Conception expérimentale

Trente adultes en bonne santé (5 femmes) ont participé à la présente étude après avoir donné des informations écrites consentir à la procédure expérimentale, qui a été approuvée par le comité d’éthique local (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10117 Berlin; numéro de référence EA2 / 076/15) et conformément aux directives et réglementations en vigueur. Les participants étaient régulièrement actifs physiquement et n’ont signalé aucun antécédent de déficience neuromusculaire ou squelettique au cours des six derniers mois. Les participants ont été répartis également en deux groupes (c.-à-d. N = 15). Dans le premier groupe (âge: 27,3 ± 4,1 ans, taille: 179,2 ± 6,5 cm, masse: 75,0 ± 8,2 kg), la relation de longueur individuelle force-fascicule du muscle LV a été évaluée expérimentalement au moyen d’extensions de genou volontaires isométriques maximales. contractions (MVC) de la jambe droite à différents angles d’articulation du genou sur un dynamomètre en combinaison avec l’imagerie par ultrasons des faisceaux VL. La force appliquée au tendon rotulien a été calculée à partir du moment de l’articulation du genou et du bras de levier du tendon, qui a été déterminé par imagerie par résonance magnétique (IRM). Un deuxième jour, la longueur du fascicule VL et la cinématique articulaire de la même jambe ont été mesurées de manière synchrone pendant la marche (1,5 m / s) et la course (3,0 m / s) sur un tapis roulant en utilisant respectivement l’échographie et l’analyse du mouvement. L’ordre de marche et de course a été randomisé entre les participants et une phase d’échauffement et de familiarisation de deux minutes pour chaque vitesse a précédé les essais de 10 minutes. Les mesures ont été répétées le jour suivant pour une analyse de fiabilité. Les participants du deuxième groupe (âge: 29,3 ± 6,7 ans, taille: 176,9 ± 8,0 cm, masse: 71,0 ± 12,0 kg) ont effectué le même protocole de marche et de course sur tapis roulant pendant l’activité électromyographique (EMG) du muscle droit de la LV a été capturé. Les données d’activité de la LV ont ensuite été combinées avec les données de cinématique et de longueur de fascicule du premier groupe.

Évaluation des propriétés intrinsèques du muscle

Les participants étaient assis sur un dynamomètre (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), fixé avec une sangle pelvienne autour de la taille tandis que les bras étaient maintenus croisés au-dessus de la poitrine. L’angle de l’articulation de la hanche a été réglé à 85 ° (0 ° = en décubitus dorsal) afin de réduire la contribution du m bi-articulaire. rectus femoris au moment d’extension du genou 23. Suite à un échauffement standardisé, huit MVC de la jambe droite incluant un plateau d’environ 2 s ont été réalisés dans une plage d’angle articulaire du genou de 20 ° à 90 ° (0 ° = genou étendu) à intervalles de 10 ° dans un ordre aléatoire. Comme les angles basés sur les données du dynamomètre au repos ne sont pas représentatifs des angles du genou lors des contractions en raison de la déformation des tissus mous et de la compliance du dynamomètre24, la cinématique des jambes a été enregistrée sur la base de six marqueurs réfléchissants (épine iliaque antérieure, grand trochanter, latéral et médial épicondyle fémoral et malléoles) en utilisant un système de capture de mouvement Vicon (Version 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, UK) intégrant huit caméras (6x F20, 2x T20) à 250 Hz. Les trajectoires des marqueurs ont été lissées à l’aide d’un filtre de Butterworth passe-bas du second ordre avec une fréquence de coupure de 6 Hz16.

Les moments résultants au niveau de l’articulation du genou ont été calculés au moyen de la dynamique inverse selon la méthodologie rapportée par Arampatzis et al.24 pour expliquer (a) l’effet du désalignement entre l’axe de l’articulation du genou et l’axe du dynamomètre et (b) l’effet des forces gravitationnelles. En conséquence, les moments spécifiques de l’angle articulaire dus à la gravité ont été déterminés lors d’une rotation passive de l’articulation du genou (5 ° / s) entraînée par le dynamomètre, alors que les participants étaient complètement détendus. De plus, la contribution du moment antagoniste produit par les muscles ischio-jambiers a été considérée en établissant une relation entre l’amplitude EMG et le moment exercé des ischio-jambiers tout en agissant comme agoniste25. L’activité EMG du muscle biceps fémoral et le moment correspondant produit par les ischio-jambiers ont été mesurés dans un état détendu et pendant deux contractions de flexion isométrique du genou sous-maximales supplémentaires d’intensité différente, selon la méthodologie rapportée par Mademli et al.26. L’activité EMG a été mesurée de manière synchrone avec les données cinématiques à l’aide d’un système EMG sans fil (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Suisse) à une fréquence d’acquisition de 1000 Hz.

