Kokeellinen suunnittelu

Kolmekymmentä terveellistä aikuista (5 naista) osallistui tähän tutkimukseen ilmoitettuaan asiasta kirjallisesti suostumus kokeelliseen menettelyyn, jonka paikallinen eettinen komitea (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berliini; viitenumero EA2 / 076/15) on hyväksynyt ja asiaankuuluvien ohjeiden ja määräysten mukaisesti. Osallistujat olivat säännöllisesti fyysisesti aktiivisia eivätkä ilmoittaneet historiasta hermo- tai luustohäiriöitä viimeisten kuuden kuukauden aikana. Osallistujat jaettiin tasan kahteen ryhmään (ts. N = 15). Ensimmäisessä ryhmässä (ikä: 27,3 ± 4,1 vuotta, korkeus: 179,2 ± 6,5 cm, massa: 75,0 ± 8,2 kg) VL-lihaksen yksilöllinen voiman ja sidoksen pituussuhde arvioitiin kokeellisesti maksimaalisten isometristen vapaaehtoisten polven jatkeiden avulla oikean jalan supistukset (MVC) polvinivelen eri kulmissa dynamometrissä yhdistettynä VL-kynsien ultraäänikuvantamiseen. Patellar-jänteeseen kohdistettu voima laskettiin polvinivelen hetkestä ja jänteen vipuvarresta, joka määritettiin magneettikuvantamalla (MRI). Toisena päivänä VL-kimpun pituus ja saman jalan nivelten kinematiikka mitattiin synkronisesti juoksumatolla kävelyn (1,5 m / s) ja juoksun (3,0 m / s) aikana käyttäen vastaavasti ultraäänitutkimusta ja liikeanalyysiä. Kävely- ja juoksujärjestys satunnaistettiin osallistujien välillä, ja kahden minuutin lämmittely- ja perehdytysvaihe kullekin nopeudelle edelsi 10 minuutin kokeita. Mittaukset toistettiin seuraavana päivänä luotettavuusanalyysin tekemiseksi. Toisen ryhmän (ikä: 29,3 ± 6,7 v., Korkeus: 176,9 ± 8,0 cm, massa: 71,0 ± 12,0 kg) osallistujat suorittivat saman kävely- ja juoksuprotokollan juoksumatolla samalla kun oikean VL-lihaksen sähkömagiografinen (EMG) aktiivisuus vangittiin. VL-aktiivisuustiedot yhdistettiin sitten ensimmäisen ryhmän kinematiikka- ja sidekudoksen pituustietojen kanssa.

Arvio lihaksen sisäisistä ominaisuuksista

Osallistujat istuivat dynamometrillä (Biodex Medical, Syst 3, Inc., Shirley, NY), kiinnitetty lantion hihnalla vyötärön ympärille samalla kun käsivarret pidettiin ristissä rinnan yläpuolella. Lonkkanivelen kulma asetettiin 85 °: een (0 ° = selkänoja) bi-nivelen m: n osuuden vähentämiseksi. rectus femoris polven jatko-osaan23. Standardoidun lämpenemisen jälkeen suoritettiin kahdeksan oikean jalan MVC: tä, mukaan lukien noin 2 s: n tasanne, välillä 20 ° – 90 ° polvinivelen kulma (0 ° = polvi ojennettu) 10 °: n välein satunnaistetussa järjestyksessä. Koska lepotilassa olevat dynamometritietoihin perustuvat kulmat eivät ole edustavia polvien kulmien suhteen supistusten aikana pehmytkudoksen muodonmuutoksen ja dynamometrin noudattamisen vuoksi24, jalkojen kinematiikka kirjattiin kuuden heijastavan markkerin perusteella (etuosan selkäydin, suurempi trochanter, sivu- ja mediaalinen) reisiluun epikondyylit ja malleolit) Vicon-liikkeen sieppausjärjestelmällä (versio 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, UK) integroimalla kahdeksan kameraa (6x F20, 2x T20) 250 Hz: ssä. Markkerireitit tasoitettiin käyttämällä toisen asteen alipäästöistä Butterworth-suodatinta, jonka rajataajuus oli 6 Hz16.

