 

Page 176: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

176 Milan Turek et al

  Within the factor model 2 three factors were extracted with higher rate of specific variance compared to the model 1. The factor 1, which may be termed  the skating‐related  factor of  lower‐body explosive strength, cov‐ered 29.9 % of  the  total variance. The  factor 2  is  saturated by variables sensitively assessing  the  level of  lower‐body strength  in  terms of domi‐nance  and  preference.  The  factor  covered  23.5 %  of  the  total  variance. Factor 3  represents  the  factor of  skating  speed endurance and maximal strength  of  arm  extensors  and  shoulder  joint  muscles.  Its  saturation amounted to 16.1 %. The value of the specific variance of the factor model 2 equaled 31.2 %. Almost one  third of  the motor area covered  indicates that the content validity increased relatively significantly.   

  Fig. 1 

Factor loading in test battery 1 and 2   

 Fig. 2 

Factor loading in models 1 and 2 

Page 177: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Fitness assessment in ice hockey 177

  The factor matrix itself in the numerical form includes all information, but  their  relevance  remains unclear. Therefore,  the percentages of  indi‐vidual factor loadings need to be illustrated graphically (Turek, 1997).  

Discussion 

  The primary purpose of the conducted exercise testing was to exam‐ine the variables covering the common variance, which may be termed as ʺmotor areaʺ. Factor and analytical procedures with the highest degree of verification enable to clarify these criteria, which are  included  in the  in‐dividual test items. At the same time, they enable to reduce the number of  redundant  test  items, which  are  possible  to  identify  on  the  basis  of multivariate mathematical statistics.  The  conduction of  comparative analysis of  the  test batteries  resulted  in two factor models, one of which exhibited sufficient rate of validity. With high degree of probability, it is possible to conclude incidence of common base  of  running  parameters  (factor  model  1),  which  despite  different character of  loading shared  identical base. This contradiction represents certain knowledge paradox  indicating  that  the  implementation of  these items into the test battery does not sufficiently assess the general fitness in  ice  hockey  players  and  their  number  seems  to  be  redundant.  This finding was confirmed by  the saturation of  jump ergometry as an  indi‐cator of lower‐body explosive strength. The attempt  to analyze  the simple structure of  the factor model showed that several test  items shared an  identical criterion. This enables both to refine the test battery content and to reduce their number as is the case of the variable: sit‐and‐reach, which does not fall into the proposed models due to the character of its content. We may assume that cooperation with experts in the field will enhance the quality of diagnostics in the training process.  

References 

Behma G. D., Wahl J. M., Button C. D., Power E. K., Anderson G. K. Relationship between hockey skating speed and selected performance measures. In: J Strength Condit Res, 19: 326‐331, 2005. 

Page 178: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

178 Milan Turek et al Bunc V. Diagnostika trénovanosti ve fotbale – možnosti a limity. In: Sborník 

referátů z 9. mezinárodní vědecké konference Hry 2010. Plzeň: FPE ZČU, 2010. pp. 15‐25.  

Helešic J. Některé aspekty kondiční přípravy hokejistů ve vztahu k rychlosti bruslení. In: ATLETIKA MASTERS – OTROKOVICE. Retrieved October 15, 2010, from http://atletika‐masters.webnode.cz/news/rychlost‐brusleni/ 

Perič T. K možnostem identifikace struktury sportovní talentovanosti. Praha: Karolinum, 2008.  

Turek M. Faktory pohybovej výkonnosti 6 a 10 ročných detí. In: Zborník z Medzinárodnej vedeckej konferencie: Telesný rozvoj a pohybová výkonnosť detí a mládeže. Prešov: VSTVŠ, 1997. pp. 113‐118.  

 

Acknowledgments 

This work was supported by VEGA GÚ 1/0088/11       

Page 179: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Hockey fitness relative to age categories 179

HOCKEY FITNESS RELATIVE  TO AGE CATEGORIES 

Milan Turek, Marek Kokinda, Róbert Kandráč1 

Introduction 

  Exercise  testing  is  irreplaceable  in  terms  of  training  regulation. The testing itself provides information on particular states and their changes, whose primary aim is to enhance performance. Scientifically based inter‐pretation of test results enables coaches to actively regulate training load and predict sport performance from a long‐term perspective. On the basis of  the  assessment  of  the  level  or  the  changes  as  a result  of  sustained training,  the  testing serves  for  the assessment of  the predispositions  for training. The basis of exercise testing is formed by a model physical load, which should mimic the competition conditions in terms of intensity and duration of effort. It is also required to assess motor abilities and to apply dynamic  load  in tested persons. Both components are dependent on the motor competence underlying the conduction of a particular motor task, which makes part of the assessment. Motor competence  is characterized by  two parameters:  1. Skill  –  technique  acquisition of  a concrete motor task; 2. State of the muscular system.    Sports  performance  in  ice  hockey,  which  is  considered  a multiple sprint sport  (Helešic, 2009),  is characterized by changing  intensity of ef‐fort. Such sports performances include alternation of short‐duration work intervals  performed  at maximum  intensity  and  rest  intervals. Hockey skating  is  one  of  the most  complex  activities  requiring  long‐term  skill learning, which depends on a variety of factors (Pavliš, Perič, 2003). Ac‐

1 - University of Presov in Presov, Faculty of Sport, Presov, Slovakia

Page 180: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

180 Milan Turek et al.

cording  to  Stamm  (2001),  the most  important  aspect  of  preparation  in skating sports is the development of skating technique.    The purpose of the study was to determine indicators underlying the level of hockey  fitness  in players of respective age categories using cor‐relational analysis.  

Methods 

  The sample comprised 27 ice hockey players aged 9 to 15 years. Sam‐ple characteristic is shown in Table 1.  

