Eksperimentelt design

Tredive raske voksne (5 kvinder) deltog i denne undersøgelse efter skriftlig informeret samtykke til den eksperimentelle procedure, som blev godkendt af den lokale etiske komité (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; referencenummer EA2 / 076/15) og i overensstemmelse med relevante retningslinjer og regler. Deltagerne var regelmæssigt fysisk aktive og rapporterede ikke nogen historie med neuromuskulære eller knoglebesvær i de sidste seks måneder. Deltagerne var ligeligt fordelt på to grupper (dvs. n = 15). I den første gruppe (alder: 27,3 ± 4,1 år, højde: 179,2 ± 6,5 cm, masse: 75,0 ± 8,2 kg) blev VL-muskelens individuelle kraft-fascikel-længdeforhold eksperimentelt vurderet ved hjælp af maksimal isometrisk frivillig knæforlængelse sammentrækninger (MVC) af højre ben ved forskellige knæledsvinkler på et dynamometer i kombination med ultralydsbilleddannelse af VL-fasciklerne. Kraften, der blev anvendt på patellar senen, blev beregnet ud fra knæleddemomentet og senearmen, som blev bestemt ved magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). På en anden dag blev VL-fascikellængden og fælles kinematik af det samme ben målt synkront under gang (1,5 m / s) og løb (3,0 m / s) på et løbebånd ved hjælp af henholdsvis ultralyd og bevægelsesanalyse. Gå- og løbebestilling blev randomiseret mellem deltagerne, og en opvarmnings- og fortrolighedsfase på to minutter for hver hastighed gik forud for de 10 minutters forsøg. Målingerne blev gentaget den følgende dag til en pålidelighedsanalyse. Deltagerne i den anden gruppe (alder: 29,3 ± 6,7 år, højde: 176,9 ± 8,0 cm, masse: 71,0 ± 12,0 kg) udførte den samme gang- og løbeprotokol på løbebåndet, mens den elektromyografiske (EMG) aktivitet af den rigtige VL-muskel blev fanget. VL-aktivitetsdataene blev derefter kombineret med kinematik- og fascikelængdedata for den første gruppe.

Vurdering af muskelens iboende egenskaber

Deltagerne sad på et dynamometer (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), fastgjort med en bækkenrem rundt om taljen, mens armene blev holdt krydsede over brystet. Hofteleddets vinkel blev indstillet til 85 ° (0 ° = liggende) for at reducere bidraget fra det bi-artikulære m. rectus femoris til knæforlængelsesmomentet23. Efter en standardiseret opvarmning blev otte MVC’er i højre ben inklusive et plateau på ca. 2 s udført i et område på 20 ° til 90 ° knæledsvinkel (0 ° = knæforlænget) i 10 ° intervaller i en randomiseret rækkefølge. Da vinklerne baseret på dynamometer-data under hvile ikke er repræsentative for knævinklerne under sammentrækninger på grund af blødt vævsdeformation og dynamometeroverensstemmelse24, blev benkinematik registreret på basis af seks reflekterende markører (anterior iliac rygsøjle, større trochanter, lateral og medial femoral epicondyle og malleoli) ved hjælp af et Vicon motion capture-system (Version 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, UK), der integrerer otte kameraer (6x F20, 2x T20) ved 250 Hz. Markørbaner blev udjævnet ved hjælp af et andet ordens lavpas Butterworth-filter med en afskæringsfrekvens på 6 Hz16.

De resulterende øjeblikke ved knæleddet blev beregnet ved hjælp af invers dynamik i henhold til den rapporterede metode af Arampatzis et al. 24 for at redegøre for (a) for virkningen af forskydningen mellem knæleddeaksen og dynamometeraksen og (b) effekten af tyngdekræfterne. Følgelig blev ledvinkelspecifikke øjeblikke på grund af tyngdekraft bestemt under en passiv knæleddsrotation (5 ° / s) drevet af dynamometeret, mens deltagerne var helt afslappede. Desuden blev bidraget fra det antagonistiske øjeblik produceret af hamstringmusklerne overvejet ved at etablere et forhold mellem EMG-amplitude og det udøvede moment af hamstrings, mens man arbejdede som agonist25. EMG-aktiviteten af biceps femoris muskel og det tilsvarende øjeblik produceret af hamstrings blev målt i en afslappet tilstand og under to yderligere submaximale isometriske knæbøjningskontraktioner med forskellig intensitet ifølge metoden rapporteret af Mademli et al.26. EMG-aktiviteten blev målt synkront med de kinematiske data ved anvendelse af et trådløst EMG-system (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Schweiz) ved en optagelsesfrekvens på 1000 Hz.

