Diseño experimental

Treinta adultos sanos (5 mujeres) participaron en el presente estudio después de dar información escrita consentimiento para el procedimiento experimental, que fue aprobado por el comité de ética local (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlín; número de referencia EA2 / 076/15) y de acuerdo con las pautas y regulaciones pertinentes. Los participantes eran físicamente activos con regularidad y no informaron antecedentes de alteraciones neuromusculares o esqueléticas en los últimos seis meses. Los participantes se distribuyeron por igual en dos grupos (es decir, n = 15). En el primer grupo (edad: 27,3 ± 4,1 años, altura: 179,2 ± 6,5 cm, masa: 75,0 ± 8,2 kg), se evaluó experimentalmente la relación fuerza-longitud del fascículo individual del músculo VL mediante extensiones voluntarias isométricas máximas de rodilla. contracciones (MVC) de la pierna derecha en diferentes ángulos de la articulación de la rodilla en un dinamómetro en combinación con imágenes de ultrasonido de los fascículos VL. La fuerza aplicada al tendón rotuliano se calculó a partir del momento de la articulación de la rodilla y el brazo de palanca del tendón, que se determinó mediante imágenes de resonancia magnética (IRM). En un segundo día, la longitud del fascículo VL y la cinemática articular de la misma pierna se midieron de forma sincrónica durante la marcha (1,5 m / s) y la carrera (3,0 m / s) en una cinta rodante utilizando ultrasonografía y análisis de movimiento, respectivamente. El orden para caminar y correr se asignó al azar entre los participantes y una fase de calentamiento y familiarización de dos minutos para cada velocidad precedió a las pruebas de 10 minutos. Las mediciones se repitieron al día siguiente para un análisis de confiabilidad. Los participantes del segundo grupo (edad: 29,3 ± 6,7 años, altura: 176,9 ± 8,0 cm, masa: 71,0 ± 12,0 kg) realizaron el mismo protocolo de marcha y carrera en la cinta mientras la actividad electromiográfica (EMG) del músculo VL derecho fue capturado. Los datos de actividad de VL se combinaron luego con la cinemática y los datos de longitud del fascículo del primer grupo.

Evaluación de las propiedades intrínsecas del músculo

Los participantes se sentaron en un dinamómetro (Biodex Medical, Syst .3, Inc., Shirley, NY), fijado con una correa pélvica alrededor de la cintura mientras los brazos se sostenían cruzados por encima del pecho. El ángulo de la articulación de la cadera se fijó en 85 ° (0 ° = supino) para reducir la contribución de la m biarticular. recto femoral al momento de extensión de la rodilla 23. Después de un calentamiento estandarizado, se realizaron ocho MVC de la pierna derecha, incluida una meseta de alrededor de 2 s, en un rango de ángulo de la articulación de la rodilla de 20 ° a 90 ° (0 ° = rodilla extendida) en intervalos de 10 ° en un orden aleatorio. Como los ángulos basados en los datos del dinamómetro durante el reposo no son representativos de los ángulos de la rodilla durante las contracciones debido a la deformación de los tejidos blandos y la distensibilidad del dinamómetro24, la cinemática de las piernas se registró sobre la base de seis marcadores reflectantes (espina ilíaca anterior, trocánter mayor, lateral y medial epicóndilo y maléolos femorales) utilizando un sistema de captura de movimiento Vicon (Versión 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, Reino Unido) que integra ocho cámaras (6x F20, 2x T20) a 250 Hz. Las trayectorias de los marcadores se suavizaron utilizando un filtro Butterworth de paso bajo de segundo orden con una frecuencia de corte de 6 Hz16.

Los momentos resultantes en la articulación de la rodilla se calcularon mediante dinámica inversa de acuerdo con la metodología reportada de Arampatzis et al.24 para explicar (a) el efecto de la desalineación entre el eje de la articulación de la rodilla y el eje del dinamómetro y (b) el efecto de las fuerzas gravitacionales. En consecuencia, los momentos específicos del ángulo articular debidos a la gravedad se determinaron durante una rotación pasiva de la articulación de la rodilla (5 ° / s) impulsada por el dinamómetro, mientras que los participantes estaban completamente relajados. Además, se consideró la contribución del momento antagónico producido por los músculos isquiotibiales estableciendo una relación entre la amplitud EMG y el momento ejercido de los isquiotibiales mientras trabajaban como agonistas25. La actividad EMG del músculo bíceps femoral y el momento correspondiente producido por los isquiotibiales se midió en condición relajada y durante dos contracciones adicionales de flexión isométrica submáxima de rodilla de diferente intensidad, según la metodología reportada por Mademli et al.26. La actividad EMG se midió sincrónicamente con los datos cinemáticos utilizando un sistema EMG inalámbrico (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Suiza) a una frecuencia de adquisición de 1000 Hz.

