실험 설계

본 연구에는 건강한 성인 30 명 (여성 5 명)이 서면 정보를 제공 한 후 참여했습니다. 지역 윤리위원회 (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10117 Berlin; 참조 번호 EA2 / 076 / 15)가 관련 지침 및 규정에 따라 승인 한 실험 절차에 동의합니다. 참가자들은 정기적으로 신체 활동을했으며 지난 6 개월 동안 신경근 또는 골격 장애의 병력을보고하지 않았습니다. 참가자는 두 그룹에 균등하게 분배되었습니다 (즉, n = 15). 첫 번째 그룹 (연령 : 27.3 ± 4.1 세, 키 : 179.2 ± 6.5 cm, 질량 : 75.0 ± 8.2 kg)에서 VL 근육의 개별 힘-근막 길이 관계는 최대 등각 자발적 무릎 확장을 통해 실험적으로 평가되었습니다. VL 근막의 초음파 영상과 함께 동력계에서 다양한 무릎 관절 각도에서 오른쪽 다리의 수축 (MVC). 슬개 건에 가해지는 힘은 MRI (Magnetic Resonance Imaging)에 의해 결정된 무릎 관절 모멘트와 힘줄 레버 암으로부터 계산되었습니다. 둘째 날, 같은 다리의 VL 근막 길이와 관절 운동학은 각각 초음파 및 동작 분석을 사용하여 트레드밀에서 걷기 (1.5m / s) 및 달리기 (3.0m / s) 중에 동시에 측정되었습니다. 걷기와 달리기 순서는 참가자들 사이에서 무작위로 선택되었으며 각 속도에 대한 2 분의 워밍업 및 친숙 화 단계가 10 분 시험에 앞서있었습니다. 신뢰도 분석을 위해 다음날 측정을 반복했습니다. 두 번째 그룹의 참가자 (연령 : 29.3 ± 6.7 세, 키 : 176.9 ± 8.0 cm, 체중 : 71.0 ± 12.0 kg)는 오른쪽 VL 근육의 근전도 (EMG) 활동을하는 동안 트레드밀에서 동일한 걷기 및 달리기 프로토콜을 수행했습니다. 체포되었습니다. VL 활동 데이터는 첫 번째 그룹의 운동학 및 근막 길이 데이터와 결합되었습니다.

근육 고유 특성 평가

참가자들은 동력계 (Biodex Medical, Syst)에 앉았습니다. . 3, Inc., Shirley, NY), 팔을 가슴 위로 가로 질러 잡고있는 동안 허리 둘레에 골반 끈으로 고정. 양 관절 m의 기여도를 줄이기 위해 고관절 각도를 85 ° (0 ° = 앙와위)로 설정했습니다. 무릎 확장 모멘트 23. 표준화 된 워밍업 후, 약 2 초의 고원을 포함하는 오른쪽 다리의 8 개의 MVC가 무작위 순서로 10 ° 간격으로 20 ° ~ 90 ° 무릎 관절 각도 (0 ° = 무릎 확장) 범위에서 수행되었습니다. 휴식 중 동력계 데이터를 기반으로 한 각도는 연조직 변형 및 동력계 준수로 인해 수축 중 무릎 각도를 대표하지 않기 때문에 6 개의 반사 마커 (전장 골 척추, 대 전자, 외측 및 내측)를 기준으로 다리 운동학을 기록했습니다. 250Hz에서 8 개의 카메라 (6x F20, 2x T20)를 통합하는 Vicon 모션 캡처 시스템 (Version 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, UK)을 사용하여 대퇴 상과 및 전골). 마커 궤적은 컷오프 주파수가 6Hz16 인 2 차 저역 통과 버터 워스 필터를 사용하여 평활화되었습니다.

보고 된 방법론에 따라 무릎 관절에서의 결과 모멘트는 역 역학을 통해 계산되었습니다. Arampatzis et al.24에 의해 (a) 무릎 관절 축과 동력계 축 사이의 오정렬 효과와 (b) 중력의 영향을 설명합니다. 따라서 중력에 의한 수동 무릎 관절 회전 (5 ° / s)에서 중력에 의한 관절 각 특정 모멘트가 결정되었고 참가자들은 완전히 이완되었습니다. 또한, agonist로 작업하면서 EMG 진폭과 햄스트링의 발휘 모멘트 사이의 관계를 설정하여 햄스트링 근육에 의해 생성되는 길항 모멘트의 기여도를 고려했습니다. Mademli 등이보고 한 방법론에 따르면 대퇴 이두근의 EMG 활동과 햄스트링에 의해 생성 된 상응하는 모멘트는 이완 된 상태에서 그리고 강도가 다른 두 개의 추가 극대 이하 등각 무릎 굴곡 수축 동안 측정되었습니다. EMG 활동은 1000Hz의 획득 주파수에서 무선 EMG 시스템 (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Switzerland)을 사용하여 운동 학적 데이터와 동시에 측정되었습니다.

