Kísérleti tervezés

Harminc egészséges felnőtt (5 nő) vett részt ebben a tanulmányban, miután írásban tájékoztatták hozzájárulás a kísérleti eljáráshoz, amelyet a helyi etikai bizottság (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; EA2 / 076/15 hivatkozási szám) hagyott jóvá, a vonatkozó iránymutatásokkal és előírásokkal összhangban. A résztvevők rendszeresen fizikailag aktívak voltak, és az elmúlt fél évben nem számoltak be anamnézisükben neuromuszkuláris vagy csontváz-károsodásokról. A résztvevőket egyenlően osztották két csoportba (azaz n = 15). Az első csoportban (életkor: 27,3 ± 4,1 év, magasság: 179,2 ± 6,5 cm, tömeg: 75,0 ± 8,2 kg) a VL izom egyéni erő-fascicula hosszának viszonyát kísérletileg értékeltük maximális izometrikus önkéntes térdhosszabbításokkal a jobb lábszár összehúzódásai (MVC) a térdízület különböző szögeinél egy fékpadon, kombinálva a VL fasciák ultrahang képalkotásával. A térdízületre kifejtett erőt a térdízület pillanatától és az ínkar karjától számítottuk, amelyet mágneses rezonancia képalkotással (MRI) határozunk meg. Egy második napon ugyanazon láb lábának VL fascicus hosszát és ízületi kinematikáját szinkronban mértük futópadon járás (1,5 m / s) és futás (3,0 m / s) közben ultrahangos és mozgásanalízissel. A gyalogos és futási sorrendet randomizálták a résztvevők között, és mindegyik sebességhez kétperces bemelegítési és ismerkedési szakasz előzte meg a 10 perces kísérleteket. A megbízhatósági elemzés érdekében a méréseket egy következő napon megismételtük. A második csoport résztvevői (életkor: 29,3 ± 6,7 év, magasság: 176,9 ± 8,0 cm, tömeg: 71,0 ± 12,0 kg) ugyanazt a járási és futási protokollt hajtották végre a futópadon, míg a jobb VL izom elektromiografikus (EMG) aktivitása elfogták. A VL aktivitás adatait ezután az első csoport kinematikai és fasciculáris hosszának adataival kombinálták.

Az izom belső tulajdonságainak értékelése

A résztvevőket egy dinamométeren ültették (Biodex Medical, Syst 3, Inc., Shirley, NY), kismedencei hevederrel rögzítve a derék körül, miközben a karokat keresztbe tették a mellkas felett. A csípőízület szöget 85 ° -ra (0 ° = hanyatt) állítottuk be, hogy csökkentse a kétízületi m hozzájárulását. rectus femoris a térdhosszabbítás pillanatáig23. A standardizált bemelegítést követően a jobb láb nyolc MVC-jét, köztük 2 másodperces platóval végeztük, 20 ° és 90 ° közötti térdízületi szögben (0 ° = térd meghosszabbítva), 10 ° intervallumokban, randomizált sorrendben. Mivel a nyugalmi állapotban a dinamométer adatain alapuló szögek nem reprezentatívak a térd szögeire az összehúzódások során a lágyrész deformációja és a dinamométer megfelelősége miatt24, a láb kinematikáját hat fényvisszaverő marker (elülső csípőgerinc, nagyobb trochanter, oldalsó és mediális) alapján rögzítettük femorális epicondyle és malleoli) Vicon mozgásrögzítő rendszerrel (1.7.1. verzió, Vicon Motion Systems, Oxford, Egyesült Királyság), nyolc kamerát (6x F20, 2x T20) integrálva 250 Hz-en. A marker pályákat egy másodrendű aluláteresztő Butterworth szűrővel kiegyenlítettük, 6 Hz-es határfrekvenciával16.

A térdízületnél keletkező pillanatokat inverz dinamika segítségével számoltuk ki a közölt módszertan szerint Arampatzis és mtsai. 24, figyelembe véve (a) a térdízület tengelye és a fékpad tengelye közötti eltérés és (b) a gravitációs erők hatását. Ennek megfelelően a gravitáció miatti ízületi szögspecifikus momentumokat a fékpad által hajtott passzív térdízület forgás közben (5 ° / s) határozták meg, miközben a résztvevők teljesen ellazultak. Ezenkívül figyelembe vettük a combhajlító izmok által kiváltott antagonista momentum hozzájárulását azáltal, hogy kapcsolatot alakítottunk ki az EMG amplitúdója és a combizom agonista munkája közben kifejtett momentuma között25. Az izom bicepsz femoris EMG aktivitását és a combizmok által létrehozott megfelelő momentumot nyugodt állapotban és két további, különböző intenzitású szubmaximális izometrikus térdhajlási összehúzódás során mértük Mademli et al. Az EMG aktivitást szinkronban mértük a kinematikai adatokkal egy vezeték nélküli EMG rendszer (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Svájc) felhasználásával, 1000 Hz felvételi frekvencián.