La fuerza aplicada al tendón rotuliano durante la Las MVC se calcularon como cociente del momento de la articulación de la rodilla y el brazo de palanca del tendón. Para la rodilla completamente extendida, el brazo de palanca se midió en un sistema de coordenadas tridimensional como la distancia perpendicular de la línea de acción del tendón al eje de rotación de la rodilla según la resonancia magnética.La línea de acción del tendón rotuliano se definió como la línea de mejor ajuste lineal a través de los centros geométricos de las áreas transversales del tendón, que fueron reconstruidas a partir de la segmentación de imágenes transversales (G-Scan, 0.25 T, 3D HYCE (GR ) secuencia, Esaote, Génova, Italia) entre el polo caudal del hueso rotuliano y la inserción inicial en la tuberosidad tibial. El eje de rotación correspondiente de la articulación de la rodilla se determinó segmentando los epicóndilos femorales lateral y medial en las exploraciones de resonancia magnética sagital y conectando los centros de los respectivos círculos de mejor ajuste según Churchill et al.27. El brazo de momento del tendón en función del ángulo de la articulación de la rodilla se calculó procesando los cambios del brazo de momento en relación con el ángulo de la articulación sobre la base de los datos proporcionados por Herzog y Read28.

Durante las MVC, los fascículos de VL fueron capturado por ecografía en modo B (My Lab60, Esaote, Genova, Italia). Se colocó una sonda de matriz lineal de 10 cm que funcionaba a 43 Hz (LA923, 10 MHz, profundidad de 7,4 cm, punto focal 1,8, sin filtro de imagen) a la piel por encima del vientre del músculo VL (≈50% de la longitud del fémur), ajustado con respecto a la aponeurosis superficial y profunda paralela y la claridad del tejido conjuntivo intramuscular perimisial hiperecoico alineado que es indicativo de las estructuras del fascículo muscular, y fijado por tiras elásticas. El dispositivo de ultrasonido y el sistema de captura de movimiento se sincronizaron mediante una señal de disparo de 5 V liberada manualmente. La longitud del fascículo se determinó a partir de los videos de ultrasonido mediante un algoritmo de seguimiento semiautomático de desarrollo propio29 escrito en Matlab (versión R2012a, The Mathworks, Natick, EE. UU.). Brevemente, el procedimiento incluyó una aproximación de la aponeurosis más profunda y superficial mediante un mejor ajuste lineal a través de tres marcas colocadas manualmente y ajustadas cuadro por cuadro en la capa interna de tejido conectivo respectivo (Fig. 1). Luego, un algoritmo semiautomático basado en la función bwtraceboundary de la caja de herramientas de procesamiento de imágenes de Matlab identificó automáticamente la forma y orientación de las características de brillo de la imagen entre ambas aponeurosis en cada cuadro, que son indicativas de las partes hiperecoicas del tejido conectivo perimisial (fragmentos) alineadas con los fascículos musculares (Fig. 1). Los fragmentos detectados se consideraron válidos y se cumplieron los siguientes requisitos: longitud mínima de 23 píxeles (es decir, 0,4 cm, desde la parte inferior izquierda hasta la parte superior derecha de un fragmento); relación de área a longitud de 8.5 (identifica áreas blancas con una forma larga y estrecha que luego se convirtieron en líneas); ángulo entre el fragmento y la aponeurosis superior entre 6 ° y 35 °; El 80% de los píxeles de una línea entre el punto de inicio y el final de un fragmento tenían que ser blancos. Cada cuadro se controló visualmente después para la colocación adecuada de las características y se corrigió manualmente si era necesario (por ejemplo, se eliminaron las porciones de tejido conectivo no perimisial). Se calculó un fascículo de referencia lineal como un promedio de las características identificadas individuales y se utilizó para la determinación de la longitud del fascículo (Fig. 1). Además, la longitud del fascículo se promedió en diez fotogramas de la meseta de cada MVC. Sobre la base de la fuerza máxima aplicada al tendón rotuliano y la longitud del fascículo VL correspondiente, se calculó una relación individual entre la fuerza y la longitud del fascículo para cada participante en función de un ajuste polinomial de segundo orden (Fig.2), para determinar el músculo máximo fuerza aplicada al tendón (F máx) y L o para la generación de fuerza. Las constantes específicas del músculo VL de a rel = 0,34 y b rel = 4,03 s − 1 22 se utilizaron para evaluar la velocidad máxima de acortamiento del fascículo V max = 11,85 L 0 s − 1. Luego se describió la relación fuerza-velocidad de los fascículos VL siguiendo la clásica ecuación de Hill2.