Table 1 

Sample characteristic BH (cm)  BW (kg) Age 

(years) n 

x  s  x  s 9  4  135  3.9  28.5  4.3 10  5  146  6.3  36.8  6.6 11  3  147  6.4  38.3  3.5 12  7  156  6.8  47.5  8.4 13  4  158.5  2.6  50.5  3.1 14  4  170  7.9  60.2  3.1 

Legend: n – number of subjects; x – arithmetic mean; s – standard deviation;  BH – body height; BW – body weight. 

   The research was conducted in cooperation with a specialized hockey center HDC Košice, which  is  equipped with professional personal  and material  conditions  such  as  synthetic  ice,  skatemill  and  FiTRO Hockey Set  test  battery  for  the  assessment  of  hockey‐specific  fitness (www.hockeydts.com/sk/fitro‐diagnostika).  The  FiTRO  Hockey  set  in‐cludes  the  following  specific  tests:  FiTRO  Reaction,  FiTRO  Jumper, FiTRO  Tapping,  FiTRODYNE,  FiTRO  Sway,  FiTRO  Light  Gate  and FiTRO Stride Power. Out of these, FiTRO Reaction: 40 trials, FiTRO Tap‐ping:  number  of  repetitions  in  6  seconds,  FiTRO  Jumper:  maximum jumping height, FiTRO Sway: static stance on one foot during 10‐second interval with eyes open were administered.    To  maximize  the  amount  of  information  about  the  level  of  actual hockey  fitness  including  skating,  the  laboratory  testing  was  comple‐

Page 181: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Hockey fitness relative to age categories 181

mented by field‐based tests. The test that enables to monitor skating skill is: 90° squat to seated position on a bench in 60 seconds. The applied di‐agnostic methods  should with  high  degree  of  probability  increase  the quality of  training  in  ice hockey players with special emphasis on skat‐ing.  The  sample  values  were  converted  to  C  score.  The  data  were  subse‐quently used  to assess  individual  test parameters using Pearsonʹs prod‐uct moment  correlation. The  statistical  significance  for  correlations was set at p<.05 

Results 

  The test results were processed using correlational analysis that deter‐mines  the  internal  relationship  between  individual  variables.  The  pa‐rameters of hockey fitness are shown in table 2. These parameters may be regarded as determining factors of skating skills.  With regard to the analysis of complex reaction time, it may be concluded that  this parameter  is determined primarily by genetic  and personality predispositions. Lower‐body  explosive power  is one of  the basic deter‐minants  of  skating  speed.  In  the  investigated  age  groups  the  results showed high degree of sample heterogeneity in terms of frequency speed and lower‐body explosive power. Unilaterality of stance of right and left lower limb is irreplaceable in terms of the development of skating skills. With respect to more detailed analysis of basic skating skills, we refer to basic stance, transferring the center of gravity, skating push‐offs, gliding, crossovers and braking.    The  configuration  of  individual  correlates  (see  table  3)  shows  that most  extracted parameters of hockey  fitness  correlate with  somatic pa‐rameters. The variable no. 1 – Age is irreplaceable with regard to the sen‐sitive periods  in  the development of young  ice hockey players.  In U15 age categories,  the  lower‐body complex  reaction  time decreases  (fig. 1), which determines the development of lower‐body explosive strength (see table 3). Lower‐body frequency speed is with high degree of probability determined both by age between 9th and 15th year of life and body height, which in this age group may negatively affect the motor skills of young  

Page 182: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

182 Milan Turek et al.

Table 2 

Hockey fitness parameters Unilaterality of stance (mm/s) Initials 

Age (years) 

LB CRT (ms) 

FS (number) 

Jump height(cm) 

Squats (number) 

Right  Left 

R. B.  9  836.4  59  30.9  98  52.9  44.1 F. B.  9  1081.4  43  23.1  78  30.4  35.2 R. F.  9  1153.8  45  28.8  62  71.9  56.7 M. L  9  1056.6  40  27.7  77  38  44.5 A. P  10  1160  52  26.1  80  31.5  31.8 O. G.  10  1011.4  52  23.3  54  63.5  67.2 D. P.  10  1442.3  61  28.8  58  45.7  79.5 M. Š.  10  1423.8  53  23.4  83  42.1  44 M. P.  10  1096.6  46  28.8  57  55.8  60.1 A.G.  11  1096.6  51  24.2  68  45.2  40.8 B.J.  11  925.1  59  31.3  85  36.8  30.8 M. L.  11  1051.4  55  28.8  64  72.8  42.9 I.Č.  12  668.8  51  28.6  62  43.7  53.8 T. D.  12  891.2  45  25.6  75  52  55.9 R. F.  12  1019.7  49  29.9  73  40.1  49.4 L. G.  12  817  48  26.3  65  42.9  60.9 O. G.  12  780.7  40  35.1  73  47.7  48.9 J. K.  12  1237.1  58  26.6  73  47.7  48.9 R. Z.  12  787.5  55  30.9  85  44.3  48.5 A.M.  13  647.9  58  38.2  76  48.9  47.7 T. J.  13  984.4  49  29.9  73  47.7  48.9 M. K.  13  1199.9  55  35  88  40.3  34.8 T. Š.  13  1121.1  63  30.5  91  45.4  57.3 M. D.  14  809.1  55  23.9  69  74.3  73.7 J. M.  14  730.1  59  27.3  83  51.2  36 M. M.  14  747.5  59  31.9  74  39.4  34.4 Ľ. V.  14  602.1  66  33.8  69  35.8  44.5 Legend: LB CRT – lower‐body complex reacton time; FS – frequency speed 

    

Page 183: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Hockey fitness relative to age categories 183

ice  hockey  players. With  regard  to  the  unilaterality  of  static  stance  on both dominant  and non‐dominant  leg,  the  results  showed minimal  en‐hancement of strength. Figure 1  illustrates changes  in general motor  fit‐ness  in players aged 9  to 11 and 12  to 14. The analysis showed  that  the period of approximately 12th year of age appears to be most sensitive to the  development  of  hockey  fitness  through  enhancement  of  frequency speed and lower‐body explosive strength.    For better overview,  table 3 shows  the  inter‐correlation relationships of correlates at p<.05. 