A patella ínre gyakorolt erő a Az MVC-ket a térdízület nyomatékának és az ínkar karjának hányadosaként számoltuk. A teljesen kinyújtott térdnél a kar kart háromdimenziós koordináta-rendszerben mértük, az MRI alapján az ín hatásvonalának a térd forgástengelyéhez merőleges távolságát.A patella ín hatásvonalát úgy határoztuk meg, hogy az ín keresztmetszeti területeinek geometriai középpontjain keresztül a legjobb lineáris illeszkedés vonala lett, amelyeket a keresztirányú képek szegmentálásából rekonstruáltunk (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR) ) szekvencia, Esaote, Genova, Olaszország) a patella csont farokpólusa és a sípcső tuberozitásánál bekövetkező kezdeti beillesztés között. A térdízület megfelelő forgástengelyét úgy határoztuk meg, hogy a sagittális mágneses rezonancia vizsgálatban az oldalsó és a mediális femorális epikondíliákat szegmentáltuk, és a megfelelő legjobban illeszkedő körök középpontjait összekötöttük Churchill és mtsai. Az ín momentum karját a térdízület szögének függvényében kiszámítottuk a momentum kar változásainak feldolgozásával az ízület szögéhez viszonyítva, Herzog és Read28 adatai alapján.

Az MVC során a VL fascicusok B-módú ultrahangvizsgálattal rögzítették (My Lab60, Esaote, Genova, Olaszország). 10 cm-es lineáris tömböt, 43 Hz-en (LA923, 10 MHz, mélység 7,4 cm, fókuszpont 1.8, képszűrő nélkül) működő, a VL izomhasza feletti bőrre (a combcsont hosszának ~ 50% -a) csatlakoztattuk, párhuzamos felületes és mélyebb aponeurosisra, valamint az izomszalag szerkezeteire utaló, rugalmas pántokkal rögzített, hiperechoikus, perimysialis intramuszkuláris kötőszövet tisztaságára. Az ultrahangos készüléket és a mozgásrögzítő rendszert szinkronizálták egy kézzel kiadott 5 V-os kiváltó jellel. A szál hosszát az ultrahangos videók alapján határoztuk meg egy Matlab-ban (R2012a verzió, The Mathworks, Natick, USA) írt, saját fejlesztésű, félautomata követési algoritmus29 segítségével. Röviden, az eljárás magában foglalta a mélyebb és a felszínes aponeurosis közelítését a legjobb lineáris illesztéssel, három kézzel elhelyezett és képkockánként beállított jelen keresztül a megfelelő belső kötőszöveti rétegben (1. ábra). Ezután a Matlab Image Processing eszköztár bwtraceboundary függvényén alapuló félig automatizált algoritmus automatikusan azonosította a képfényesség jellemzőinek alakját és orientációját az egyes keretek mindkét aponeurosis között, amelyek jelzik a hiperechoikus perimysialis kötőszöveti részeket (kivonatokat). az izomszalagok (1. ábra). Az észlelt részleteket érvényesnek tekintették, a következő követelmények teljesültek: minimális hosszúság 23 pixel (azaz 0,4 cm, a kódrészlet bal alsó sarkától a jobb felső pontjáig); a terület és a hossz aránya 8,5 (azonosítja a hosszú és keskeny alakú fehér területeket, amelyeket aztán vonalakká alakítottak át); a szelvény és a felső aponeurosis közötti szög 6 ° és 35 ° között; A kódrészlet kezdő és végpontja közötti vonalon lévő pixelek 80% -ának fehérnek kellett lennie. Minden keretet utólag vizuálisan kontrolláltunk a megfelelő funkciók elhelyezése érdekében, és szükség esetén manuálisan korrigáltuk (például eltávolítottuk a nem perimysialis kötőszöveti részeket). A lineáris referencia fasciculust az egyes azonosított jellemzők átlagaként számítottuk ki, és a fascicus hosszának meghatározásához használtuk (1. ábra). Ezenkívül a fasciák hosszát átlagoltuk az egyes MVC fennsíkjától számított tíz képkockán. A patella ínre kifejtett maximális erő és a megfelelő VL fascicle hossz alapján minden résztvevő számára egy másodrendű polinomiális illeszkedés alapján kiszámítottunk egy egyedi erő-fascicle hosszviszonyt (2. ábra) a maximális izom meghatározásához. az ínre kifejtett erő (F max) és az erő létrehozására szolgáló L o. A rel = 0,34 és a b rel = 4,03 s − 1 22 VL izomspecifikus állandókat használtuk a maximális fasciás rövidülési sebesség V max = 11,85 L 0 s − 1 értékelésére. Ezután a klasszikus Hill-egyenlet2 szerint leírjuk a VL-szelvények erő-sebesség viszonyát.