Den kraft, der blev påført patellarsenen under MVC’er blev beregnet som kvotient for knæleddemomentet og senearmen. For det fuldt udstrakte knæ blev håndtagsarmen målt i et tredimensionelt koordinatsystem som den vinkelrette afstand af senens handlingslinie til knæets rotationsakse baseret på MR.Handlingslinien for patellar senen blev defineret som linien med den bedste lineære pasning gennem de geometriske centre for senetværsnit, som blev rekonstrueret ud fra segmenteringen af tværgående billeder (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ) sekvens, Esaote, Genova, Italien) mellem den kaudale pol af patellarknoglen og den indledende indsættelse ved den tibiale tuberøsitet. Den tilsvarende rotationsakse for knæleddet blev bestemt ved at segmentere de laterale og mediale femorale epikondyler i de sagittale magnetiske resonansskanninger og forbinde centrene i de respektive bedst passende cirkler ifølge Churchill et al.27. Senemomentarmen som en funktion af kneleddets vinkel blev beregnet ved at behandle momentarmændringer i forhold til ledvinklen på basis af de data, der blev leveret af Herzog og Read28.

Under MVC’erne var VL-fasciklerne fanget af B-mode ultralyd (My Lab60, Esaote, Genova, Italien). En 10 cm lineær array-probe, der fungerer ved 43 Hz (LA923, 10 MHz, dybde 7,4 cm, brændpunkt 1,8, intet billedfilter) blev fastgjort til huden over VL-muskelbugen (~ 50% af lårbenlængden), justeret med respekt til parallel overfladisk og dybere aponeurose og klarhed af justeret hyperekoisk perimysialt intramuskulært bindevæv, der er vejledende for muskelfascikelstrukturer og fastgjort af elastiske stropper. Ultralydsenheden og motion capture-systemet blev synkroniseret med et manuelt frigivet 5 V trigger signal. Fascicellængden blev bestemt ud fra ultralydvideoerne af en selvudviklet halvautomatisk sporingsalgoritme29 skrevet i Matlab (version R2012a, The Mathworks, Natick, USA). Kort fortalt inkluderede proceduren en tilnærmelse af den dybere og overfladiske aponeurose ved en bedst lineær tilpasning gennem tre manuelt placerede og ramme-for-ramme-justerede mærker på det respektive indre bindevævslag (fig. 1). Derefter identificerede en semi-automatiseret algoritme baseret på den bwtraceboundary-funktion i Matlab Image Processing-værktøjskassen automatisk formen og orienteringen af billedets lysstyrkefunktioner mellem begge aponeurosis i hver ramme, som er vejledende for de hyperekoiske perimysiale bindevævsdele (uddrag) justeret med muskelfasciklerne (fig. 1). Opdagede uddrag blev betragtet som gyldige, følgende krav blev opfyldt: minimal længde på 23 pixels (dvs. 0,4 cm fra nederst til venstre til øverste højre punkt i et uddrag); forhold til areal til længde på 8,5 (identificerer hvide områder med en lang og smal form, der derefter blev konverteret til linjer); vinkel mellem uddrag og øvre aponeurose mellem 6 ° og 35 °; 80% af pixels på en linje mellem start- og slutpunktet for et uddrag skulle være hvide. Hver ramme blev visuelt kontrolleret bagefter for passende funktionsplacering og korrigeret manuelt om nødvendigt (f.eks. Ikke-perimysiale bindevævsdele blev fjernet). En lineær referencefascicle blev beregnet som et gennemsnit af de enkelte identificerede træk og blev brugt til bestemmelse af fascicle-længde (fig. 1). Desuden blev fascikellængden gennemsnitlig over ti billeder fra plateauet for hver MVC. På basis af den maksimale kraft, der blev anvendt på patellarsenen og den tilsvarende VL-fascikellængde, blev der beregnet et individuelt kraft-fascikel-længdeforhold for hver deltager baseret på en andenordens polynomial tilpasning (figur 2) for at bestemme den maksimale muskel kraft påført senen (Fmax) og L o til kraftgenerering. VL-muskelspecifikke konstanter af en rel = 0,34 og b rel = 4,03 s-1 22 blev anvendt til at vurdere den maksimale fascikelforkortningshastighed Vmax = 11,85 L 0 s-1. Kraft-hastighedsforholdet mellem VL-fasciklerne blev derefter beskrevet efter den klassiske Hill-ligning2.