Table 3 

Values of correlation coefficients of somatic, reaction, frequency and dynamic parameters (n = 27) 

Variables:  1.  2.  3.  4.  5.  6.  7. Age               Body height  0.87             Body weight  0.87  0.93           LB CRT  ‐0.54  ‐0.58  ‐0.57         FS  0.45  0.38           Jump height  0.39      ‐0.40       Squats               

Right              ‐0.40 Ul. Left              ‐0.57 

Level of significance: r 0,37. Legend: LB CRT – lower‐body complex reaction time; FS – frequency speed;  

Ul. – unilaterality of stance  

  The unilaterality of stance on both dominant and non‐dominant lower limb did not reveal significant variability. The variability is more evident in  the category of 12‐year‐olds, which may  lead  to more significant de‐velopment of motor abilities especially frequency speed and lower‐body explosive strength.   

Page 184: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

184 Milan Turek et al.

 Fig. 1 

Changes in hockey fitness between 9 – 11 and 12 – 14 years of age  

Discussion 

  The purpose of  the  exercise  testing  in  ice hockey players of various age groups was to determine probable indicators underlying the level of hockey  fitness. These would with  high degree  of probability  enable  to improve  the  assessment  of  skating  technique.  The  partial  correlation analysis showed  that  the use of exercise  testing  tools  in sports prepara‐tion of  ice hockey players enables  to a great extent  to  reveal  factors de‐termining skating skills. Among the  limiting factors of the enhancement of hockey fitness are the sensitive periods and somatic predispositions of players  that  form  the basis  for performance prediction  in  the  future.  In terms of performance prediction, the assessment of complex reaction time appears to be insufficient as reaction speed is determined not only by the performance level, but also by mental and personality traits.  

References 

Bunc V. Diagnostika trénovanosti ve fotbale – možnosti a limity. In: Sborník referátů z 9. Mezinárodní vědecké konference Hry 2010. Plzeň: FPE ZČU, 2010. pp. 15‐25.  

Page 185: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Hockey fitness relative to age categories 185

Helešic J. Některé aspekty kondiční přípravy hokejistů ve vztahu rýchlosti bruslení. In: Atletika masters – Otrokovice [online]. 2009. [cited 2010‐10‐15]. Available at: http://atletika‐masters.webnode.cz/news/rychlost‐brusleni/ 

Pavliš Z.,Perič, T. Abeceda hokejového bruslení. Praha: Český svaz ledního hokeje, 2003. 89 p.  

Stamm L. Laura Stamm’s POWER SKATING. Champaign, IL: Human Kinetics, 2001. 225 p.  

 

Acknowledgments 

This work was supported by VEGA GÚ 1/0088/11      

Page 186: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

186 Martin Wünnemann

SPECIFICITY OF LEARNING IN STABILOMETER BALANCE TASKS  

WITH AND WITHOUT VISION 

Martin Wünnemann1 

Introduction 

  Proteau  (1992)  claims  that motor  learning  is  specific  for  the  sensory information available during practice. Robertson and Elliott (1996) tested this hypothesis with  the  task of quickly  crossing a balance beam. They showed  specific  improvements  for  the  task  without  vision.  However, they could not confirm specific learning for the task with vision available due to floor effects. This transfer experiment is designed to test the speci‐ficity  hypothesis  concerning  availability  of  vision  with  balance  tasks where  it  is unlikely that the high expertise  in the task with vision avail‐able prevents further improvements of performance. 

Methods 

  36 healthy subjects participated in this study, of which 10 were female and 26 were male. The average age was 26.1 years (SD = 5.2 years). Sub‐jects who possibly might show positive transfer from prior experience to the tasks of this experiment were not included. These were subjects who had  expertise  in  sports  like  skating,  surfing and gymnastics, as well as subjects with considerable experience in tasks on a stabilometer or other balance  training devices  like ankle discs or wobble boards. All  subjects gave written  informed consent according  to  the Declaration of Helsinki and the guidelines of the local ethics committee. 

1 - Universität Paderborn, Paderborn, Germany

Page 187: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Specificity of Learning in Stabilometer Balance Tasks With and Without Vision 187

Subjects balanced on a  stabilometer under  two visual conditions, either with vision available (task vision) or wearing opaque glasses (no vision). The stabilometer had two rotary axes ‐ one medial‐lateral rotary axis (ml) allowing movements orthogonal  to  the sagittal plane and an additional anterior‐posterior rotary axis (ap) allowing movements orthogonal to the coronal plane. The stabilometer was set up close  to a wall allowing  the subjects to hold on to the wall to take up the starting position. The start‐ing  position  required  the  subjects  to  stand  on  the  horizontal  platform with  their  knees  slightly  flexed  (about  10°),  their  feet  parallel  (26  cm apart)  and  their  line  of  sight directed  straight  ahead  to  a mark  on  the wall. Then, subjects were asked  to stand with  their hands on  their hips while  trying  to keep  the platform  leveled  for 30 seconds. For each axis, the maximum deviation  from  the horizontal was  limited  to  ten degrees rotation.  The  deviation  was  measured  in  degrees  by  potentiometers mounted  to  the  rotary axes of  the  stabilometer with a  sampling  rate of 200  Hz.  The  dependent  variables  are  the  root  mean  square  errors (RMSEs) of the platform‐deviation from the horizontal in each axis.   All  subjects  accomplished  each  task  twice  during  an  acquirement phase and once during a pretest that began 15 minutes after the acquire‐ment  phase.  The  pretest was  followed  by  a  four week  training‐phase. Subjects were  evenly  assigned  to  three  groups,  parallelized  by  pretest results. Two groups each practiced one of the tasks (group vision, group no vision). One group served as control group and conducted no training session. Each training session consisted of ten one‐minute‐trials with one‐minute‐breaks in between. Five weeks after the pretest with a time lag of five to seven days after the last training‐session, all subjects took part in a posttest  that was  identical  to  the pretest but without  the previous ac‐quirement phase.   Two‐way  factorial  analyses  of  variance  (ANOVAs)  for  each  RMSE with test (pretest, posttest) as within‐subject factor and group (group vi‐sion,  group  no  vision,  control  group)  as  between‐subjects  factor were conducted. P‐values were adjusted (padj) according to Benjamini and Ho‐chberg (1995) in order to control the false discovery rate. The alpha level for  significance was  set  at  padj  <  .05.  Effect  sizes were  calculated  using partial eta squared values (η2p). The interactions are of particular  impor‐