Determinación ecográfica de la longitud del fascículo del músculo vasto lateral. (a) El transductor de ultrasonido se colocó cuidadosamente en el abdomen del músculo mediante un yeso elástico de neopreno personalizado. (b) Se utilizó un procedimiento de seguimiento semiautomático cuadro por cuadro para identificar las características visibles de múltiples fascículos (F) ubicados entre la aponeurosis superior (uA) y más profunda (dA) trazada manualmente. Luego se calculó un fascículo de referencia representativo (rF) sobre la base de las porciones del fascículo identificadas para evaluar la longitud del fascículo como la distancia euclidiana entre los puntos de inserción con las dos aponeurosis.

Relación ejemplar fuerza-longitud del fascículo del músculo vasto lateral. La relación fuerza-longitud del fascículo se determinó experimentalmente por medio de extensiones de rodilla isométricas voluntarias máximas (cuadrados) y un ajuste polinómico de segundo orden respectivo (línea discontinua).

Evaluación de la cinemática articular y la longitud del fascículo muscular al caminar y correr

Durante las pruebas de marcha y carrera de 10 minutos en la cinta de correr (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Alemania), el sistema de captura de movimiento Vicon registró los datos cinemáticos de la pierna derecha (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), mediante marcadores anatómicamente referenciados colocados en el trocánter mayor, epicóndilo femoral lateral, maléolo lateral, cabeza del segundo metatarsiano y tuberositas calcáneo. La toma de contacto del pie durante la marcha y la carrera se determinó a partir de los datos cinemáticos como el instante de la posición vertical mínima del marcador del talón30,31, el despegue del pie durante la marcha como inversión de la velocidad horizontal del marcador de metatarsiano30,32 y durante la carrera como la mínimo en el ángulo de la articulación de la rodilla, es decir, la posición de la rodilla más extendida31.

Durante los 10 minutos respectivos de caminar y correr, se capturó una grabación de ultrasonido de 10 s de forma sincronizada con los datos cinemáticos cada dos minutos. Si bien los datos de un ensayo se usaron para comparar el comportamiento del fascículo VL entre las marchas, los cinco ensayos se usaron para el análisis de confiabilidad (ver más abajo). Las imágenes de ultrasonido se registraron a una frecuencia de captura de 43 Hz utilizando un transductor de matriz lineal de 10 cm que se fijó en una escayola de plástico / neopreno antideslizante flexible hecha a medida (Fig. 1) y se midió la longitud del fascículo como se describe anteriormente. Los datos de la longitud del fascículo se filtraron utilizando un filtro Butterworth de paso bajo de segundo orden con una frecuencia de corte de 6 Hz y un promedio de 6 a 11 pasos (8,1 ± 0,9) para cada participante y modo de andar (es decir, caminar y correr).

El cambio de longitud asociado del VL MTU durante la locomoción se calculó como el producto del cambio en el ángulo de la articulación de la rodilla y el brazo de palanca del tendón rotuliano específico del ángulo individual33. La longitud de MTU inicial en el momento del aterrizaje del pie se determinó con base en la ecuación de regresión proporcionada por Hawkins y Hull34. La MTU y las velocidades del fascículo durante la locomoción se calcularon como la primera derivada del cambio de longitud a lo largo del tiempo. La Figura 3 ilustra los cambios de longitud de los fascículos VL y MTU durante la marcha y la carrera de un participante representativo durante tres ciclos de pasos consecutivos.