A vastus lateralis izomszalag hosszának ultrahang alapú meghatározása. a) Az ultrahang-jelátalakítót testre szabott neoprén rugalmas gipsz segítségével gondosan rögzítettük az izom hasán. (b) Félautomata képkockánkénti követési eljárást alkalmaztak a manuálisan nyomon követhető felső (uA) és a mélyebb (dA) aponeurosis között elhelyezkedő több fascicula (F) látható jellemzőinek azonosítására. Ezután kiszámítottunk egy reprezentatív referencia fasciculust (rF) az azonosított fasciculáris részek alapján, hogy értékeljük a fascicle hosszát, mint az euklideszi távolságot a két aponeurosis beillesztési pontja között.

A vastus lateralis izom példaértékű erő-fascicula viszonya. Az erő és a hasnyál hosszának összefüggését kísérletileg meghatároztuk a maximális önkéntes izometrikus térdhosszabbítások (négyzetek) és a megfelelő másodrendű polinomiális illesztés (szaggatott vonal) segítségével.

Az ízületi kinematika és az izomszalag hosszának értékelése járás és futás közben

A futópadon (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Németország) 10 perces gyaloglás és futás során a jobb láb kinematikai adatait rögzítette a Vicon mozgásrögzítő rendszer (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), anatómiailag hivatkozott markerek alkalmazásával, amelyek a nagyobb trochanterre, laterális femoralis epicondyle-ra, laterális malleolusra, a második metatarsalis fejére és a tuberositas calcanei-re kerültek. A láb érintését gyaloglás és futás közben a kinematikai adatok alapján határoztuk meg, mint a sarokjelző függőleges helyzetének minimális függőleges helyzetét30, 31, a lábujjat a járás közben a metatarsalis marker vízszintes sebességének megfordulásaként30,32 és futás közben minimum térdízületi szögben, azaz a leghosszabb térdpozíció31.

A megfelelő 10 perc járás és futás során kétpercenként szinkronban rögzítettünk egy 10 másodperces ultrahang-felvételt a kinematikai adatokkal. Míg egy vizsgálat adatait használták a VL fascicle viselkedésének összehasonlítására a menetek között, mind az öt vizsgálatot használták a megbízhatóság elemzéséhez (lásd alább). Az ultrahangos képeket 43 Hz-es rögzítési frekvencián rögzítettük egy 10 cm-es lineáris tömb-jelátalakítóval, amelyet egyedi gyártású rugalmas, csúszásgátló neoprén / műanyag öntvényben rögzítettünk (1. ábra), és a faska hosszát a fent leírtak szerint mértük. A fagikulák hosszának adatait másodrendű aluláteresztő Butterworth szűrővel szűrtük, 6 Hz-es határfrekvenciával, és átlagoltuk 6–11 lépés (8,1 ± 0,9) felett minden résztvevő és járás (azaz járás és futás) esetében. / p>

A VL MTU mozgás közbeni hosszváltozását a térdízület dőlésszögének változásának és az egyedi szögspecifikus patelláris ínkar karjának szorzataként számoltuk33. Az MTU kezdeti hosszát a láb érintésekor Hawkins és Hull34 regressziós egyenlete alapján határoztuk meg. Az idő hosszának változásának első deriváltjaként kiszámítottuk az MTU-t és a fasciculus sebességét a mozgás során. A 3. ábra szemlélteti a VL fasciák és az MTU hosszváltozásait egy reprezentatív résztvevőtől való gyaloglás és futás során három egymást követő lépésciklus alatt.

Vastus lateralis izom-ín egység (MTU) hossza, izomszalag hossza és elektromiografikus (EMG) ) egy reprezentatív résztvevő tevékenysége három egymást követő gyaloglás (bal) és futás (jobb) lépés során. A megfelelő testtartási fázisok szürke színnel vannak árnyékolva.