Page 188: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

188 Martin Wünnemann

tance  because  a  significant  interaction  indicates  different  alterations  of performance between the groups. Post‐hoc two‐way ANOVAs test (pre‐test, posttest) x group (two of the groups) were used to explain the inter‐actions. The specificity hypothesis predicts  larger  improvements of per‐formance  for  the  specific  training  group  to  the  other  groups  and  no difference between the non‐specific training group and the control group, which is tested for p > .20 without adjusting p‐values. 

Results 

  Means and standard deviations of all groups  in both  tasks and both axes at pretest and posttest are depicted in figure 1. In  the  ap‐axis of  task vision groups  alter performance differently  from pretest to posttest, F(2,33) = 4.27, padj = .015, η²p = .21. This interaction can be  explained  by  the  larger  improvement  of  group  vision  compared  to each other group, group no vision, F(1,22) = 6.81, padj = .004, η²p = .24, con‐trol group, F(1,22) = 6.74, padj = .005, η²p = .23. Whereas there is no differ‐ence between group no vision and  the control group, F(1,22) = 0.18, p = .674, η²p = .01. Regarding RMSE  in  the ml‐axis,  the  interaction  test x group  is also sig‐nificant,  F(2,33)  =  3.04,  padj  =  .041,  η²p  =  .16. Group  vision  reduces  the RMSE more  than  the  control group, F(1,22) =  5.26, padj  =  .016,  η²p  =  .19. However,  group  vision  does  not  improve  performance  significantly compared to group no vision, F(1,22) = 1.11, padj = .152, η²p = .05. Further‐more the expected absence of different alterations between group no vi‐sion and the control group cannot be confirmed, F(1,22) = 2.96, p =  .100, η²p = .12. Contrary  to  the predictions of  the specificity hypothesis  there  is no sig‐nificant  interaction  for  the ANOVA  regarding RMSEs  in  the  ap‐axis of task no vision, F(2,33) = 0.41, padj = .445, η²p = .02. Post‐hoc analyses reveal no difference  in alteration  from pretest  to posttest between  the groups, group no vision, group vision, F(1,22) < 0.01, padj = .990, η²p < .01, group no vision,  control  group,  F(1,22)  =  0.67,  padj  =  .424,  η²p  =  .03,  group vision, control group, F(1,22) = 0.64, p = .432, η²p = .03. 

Page 189: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Specificity of Learning in Stabilometer Balance Tasks With and Without Vision 189

The  interaction  for  the RMSEs  in  the ml‐axis of  task no vision, F(2,33) = 9.25, padj =  .001, η²p =  .36,  is significant as predicted. Group no vision re‐duces RMSE more  than each other group, group vision, F(1,22) = 11.17, padj  =  .002,  η²p  =  .34,  control group, F(1,22)  =  12.85,  padj  =  .001,  η²p  =  .37. Group vision and the control group do not differ, F(1,22) = 1.22, p = .282, η²p = .05 (Fig. 1).  

 Fig. 1 RMSEs of all groups (different marks and lines) in task vision (left) and task no 

vision (right), ap‐axis (filled marks) ml‐axis (non‐filled marks). 

Discussion 

  All  in  all  results  are  in  accordance with  the  specificity  hypothesis. Though, there are two results that do not support the specificity hypothe‐sis completely. First, the expected absence of transfer from task no vision to task vision regarding RMSEs in the ml‐axis could not be verified. Sec‐ondly,  task‐specific  improvements  in group no vision are  limited  to  the ml‐axis. These results indicate that visual information may be more rele‐vant for learning to reduce sway in the ap‐axis than in ml‐axis of this sta‐bilometer. O’Connor and Kuo (2009) showed that in parallel stance centre of pressure variability  is more affected by visual perturbations  in ap‐di‐rection  than by visual perturbations  in ml‐direction, whereas  in  tandem 

Page 190: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

190 Martin Wünnemann

stance  the opposite  is  true. They  explain  their  results by differences  in stability  requirements  leading  to different weighting of visual  informa‐tion. Their explanation may be true for the results of this experiment, too. Generally, deviations in the ap‐axis are larger than in the ml‐axis (fig. 1), which may emerge from mechanics of the stabilometer and the standing position on the stabilometer. So, stability requirements seem to be higher in the ap‐axis than  in the ml‐axis. If visual  information  is of minor rele‐vance  for  balancing  on  the  stabilometer  in  the  ml‐direction,  training without vision could reduce sway  in  that direction even when vision  is available. On the other hand, if vision is of high importance for balancing in the ap‐direction, the  lack of visual  information might  impair  learning in this direction. 

References 

Benjamini, Y., Hochberg, Y.. Controlling the False Discovery Rate: a New and Powerful Approach to Multiple Testing. J. Roy. Stat. Soc. B 57: 289‐300, 1995. 