중 슬개 건에 가해지는 힘 MVC는 무릎 관절 모멘트와 힘줄 레버 암의 지수로 계산되었습니다. 완전히 확장 된 무릎의 경우 레버 암은 MRI를 기반으로 무릎의 회전축에 대한 힘줄의 작용선과 수직 거리로 3 차원 좌표계에서 측정되었습니다.슬개 건의 작용선은 가로 이미지의 분할 (G-Scan, 0.25 T, 3D HYCE (GR))에서 재구성 된 힘줄 단면 영역의 기하학적 중심을 통해 최상의 선형 맞춤 선으로 정의되었습니다. ) sequence, Esaote, Genova, Italy) 슬개골의 꼬리 극과 경골 결절의 초기 삽입 사이. 무릎 관절의 해당 회전 축은 Churchill et al. 27에 따라 시상 자기 공명 스캔에서 외측 및 내측 대퇴 상과를 분할하고 각각의 가장 적합한 원의 중심을 연결하여 결정되었습니다. 무릎 관절 각도의 함수 인 힘줄 모멘트 팔은 Herzog 및 Read28에서 제공 한 데이터를 기반으로 관절 각도와 관련된 모멘트 팔 변화를 처리하여 계산되었습니다.

MVC 동안 VL 근막은 B 모드 초음파 촬영 (My Lab60, Esaote, Genova, Italy)으로 캡처했습니다. 43Hz (LA923, 10MHz, 깊이 7.4cm, 초점 1.8, 이미지 필터 없음)에서 작동하는 10cm 선형 어레이 프로브를 VL 근육 배 (대퇴골 길이의 ≈50 %) 위의 피부에 부착하고, 평행 한 표재성 및 더 깊은 동맥 경화증 및 정렬 된 고 에코 성 근막 주위 근육 내 결합 조직의 선명도는 근육 근막 구조를 나타내며 탄성 스트랩으로 고정됩니다. 초음파 장치와 모션 캡처 시스템은 수동으로 해제 된 5V 트리거 신호에 의해 동기화되었습니다. 근막 길이는 Matlab (버전 R2012a, The Mathworks, Natick, USA)에서 작성된 자체 개발 한 반자동 추적 알고리즘 29에 의해 초음파 비디오에서 결정되었습니다. 간단히 말해서, 절차는 각각의 내부 결합 조직 층에 3 개의 수동 배치 및 프레임 별 조정 된 마크를 통해 최상의 선형 맞춤에 의한 더 깊고 표재성 동맥 경화증의 근사치를 포함했습니다 (그림 1). 그런 다음 Matlab Image Processing 도구 상자의 bwtraceboundary 기능을 기반으로하는 반자동 알고리즘은 각 프레임에서 두 개의 동맥 경화 사이의 이미지 밝기 특징의 모양과 방향을 자동으로 식별하며, 이는 다음과 정렬 된 고 에코 근막 결합 조직 부분 (스 니펫)을 나타냅니다. 근막 (그림 1). 감지 된 스 니펫은 다음 요구 사항이 충족 된 유효한 것으로 간주되었습니다. 최소 길이 23 픽셀 (예 : 스 니펫의 왼쪽 하단에서 오른쪽 상단 지점까지 0.4cm) 8.5의 면적 대 길이 비율 (그런 다음 선으로 변환 된 길고 좁은 모양의 흰색 영역을 식별 함); 6 °와 35 ° 사이의 스 니펫과 상부 동맥 경화 사이의 각도; 스 니펫의 시작점과 끝점 사이의 선에있는 픽셀의 80 %는 흰색이어야했습니다. 모든 프레임은 적절한 기능 배치를 위해 시각적으로 제어되고 필요한 경우 수동으로 수정되었습니다 (예 : 비 근근 결합 조직 부분이 제거됨). 선형 참조 근막은 단일 식별 된 특징의 평균으로 계산되었으며 근막 길이 결정에 사용되었습니다 (그림 1). 또한, fascicle 길이는 각 MVC의 고원에서 10 프레임에 걸쳐 평균화되었습니다. 슬개 건에 가해지는 최대 힘과 해당 VL 근막 길이를 기준으로 2 차 다항식 맞춤 (그림 2)을 기반으로 각 참가자에 대해 개별 힘-근막 길이 관계를 계산하여 최대 근육을 결정합니다. 힘줄에 적용된 힘 (F max)과 힘 생성을위한 L o a rel = 0.34 및 b rel = 4.03 s-1 22의 VL 근육 특이 상수를 사용하여 최대 근막 단축 속도 V max = 11.85 L 0 s-1을 평가했습니다. VL fascicles의 힘-속도 관계는 고전적인 Hill 방정식 2에 따라 설명되었습니다.