La force appliquée au tendon rotulien pendant la Les MVC ont été calculées en tant que quotient du moment de l’articulation du genou et du bras de levier du tendon. Pour le genou complètement étendu, le bras de levier a été mesuré dans un système de coordonnées tridimensionnel comme la distance perpendiculaire de la ligne d’action du tendon à l’axe de rotation du genou basé sur l’IRM.La ligne d’action du tendon rotulien a été définie comme la ligne de meilleur ajustement linéaire à travers les centres géométriques des zones de section transversale du tendon, qui ont été reconstruites à partir de la segmentation d’images transversales (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ), Esaote, Gênes, Italie) entre le pôle caudal de l’os rotulien et l’insertion initiale au niveau de la tubérosité tibiale. L’axe de rotation correspondant de l’articulation du genou a été déterminé en segmentant les épicondyles fémoraux latéraux et médiaux dans les scans par résonance magnétique sagittale et en reliant les centres des cercles les mieux ajustés respectifs selon Churchill et al.27. Le bras de moment du tendon en fonction de l’angle de l’articulation du genou a été calculé en traitant les changements du bras de moment par rapport à l’angle de l’articulation sur la base des données fournies par Herzog et Read28.

Pendant les MVC, les faisceaux VL étaient capturé par échographie en mode B (My Lab60, Esaote, Gênes, Italie). Une sonde linéaire de 10 cm fonctionnant à 43 Hz (LA923, 10 MHz, profondeur 7,4 cm, point focal 1,8, pas de filtre d’image) a été fixée à la peau au-dessus du ventre du muscle VL (≈50% de la longueur du fémur), ajustée par rapport à l’aponévrose superficielle et plus profonde parallèle et à la clarté du tissu conjonctif intramusculaire périmysial hyperéchogène aligné qui indique les structures du fascicule musculaire, et fixé par des sangles élastiques. Le dispositif à ultrasons et le système de capture de mouvement ont été synchronisés par un signal de déclenchement de 5 V déclenché manuellement. La longueur du fascicule a été déterminée à partir des vidéos échographiques par un algorithme de suivi semi-automatique auto-développé29 écrit en Matlab (version R2012a, The Mathworks, Natick, USA). En bref, la procédure comprenait une approximation de l’aponévrose plus profonde et superficielle par un meilleur ajustement linéaire à travers trois marques placées manuellement et ajustées image par image sur la couche de tissu conjonctif interne respective (Fig. 1). Ensuite, un algorithme semi-automatisé basé sur la fonction bwtraceboundary de la boîte à outils Matlab Image Processing a identifié automatiquement la forme et l’orientation des caractéristiques de luminosité de l’image entre les deux aponévrose dans chaque image, qui sont indicatives pour les parties de tissu conjonctif péri-échoïque les fascicules musculaires (Fig.1). Les extraits détectés ont été considérés comme valides, les conditions suivantes ont été remplies: longueur minimale de 23 pixels (soit 0,4 cm, du point inférieur gauche au point supérieur droit d’un extrait); rapport surface / longueur de 8,5 (identifie les zones blanches de forme longue et étroite qui ont ensuite été converties en lignes); angle entre l’extrait et l’aponévrose supérieure entre 6 ° et 35 °; 80% des pixels sur une ligne entre le début et la fin d’un extrait de code devaient être blancs. Chaque cadre a ensuite été contrôlé visuellement pour un placement adéquat des caractéristiques et corrigé manuellement si nécessaire (par exemple, les parties de tissu conjonctif non périmysial ont été supprimées). Un fascicule de référence linéaire a été calculé comme une moyenne des caractéristiques uniques identifiées et a été utilisé pour la détermination de la longueur du fascicule (Fig. 1). De plus, la longueur du fascicule a été moyennée sur dix images du plateau de chaque MVC. Sur la base de la force maximale appliquée au tendon rotulien et de la longueur du fascicule VL correspondante, une relation force-longueur de fascicule individuelle a été calculée pour chaque participant sur la base d’un ajustement polynomial de second ordre (Fig.2), pour déterminer le muscle maximal force appliquée au tendon (F max) et L o pour la génération de force. Les constantes spécifiques du muscle VL de a rel = 0,34 et b rel = 4,03 s − 1 22 ont été utilisées pour évaluer la vitesse maximale de raccourcissement du fascicule V max = 11,85 L 0 s − 1. La relation force-vitesse des faisceaux VL a ensuite été décrite en suivant l’équation classique de Hill2.

