Disegno sperimentale

Trenta adulti sani (5 femmine) hanno partecipato al presente studio dopo aver fornito informazioni scritte consenso alla procedura sperimentale, approvata dal comitato etico locale (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10117 Berlino; numero di riferimento EA2 / 076/15) e in conformità con le linee guida e i regolamenti pertinenti. I partecipanti erano regolarmente attivi fisicamente e non hanno riportato alcuna storia di menomazioni neuromuscolari o scheletriche negli ultimi sei mesi. I partecipanti sono stati equamente distribuiti a due gruppi (cioè n = 15). Nel primo gruppo (età: 27,3 ± 4,1 anni, altezza: 179,2 ± 6,5 cm, massa: 75,0 ± 8,2 kg), la relazione individuale forza-lunghezza del fascicolo del muscolo VL è stata valutata sperimentalmente mediante estensioni del ginocchio volontarie isometriche massime contrazioni (MVC) della gamba destra a diversi angoli dell’articolazione del ginocchio su un dinamometro in combinazione con l’imaging ecografico dei fascicoli VL. La forza applicata al tendine rotuleo è stata calcolata dal momento dell’articolazione del ginocchio e dal braccio di leva del tendine, che è stata determinata dalla risonanza magnetica (MRI). In un secondo giorno, la lunghezza del fascicolo VL e la cinematica articolare della stessa gamba sono state misurate in modo sincrono durante la deambulazione (1,5 m / s) e la corsa (3,0 m / s) su un tapis roulant utilizzando rispettivamente l’ecografia e l’analisi del movimento. L’ordine di marcia e di corsa è stato randomizzato tra i partecipanti e una fase di riscaldamento e familiarizzazione di due minuti per ciascuna velocità ha preceduto le prove di 10 minuti. Le misurazioni sono state ripetute il giorno successivo per un’analisi di affidabilità. I partecipanti del secondo gruppo (età: 29,3 ± 6,7 anni, altezza: 176,9 ± 8,0 cm, massa: 71,0 ± 12,0 kg) hanno eseguito lo stesso protocollo di camminata e corsa sul tapis roulant durante l’attività elettromiografica (EMG) del muscolo VL destro fu catturato. I dati di attività VL sono stati quindi combinati con i dati di cinematica e lunghezza del fascicolo del primo gruppo.

Valutazione delle proprietà intrinseche del muscolo

I partecipanti erano seduti su un dinamometro (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), fissata con una cinghia pelvica intorno alla vita mentre le braccia erano tenute incrociate sopra il petto. L’angolo dell’articolazione dell’anca è stato impostato a 85 ° (0 ° = supino) al fine di ridurre il contributo del m bi-articolare. retto femorale al momento di estensione del ginocchio23. Dopo un riscaldamento standardizzato, otto MVC della gamba destra, incluso un plateau di circa 2 s, sono stati eseguiti in un intervallo compreso tra 20 ° e 90 ° di angolo dell’articolazione del ginocchio (0 ° = ginocchio esteso) a intervalli di 10 ° in ordine randomizzato. Poiché gli angoli basati sui dati del dinamometro a riposo non sono rappresentativi degli angoli del ginocchio durante le contrazioni dovute alla deformazione dei tessuti molli e alla compliance dinamometrica24, la cinematica della gamba è stata registrata sulla base di sei marker riflettenti (colonna iliaca anteriore, grande trocantere, laterale e mediale epicondilo femorale e malleoli) utilizzando un sistema di acquisizione del movimento Vicon (Versione 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, Regno Unito) che integra otto telecamere (6x F20, 2x T20) a 250 Hz. Le traiettorie dei marker sono state livellate utilizzando un filtro Butterworth passa-basso di secondo ordine con una frequenza di taglio di 6 Hz16.

I momenti risultanti all’articolazione del ginocchio sono stati calcolati mediante dinamiche inverse secondo la metodologia riportata da Arampatzis et al.24 per spiegare (a) l’effetto del disallineamento tra l’asse dell’articolazione del ginocchio e l’asse del dinamometro e (b) l’effetto delle forze gravitazionali. Di conseguenza, i momenti specifici dell’angolo articolare dovuti alla gravità sono stati determinati durante una rotazione passiva dell’articolazione del ginocchio (5 ° / s) guidata dal dinamometro, mentre i partecipanti erano completamente rilassati. Inoltre, il contributo del momento antagonista prodotto dai muscoli posteriori della coscia è stato considerato stabilendo una relazione tra l’ampiezza dell’EMG e il momento esercitato dai muscoli posteriori della coscia mentre si lavora come agonisti25. L’attività EMG del muscolo bicipite femorale e il momento corrispondente prodotto dai muscoli posteriori della coscia sono stati misurati in una condizione rilassata e durante due ulteriori contrazioni isometriche di flessione del ginocchio di diversa intensità, secondo la metodologia riportata da Mademli et al.26. L’attività EMG è stata misurata in modo sincrono con i dati cinematici utilizzando un sistema EMG wireless (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Svizzera) a una frequenza di acquisizione di 1000 Hz.

