Experimentální design

Do této studie se zapojilo třicet zdravých dospělých (5 žen) poté, co poskytli písemné informace souhlas s experimentálním postupem, který byl schválen místní etickou komisí (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; referenční číslo EA2 / 076/15) a v souladu s příslušnými pokyny a předpisy. Účastníci byli pravidelně fyzicky aktivní a za posledních šest měsíců nehlásili žádné neuromuskulární nebo skeletální poruchy. Účastníci byli rovnoměrně rozděleni do dvou skupin (tj. N = 15). V první skupině (věk: 27,3 ± 4,1 roku, výška: 179,2 ± 6,5 cm, hmotnost: 75,0 ± 8,2 kg) byl experimentálně hodnocen vztah závislosti délky síly a svazku VL svalu pomocí maximálních izometrických dobrovolných prodloužení kolena kontrakce (MVC) pravé nohy v různých úhlech kolenního kloubu na dynamometru v kombinaci s ultrazvukovým zobrazením VL svazků. Síla aplikovaná na patelární šlachu byla vypočítána z momentu kolenního kloubu a ramene páky šlachy, což bylo stanoveno pomocí magnetické rezonance (MRI). Druhý den byla synchronně měřena délka svazku VL a kloubní kinematika stejné nohy během chůze (1,5 m / s) a běhu (3,0 m / s) na běžeckém pásu pomocí ultrazvuku a analýzy pohybu. Pořadí chůze a běhu bylo mezi účastníky randomizováno a 10minutovým pokusům předcházela dvouminutová rozcvička a seznámení s každou rychlostí. Měření byla opakována následující den pro analýzu spolehlivosti. Účastníci druhé skupiny (věk: 29,3 ± 6,7 let, výška: 179,9 ± 8,0 cm, hmotnost: 71,0 ± 12,0 kg) provedli na běžeckém pásu stejný protokol chůze a běhu, zatímco elektromyografická (EMG) aktivita pravého svalu VL byl zajat. Údaje o aktivitě VL byly poté zkombinovány s daty kinematiky a délky svazku první skupiny.

Posouzení vnitřních vlastností svalů

Účastníci byli usazeni na dynamometru (Biodex Medical, Syst 3, Inc., Shirley, NY), upevněné pánevním páskem kolem pasu, zatímco paže byly drženy zkřížené nad hrudníkem. Úhel kyčelního kloubu byl nastaven na 85 ° (0 ° = vleže), aby se snížil příspěvek biartikulárního m. rectus femoris k momentu prodloužení kolena23. Po standardizovaném zahřátí bylo provedeno osm MVC pravé nohy včetně plató kolem 2 s v rozsahu úhlu kolenního kloubu 20 ° až 90 ° (0 ° = prodloužené koleno) v 10 ° intervalech v náhodném pořadí. Jelikož úhly založené na datech dynamometru během odpočinku nejsou reprezentativní pro úhly kolen během kontrakcí v důsledku deformace měkkých tkání a souladu dynamometru24, byla kinematika nohou zaznamenána na základě šesti reflexních markerů (přední kyčelní páteř, větší trochanter, boční a střední femorální epikondyl a malleoli) pomocí systému pro snímání pohybu Vicon (verze 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, UK) integrující osm kamer (6x F20, 2x T20) při 250 Hz. Trajektorie značek byly vyhlazeny pomocí nízkoprůchodového Butterworthova filtru druhého řádu s mezní frekvencí 6 Hz16.

Výsledné momenty v kolenním kloubu byly vypočítány pomocí inverzní dynamiky podle hlášené metodiky Arampatzis et al. 24 k zodpovězení (a) vlivu nesouososti mezi osou kolenního kloubu a osou dynamometru a (b) účinkem gravitačních sil. Podle toho byly tedy během pasivní rotace kolenního kloubu (5 ° / s) poháněné dynamometrem určeny momenty specifické pro úhel kloubu v důsledku gravitace, zatímco účastníci byli zcela uvolněni. Příspěvek antagonistického momentu produkovaného hamstringovými svaly byl dále zvažován vytvořením vztahu mezi amplitudou EMG a vyvíjeným momentem hamstringů při práci jako agonisty25. EMG aktivita svalového bicepsu femoris a odpovídající moment vyvolaný hamstringy byly měřeny v uvolněném stavu a během dvou dalších submaximálních izometrických kontrakcí kolen různé flexe, podle metodologie uváděné Mademli et al.26. Aktivita EMG byla měřena synchronně s kinematickými daty pomocí bezdrátového systému EMG (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Švýcarsko) při akviziční frekvenci 1 000 Hz.