O’Connor, S. M., Kuo, A. D. Direction‐dependent Control of Balance during Walking and Standing. J. Neurophys. 102: 1411‐1419, 2009. 

Proteau, L. On the Specificity of Learning and the Role of Visual Information for Movement Control. In: Vision and Motor Control. L. Proteau and D. Elliott, eds. Amsterdam: North‐Holland, 1992. Pp 67‐103. 

Robertson, S., Elliott, D. Specificity of Learning and Dynamic Balance. Res. Q. Ex. Sport 67: 69‐75, 1996. 

     

Page 191: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of jumping test as a tool for evaluation of movement rhythm 191

THE RELIABILITY OF JUMPING TEST  AS A TOOL FOR EVALUATION  OF MOVEMENT RHYTHM 

Rafał Zając, Krzysztof Szydło, Patrycja Kołacz,  Kajetan Słomka, Grzegorz Juras1 

Introduction 

  Each day every person encounters many difficulties while performing routine activities  like maintaining  stable body posture during  standing, walking  and  reaching  objects  but  also  with  maintaining  the  proper rhythm of  these  activities  and  in  some  cases  synchronizing with  exter‐nally provided rhythm.   Rhythmic motor  activity  and  ability  to  synchronize with  the  given tempo, has been widely explored (Repp, 2005). Most of studies concerns finger  tapping  in various experimental groups  like children with devel‐opmental coordination disorder (DCD) (Whitall, et al., 2008), or with at‐tention deficit hyperactivity disorder (ADHD) (Rubia, et al., 2003). Other studies  aim  to  explore  the  development  of  rhythmic  abilities  (Drake, Jones, & Baruch, 2000), synchronisation with auditory signals under vari‐ous  experimental  conditions  (Hui‐Ya Chen  2006)  and neural  structures corresponding  to  this  ability  (Dhamala,  et  al.,  2003). Differences  in  ex‐perimental design demands  from researchers evaluation of reliability of the performed  tests (Corriveau et al. 2000, Lafond et al. 2004, Słomka et al. In Press).    Evaluation of rhythmic motor ability in most cases requires special ap‐paratus which makes them impossible to perform outside the laboratory. 

1 - The Jerzy Kukuczka Academy of Physical Education, Department of Human Motor

Behaviour, Katowice, Poland

Page 192: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

192 Rafał Zając et al.

Therefore in this study we used a simple test  jumping test, which could be performed without any additional devices. The main goal of this study was to find a simple and reliable measure of rhythmic ability with the use of intra class correlation coefficients (ICC). 

Methods 

Participants   Eleven young healthy  subjects  took part  in  the experiment. All  sub‐jects were  informed  about  the  execution  of  the  experiment  and  signed written  consent,  according  to  procedures  approved  by  an  Institutional Review Board.  

Apparatus   Jumping rhythm was measured with the use of Optojump (Microgate ITA). In the further data analysis we analyzed jumping pace expressed in jumps per second, and mean deviation from desired  jumping frequency (1Hz). Both variables were calculated for each trial phase separately. 

Procedure   Subjects were asked to stand  in the area between two optojump bars and to perform six trials. All trials were made up of two phases: guided and self‐paced. During guided phase subject performed 5 jumps with the goal to synchronize  jumping tempo to the rhythm provided by the met‐ronome. The frequency of the acoustic signals was set to 1 Hz. Then, after five  jumps  the  metronome  was  turned  off  and  subjectʹs  task  was  to maintain jumping pace in the next 20 jumps. All subjects were allowed to rest as much as they needed between the trials.   The reliability of the conducted measurements was estimated with the use of intraclass correlation coefficients (ICCs). Based on ANOVA results this model calculates the reliability of a single measurement (equation 1):  

  

  Where MSB, MSR  and MSE  are mean  squares  of  repeated measures ANOVA, n is the number of trials and k is the number of subjects. Based 

Page 193: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of jumping test as a tool for evaluation of movement rhythm 193

on  results derived  from  the  first equation, next model predicts  the  reli‐ability of consecutive trials (equation 2):  

  

  Where R is the reliability of single trial and m is the trial number. The target ICC coefficient was set to R= .70. All analyses were performed with the use of Statistica 10 software package. 

Results 

  The Results of  the performed analysis  indicate  that  the mean devia‐tion from desired frequency is less sensitive to the number of repetitions and thus seems to be a more reliable measure. The results of the ICC for mean deviation  from  1Hz  are presented  in  figure  2. Depending on  the test  phase  different  numbers  of  trials  should  be  performed. Results  of jumping pace  should be  registered  in  11  trials  for  the guided phase  to reach R= .70, while in the self‐paced phase 5 repetitions will provide the same level of reliability. At the same amount of repetitions during guided phase jumping pace reach R=.51   For mean deviation from 1Hz reliability of recordings in both phases are almost equally the same and reaches the level of 0.70 after six repeti‐tions. The difference between the two phases of measurement equals only 0.01 and remains at the same level after each of the following trial.  

 Fig. 1 Number of trials required for mean deviation from 1Hz to reach the desired 

reliability coefficient (. 70). 