외 측광 근 근막 길이의 초음파 기반 측정. (a) 초음파 변환기는 맞춤형 네오프렌 탄성 캐스트를 사용하여 근육 배꼽에 조심스럽게 부착되었습니다. (b) 반자동 프레임 별 추적 절차를 사용하여 수동으로 추적 된 상부 (uA)와 더 깊은 (dA) aponeurosis 사이에 위치한 여러 근막 (F)의 가시적 특징을 식별했습니다. 그런 다음 식별 된 근막 부분을 기준으로 대표 참조 근막 (rF)을 계산하여 근막 길이를 두 개의 동맥 경화증이있는 삽입 지점 사이의 유클리드 거리로 평가했습니다.

측 방광근의 힘-근막 길이 관계의 예. 힘-근막 길이 관계는 최대 자발적인 등척성 무릎 확장 (사각형) 및 각각의 2 차 다항식 맞춤 (점선)을 통해 실험적으로 결정되었습니다.

걷거나 뛰는 동안 관절 운동학 및 근막 길이 평가

러닝 머신 (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Germany)에서 10 분 동안 걷기 및 달리기 시험 중 오른쪽 다리의 운동 학적 데이터가 Vicon 모션 캡처 시스템 (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S)에 의해 기록되었습니다. , 250 Hz), 대 전자, 외측 대퇴 상과, 외측 망치, 두 번째 중족골의 머리 및 tuberositas calcanei에 배치 된 해부학 적으로 참조 된 마커를 사용합니다. 걷기 및 달리기 중 발의 터치 다운은 뒤꿈치 마커의 최소 수직 위치의 순간으로서 운동 학적 데이터로부터 결정되었고, 보행 중 발가락은 중족골 마커의 수평 속도의 반전으로 30,32 및 달리기 중에 무릎 관절 각도의 최소, 즉 가장 확장 된 무릎 위치 31.

걷고 뛰는 각각 10 분 동안 10 초의 초음파 기록이 2 분마다 운동 학적 데이터와 동시에 캡처되었습니다. 한 번의 시험 데이터를 보행 사이의 VL 근막 거동을 비교하는 데 사용했지만, 다섯 번의 시험 모두 신뢰도 분석에 사용되었습니다 (아래 참조). 초음파 이미지는 맞춤 제작 된 유연한 미끄럼 방지 네오프렌 / 플라스틱 캐스트 (그림 1)에 고정 된 10cm 선형 어레이 변환기를 사용하여 43Hz의 캡처 주파수로 기록되었으며 위의 설명대로 근막 길이를 측정했습니다. 근막 길이 데이터는 컷오프 주파수가 6Hz 인 2 차 저역 통과 버터 워스 필터를 사용하여 필터링되었으며 각 참가자 및 보행 (즉, 걷기 및 달리기)에 대해 6-11 단계 (8.1 ± 0.9)에 걸쳐 평균화되었습니다. / p>

운동 중 VL MTU의 관련 길이 변화는 무릎 관절 각도의 변화와 개별 각도 별 슬개 건 레버 암의 곱으로 계산되었습니다. 발 터치 다운시 초기 MTU 길이는 Hawkins와 Hull34가 제공 한 회귀 방정식을 기반으로 결정되었습니다. 운동 중 MTU 및 근막 속도는 시간에 따른 길이 변화의 1 차 도함수로 계산되었습니다. 그림 3은 세 번의 연속 단계주기 동안 대표 참가자로부터 걷고 달리는 동안 VL 근막 및 MTU의 길이 변화를 보여줍니다.

Vastus lateralis muscle-tendon unit (MTU) 길이, 근막 길이 및 근전도 (EMG ) 3 개의 연속 걷기 (왼쪽) 및 달리기 (오른쪽) 단계 동안 대표 참가자의 활동. 각 자세 단계는 회색으로 표시됩니다.