Síla působící na patelární šlachu během MVC byly vypočteny jako kvocient momentu kolenního kloubu a ramene páky šlachy. U plně vytaženého kolena bylo rameno páky měřeno v trojrozměrném souřadnicovém systému jako kolmá vzdálenost linie působení šlachy k ose rotace kolena na základě MRI.Akční linie patelární šlachy byla definována jako linie nejlepšího lineárního uložení přes geometrické středy ploch průřezu šlachy, které byly rekonstruovány ze segmentace příčných obrazů (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ) sekvence, Esaote, Genova, Itálie) mezi kaudálním pólem patelární kosti a počátečním zavedením na holenní tuberositu. Odpovídající osa rotace kolenního kloubu byla stanovena segmentací laterálních a mediálních femorálních epikondylů v sagitálních skenech magnetické rezonance a spojením středů příslušných nejlépe padnoucích kruhů podle Churchilla et al. 27. Rameno šlachového momentu jako funkce úhlu kolenního kloubu bylo vypočítáno zpracováním změn momentového ramene ve vztahu k úhlu kloubu na základě údajů poskytnutých Herzogem a Readem 28.

Během MVC byly VL fascicles zachyceno ultrasonografií v režimu B (My Lab60, Esaote, Genova, Itálie). 10 cm lineární sonda pole pracující na 43 Hz (LA923, 10 MHz, hloubka 7,4 cm, ohnisko 1,8, žádný obrazový filtr) byla připojena k pokožce nad břichem svalu VL (≈50% délky stehenní kosti), upravena s ohledem k paralelní povrchové a hlubší aponeuróze a jasnosti zarovnané hyperechoické perimysiální intramuskulární pojivové tkáně, která je indikativní pro svalové svazkové struktury, a fixována elastickými pásky. Ultrazvukové zařízení a systém snímání pohybu byly synchronizovány ručně uvolněným spouštěcím signálem 5 V. Délka svazku byla stanovena z ultrazvukových videí pomocí samostatně vyvinutého poloautomatického sledovacího algoritmu29 napsaného v Matlabu (verze R2012a, The Mathworks, Natick, USA). Stručně řečeno, postup zahrnoval aproximaci hlubší a povrchové aponeurózy nejlepším lineárním přizpůsobením prostřednictvím tří ručně umístěných a po jednotlivých rámech upravených značek na příslušné vnitřní vrstvě pojivové tkáně (obr. 1). Poté poloautomatický algoritmus založený na funkci bwtraceboundary sady nástrojů Matlab Image Processing automaticky identifikoval tvar a orientaci prvků jasu obrazu mezi oběma aponeurózou v každém snímku, které jsou indikativní pro hyperechoické perimysiální části pojivové tkáně (úryvky) zarovnané svalové svazky (obr. 1). Zjištěné úryvky byly považovány za platné, byly splněny následující požadavky: minimální délka 23 pixelů (tj. 0,4 cm, od levého dolního k pravému hornímu bodu úryvku); poměr plochy k délce 8,5 (identifikuje bílé oblasti s dlouhým a úzkým tvarem, které byly poté převedeny na čáry); úhel mezi úryvkem a horní aponeurózou mezi 6 ° a 35 °; 80% pixelů na linii mezi počátečním a koncovým bodem úryvku muselo být bílé. Každý snímek byl poté vizuálně kontrolován, aby bylo zajištěno odpovídající umístění rysů, a v případě potřeby byl ručně korigován (např. Byly odstraněny neperimysiální části pojivové tkáně). Lineární referenční svazek byl vypočítán jako průměr jednotlivých identifikovaných znaků a byl použit pro stanovení délky svazku (obr. 1). Dále byla délka svazku zprůměrována z deseti snímků z plošiny každého MVC. Na základě maximální síly aplikované na patelární šlachu a odpovídající délky VL svazku byl pro každého účastníka vypočítán individuální vztah délky síly a svazku na základě polynomického uložení druhého řádu (obr. 2), aby se určil maximální sval síla působící na šlachu (F max) a L o pro generování síly. Pro hodnocení maximální rychlosti zkrácení svazku V max = 11,85 L 0 s − 1 byly použity svalové specifické konstanty VL rel = 0,34 a b rel = 4,03 s − 1 22. Poté byl popsán vztah síla-rychlost VL svazků podle klasické Hillovy rovnice2.