Ultralydbaseret bestemmelse af vastus lateralis muskelfascikellængde. (a) Ultralydstransduceren blev omhyggeligt fastgjort på muskelmaven ved hjælp af en tilpasset neoprenelastisk støbning. (b) En halvautomatisk spor-til-ramme sporingsprocedure blev brugt til at identificere synlige træk ved flere fascikler (F) placeret mellem den manuelt sporede øvre (uA) og dybere (dA) aponeurose. En repræsentativ referencefascicle (rF) blev derefter beregnet på basis af de identificerede fascicle-dele for at vurdere fascicle-længde som den euklidiske afstand mellem indsættelsespunkterne med de to aponeurosis.

Eksemplarisk forhold mellem kraft og fascikel længde af vastus lateralis muskel. Kraft-fascikel-længdeforholdet blev eksperimentelt bestemt ved hjælp af maksimal frivillig isometrisk knæforlængelse (firkanter) og en respektiv andenordens polynomial pasning (stiplet linje).

Vurdering af fælles kinematik og muskelfascikellængde under gang og løb

I løbet af 10 minutters gang- og løbeprøver på løbebåndet (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Tyskland) blev kinematiske data fra højre ben registreret af Vicon motion capture-systemet (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz) ved anvendelse af anatomisk refererede markører placeret på større trochanter, lateral femoral epicondyle, lateral malleolus, leder af anden metatarsalis og tuberositas calcanei. Touchdown af foden under gang og løb blev bestemt ud fra de kinematiske data som øjeblikkelig af minimal lodret position af hælmarkøren30,31, tå-off under gang som reversering af vandret hastighed af metatarsalis-markøren30,32 og under løb som minimum i kneleddets vinkel, dvs. mest udvidede knæposition31.

I løbet af de respektive 10 minutters gang og løb blev en ultralydsoptagelse på 10 sekunder optaget synkront med de kinematiske data hvert andet minut. Mens dataene fra et forsøg blev brugt til at sammenligne VL-fascikeladfærden mellem gangarter, blev alle fem forsøg brugt til pålidelighedsanalysen (se nedenfor). Ultralydsbillederne blev optaget ved en indfangningsfrekvens på 43 Hz ved hjælp af en 10 cm lineær array-transducer, der blev fikseret i en skræddersyet fleksibel, antiskid neopren / plaststøbning (fig. 1), og fascikellængden blev målt som beskrevet ovenfor. Fascicle længdedata blev filtreret ved hjælp af et andet ordens lavpas Butterworth-filter med en afskæringsfrekvens på 6 Hz og var i gennemsnit over 6 til 11 trin (8,1 ± 0,9) for hver deltager og gang (dvs. gå og løbe). / p>

Den associerede længdeændring af VL MTU under bevægelse blev beregnet som produktet af ændringen i knæledsvinklen og den individuelle vinkelspecifikke patellar senearmarm33. Den indledende MTU-længde ved berøring af foden blev bestemt baseret på regressionsligningen fra Hawkins og Hull34. MTU og fascikelhastigheder under bevægelse blev beregnet som det første derivat af længdeskiftet over tid. Figur 3 illustrerer længdeforandringerne af VL-fasciklerne og MTU under gang og løb fra en repræsentativ deltager over tre på hinanden følgende trincyklusser.

Vastus lateralis muskel-senenhed (MTU) længde, muskelfascikel længde og elektromyografisk (EMG ) aktivitet for en repræsentativ deltager i tre på hinanden følgende gående (venstre) og løbende (højre) trin. Respektive holdningsfaser er skraverede i gråt.