이동 중 VL 근막 길이의 실험적 결정은 다음과 같습니다. 2 일 (3-4 일 사이)에 5 개의 단일 평가를 비교하여 신뢰성을 테스트했습니다. 두 번째 측정 일에 초음파 프로브의 정확한 재배치를 달성하기 위해 초음파 프로브의 네 모서리 지점을 비 영구 마커를 사용하여 피부에 표시했습니다. 표시된 위치는 고정 된 해부학 적 랜드 마크를 나타내는 내측 및 외측 대퇴 과두에 대해 유연한 측정 테이프로 측정되었습니다. 둘째 날, 그에 따라 위치를 재구성하고 참가자들은 동일한 보행 프로토콜을 수행하고 다시 근막 길이를 5 번 캡처했습니다.

이동 중 EMG 근육 활동 평가

표면 오른쪽 VL 근육의 EMG는 러닝 머신에서 60 초 동안 러닝 머신에서 8 분 후 걷거나 달리는 동안 무선 EMG 시스템과 두 개의 양극성 표면 전극 (2cm 전극 간 거리)을 사용하여 측정했습니다. . 20Hz 차단 주파수를 가진 2 차 고역 통과 버터 워스 필터, 전파 정류, 20Hz 차단 주파수를 가진 저역 통과 필터가 원시 EMG 데이터에 적용되었습니다. EMG 활동은 각각 10 단계의 걷기 및 달리기 단계에 걸쳐 평균화되었고 각 참가자에 대해 달리기 중에 달성 된 최대 값으로 정규화되었습니다. 걷기와 달리기 중 VL 근육 활동의 시작을 결정하기 위해 기준 활동에 표준 편차의 세 배를 더한 임계 값을 사용했습니다 35,36. 대표적인 원시 근전도 데이터 세트가 그림 3에 나와 있습니다.

통계

근전도 그룹의 각 단계주기의 자세와 스윙 단계는 각 단계의 자세에 대해 시간 정규화되었습니다. fascicle 그룹은 EMG를 두 개의 다른 그룹의 fascicle 및 MTU 매개 변수와 관련시킬 수 있습니다. 반복 측정에 대한 양방향 분산 분석 (ANOVA)을 수행하여 활성화 상태 (활성 상태 대 비활성 상태)에 대한 매개 변수 (L o fascicle 및 MTU 길이, 각 작동 범위 및 EMG 활성화 상태 기간에 대한 절대 및 정규화)를 테스트했습니다. 및 보행 상태 (걷기 vs. 달리기) 효과.양방향 반복 측정 ANOVA를 사용하여 자세 단계의 활성 상태 동안 구성 요소 (근막 대 MTU) 및 보행 조건 (걷기 대 달리기) 효과에 대한 매개 변수 (정규화 된 근막 및 MTU 속도)를 테스트했습니다. 조사 된 모든 매개 변수의 표준화 된 잔차의 정규성은 각 ANOVA 모델을 사용하는 Shapiro-Wilk 테스트에 의해 테스트되었습니다. 상호 작용 효과는 각 변수 값의 차이에 대해 쌍을 이룬 t- 검정에 의해 사후 테스트되었습니다. 쌍을 이룬 t- 테스트 (양쪽 꼬리)를 사용하여 평균 EMG 활동, 정규화 된 근막 길이 및 속도, 그리고 걷기와 달리기 사이의 활성 상태에서 힘 속도 전위의 차이를 테스트했습니다. 잔차의 비정규 성 (근막 길이 변화의 절대 및 상대 범위, 힘 길이 전위)의 경우 Wilcoxon 부호 순위 테스트가 그에 따라 적용되었습니다. 그룹 인체 측정 학은 독립 샘플에 대한 t- 테스트를 통해 비교되었습니다.

다중 상관 계수 (CMC) 37는 5 개의 전체 단계주기에 대한 근막 길이 결정의 신뢰성을 테스트하는 데 사용되었습니다. 이틀에 재판. 시험 간의 변동성을 정량화하기 위해 1 일과 2 일 및 2 일 모두에 대해 평균 제곱근 차이 (RMSD)를 계산했습니다. 반복 측정에 대한 ANOVA는 걷기와 달리기에 대한 두 시험일 간의 보행주기의 가능한 차이를 조사하기 위해 수행되었습니다. 유의 수준은 α = 0.05로 설정되었습니다. α- 수준은 사후 분석과 두 요인에 대한 별도의 비모수 테스트를 위해 0.025로 조정되었습니다.

재료 및 데이터 가용성