Stanovení délky svalového svazku vastus lateralis pomocí ultrazvuku. (a) Ultrazvukový měnič byl opatrně připevněn na břiše svalu pomocí přizpůsobeného neoprenového elastického odlitku. (b) Poloautomatický postup sledování snímek po snímku byl použit k identifikaci viditelných rysů více svazků (F) umístěných mezi ručně sledovanou horní (uA) a hlubší (dA) aponeurózou. Poté byl na základě identifikovaných částí svazku vypočítán reprezentativní referenční svazek (rF), aby se posoudila délka svazku jako euklidovská vzdálenost mezi body vložení se dvěma aponeurózami.

Příkladný vztah síly a svazku délky svalu vastus lateralis. Vztah síly a svazku byl experimentálně určen pomocí maximálních dobrovolných izometrických prodloužení kolen (čtverce) a příslušného polynomického uložení druhého řádu (přerušovaná čára).

Hodnocení kloubní kinematiky a délky svalových svazků během chůze a běhu

Během 10minutových testů chůze a běhu na běžeckém pásu (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Německo) byla kinematická data pravé nohy zaznamenána systémem snímání pohybu Vicon (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), s použitím anatomicky odkazovaných markerů umístěných na větší trochanter, laterální femorální epikondyl, laterální malleolus, hlavičku druhého metatarsalis a tuberositas calcanei. Dotyk chodidla během chůze a běhu byl stanoven z kinematických dat jako okamžik minimální svislé polohy značky paty30,31, špička při chůzi jako obrácení horizontální rychlosti značky metatarsalis30,32 a během běhu jako minimum v úhlu kolenního kloubu, tj. nejroztaženější poloha kolena31.

Během příslušných 10 minut chůze a běhu byl synchronně s kinematickými daty každé dvě minuty snímán ultrazvukový záznam 10 s. Zatímco data jedné studie byla použita k porovnání chování VL svazku mezi chůzi, všech pět studií bylo použito pro analýzu spolehlivosti (viz níže). Ultrazvukové obrazy byly zaznamenány při snímací frekvenci 43 Hz za použití 10 cm lineárního převodníku, který byl upevněn na zakázku vyrobeném pružném protiskluzovém neoprenovém / plastovém odlitku (obr. 1) a byla měřena délka svazku, jak je popsáno výše. Údaje o délce fasciklu byly filtrovány pomocí nízkoprůchodového Butterworthova filtru druhého řádu s mezní frekvencí 6 Hz a zprůměrovány na 6 až 11 kroků (8,1 ± 0,9) pro každého účastníka a chůzi (tj. Chůze a běh).

Přidružená změna délky VL MTU během lokomoce byla vypočtena jako součin změny úhlu kolenního kloubu a individuálního ramene pákové šlachy specifického pro úhel33. Počáteční délka MTU při dotyku nohy byla stanovena na základě regresní rovnice poskytnuté Hawkinsem a Hull34. Rychlosti MTU a svazků během lokomoce byly vypočítány jako první derivace změny délky v čase. Obrázek 3 ilustruje změny délky VL svazků a MTU během chůze a běhu od reprezentativního účastníka během tří po sobě jdoucích cyklů kroků.

délka svalové šlachy jednotky Vastus lateralis (MTU), délka svalového svazku a elektromyografické (EMG ) aktivita reprezentativního účastníka během tří po sobě jdoucích kroků (vlevo) a běhu (vpravo). Jednotlivé fáze postoje jsou zobrazeny šedě.