Den eksperimentelle bestemmelse af VL-fascikellængden under bevægelse var testet for pålidelighed ved at sammenligne fem enkeltvurderinger på to separate dage (3 til 4 dage imellem). For at opnå en nøjagtig omplacering af ultralydssonden den anden måledag blev de fire hjørnepunkter i ultralydssonden markeret på huden ved hjælp af en ikke-permanent markør. De markerede positioner blev målt med et fleksibelt målebånd i forhold til de mediale og laterale femurformer, der repræsenterer faste anatomiske vartegn. På den anden dag blev positionen rekonstrueret i overensstemmelse hermed, og deltagerne udførte den samme gangprotokol, mens fascikellængden igen blev fanget fem gange.

Vurdering af EMG-muskelaktivitet under bevægelse

Overflade EMG for den rigtige VL-muskel blev målt under gang- og løbeundersøgelser efter otte minutter på løbebåndet i 60 s ved hjælp af det trådløse EMG-system og to bipolære overfladeelektroder (2 cm afstand mellem elektroderne), der blev placeret på muskelmaven . Et andet-ordens højpas Butterworth-filter med en 20 Hz afskæringsfrekvens, en fuldbølge-udbedring og derefter et lavpasfilter med en 20 Hz afskæringsfrekvens blev anvendt på de rå EMG-data. EMG-aktiviteten blev gennemsnitlig henholdsvis 10 gang- og løbetrin og normaliseret for hver deltager til den maksimale værdi, der blev opnået under løb. For at bestemme starten på VL-muskelaktiviteten under gang og løb brugte vi en tærskel, der blev defineret som basislinjeaktiviteten plus tre gange dens standardafvigelse35,36. Et repræsentativt rå EMG-datasæt er præsenteret i fig. 3.

Statistik

Holdnings- og svingningsfaserne for hver trincyklus i EMG-gruppen blev separat tidsnormaliseret til de af fascicle gruppe for at kunne relatere EMG med fascicle og MTU parametre fra de to forskellige grupper. En tovejs variansanalyse (ANOVA) for gentagne foranstaltninger blev udført for at teste parametrene (absolut og normaliseret til L o fascicle og MTU længde, respektive driftsområder og EMG aktiveringstilstandsvarighed) for aktiveringstilstand (aktiv vs. inaktiv tilstand) og gangtilstand (gang versus løb) effekter.En tovejs gentagne målinger ANOVA blev også brugt til at teste parametre (normaliseret fascicle og MTU-hastighed) for komponent (fascicle vs. MTU) og gangtilstand (gang versus løb) effekter under den aktive tilstand af holdningsfasen. Normaliteten af de standardiserede rester af alle undersøgte parametre blev testet ved Shapiro-Wilk-testen ved anvendelse af den respektive ANOVA-model. Interaktionseffekter blev testet post-hoc ved en parret t-test for forskellene i de respektive variable værdier. En parret t-test (to-halet) blev brugt til at teste for forskelle i gennemsnitlig EMG-aktivitet, normaliseret fascikellængde og hastighed samt krafthastighedspotentialer i den aktive tilstand mellem gang og løb. I tilfælde af, at resterne ikke er normaliserede (absolut og relativ rækkevidde af fascikellængdeændringer, kraftlængdepotentiale) blev Wilcoxon-signeret-rangtest anvendt i overensstemmelse hermed. Gruppeantropometri blev sammenlignet ved hjælp af en t-test for uafhængige prøver.

Koefficienten for multiple korrelationer (CMC) 37 blev anvendt til at teste pålideligheden af bestemmelsen af fascikellængden for hele trincyklussen af de fem forsøg på de to dage. Rodmidlere kvadratforskelle (RMSD) blev beregnet for dag 1 og 2 og begge dage for at kvantificere variationen mellem forsøg. En ANOVA til gentagne tiltag blev udført for at undersøge mulige forskelle i gangcyklussen mellem de to testdage til gang og løb. Betydningsniveauet blev sat til α = 0,05. Α-niveauet blev justeret til 0,025 til post-hoc-analyse såvel som separat ikke-parametrisk test af de to faktorer.

Tilgængelighed af materialer og data