Page 194: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

194 Rafał Zając et al.

Discussion 

  The main goal of this study was to find a simple and reliable measure of  rhythmic  ability  with  the  use  of  intra  class  correlation  coefficients (ICC). The Results of  the performed analysis  indicate  that  the mean de‐viation from desired  frequency  is  less sensitive  to  the number of repeti‐tions and thus seems to be a more reliable measure.   Rhythmic motor activity and synchronization with auditory and vis‐ual cues are included in many studies concerning finger tapping. Usually tests used in these researches require special apparatus what makes them impossible to perform outside the laboratory. Differences in experimental design  demands  from  researchers  evaluation  of  reliability  of  the  per‐formed tests. Some studies aim to solve this problem by determining the number  and  duration  of  trials  required  to  reach  a  satisfying  level  of measurement reliability. The main goal of this study was to use a simple test evaluating  the  rhythmic ability and  to  find a  reliable measure with the use of intra class correlation coefficients (ICC).   The results show that test demanding from subject synchronization of jumping pace with  the metronome  is  less  reliable  than without a given tempo. Perhaps  it was due  to  the  low number of  jumps during guided phase. Another possible explanation  is  that  subjects were concentrating more on metronome  signals  than on maintaining given  rhythm during the  trial. Donker  et  al. States  that  the  efficiency and  automatism of  the performed  task  is  related  to  attention  invested  in postural  control,  but also substantiate that in certain situations an increased internal focus may in fact be detrimental to postural control. (Donker et al. 2007).    Reliability  of mean  deviation  from  the  desired  frequency  of  jumps was  almost  the  same  for  both  phases.  In  this  case  the  low  number  of jumps  in  the  guided  phase  did  not  influence measurement  reliability. Considering these two variables the mean deviation from the desired fre‐quency  seems  to  be  a more  reliable measure  in  the  evaluation  of  the rhythmic ability.   

Page 195: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

The reliability of jumping test as a tool for evaluation of movement rhythm 195

References 

Bortoletto, M., Cook, A., Cunnington, R. Motor timing and the preparation for sequential actions. Brain and Cognition. 75: 196–204, 2011 

Corriveau, H., Hebert, R., Prince, F., Raiche, M. Intrasession Reliability of the ‘‘Center of Pressure Minus Center of Mass’’Variable of Postural Control in the Healthy Elderly. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 81: 45‐48, 2000 

Dhamala, M., Pagnoni, G., Wiesenfeld, K., Zink, C. F., Martin, M., Berns, G. S. Neural correlates of the complexity of rhythmic finger tapping. Neuroimage. 20: 918–926, 2003 

Donker, S. F., Roerdink, M., Greven, A. J., Beek, P. J. Regularity of center‐of‐pressure trajectories depends on the amount of attention invested in postural control. Experimental Brain Research. 181: 1‐11, 2007 

Drake, C., Jones, M. R., & Baruch, C. The development of rhythmic attending in auditory sequences: attunement, referent period, focal attending. Cognition. 77: 251‐288, 2000 

Chen H., Wing A.M., Pratt D. The synchronisation of lower limb responses with a variable metronome: The effect of biomechanical constraints on timing. Gait & Posture. 23: 307‐314, 2006  

Lafond, D., Corriveau, H., Hebert, R., MPhil, Prince, F. Intrasession Reliability of Center of Pressure Measures of Postural Steadiness in Healthy Elderly People. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 85: 896‐901, 2004 

Repp, B. H. Sensimotor synchronization: A review of the tapping literature. Psychonomic Bulletin & Review. 12: 969‐ 992, 2005 

Rubia, K., Noorloos, J., Smith, A., Gunning, B., Sergeant, J. Motor Timing Deficits in Community and Clinical Boys With Hyperactive Behavior: The Effect of Methylphenidate on Motor Timing. Journal of Abnormal Child Psychology. 31: 301–313, 2003 

Słomka, K., Juras, G., Sobota, G., & Bacik, B. (In Press). The reliability of a rambling–trembling analysis of center of pressure measures. Gait and Posture. 

Whitall, J., Chang, T. Y., Horn, C. L., Jung‐Potter, J., McMenamin, S., Wilms‐Floet, A., Clark, J. E. Auditory‐motor coupling of bilateral finger tapping in children with and without DCD compared to adults. Human Movement Science. 27: 914–931, 2008 

Page 196: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

196 Teresa Zwierko et al.

IMPACT OF EXERCISE INTENSITY ON INNER PLEXIFORM LAYER OF THE RETINA 

Teresa Zwierko1, W. Lubiński2, D.Czepita2,  P. Lesiakowski1, J.Krzepota 1 

Introduction 

  Information processing in the visual system begins with the initiation of a retinal signal that is finally transmitted to other visual centers in the brain. Between  the  input side of  the  retina,  the photoreceptors, and  the output side of the retina, the ganglion cells, there are multiple classes of interneurons  formed  by  bipolar  and  amacrine  cells.  Retinal  signal  is modulated by neural circuitry  in  the  inner plexiform  layer. Modulation systems are important for the perception of brightness, light intensity and especially for the contrast sensitivity functions.   The  retina  is highly metabolically  active,  resulting  in  a high  rate  of oxygen  consumption  (Tinjust et al. 2002);  therefore,  the  retinal  cells are particularly susceptible  to changes  in blood  flow  (Iester et al. 2007) and hypoxia states  (Feigl et al. 2008). Physical effort  induces both  increased blood flow and hypoxic states. Previous studies (Kergoat H, Forcier 1996; Okuno 2006) show that inner retinal layer are very sensitive to hemody‐namic changes induced by exercise.   The  flash  electroretinography  (fERG)  measures  the  electrical  re‐sponses of various cell  types  in  the  retina. The most noticeable compo‐nent of  the  fERG  is  the b‐wave. High  frequency wavelets,  termed oscil‐latory potentials  (OPs),  frequently appear  superimposed on  the b‐wave of  the  fERG.  It  is  generally  accepted  that  they  reflect  the  activation  of 

1 - University of Szczecin, Department of Physical Culture and Heath Promotion, Poland 2 - Pomeranian Medical University, Szczecin, Department of Ophthalmology, Poland

Page 197: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Impact of exercise intensity on inner plexiform layer of the retina 197

amacrine and/or ganglion cells  (Yu, Peachey 2007). Wachtmeister  (1998) indicates that the origin of the OPs is related with the involvement of the axon terminals of the bipolar cells, the processes of the amacrine cells and the dendrites of  the ganglion cells  in  the generation of  the OPs. Experi‐mental  findings  show  that  exercise of moderate  intensity  (heart  rate of 140 beats per minute) extends the culmination of oscillatory potentials in terms of OP4 (Kergoat, Forcier 1996) and the reduction of the sum of the amplitudes of each wave OP (Watanabe et al. 1985). The aim of our study was to investigate this phenomenon further. We analysed the effect of re‐petitive physical exercise with increasing intensity on the retinal bioelec‐tric  function by examining  the oscillatory potentials of  the  fERG. Effort intensity was determined by the individual lactate range of each partici‐pant.  