Experimentální stanovení délky svazku VL během lokomoce bylo testovány na spolehlivost porovnáním pěti jednotlivých hodnocení ve dvou samostatných dnech (mezi 3 až 4 dny mezi nimi). Aby se dosáhlo přesného umístění ultrazvukové sondy druhý den měření, byly na kůži pomocí nestálého značkovače označeny čtyři rohové body ultrazvukové sondy. Označené polohy byly měřeny pružnou měřicí páskou vzhledem ke středním a bočním kondylům stehenní kosti, které představují pevné anatomické mezníky. Druhý den byla pozice odpovídajícím způsobem rekonstruována a účastníci provedli stejný protokol chůze, zatímco délka svazku byla znovu zachycena pětkrát.

Hodnocení aktivity EMG svalů během lokomoce

Povrch EMG pravého svalu VL bylo měřeno během zkoušek chůze a běhu po osmi minutách na běžeckém pásu po dobu 60 s pomocí bezdrátového systému EMG a dvou bipolárních povrchových elektrod (vzdálenost mezi elektrodami 2 cm), které byly umístěny na břiše svalu . Na surová data EMG byl aplikován vysokoprůchodový Butterworthův filtr druhého řádu s mezní frekvencí 20 Hz, usměrnění plných vln a poté dolní propust s mezní frekvencí 20 Hz. Aktivita EMG byla zprůměrována na 10 kroků chůze a běhu a normalizována pro každého účastníka na maximální hodnotu dosaženou během běhu. K určení nástupu svalové aktivity VL během chůze a běhu jsme použili prahovou hodnotu, která byla definována jako základní aktivita plus trojnásobek její standardní odchylky35,36. Reprezentativní soubor nezpracovaných EMG dat je uveden na obr. 3.

Statistiky

Fáze postoje a švihu každého kroku cyklu skupiny EMG byly samostatně časově normalizovány na fáze skupina svazků, aby bylo možné spojit EMG s parametry svazku a MTU ze dvou různých skupin. Byla provedena obousměrná analýza rozptylu (ANOVA) pro opakovaná měření, aby se otestovaly parametry (absolutní a normalizované na délku svazku a MTU, příslušné provozní rozsahy a trvání aktivačního stavu EMG) aktivačního stavu (aktivní vs. neaktivní stav) a efekty chůze (chůze vs. běh).Obousměrná opakovaná měření ANOVA byla také použita k testování parametrů (normalizovaná rychlost svazku a rychlost MTU) pro složky (vliv svazku vs. MTU) a podmínky chůze (chůze vs. běh) během aktivního stavu fáze postoje. Normálnost standardizovaných reziduí všech zkoumaných parametrů byla testována Shapiro-Wilkovým testem s použitím příslušného modelu ANOVA. Účinky interakce byly testovány post-hoc párovým t-testem na rozdíly příslušných hodnot proměnných. Spárovaný t-test (dvoustranný) byl použit k testování rozdílů průměrné aktivity EMG, normalizované délky a rychlosti svazku, jakož i potenciálu síly a rychlosti v aktivním stavu mezi chůzí a během. V případě nenormality reziduí (absolutní a relativní rozsah změn délky svazku, potenciál síly a délky) byl odpovídajícím způsobem použit Wilcoxonův test se znaménkem. Skupinová antropometrie byla porovnána pomocí t-testu pro nezávislé vzorky.

Koeficient vícenásobných korelací (CMC) 37 byl použit k testování spolehlivosti stanovení délky svazku pro celý krokový cyklus pěti zkoušky na dva dny. Kořenové střední kvadratické rozdíly (RMSD) byly vypočteny pro 1. a 2. den a oba dny, aby se kvantifikovala variabilita mezi pokusy. Byla provedena ANOVA pro opakovaná měření, aby se prozkoumaly možné rozdíly v cyklu chůze mezi dvěma zkušebními dny pro chůzi a běh. Hladina významnosti byla stanovena na α = 0,05. Úroveň α byla upravena na 0,025 pro post-hoc analýzu i pro samostatné neparametrické testování těchto dvou faktorů.

Dostupnost materiálů a dat