Tuloksena olevat polvinivelen momentit laskettiin käänteisdynamiikan avulla raportoidun metodologian mukaisesti. Arampatzis et ai. 24 ottamaan huomioon (a) polvinivelakselin ja dynamometrin akselin välisen epätasapainon vaikutuksen ja (b) painovoimien vaikutuksen. Vastaavasti painovoimasta johtuvat nivelkulmakohtaiset momentit määritettiin dynamometrin ohjaaman passiivisen polvinivelen kierron (5 ° / s) aikana, kun taas osallistujat olivat täysin rentoja. Lisäksi hamstring-lihasten tuottaman antagonistisen momentin vaikutusta harkittiin luomalla suhde EMG-amplitudin ja hamstringsin aikaansaaman momentin välillä työskenneltäessä agonistina25. Lihaksen hauislihasten EMG-aktiivisuus ja vastaava momentti, jonka lonkkahihnat tuottivat, mitattiin rennossa tilassa ja kahdessa eri voimakkuuden submaximaalisessa isometrisessä polven taipumissupistuksessa Mademli et ai. EMG-aktiivisuus mitattiin synkronisesti kinemaattisen datan kanssa käyttäen langatonta EMG-järjestelmää (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Sveitsi) 1000 Hz: n hankintataajuudella.

Patellar-jänteeseen kohdistunut voima MVC: t laskettiin polvinivelen momentin ja jänevivun osamääränä. Täysin pidennetyn polven vipuvarsi mitattiin kolmiulotteisessa koordinaattijärjestelmässä jänteen toimintalinjan kohtisuorana etäisyydellä polven pyörimisakseliin MRI: n perusteella.Patellar-jänteen toimintalinja määriteltiin parhaaksi lineaariseksi sovituslinjaksi jänteen poikkileikkausalueiden geometristen keskusten läpi, jotka rekonstruoitiin poikittaisten kuvien segmentoinnista (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR) ) sekvenssi, Esaote, Genova, Italia) polviluudun luun kaudan navan ja sääriluun tuberositeetin alkupään lisäyksen välillä. Vastaava polvinivelen pyörimisakseli määritettiin segmentoimalla lateraaliset ja mediaaliset reisiluun epikondyylit sagitaalin magneettikuvausskannauksissa ja yhdistämällä vastaavien parhaiten sopivien ympyröiden keskukset Churchillin et ai. 27 mukaan. Jänteen momenttivarsi polvinivelkulman funktiona laskettiin käsittelemällä momenttivarren muutoksia suhteessa nivekulmaan Herzogin ja Read28: n toimittamien tietojen perusteella.