Methods 

  Twelve male volunteers aged 20–23 years  (mean=20.8, SD=1.12) par‐ticipated in this study. They were subjected to routine ophthalmological examinations. All participants had monocular Snellen visual acuities of 20/20 or better and no history of systemic or ocular disease. The partici‐pants were  informed  about  the  testing  protocol,  and  gave written  in‐formed consent to participate.   Using a cycloergometer one effort test with incremental intensity was performed by each participant until refusal. The research procedure be‐gan with a 10 min rest in a reclining position, after which time blood was collected  from  a finger  for  biochemical  determinations.  The  effort‐test was preceded by a 5‐min warm up at 25 watt  (W). The main  test com‐menced at 70 W, with 70 revolutions per min (rpm). The effort was con‐tinued with an increasing workload (20 W increments every 3 min) until refusal. During  the  last 15 sec of each 3‐min effort at a given workload, capillary blood  samples were drawn directly  into a capillary  tube  from a fingertip for the enzymatic determination of blood lactate concentration (Dr Lange Cuvette Test LKM 140, Germany) using miniphotometer LP 20 Plus (Dr Lange, Germany). Using a Polar S610 heart‐rate monitor (Polar, Finland), we  registered  resting  heart  rate  and  its  change during  effort. 

Page 198: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

198 Teresa Zwierko et al.

Oxygen consumption during effort was estimated using an Oxycon gas analyzer  (Jaeger, Germany). An  individual  lactate  threshold was  calcu‐lated using a  linear regression graph  log LA and the  log of effort  inten‐sity. Based on the results of the effort‐test, an individual workload value (W) for each subject was calculated at  three  levels; 40% VO2max  (below the  lactate threshold), 60% VO2max (in the  lactate threshold range), and 80% VO2max (above the lactate threshold).    The  full‐field  flash  ERG  was  recorded  with  an  LKC  UTAS‐E‐2000 (LKC Technology, Gaithersburg, MD, USA.). The right eye was selected formonocular stimulation. After dilatation of the pupil to 7–8 mm  in di‐ameter  with  topical  phenylephrine  (10%)  and  tropicamidum  (1%), a Burian–Allen bipolar contact lens electrode was applied to the topically anaesthetized (Alcaine) cornea with a ground electrode placed on the ip‐silateral earlobe. The oscillatory potentials (OPs) were recorded from the dark‐adapted  eye,  using  the  3.0  cd.s.m‐2  flash  stimulus.  The  peak‐to‐trough  amplitude  and peak  implicit  times  of  the  four major OPs were analyzed  (OP1,  OP2,  OP3,  OP4).  The  fERG  was  performed  following a protocol  established  by  the  ISCEV  (International  Society  of  Clinical Electrophysiology  of  Vision)  (Marmor  et  al.  2009).  Representative recording of fERGs is shown in fig. 1. 

Procedure   The  first  fERG  recording  was  performed  at  rest  (ERGr).  A  5‐min warm‐up on the cycloergometer (25 W) preceded the 10‐min effort at an intensity below lactate threshold (40% VO2max). Directly after the effort, fERG recording was performed (ERG1). The participant then performed a 10‐min effort at the lactate threshold intensity (60% VO2max), followed by the next fERG recording (ERG2). Subsequently, an effort at an  inten‐sity above  the  lactate  threshold  (80% VO2max)  lasting 10 min was per‐formed, after which the fERG recording was made (ERG3). One hour af‐ter the end of the last effort, a final fERG recording was made under re‐covery conditions (control) (ERGc).   

Page 199: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Impact of exercise intensity on inner plexiform layer of the retina 199

 Fig. 1 Representative example of the pre‐exercise averaged OP waveforms for one 

participant. The character “F” indicates the stimulus flash 

Results 

  The  analysis of  fERGs during  rest,  exercise  and  recovery  conditions indicated  significant  effort  induced  changes  in  amplitude  of  the  OP3 (F=3.12, p<0.05) and OP4 (F=12.03, p<0.01). Figure 2 indicates that signifi‐cantly reduction of OP3 and OP4 amplitude values were observed after exercise  at  80%  VO2max  (ERG3).  In  contrast,  the  amplitude  of  OP1 (F=1.97, p>0.05) and OP2 (F=0.82, p>0.05) were not significantly different between pre‐ and post‐ exercise conditions. After exercise, however, the OPs implicit time were not significantly changed in comparison with the rest and control conditions.  

 Fig. 2 Pre‐ and post‐exercise values of OPs amplitude. Significant reduction in OP3 