Longitud de la unidad músculo-tendinosa del vasto lateralis (MTU), longitud del fascículo muscular y electromiografía (EMG ) actividad de un participante representativo durante tres pasos consecutivos de caminar (izquierda) y correr (derecha). Las respectivas fases de la postura están sombreadas en gris.

La determinación experimental de la longitud del fascículo VL durante la locomoción fue probado para la confiabilidad mediante la comparación de cinco evaluaciones individuales en dos días separados (3 a 4 días en el medio). Para lograr un reposicionamiento preciso de la sonda de ultrasonido en el segundo día de medición, se marcaron los cuatro puntos de esquina de la sonda de ultrasonido en la piel usando un marcador no permanente. Las posiciones marcadas se midieron con una cinta métrica flexible con respecto a los cóndilos del fémur medial y lateral, que representan puntos de referencia anatómicos fijos. El segundo día, la posición se reconstruyó en consecuencia y los participantes realizaron el mismo protocolo de marcha mientras que nuevamente se capturó la longitud del fascículo cinco veces.

Evaluación de la actividad muscular EMG durante la locomoción

Superficie La EMG del músculo VL derecho se midió durante las pruebas de marcha y carrera después de ocho minutos en la cinta de correr durante 60 s mediante el sistema EMG inalámbrico y dos electrodos de superficie bipolar (distancia entre electrodos de 2 cm) que se colocaron en el abdomen del músculo. . Se aplicó un filtro Butterworth de paso alto de segundo orden con una frecuencia de corte de 20 Hz, una rectificación de onda completa y luego un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 20 Hz a los datos de EMG sin procesar. La actividad EMG se promedió en 10 pasos para caminar y correr, respectivamente, y se normalizó para cada participante al valor máximo alcanzado durante la carrera. Para determinar el inicio de la actividad muscular VL durante la marcha y la carrera utilizamos un umbral que se definió como la actividad basal más tres veces su desviación estándar35,36. En la Fig. 3 se presenta un conjunto de datos EMG sin procesar representativo.

Estadísticas

Las fases de postura y oscilación de cada ciclo de pasos del grupo EMG se normalizaron en el tiempo por separado a las del grupo EMG. grupo de fascículos para poder relacionar la EMG con el fascículo y los parámetros MTU de los dos grupos diferentes. Se realizó un análisis de varianza bidireccional (ANOVA) para medidas repetidas para probar los parámetros (absoluto y normalizado a la longitud del fascículo L o y MTU, los rangos operativos respectivos y la duración del estado de activación de EMG) para el estado de activación (estado activo frente a inactivo) y efectos de la condición de la marcha (caminar frente a correr).También se utilizó un ANOVA bidireccional de medidas repetidas para probar los parámetros (fascículo normalizado y velocidad MTU) para los efectos del componente (fascículo frente a MTU) y de la condición de la marcha (caminar frente a correr) durante el estado activo de la fase de apoyo. La normalidad de los residuos estandarizados de todos los parámetros investigados se probó mediante la prueba de Shapiro-Wilk utilizando el modelo ANOVA respectivo. Los efectos de interacción se probaron post-hoc mediante una prueba t pareada para las diferencias de los valores de las variables respectivas. Se utilizó una prueba t pareada (de dos colas) para evaluar las diferencias de la actividad EMG promedio, la longitud y velocidad del fascículo normalizadas, así como los potenciales fuerza-velocidad en el estado activo entre caminar y correr. En caso de no normalidad de los residuos (rango absoluto y relativo de cambios en la longitud del fascículo, potencial fuerza-longitud), se aplicó la prueba de rango con signo de Wilcoxon en consecuencia. La antropometría de grupo se comparó mediante una prueba t para muestras independientes.

El coeficiente de correlaciones múltiples (CMC) 37 se utilizó para probar la confiabilidad de la determinación de la longitud del fascículo para todo el ciclo de pasos de los cinco ensayos en los dos días. Se calcularon las diferencias cuadráticas medias (RMSD) para el día 1 y 2 y para ambos días para cuantificar la variabilidad entre ensayos. Se realizó un ANOVA para medidas repetidas para examinar las posibles diferencias en el ciclo de la marcha entre los dos días de prueba para caminar y correr. El nivel de significancia se estableció en α = 0.05. El nivel α se ajustó a 0.025 para el análisis post-hoc, así como para las pruebas no paramétricas separadas de los dos factores.

Disponibilidad de materiales y datos