La forza applicata al tendine rotuleo durante il MVC è stato calcolato come quoziente del momento dell’articolazione del ginocchio e del braccio di leva del tendine. Per il ginocchio completamente esteso, il braccio di leva è stato misurato in un sistema di coordinate tridimensionali come la distanza perpendicolare della linea di azione del tendine all’asse di rotazione del ginocchio in base alla risonanza magnetica.La linea di azione del tendine rotuleo è stata definita come la linea di migliore adattamento lineare attraverso i centri geometrici delle aree della sezione trasversale del tendine, che sono state ricostruite dalla segmentazione delle immagini trasversali (G-Scan, 0.25 T, 3D HYCE (GR ) sequenza, Esaote, Genova, Italia) tra il polo caudale dell’osso rotuleo e l’inserzione iniziale a livello della tuberosità tibiale. Il corrispondente asse di rotazione dell’articolazione del ginocchio è stato determinato segmentando gli epicondili femorali laterali e mediali nelle scansioni di risonanza magnetica sagittale e collegando i centri dei rispettivi cerchi più adatti secondo Churchill et al.27. Il momento del braccio tendineo in funzione dell’angolo dell’articolazione del ginocchio è stato calcolato elaborando i cambiamenti del braccio del momento in relazione all’angolo articolare sulla base dei dati forniti da Herzog e Read28.

Durante gli MVC i fascicoli VL erano catturato dall’ecografia B-mode (My Lab60, Esaote, Genova, Italia). Una sonda array lineare da 10 cm operante a 43 Hz (LA923, 10 MHz, profondità 7,4 cm, punto focale 1,8, nessun filtro immagine) è stata fissata alla pelle sopra la pancia del muscolo VL (≈50% della lunghezza del femore), regolata con rispetto all’aponeurosi parallela superficiale e più profonda e alla chiarezza del tessuto connettivo intramuscolare perimisiale iperecogeno allineato indicativo delle strutture dei fasci muscolari e fissato da cinghie elastiche. Il dispositivo a ultrasuoni e il sistema di acquisizione del movimento sono stati sincronizzati da un segnale di trigger da 5 V rilasciato manualmente. La lunghezza del fascicolo è stata determinata dai video ecografici da un algoritmo di tracciamento semiautomatico auto-sviluppato29 scritto in Matlab (versione R2012a, The Mathworks, Natick, USA). In breve, la procedura includeva un’approssimazione dell’aponeurosi più profonda e superficiale mediante un migliore adattamento lineare attraverso tre segni posizionati manualmente e regolati fotogramma per fotogramma sul rispettivo strato di tessuto connettivo interno (Fig. 1). Quindi, un algoritmo semi-automatico basato sulla funzione bwtraceboundary del toolbox Matlab Image Processing ha identificato automaticamente la forma e l’orientamento delle caratteristiche di luminosità dell’immagine tra le due aponeurosi in ciascun fotogramma, che sono indicative per le parti di tessuto connettivo perimisiale iperecogeno (frammenti) i fasci muscolari (Fig. 1). Gli snippet rilevati sono stati considerati validi i seguenti requisiti sono stati soddisfatti: lunghezza minima di 23 pixel (ovvero 0,4 cm, dal punto in basso a sinistra a quello in alto a destra di uno snippet); rapporto area / lunghezza di 8,5 (identifica le aree bianche con una forma lunga e stretta che sono state poi convertite in linee); angolo tra snippet e aponeurosi superiore compreso tra 6 ° e 35 °; L’80% dei pixel su una linea tra il punto iniziale e quello finale di uno snippet doveva essere bianco. Ogni struttura è stata successivamente controllata visivamente per un adeguato posizionamento delle caratteristiche e corretta manualmente se necessario (ad es. Sono state rimosse parti di tessuto connettivo non perimisiale). Un fascicolo di riferimento lineare è stato calcolato come media delle singole caratteristiche identificate ed è stato utilizzato per la determinazione della lunghezza del fascicolo (Fig. 1). Inoltre, la lunghezza del fascicolo è stata calcolata in media su dieci fotogrammi dall’altopiano di ogni MVC. Sulla base della forza massima applicata al tendine rotuleo e della lunghezza del fascicolo VL corrispondente, è stata calcolata una relazione individuale forza-lunghezza del fascicolo per ciascun partecipante sulla base di un adattamento polinomiale del secondo ordine (Fig.2), per determinare il muscolo massimo forza applicata al tendine (F max) e L o per la generazione della forza. Le costanti specifiche muscolari VL di a rel = 0,34 eb rel = 4,03 s − 1 22 sono state utilizzate per valutare la velocità massima di accorciamento del fascicolo V max = 11,85 L 0 s − 1. La relazione forza-velocità dei fascicoli VL è stata quindi descritta seguendo la classica equazione di Hill2.

