歩行および走行中のヒト外側広筋の動作長と速度
実験計画
30人の健康な成人（5人の女性）が書面によるインフォームドコンセントを行った後、本研究に参加しました地域の倫理委員会（Ethikkomission、Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum、Charitéplatz1、10 117 Berlin;参照番号EA2 / 076/15）によって承認され、関連するガイドラインと規制に従って実験手順に同意します。参加者は定期的に身体的に活動しており、過去6か月間に神経筋または骨格の障害の病歴を報告していませんでした。参加者は2つのグループに均等に分配されました（つまり、n = 15）。最初のグループ（年齢：27.3±4.1歳、身長：179.2±6.5 cm、体重：75.0±8.2 kg）では、VL筋の個々の力と筋束の長さの関係を、最大の等尺性随意膝伸展によって実験的に評価しました。 VL束の超音波イメージングと組み合わせたダイナモメーターのさまざまな膝関節角度での右脚の収縮（MVC）。膝蓋腱に加えられる力は、膝関節モーメントと腱レバーアームから計算され、磁気共鳴画像法（MRI）によって決定されました。 2日目に、同じ脚のVL束の長さと関節の運動学を、超音波検査と運動分析を使用して、トレッドミルでの歩行（1.5 m / s）とランニング（3.0 m / s）中にそれぞれ同期して測定しました。ウォーキングとランニングの順序は参加者間でランダム化され、各速度の2分間のウォームアップと習熟フェーズが10分間のトライアルに先行しました。信頼性分析のために、翌日に測定を繰り返しました。 2番目のグループの参加者（年齢：29.3±6.7歳、身長：176.9±8.0 cm、体重：71.0±12.0 kg）は、右VL筋の筋電図（EMG）活動中に、トレッドミルで同じウォーキングおよびランニングプロトコルを実行しました。捕獲されました。次に、VL活動データを、最初のグループの運動学および筋束長データと組み合わせました。
筋肉固有の特性の評価
参加者は、動力計（Biodex Medical、Syst）に着席しました。 .3、Inc。、Shirley、NY）、腕を胸の上で交差させたまま、腰の周りに骨盤ストラップで固定。二関節筋の寄与を減らすために、股関節角度を85°（0°=仰臥位）に設定しました。大腿直筋から膝伸展モーメント23。標準化されたウォームアップに続いて、約2秒のプラトーを含む右脚の8つのMVCが、ランダム化された順序で10°間隔で20°から90°の膝関節角度（0°=膝伸展）の範囲で実行されました。安静時のダイナモメーターデータに基づく角度は、軟組織の変形とダイナモメーターのコンプライアンスによる収縮時の膝の角度を表していないため24、脚の運動は6つの反射マーカー（上前腸骨棘、大転子、外側および内側）に基づいて記録されました。 250 Hzで8台のカメラ（6x F20、2x T20）を統合したViconモーションキャプチャシステム（バージョン1.7.1、Vicon Motion Systems、オックスフォード、英国）を使用した大腿骨上顆およびくるぶし）。マーカーの軌跡は、カットオフ周波数が6Hzの2次ローパスバターワースフィルターを使用して平滑化されました16。
膝関節での結果のモーメントは、報告された方法に従って逆ダイナミクスによって計算されました。 Arampatzis et al.24による、（a）膝関節軸と動力計軸の間の不整合の影響、および（b）重力の影響を説明します。したがって、重力による関節角度固有のモーメントは、参加者が完全にリラックスしている間に、動力計によって駆動される受動的な膝関節の回転（5°/ s）中に決定されました。さらに、ハムストリング筋によって生成される拮抗モーメントの寄与は、アゴニストとして機能している間、EMG振幅とハムストリングの発揮モーメントとの関係を確立することによって考慮されました25。 Mademli et al.26によって報告された方法論に従って、大腿二頭筋のEMG活動と、ハムストリングスによって生成された対応するモーメントを、リラックスした状態で、強度の異なる2つの追加の最大下等尺性膝屈曲収縮中に測定しました。 EMG活動は、ワイヤレスEMGシステム（Myon m320RX、Myon AG、バール、スイス）を使用して、1000Hzの取得周波数で運動学的データと同期して測定されました。