Détermination échographique de la longueur des fascicules musculaires vastus lateralis. (a) Le transducteur à ultrasons a été soigneusement fixé sur le ventre du muscle au moyen d’un moulage élastique en néoprène personnalisé. (b) Une procédure de suivi semi-automatique image par image a été utilisée pour identifier les caractéristiques visibles de plusieurs fascicules (F) situés entre l’aponévrose supérieure (uA) et plus profonde (dA) tracée manuellement. Un fascicule de référence représentatif (rF) a ensuite été calculé sur la base des portions de fascicule identifiées pour évaluer la longueur du fascicule comme la distance euclidienne entre les points d’insertion avec les deux aponévrose.

Relation exemplaire force-longueur du fascicule du muscle vastus lateralis. La relation force-longueur de fascicule a été déterminée expérimentalement au moyen d’extensions de genou isométriques volontaires maximales (carrés) et d’un ajustement polynomial de second ordre respectif (ligne en pointillés).

Évaluation de la cinématique articulaire et de la longueur du fascicule musculaire pendant la marche et la course

Lors d’essais de marche et de course de 10 minutes sur tapis roulant (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Allemagne), les données cinématiques de la jambe droite ont été enregistrées par le système de capture de mouvement Vicon (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), à l’aide de marqueurs à référence anatomique placés sur le grand trochanter, l’épicondyle fémoral latéral, la malléole latérale, la tête du deuxième métatarsien et la tuberositas calcanei. Le toucher du pied pendant la marche et la course a été déterminé à partir des données cinématiques comme instant de la position verticale minimale du marqueur de talon30,31, l’orteil pendant la marche comme inversion de la vitesse horizontale du marqueur metatarsalis30,32 et pendant la course comme le minimum dans l’angle de l’articulation du genou, c’est-à-dire la position du genou la plus étendue31.

Pendant les 10 minutes respectives de marche et de course, un enregistrement échographique de 10 s a été capturé de manière synchrone avec les données cinématiques toutes les deux minutes. Alors que les données d’un essai ont été utilisées pour comparer le comportement des fascicules de la LV entre les allures, les cinq essais ont été utilisés pour l’analyse de fiabilité (voir ci-dessous). Les images échographiques ont été enregistrées à une fréquence de capture de 43 Hz en utilisant un transducteur linéaire de 10 cm qui a été fixé dans un moulage en néoprène / plastique flexible et antidérapant sur mesure (Fig.1) et la longueur du fascicule a été mesurée comme décrit ci-dessus. Les données de longueur de fascicule ont été filtrées à l’aide d’un filtre de Butterworth passe-bas de second ordre avec une fréquence de coupure de 6 Hz et moyennées sur 6 à 11 étapes (8,1 ± 0,9) pour chaque participant et démarche (c.-à-d., Marche et course).

Le changement de longueur associé du VL MTU pendant la locomotion a été calculé comme le produit du changement de l’angle de l’articulation du genou et du bras de levier du tendon rotulien spécifique à l’angle individuel33. La longueur MTU initiale au toucher du pied a été déterminée sur la base de l’équation de régression fournie par Hawkins et Hull34. MTU et les vitesses des fascicules pendant la locomotion ont été calculées comme la première dérivée du changement de longueur au fil du temps. La figure 3 illustre les changements de longueur des faisceaux VL et MTU pendant la marche et la course à partir d’un participant représentatif sur trois cycles de pas consécutifs.