MVC: n aikana VL-solmukkeet olivat kaapattu B-moodin ultraäänitutkimuksella (My Lab60, Esaote, Genova, Italia). 10 cm: n lineaarinen matriisianturi, joka toimi taajuudella 43 Hz (LA923, 10 MHz, syvyys 7,4 cm, polttopiste 1,8, ei kuvasuodatinta), kiinnitettiin ihoon VL-lihasten vatsan yläpuolelle (~ 50% reisiluun pituudesta) suhteessa rinnakkaiseen pinnalliseen ja syvempään aponeuroosiin ja kohdistetun hyperechoisen perimysiaalisen lihaksensisäisen sidekudoksen kirkkauteen, joka on osoitus lihaskudoksen rakenteille ja kiinnitetty joustavilla hihnoilla. Ultraäänilaite ja liikkeensieppausjärjestelmä synkronoitiin manuaalisesti vapautetulla 5 V: n laukaisusignaalilla. Kudoksen pituus määritettiin ultraäänivideoista itse kehittämällä puoliautomaattisella seuranta-algoritmilla29, joka oli kirjoitettu Matlabiin (versio R2012a, The Mathworks, Natick, USA). Lyhyesti sanottuna menettely sisälsi syvemmän ja pinnallisen aponeuroosin likiarvon parhaalla lineaarisella sovituksella kolmen manuaalisesti sijoitetun ja kehys kerrallaan säädetyn merkin kautta vastaavaan sisäiseen sidekudoskerrokseen (kuvio 1). Sitten puoliautomaattinen algoritmi, joka perustuu Matlab Image Processing -työkalupalkin bwtraceboundary-toimintoon, tunnisti automaattisesti kuvan kirkkausominaisuuksien muodon ja suunnan kummankin kehyksen molempien aponeuroosien välillä, mikä on osoitus hyperechoisen perimysiaalisen sidekudososan (katkelmista) kohdakkain lihaskudokset (kuva 1). Havaittuja katkelmia pidettiin kelvollisina, ja seuraavat vaatimukset täyttyivät: vähimmäispituus 23 pikseliä (ts. 0,4 cm, katkelman alareunasta oikeaan yläkulmaan); pinta-ala-suhde 8,5 (tunnistaa valkoiset alueet, joilla on pitkä ja kapea muoto ja jotka sitten muunnettiin viivoiksi); kulma katkelman ja ylemmän aponeuroosin välillä 6 ° – 35 °; Katkelman alku- ja loppupisteen välisen linjan pikseleistä 80%: n oli oltava valkoisia. Jokaista kehystä kontrolloitiin visuaalisesti jälkikäteen riittävän piirteen sijoittamiseksi ja korjattiin manuaalisesti tarvittaessa (esim. Muut kuin perimysiaaliset sidekudososat poistettiin). Lineaarinen referenssikimppu laskettiin yksittäisten tunnistettujen ominaisuuksien keskiarvona ja sitä käytettiin sidekudoksen pituuden määrittämiseen (kuva 1). Lisäksi solun pituus keskiarvoistettiin kymmenen kehyksen yli kunkin MVC: n tasangolta. Patellar-jänteeseen kohdistetun maksimivoiman ja vastaavan VL-kimpun pituuden perusteella kullekin osallistujalle laskettiin yksilöllinen voiman ja kappaleen pituussuhde toisen kertaluvun polynomin sovituksen perusteella (kuva 2) lihaksen enimmäismäärän määrittämiseksi. jänteeseen kohdistettu voima (F max) ja L o voiman muodostamiseksi. VL-lihasspesifisiä vakioita, joiden rel = 0,34 ja b rel = 4,03 s − 1 22, käytettiin arvioimaan maksimaalinen solun lyhenemisnopeus V max = 11,85 L 0 s − 1. VL-solmukkeiden voiman ja nopeuden suhde kuvattiin sitten klassisen Hill-yhtälön2 mukaisesti.

Vastus lateralis -lihaskudoksen pituuden ultraäänipohjainen määritys. (a) Ultraäänianturi kiinnitettiin varovasti lihaksen vatsaan räätälöidyn neopreeni-elastisen valun avulla. (b) Puoliautomaattista kehys kehykseltä -seurantamenetelmää käytettiin manuaalisesti jäljitettävän ylemmän (uA) ja syvemmän (dA) aponeuroosin välissä sijaitsevien useiden fasikulaarien (F) näkyvien ominaisuuksien tunnistamiseen. Tämän jälkeen laskettiin edustava vertailukideke (rF) tunnistettujen sidekudososien perusteella arvioimaan solukon pituus euklidisena etäisyytenä kahden aponeuroosin lisäyspisteiden välillä.

Esimerkki vastus lateralis -lihaksen voiman ja sidoksen pituussuhteesta. Voiman ja solukon pituussuhde määritettiin kokeellisesti maksimaalisten vapaaehtoisten isometristen polven jatkeiden (neliöiden) ja vastaavan toisen asteen polynomin sovituksen (katkoviiva) avulla.