膝蓋腱に加えられた力MVCは、膝関節モーメントと腱レバーアームの比率として計算されました。完全に伸ばされた膝の場合、レバーアームは、MRIに基づいて、膝の回転軸に対する腱の作用線の垂直距離として3次元座標系で測定されました。膝蓋腱の作用線は、横方向の画像のセグメンテーションから再構築された、腱の断面積の幾何学的中心を通る最良の線形適合線として定義されました（G-Scan、0.25 T、3D HYCE（GR ）シーケンス、Esaote、ジェノバ、イタリア）膝蓋骨の尾側極と脛骨結節での最初の挿入の間。膝関節の対応する回転軸は、矢状磁気共鳴スキャンで外側および内側大腿上顆をセグメント化し、Churchill etal.27に従ってそれぞれの最適な円の中心を接続することによって決定されました。膝関節角度の関数としての腱モーメントアームは、HerzogとRead28によって提供されたデータに基づいて、関節角度に関連するモーメントアームの変化を処理することによって計算されました。
MVC中、VL束はBモード超音波検査（My Lab60、Esaote、ジェノバ、イタリア）によってキャプチャされました。 43Hzで動作する10cmリニアアレイプローブ（LA923、10 MHz、深さ7.4 cm、焦点1.8、イメージフィルターなし）をVL筋腹（大腿骨長の約50％）の上の皮膚に取り付け、筋束構造を示し、弾性ストラップで固定された、整列した高エコー筋周膜筋肉内結合組織の表在性および深部腱膜と透明度を平行にする。超音波装置とモーションキャプチャシステムは、手動でリリースされた5Vトリガー信号によって同期されました。筋肉束の長さは、Matlab（バージョンR2012a、The Mathworks、Natick、USA）で記述された自己開発の半自動追跡アルゴリズム29によって超音波ビデオから決定されました。簡単に言えば、手順には、それぞれの内側結合組織層に手動で配置され、フレームごとに調整された3つのマークを介した最良の線形フィットによる、より深く表在性の腱膜の近似が含まれていました（図1）。次に、Matlab画像処理ツールボックスのbwtraceboundary関数に基づく半自動アルゴリズムにより、各フレームの両方の腱膜間の画像の明るさの特徴の形状と方向が自動的に識別されました。これは、筋肉束（図1）。検出されたスニペットは、次の要件が満たされていると見なされました。最小長23ピクセル（つまり、スニペットの左下から右上のポイントまで0.4 cm）。面積と長さの比率が8.5（細長い形状の白い領域を識別し、その後線に変換します）。スニペットと上部腱膜の間の角度は6°から35°の間。スニペットの開始点と終了点の間の線上のピクセルの80％は白である必要がありました。その後、すべてのフレームを視覚的に制御して適切な機能を配置し、必要に応じて手動で修正しました（たとえば、非周膜結合組織部分を削除しました）。線形参照束は、識別された単一の特徴の平均として計算され、束の長さの決定に使用されました（図1）。さらに、束の長さは、各MVCのプラトーから10フレームにわたって平均化されました。膝蓋腱に加えられた最大力と対応するVL束の長さに基づいて、2次の多項式フィットに基づいて各参加者の個々の力と束の長さの関係を計算し（図2）、最大筋肉を決定しました。腱に加えられる力（F max）と力を生成するためのLo。 rel = 0.34およびbrel = 4.03 s-1 22のVL筋肉固有定数を使用して、最大束短縮速度V max = 11.85 L 0s-1を評価しました。次に、VL束の力と速度の関係を、古典的なヒル方程式2に従って記述しました。
外側広筋の筋肉束の長さの超音波ベースの決定。 （a）超音波トランスデューサーは、カスタマイズされたネオプレン弾性キャストによって筋肉の腹に注意深く取り付けられました。 （b）半自動のフレームごとの追跡手順を使用して、手動でトレースした上部（uA）とより深い（dA）腱膜の間にある複数の束（F）の目に見える特徴を特定しました。次に、識別された筋肉束部分に基づいて代表的な参照筋肉束（rF）を計算し、2つの腱膜を伴う挿入点間のユークリッド距離として筋肉束の長さを評価しました。
外側広筋の力と筋束の長さの関係の例。力と筋肉束の長さの関係は、最大の自発的な等尺性膝伸展（四角）とそれぞれの2次多項式フィット（破線）によって実験的に決定されました。
ウォーキングおよびランニング中の関節の運動学と筋束の長さの評価
トレッドミル（Daum electronic、ergo_run Premium8、Fürth、ドイツ）での10分間のウォーキングとランニングのトライアル中に、右脚の運動学的データがViconモーションキャプチャシステム（5x Vicon MX T20、5x Vicon MX-T20-S）によって記録されました。 、250 Hz）、大転子、外側大腿上顆、外側くるぶし、第2中足骨の頭、およびtuberositascalcaneiに配置された解剖学的に参照されたマーカーを使用します。歩行中およびランニング中の足のタッチダウンは、運動データから、ヒールマーカーの最小垂直位置の瞬間として決定され30,31、歩行中のトーオフは中足骨マーカーの水平速度の逆転として決定され30,32、ランニング中は膝関節角度の最小値、つまり最も伸ばされた膝の位置31。