Vastus lateralis muscle-tendon unit (MTU) length, muscle fascicle length and electromyographic (EMG) ) activité d’un participant représentatif pendant trois étapes consécutives de marche (à gauche) et de course (à droite). Les phases de posture respectives sont grisées.

La détermination expérimentale de la longueur du fascicule VL pendant la locomotion a été testé pour la fiabilité en comparant cinq évaluations uniques sur deux jours distincts (3 à 4 jours entre les deux). Pour obtenir un repositionnement précis de la sonde à ultrasons le deuxième jour de mesure, les quatre points d’angle de la sonde à ultrasons ont été marqués sur la peau à l’aide d’un marqueur non permanent. Les positions marquées ont été mesurées avec un ruban de mesure flexible par rapport aux condyles du fémur médial et latéral, représentant des repères anatomiques fixes. Le deuxième jour, la position a été reconstruite en conséquence et les participants ont exécuté le même protocole de marche tandis que la longueur du fascicule a été capturée cinq fois.

Évaluation de l’activité musculaire EMG pendant la locomotion

Surface L’EMG du muscle droit VL a été mesuré pendant les essais de marche et de course après huit minutes sur le tapis roulant pendant 60 s au moyen du système EMG sans fil et de deux électrodes de surface bipolaires (distance inter-électrodes de 2 cm) placées sur le ventre du muscle . Un filtre de Butterworth passe-haut du second ordre avec une fréquence de coupure de 20 Hz, un redressement pleine onde puis un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure de 20 Hz ont été appliqués aux données EMG brutes. L’activité EMG a été calculée en moyenne sur 10 étapes de marche et de course, respectivement, et normalisée pour chaque participant à la valeur maximale atteinte pendant la course. Pour déterminer le début de l’activité musculaire de la LV pendant la marche et la course, nous avons utilisé un seuil qui a été défini comme l’activité de base plus trois fois son écart type35,36. Un ensemble de données EMG brutes représentatives est présenté sur la figure 3.

Statistiques

Les phases de posture et de swing de chaque cycle de pas du groupe EMG ont été normalisées séparément dans le temps par rapport à celles du groupe de fascicules pour pouvoir relier l’EMG aux paramètres de fascicule et de MTU des deux groupes différents. Une analyse bidirectionnelle de la variance (ANOVA) pour des mesures répétées a été menée pour tester les paramètres (absolus et normalisés à la longueur du fascicule L o et MTU, les plages de fonctionnement respectives et la durée de l’état d’activation EMG) pour l’état d’activation (état actif vs état inactif) et les effets de l’état de marche (marche ou course).Une ANOVA à mesures répétées bidirectionnelle a également été utilisée pour tester les paramètres (fascicule normalisé et vitesse MTU) pour les effets des composants (fascicule vs MTU) et de l’état de la marche (marche vs course) pendant l’état actif de la phase d’appui. La normalité des résidus standardisés de tous les paramètres étudiés a été testée par le test de Shapiro-Wilk en utilisant le modèle ANOVA respectif. Les effets d’interaction ont été testés post-hoc par un test t apparié pour les différences des valeurs des variables respectives. Un test t apparié (bilatéral) a été utilisé pour tester les différences d’activité EMG moyenne, la longueur et la vitesse normalisées du fascicule ainsi que les potentiels force-vitesse à l’état actif entre la marche et la course. En cas de non-normalité des résidus (plage absolue et relative des changements de longueur de fascicule, potentiel force-longueur), le test du rang signé de Wilcoxon a été appliqué en conséquence. L’anthropométrie de groupe a été comparée au moyen d’un test t pour des échantillons indépendants.

Le coefficient de corrélations multiples (CMC) 37 a été utilisé pour tester la fiabilité de la détermination de la longueur des fascicules pour l’ensemble du cycle de pas des cinq essais sur les deux jours. Les différences quadratiques moyennes (RMSD) ont été calculées pour les jours 1 et 2 et les deux jours pour quantifier la variabilité entre les essais. Une ANOVA pour des mesures répétées a été réalisée pour examiner les différences possibles dans le cycle de marche entre les deux jours d’essai pour la marche et la course. Le niveau de signification a été fixé à α = 0,05. Le niveau α a été ajusté à 0,025 pour l’analyse post-hoc ainsi que pour les tests non paramétriques séparés des deux facteurs.

Disponibilité des matériaux et des données