Determinazione mediante ultrasuoni della lunghezza del fascio del muscolo vasto laterale. (a) Il trasduttore a ultrasuoni è stato accuratamente attaccato alla pancia del muscolo mediante un calco elastico in neoprene personalizzato. (b) Una procedura di tracciamento semiautomatica fotogramma per fotogramma è stata utilizzata per identificare le caratteristiche visibili di più fascicoli (F) situati tra l’aponeurosi superiore (uA) e quella più profonda (dA) tracciata manualmente. Un fascicolo di riferimento rappresentativo (rF) è stato quindi calcolato sulla base delle porzioni del fascicolo identificate per valutare la lunghezza del fascicolo come la distanza euclidea tra i punti di inserzione con le due aponeurosi.

Esemplare rapporto forza-lunghezza del fascicolo del muscolo vasto laterale. La relazione forza-lunghezza del fascicolo è stata determinata sperimentalmente mediante estensioni del ginocchio isometriche volontarie massime (quadrati) e un rispettivo adattamento polinomiale del secondo ordine (linea tratteggiata).

Valutazione della cinematica articolare e della lunghezza del fascio muscolare durante la camminata e la corsa

Durante le prove di corsa e camminata di 10 minuti sul tapis roulant (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Germania), i dati cinematici della gamba destra sono stati registrati dal sistema di acquisizione del movimento Vicon (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), utilizzando marker di riferimento anatomici posti sul grande trocantere, epicondilo femorale laterale, malleolo laterale, testa del secondo metatarso e tuberositas calcanei. Il touchdown del piede durante la deambulazione e la corsa è stato determinato dai dati cinematici come istante della posizione verticale minima del marker del tallone30,31, lo stacco durante la deambulazione come inversione della velocità orizzontale del marker metatarso30,32 e durante la corsa come il marker minimo nell’angolo dell’articolazione del ginocchio, cioè la posizione del ginocchio più estesa31.

Durante i rispettivi 10 minuti di camminata e corsa, una registrazione ecografica di 10 s è stata acquisita in sincronia con i dati cinematici ogni due minuti. Mentre i dati di uno studio sono stati utilizzati per confrontare il comportamento del fascicolo VL tra le andature, tutti e cinque gli studi sono stati utilizzati per l’analisi dell’affidabilità (vedi sotto). Le immagini ecografiche sono state registrate a una frequenza di acquisizione di 43 Hz utilizzando un trasduttore lineare da 10 cm fissato in un calco in neoprene / plastica antiscivolo flessibile su misura (Fig.1) e la lunghezza del fascicolo è stata misurata come descritto sopra. I dati sulla lunghezza del fascicolo sono stati filtrati utilizzando un filtro Butterworth passa-basso di secondo ordine con una frequenza di taglio di 6 Hz e calcolata in media da 6 a 11 passi (8,1 ± 0,9) per ogni partecipante e andatura (cioè, camminata e corsa). / p>

La variazione di lunghezza associata del VL MTU durante la locomozione è stata calcolata come il prodotto della variazione dell’angolo dell’articolazione del ginocchio e del braccio di leva del tendine rotuleo specifico per l’angolo 33. La lunghezza MTU iniziale al touchdown del piede è stata determinata in base all’equazione di regressione fornita da Hawkins e Hull34. Le velocità MTU e fascicolo durante la locomozione sono state calcolate come la prima derivata della variazione di lunghezza nel tempo. La Figura 3 illustra i cambiamenti di lunghezza dei fascicoli VL e MTU durante la deambulazione e la corsa da un partecipante rappresentativo per tre cicli di passi consecutivi.