amplitude (* ‐ p<0.05) and OP4 amplitude (** ‐ p<0.01) after exercise   

Page 200: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

200 Teresa Zwierko et al.

Discussion 

  The purpose of this study was to determine whether the  inner plexi‐form layer of the retina is altered after exercise by examining the oscilla‐tory potentials of the flash electroretinogram in healthy individuals. With increasing  intensity  of  exercise  the  gradual  reduction  in  amplitude  of OP3 and OP4 was noted. The greatest amplitude decrease  (p<0.01) was observed  in OP4  after  the  third  effort  test  (80% VO2max).  Similarly,  in Kergoat and Forcer’s  (1996) study,  the  function of  the neural generators of  the OP  complex was altered  in  scotopic  conditions  (decrease  in OP3 amplitude and a delay  in OP4  implicit  time after exercise). The OPs are known to be strongly dependent on retinal circulation and lower oxygen levels  (Wachtmeister  1998). The OPs of  the  fERG  revealed  a significant decrease  in  amplitude  during  hypoxic  exposure  (15‐min  exposure  to a simulated  altitude  of  5500 m)  (Janaky  et  al.  2007).  During  intensive physical effort,  the work done  to  contract  the muscle  for  the most part comes from anaerobic energy‐yielding metabolic processes. Reduction of oxygen  concentration,  in  response  to  cellular  demand,  leads  to bioenergetic hypoxia  states  (Luk’janowa  1997). Under  these  conditions, anaerobic  glycolysis  processes  are  intensified.  Change  in  plasma  hy‐poxanthine concentration is one of the main symptoms of tissue hypoxia as an effect of physical  fatigue (Sahlin et al. 1991). This mechanism also exists in the retina (Peachey et al. 1993).   It  is generally  accepted  that OP3  and OP4 waves  are  rod‐generated OPs, while  the preceding waves OP1 and OP2 are  cone‐generated OPs (King‐Smith et al. 1986). In our study the amplitude of OP1 and OP2 were not  significantly different  between pre‐  and post‐exercise  conditions  in contrast to OP3 and OP4. In common with our previous results (Zwierko et al. 2010), these findings may confirm that the rod system is more sen‐sitive  than  the  cone  system  to  the  physiological  stress  induced  by  dy‐namic exercise. The discrepancy between  rod and cone  fERG  responses after exercise may result from metabolic differences between the photore‐ceptor  systems.  During  scotopic  adaptation,  oxygen  consumption  is higher  than  in photopic  adaptation  in  the whole  retina  (Wangsa‐Wira‐wan,  Linsenmeier  2003).  The main  explanation  of  this  phenomenon  is 

Page 201: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

Impact of exercise intensity on inner plexiform layer of the retina 201

that  light  reduces  the high  sodium permeability  of  the photoreceptors. Under  these conditions, demand  for metabolically driven sodium  trans‐port to maintain cellular homeostasis is lower (Linsenmeier 1990). Those specific  differences  in  photoreceptor  systems  could  explain why  cones appear more resistant than rods to hypoxia conditions.    In  summary, we  conclude  that  fERG  tests,  particularly  in  scotopic conditions, may be used as neurophysiological  indicator  in defining  the cardiovascular status of the physical performance. 

References 

Feigl B. , Stewart I. B. , Brown B., Zele A. J. Local neuroretinal function during acute hypoxia in healthy older people. Invest Ophthalmol Vis Sci. 49: 807‐813, 2008 

Iester M., Torre P.G., Bricola G., Bagnis A., Calabria G. Retinal blood flow autoregulation after dynamic exercise in healthy young subjects. Ophthalmologica 221:180‐185, 2007 

Janaky M., Grosz A., Toth E., Benedek K., Benedek G. Hypobaric hypoxia reduces the amplitude of oscillatory potentials in the human ERG. Doc Ophthalmol.114: 45‐51, 2007 

Kergoat H., Forcier P. Correlation of an exercise‐induced increase in systemic circulation with neural retinal function in humans. Doc Ophthalmol. 92:145‐157, 1996 

King‐Smith P.E., Loffing D.H., Jones R. Rod and cone ERGs and their oscillatory potentials. Invest Ophthalmol Vis Sci.27: 270‐273,1986. 

Linsenmeier R. Electrophysiological consequences of retinal hypoxia. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 228:143‐150, 1990 

Luk’janowa L.D. Bioenergetic hypoxia: definition, mechanisms, and methods of correction. Biull Eksp Biol Med. 124: 244‐254, 1997 

Marmor M.F., Fulton A.B., Holder G.E., Miyake Y., Brigell M., Bach M. ISCEV Standard for full‐field clinical electroretinography (2008 update), Doc Ophthalmol. 118: 69‐77, 2009 

Okuno T., Sugiyama T., Kohyama M., Kojima S., Oku H., Ikeda T. Ocular blood flow changes after dynamic exercise in humans. Eye. 20:796‐800, 2006 

Page 202: Current Research in Motor Control IV · Janusz Iskra, Jaros ... Karina Nowak, Grzegorz Sobota, Bogdan Bacik, Grzegorz Hajduk,Damian Kusz.....116 FUNCTIONAL MOVEMENT PATTERNS AND LIMITATIONS

202 Teresa Zwierko et al. Peachey N.S., Green D.J., Ripps H. Ocular ischemia and the effects of allopurinol 

on functional recovery in the retina of the arterially perfused cat eye. Invest Ophthalmol Vis Sci. 34: 58‐65, 1993 

Sahlin K., Ekberg K., Cizinsky S. Changes in plasma hypoxanthine and free radical markers during exercise in man. Acta Physiol Scand. 142: 275‐281,1991 

Tinjust D., Kergoat H., Lovasik J. Neuroretinal function during mild systemic hypoxia. Aviat Space Environ Med. 73: 1189‐1194, 2002 

Wachtmeister L. Oscillatory potentials in the retina: what do they reveal. Prog Retin Eye Res.17: 485‐521, 1998  

Wangsa‐Wirawan N., Linsenmeier R. Retinal oxygen: fundamental and clinical aspects. Arch Ophthalmol 121: 547–557, 2003 

Watanabe Y., Mizuno Y., Nagaoka R. The influence of the physical effort on the electroretinogram (ERG). J Sports Med Phys Fitness. 25: 747‐752, 1985 

Yu M. Z., Peachey N. S. Attenuation of oscillatory potentials in nob2 mice. Doc Ophthalmol. 115: 173‐186, 2007 

Zwierko T., Czepita D., Lubiński W. The effect of physical effort on retinal activity in the human eye: rod and cone flicker electroretinogram studies. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 248: 659‐666, 2010