それぞれの10分間のウォーキングとランニングの間に、10秒の超音波記録が2分ごとに運動データと同期してキャプチャされました。 1つの試行のデータを使用して歩行間のVL束の動作を比較しましたが、5つの試行すべてを信頼性分析に使用しました（以下を参照）。超音波画像は、カスタムメイドの柔軟な滑り止めネオプレン/プラスチックキャスト（図1）に固定された10cmリニアアレイトランスデューサーを使用して43Hzのキャプチャ周波数で記録され、筋肉束の長さが上記のように測定されました。束の長さのデータは、カットオフ周波数が6 Hzの2次ローパスバターワースフィルターを使用してフィルター処理され、各参加者と歩行（つまり、歩行と走行）について6〜11ステップ（8.1±0.9）で平均化されました。
歩行中のVLMTUの関連する長さの変化は、膝関節角度の変化と個々の角度固有の膝蓋腱レバーアームの積として計算されました33。足の接地時の初期MTUの長さは、HawkinsとHull34によって提供された回帰式に基づいて決定されました。移動中のMTUと筋肉束の速度は、時間の経過に伴う長さの変化の一次導関数として計算されました。図3は、3つの連続するステップサイクルにわたる代表的な参加者からの歩行および走行中のVL束とMTUの長さの変化を示しています。
外側広筋-腱ユニット（MTU）の長さ、筋肉束の長さ、筋電図（EMG） ）3つの連続したウォーキング（左）とランニング（右）のステップ中の代表的な参加者の活動。それぞれのスタンスフェーズは灰色で網掛けされています。
移動中のVL束の長さの実験的決定は2つの別々の日に（3〜4日の間）5つの単一の評価を比較することによって信頼性をテストしました。 2回目の測定日に超音波プローブの正確な再配置を実現するために、超音波プローブの4つのコーナーポイントを非油性マーカーを使用して皮膚にマークしました。マークされた位置は、固定された解剖学的ランドマークを表す、内側および外側大腿骨顆に関して柔軟な巻尺で測定されました。 2日目には、それに応じて位置が再構築され、参加者は同じ歩行プロトコルを実行し、再び束の長さを5回キャプチャしました。
移動中のEMG筋活動の評価
表面右VL筋のEMGは、ワイヤレスEMGシステムと筋肉の腹に配置された2つの双極表面電極（電極間距離2 cm）を使用して、トレッドミルで8分間60秒間、ウォーキングおよびランニングの試行中に測定されました。 。生のEMGデータには、カットオフ周波数が20 Hzの2次ハイパスバターワースフィルター、全波整流、およびカットオフ周波数が20Hzのローパスフィルターが適用されました。 EMG活動は、それぞれ10歩とランニングステップで平均化され、各参加者について、ランニング中に達成された最大値に正規化されました。ウォーキングおよびランニング中のVL筋活動の開始を決定するために、ベースライン活動にその標準偏差の3倍を加えたものとして定義されたしきい値を使用しました35,36。代表的な生のEMGデータセットを図3に示します。
統計
EMGグループの各ステップサイクルのスタンスフェーズとスイングフェーズは、個別に時間正規化されています。筋電図を2つの異なるグループからの筋肉束およびMTUパラメータと関連付けることができる筋肉束グループ。反復測定の二元配置分散分析（ANOVA）を実行して、アクティブ化状態（アクティブ状態と非アクティブ状態）のパラメーター（絶対およびL o束とMTUの長さ、それぞれの動作範囲、およびEMGアクティブ化状態の期間に正規化）をテストしました。歩行状態（歩行とランニング）の影響。双方向反復測定ANOVAを使用して、立脚期のアクティブ状態でのコンポーネント（筋肉束とMTU）および歩行状態（歩行とランニング）の影響のパラメーター（正規化された筋肉束とMTU速度）をテストしました。調査したすべてのパラメーターの標準化された残差の正規性は、それぞれのANOVAモデルを使用したシャピロ-ウィルク検定によってテストされました。交互作用効果は、それぞれの変数値の差について対応のあるt検定によって事後検定されました。対応のあるt検定（両側）を使用して、平均EMG活動、正規化された筋束の長さと速度、および歩行と走行の間のアクティブ状態での力-速度ポテンシャルの違いをテストしました。残差の非正規性（筋肉束の長さの変化の絶対範囲と相対範囲、力の長さの可能性）の場合、それに応じてウィルコクソン符号順位検定が適用されました。グループの人体計測は、独立したサンプルのt検定によって比較されました。
複数の相関係数（CMC）37を使用して、5つのステップサイクル全体の筋肉束の長さの決定の信頼性をテストしました。 2日間の試行。二乗平均平方根差（RMSD）は、1日目と2日目、および両方の日について計算され、試行間の変動性が定量化されました。反復測定のANOVAを実行して、歩行とランニングの2つのテスト日の間の歩行サイクルの可能な違いを調べました。有意水準はα= 0.05に設定されました。 αレベルは、事後分析と2つの要因の個別のノンパラメトリック検定のために0.025に調整されました。