Lunghezza unità muscolo-tendine (MTU) del vasto laterale, lunghezza del fascio muscolare ed elettromiografica (EMG ) attività di un partecipante rappresentativo durante tre passi consecutivi di camminata (sinistra) e corsa (destra). Le rispettive fasi di appoggio sono ombreggiate in grigio.

La determinazione sperimentale della lunghezza del fascicolo VL durante la locomozione era testato per l’affidabilità confrontando cinque singole valutazioni in due giorni separati (da 3 a 4 giorni in mezzo). Per ottenere un preciso riposizionamento della sonda ecografica nel secondo giorno di misurazione, i quattro punti angolari della sonda ecografica sono stati contrassegnati sulla pelle utilizzando un pennarello non permanente. Le posizioni contrassegnate sono state misurate con un nastro di misurazione flessibile rispetto ai condili femorali mediale e laterale, che rappresentano punti di riferimento anatomici fissi. Il secondo giorno, la posizione è stata ricostruita di conseguenza ei partecipanti hanno eseguito lo stesso protocollo di andatura mentre ancora una volta la lunghezza del fascicolo è stata catturata cinque volte.

Valutazione dell’attività muscolare EMG durante la locomozione

Superficie L’EMG del muscolo VL destro è stato misurato durante le prove di camminata e corsa dopo otto minuti sul tapis roulant per 60 s mediante il sistema EMG wireless e due elettrodi di superficie bipolari (distanza interelettrodica di 2 cm) che sono stati posizionati sul ventre muscolare . Ai dati EMG grezzi sono stati applicati un filtro Butterworth passa-alto del secondo ordine con una frequenza di taglio di 20 Hz, una rettifica a onda intera e quindi un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di 20 Hz. L’attività EMG è stata mediamente calcolata su 10 passi di camminata e corsa, rispettivamente, e normalizzata per ogni partecipante al valore massimo raggiunto durante la corsa. Per determinare l’inizio dell’attività muscolare VL durante la deambulazione e la corsa abbiamo utilizzato una soglia definita come l’attività di base più tre volte la sua deviazione standard35,36. Una serie di dati EMG grezzi rappresentativi è presentata nella Fig. 3.

Statistiche

Le fasi di appoggio e oscillazione di ogni ciclo di passi del gruppo EMG sono state normalizzate separatamente nel tempo a quelle del gruppo fascicolo per essere in grado di correlare l’EMG con i parametri fascicolo e MTU dei due diversi gruppi. È stata condotta un’analisi della varianza a due vie (ANOVA) per misure ripetute per testare i parametri (assoluto e normalizzato a L o fascicolo e lunghezza MTU, rispettivi intervalli operativi e durata dello stato di attivazione EMG) per lo stato di attivazione (stato attivo vs. inattivo) e le condizioni dell’andatura (camminare o correre)È stata utilizzata anche un’ANOVA a misure ripetute a due vie per testare i parametri (fascicolo normalizzato e velocità MTU) per gli effetti dei componenti (fascicolo vs. MTU) e delle condizioni dell’andatura (camminata vs. corsa) durante lo stato attivo della fase di appoggio. La normalità dei residui standardizzati di tutti i parametri investigati è stata testata dal test di Shapiro-Wilk utilizzando il rispettivo modello ANOVA. Gli effetti dell’interazione sono stati testati post-hoc mediante un t-test appaiato per le differenze dei rispettivi valori delle variabili. Un test t accoppiato (a due code) è stato utilizzato per testare le differenze di attività EMG media, lunghezza e velocità del fascicolo normalizzate, nonché potenziali forza-velocità nello stato attivo tra camminare e correre. In caso di non normalità dei residui (gamma assoluta e relativa di variazioni della lunghezza del fascicolo, potenziale forza-lunghezza) è stato applicato di conseguenza il test dei ranghi con segno di Wilcoxon. Le antropometriche di gruppo sono state confrontate mediante un test t per campioni indipendenti.

Il coefficiente di correlazioni multiple (CMC) 37 è stato utilizzato per testare l’affidabilità della determinazione della lunghezza del fascicolo per l’intero ciclo di fasi dei cinque prove nei due giorni. Le differenze quadratiche medie (RMSD) sono state calcolate per il giorno 1 e 2 e per entrambi i giorni per quantificare la variabilità tra le prove. È stata eseguita un’ANOVA per misurazioni ripetute per esaminare le possibili differenze nel ciclo del passo tra i due giorni di prova per camminare e correre. Il livello di significatività è stato fissato a α = 0,05. Il livello α è stato aggiustato a 0,025 per l’analisi post-hoc e per i test non parametrici separati dei due fattori.

Disponibilità di materiali e dati