Nivelten kinematiikan ja lihaskudoksen pituuden arviointi kävelyn ja juoksun aikana

Kymmenen minuutin kävely- ja juoksukokeiden aikana juoksumatolla (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Saksa) Vicon-liikkeen sieppausjärjestelmä (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S) tallensi oikean jalan kinemaattiset tiedot. , 250 Hz) käyttäen anatomisesti viitattuja markkereita, jotka on asetettu suurempaan trochanteriin, lateraaliseen reisiluun epikondyliin, lateral malleolukseen, toisen metatarsalin päähän ja tuberositas calcaneiin. Jalan kosketus kävelyn ja juoksun aikana määritettiin kinematiikkatiedoista hetkellisenä kantapään merkin30, 31 pystysuorassa asennossa, varpaiden irtoaminen kävelyn aikana kääntämällä metatarsalis-markkerin vaakasuuntaista nopeutta 30,32 ja juoksun aikana pienin polvinivelkulmassa, ts. pisimmällä polviasennolla31.

Vastaavien 10 minuutin kävelyn ja juoksun aikana 10 sekunnin ultraäänitallennus siepattiin synkronisesti kinemaattisen datan kanssa kahden minuutin välein. Yhden kokeen tuloksia käytettiin verrattaessa VL-solukkeiden käyttäytymistä kulkujen välillä, mutta kaikkia viittä tutkimusta käytettiin luotettavuusanalyysiin (katso alla). Ultraäänikuvat tallennettiin 43 Hz: n sieppaustaajuudella käyttäen 10 cm: n lineaarista matriisianturia, joka kiinnitettiin mittatilaustyönä valmistettuun joustavaan, liukumista estävään neopreeni / muovivaluun (kuvio 1) ja sidekudoksen pituus mitattiin edellä kuvatulla tavalla. Solmupituustiedot suodatettiin käyttämällä toisen asteen alipäästöistä Butterworth-suodatinta, jonka rajataajuus oli 6 Hz, ja keskiarvo 6–11 askelta (8,1 ± 0,9) kullekin osallistujalle ja kävelylle (ts. Kävelylle ja juoksulle). / p>

VL MTU: n siihen liittyvä pituuden muutos liikkumisen aikana laskettiin polvinivelen kulman muutoksen ja yksittäisen kulmakohtaisen polvilumpion jänteenvivun tuloksen tulona MTU: n alkuperäinen pituus jalan kosketuksessa määritettiin Hawkinsin ja Hull34: n antaman regressioyhtälön perusteella. MTU ja solujen nopeudet liikkumisen aikana laskettiin pituuden muutoksen ensimmäiseksi johdannaiseksi ajan myötä. Kuva 3 havainnollistaa VL-solujen ja MTU: n pituuden muutoksia kävelyn ja juoksun aikana edustavalta osallistujalta kolmena peräkkäisenä vaihejaksona.

Vastus lateralis-jänneyksikön (MTU) pituus, lihaskudoksen pituus ja elektromyografinen (EMG) ) edustavan osallistujan toiminta kolmen peräkkäisen kävely- (vasen) ja juoksevan (oikea) vaiheen aikana. Vastaavat viritysvaiheet on varjostettu harmaalla.

VL-kimpun pituuden kokeellinen määritys liikkumisen aikana oli testattu luotettavuuden osalta vertaamalla viittä yksittäistä arviointia kahdella erillisellä päivällä (3-4 päivää välillä). Ultraäänianturin tarkan uudelleensijoittamisen saavuttamiseksi toisen mittauspäivän aikana ultraäänikoettimen neljä kulmapistettä merkittiin iholle ei-pysyvän markkerin avulla. Merkityt paikat mitattiin joustavalla mittanauhalla suhteessa reiden mediaalisiin ja lateraalisiin kondyleihin, jotka edustavat kiinteitä anatomisia maamerkkejä. Toisena päivänä sijainti rekonstruoitiin vastaavasti ja osallistujat suorittivat saman kävelyprotokollan, kun taas sidekudoksen pituus siepattiin viisi kertaa.