A VL fascicus hosszának kísérleti meghatározása a mozgás során megbízhatóságát tesztelték öt különálló értékelés összehasonlításával két külön napon (3-4 nap között). Az ultrahangos szonda pontos helymeghatározásának elérése érdekében a második mérési napon az ultrahangos szonda négy sarki pontját nem állandó marker segítségével jelöltük a bőrön. A megjelölt pozíciókat rugalmas mérőszalaggal mértük a mediális és laterális combcsont kondíliákhoz képest, rögzített anatómiai tereptárgyakat képviselve. A második napon a helyzetet ennek megfelelően rekonstruálták, és a résztvevők ugyanazt a járási protokollt hajtották végre, miközben a fascicus hosszát ismét ötször rögzítették.

Az EMG izomaktivitásának értékelése a mozgás során

Felület A jobb VL izom EMG-jét a futószalagon 60 percen keresztül nyolc percig tartó futás és futás során mértük a vezeték nélküli EMG rendszer és az izom hasára helyezett két bipoláris felületi elektród (2 cm elektródák közötti távolság) segítségével. . A nyers EMG adatokra egy másodrendű, 20 Hz-es cut-off frekvenciájú, nagyhullámú egyenirányítást, majd egy 20 Hz-es cut-off frekvenciájú aluláteresztő szűrőt alkalmaztak a nyers EMG adatokra. Az EMG aktivitást átlagoltuk 10 gyalogos és futási lépésnél, és minden résztvevő számára a futás során elért maximális értékre normalizáltuk. A VL izomaktivitás megindulásának meghatározásához járás és futás során olyan küszöböt használtunk, amelyet az alapszint aktivitásaként megadunk, plusz a szórás háromszorosával35,36. Egy reprezentatív nyers EMG adatkészletet a 3. ábra mutat be.

Statisztika

Az EMG csoport egyes lépésciklusainak helyzetét és lengési fázisait külön-külön normalizálták a fascicula csoport, hogy az EMG-t össze lehessen kapcsolni a két különböző csoport fasciculáris és MTU paramétereivel. Kétirányú varianciaanalízist (ANOVA) végeztek az ismételt mérésekhez, hogy teszteljék a paramétereket (abszolút és L o fasciára és MTU hosszra normalizált, a megfelelő működési tartományok és az EMG aktivációs állapot időtartama) az aktiválási állapotra (aktív vagy inaktív állapot) és járási állapot (járás vs. futás) hatásai.Kétirányú, ismételt mértékű ANOVA-t is alkalmaztak a paraméterek (normalizált fascicula és MTU sebesség) tesztelésére a komponens (fascicula vs MTU) és járási állapot (járás vs. futás) hatásokhoz a testtartás fázis aktív állapotában. Az összes vizsgált paraméter standardizált maradványainak normalitását Shapiro-Wilk teszttel teszteltük a megfelelő ANOVA modell alkalmazásával. Az interakciós hatásokat post-hoc segítségével páros t-teszttel teszteltük a megfelelő változó értékek különbségeire. Egy párosított t-tesztet (kétfarkú) alkalmaztunk az átlagolt EMG-aktivitás, a normalizált fasciális hossz és sebesség, valamint az erő-sebesség potenciálok különbségének tesztelésére aktív állapotban a gyaloglás és a futás között. A maradványok nem normális volta esetén (a fasciák hosszának változásainak abszolút és relatív tartománya, erőhossz-potenciál) ennek megfelelően a Wilcoxon jel-rang tesztet alkalmaztuk. A csoportos antropometriákat t-teszttel hasonlítottuk össze független mintákra.

A többszörös korreláció együtthatóját (CMC) 37 alkalmaztuk a fasciás hossz meghatározásának megbízhatóságának tesztelésére az öt lépés teljes ciklusában. próbák a két napon. A próbák közötti variabilitás számszerűsítéséhez az 1. és 2. napra, valamint mindkét napra kiszámítottuk a középső négyzetkülönbségeket (RMSD). ANOVA-t ismételve végeztek a járásciklus lehetséges eltéréseinek vizsgálatához a két tesztnap között a gyalogláshoz és a futáshoz. A szignifikancia szintjét α = 0,05 értékre állítottuk be. Az α-szintet 0,025-re állítottuk a post-hoc elemzéshez, valamint a két tényező külön, nem parametrikus teszteléséhez.

Anyagok és adatok elérhetősége