EMG-lihasten aktiivisuuden arviointi liikkumisen aikana

Pinta Oikean VL-lihaksen EMG mitattiin kävely- ja juoksukokeiden aikana kahdeksan minuutin ajan juoksumatolla 60 sekunnin ajan langattoman EMG-järjestelmän ja kahden bipolaarisen pintaelektrodin (2 cm: n elektrodien välinen etäisyys) avulla, jotka asetettiin lihaksen vatsaan . Toisen kertaluvun ylipäästöinen Butterworth-suodatin 20 Hz: n katkaisutaajuudella, täyden aallon tasasuuntaus ja sitten alipäästösuodatin 20 Hz: n katkaisutaajuudella sovellettiin EMG-raakatietoihin. EMG-aktiivisuus keskiarvoistettiin vastaavasti 10 kävely- ja juoksuportaalle ja normalisoitiin kullekin osallistujalle juoksun aikana saavutettuun maksimiarvoon. VL-lihasten toiminnan alkamisen määrittämiseksi kävelyn ja juoksun aikana käytimme kynnystä, joka määriteltiin perustason aktiivisuudeksi plus kolme kertaa sen keskihajonta35,36. Edustava raaka EMG-tietojoukko on esitetty kuvassa 3.

Tilastot

EMG-ryhmän jokaisen vaihejakson asento ja heilahdusvaiheet normalisoitiin erikseen ajallisesti sidosryhmä pystyy yhdistämään EMG: n kahden eri ryhmän sidos- ja MTU-parametreihin. Kaksisuuntainen varianssianalyysi (ANOVA) toistetuille mittauksille tehtiin aktivointitilan (aktiivinen vs. passiivinen tila) parametrien (absoluuttinen ja normalisoitu L o-kappaleen ja MTU-pituuden, vastaavien toiminta-alueiden ja EMG-aktivaatiotilan keston) parametrien testaamiseksi. ja kävelytilan (kävely vs. juoksu) vaikutukset.Kaksisuuntaisia toistuvia toimenpiteitä ANOVA: ta käytettiin myös komponenttien (kyhmy vs. MTU) ja kävelytilan (kävely vs. juoksu) vaikutusten parametrien (normalisoitu kyhmyn ja MTU: n nopeuden) testaamiseen viritysvaiheen aktiivisessa tilassa. Kaikkien tutkittujen parametrien standardoitujen jäännösten normaalisuus testattiin Shapiro-Wilk-testillä vastaavaa ANOVA-mallia käyttäen. Vuorovaikutusvaikutukset testattiin post-hoc-avulla parillisella t-testillä vastaavien muuttujien arvojen erojen suhteen. Parillista t-testiä (kaksisuuntainen) käytettiin keskimääräisen EMG-aktiivisuuden, normalisoidun sidekudoksen pituuden ja nopeuden sekä voiman ja nopeuden potentiaalien erojen testaamiseen aktiivisessa tilassa kävelyn ja juoksun välillä. Jos jäännöksistä ei ole normaalia (sidekudoksen pituuden muutosten absoluuttinen ja suhteellinen alue, voiman pituuden potentiaali), Wilcoxonin signeeratun arvon testiä sovellettiin vastaavasti. Ryhmän antropometriaa verrattiin t-testillä riippumattomille näytteille.

Useiden korrelaatioiden kerrointa (CMC) 37 käytettiin fasikulaaripituuden määrityksen luotettavuuden testaamiseen viiden vaiheen koko syklin ajan kokeita kahden päivän ajan. Neliön keskimääräiset erot (RMSD) laskettiin päiville 1 ja 2 ja molemmille päiville kokeiden välisen vaihtelun kvantifioimiseksi. ANOVA toistuville toimenpiteille suoritettiin käyntikierron mahdollisten erojen tutkimiseksi kävelyn ja juoksun kahden testipäivän välillä. Merkitsevyystasoksi asetettiin a = 0,05. Α-tasoksi säädettiin 0,025 post-hoc-analyysia varten sekä kahden tekijän erillinen ei-parametrinen testaus.

Materiaalien ja tietojen saatavuus