Eksperimentell design

Tretti friske voksne (5 kvinner) deltok i denne studien etter å ha gitt skriftlig informert samtykke til den eksperimentelle prosedyren, som ble godkjent av den lokale etiske komiteen (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; referansenummer EA2 / 076/15) og i samsvar med relevante retningslinjer og forskrifter. Deltakerne var regelmessig fysisk aktive og rapporterte ikke noen historie med nevromuskulære eller skjelettmessige svekkelser de siste seks månedene. Deltakerne var likt fordelt på to grupper (dvs. n = 15). I den første gruppen (alder: 27,3 ± 4,1 år, høyde: 179,2 ± 6,5 cm, masse: 75,0 ± 8,2 kg) ble VL-muskelens individuelle kraft-fascikkel-lengdeforhold eksperimentelt vurdert ved hjelp av maksimal isometrisk frivillig kneforlengelse sammentrekninger (MVC) av høyre ben i forskjellige kneleddvinkler på et dynamometer i kombinasjon med ultralydavbildning av VL-fasciklene. Kraften som ble påført patellarsen ble beregnet fra kneleddmomentet og senearmen, som ble bestemt av magnetisk resonansavbildning (MR). På en annen dag ble VL-fasikellengden og ledd kinematikken til samme ben målt synkront under gange (1,5 m / s) og løping (3,0 m / s) på tredemølle med henholdsvis ultralyd og bevegelsesanalyse. Gang- og løperekkefølgen ble randomisert mellom deltakerne, og en oppvarmings- og fortrolighetsfase på to minutter for hver hastighet gikk før 10-minutters forsøk. Målingene ble gjentatt påfølgende dag for en pålitelighetsanalyse. Deltakerne i den andre gruppen (alder: 29,3 ± 6,7 år, høyde: 176,9 ± 8,0 cm, masse: 71,0 ± 12,0 kg) utførte samme gang- og løpeprotokoll på tredemølle mens elektromyografisk (EMG) aktivitet av høyre VL-muskel ble fanget. VL-aktivitetsdataene ble deretter kombinert med kinematikk og fascikellengdedata for den første gruppen.

Vurdering av muskelens iboende egenskaper

Deltakerne ble sittende på et dynamometer (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), festet med en bekkenrem rundt livet mens armene ble holdt krysset over brystet. Hofteleddvinkelen ble satt til 85 ° (0 ° = liggende) for å redusere bidraget til det bi-artikulære m. rectus femoris til kneet forlengelsesmoment23. Etter en standardisert oppvarming ble åtte MVCer på høyre ben inkludert et platå på rundt 2 s utført i et område på 20 ° til 90 ° kneleddvinkel (0 ° = kneforlenget) i 10 ° intervaller i en randomisert rekkefølge. Ettersom vinklene basert på dynamometerdataene under hvile ikke er representative for knevinklene under sammentrekninger på grunn av bløtvevsdeformasjon og dynamometeroverensstemmelse24, ble benkinematikk registrert på grunnlag av seks reflekterende markører (fremre iliac ryggrad, større trochanter, lateral og medial femoral epicondyle og malleoli) ved hjelp av et Vicon motion capture-system (versjon 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, Storbritannia) som integrerer åtte kameraer (6x F20, 2x T20) ved 250 Hz. Markørbaner ble glattet ved hjelp av et andreordens lavpas Butterworth-filter med en avskjæringsfrekvens på 6 Hz16.

De resulterende øyeblikkene ved kneleddet ble beregnet ved hjelp av invers dynamikk i henhold til den rapporterte metodikken av Arampatzis et al. 24 for å redegjøre for (a) for effekten av feiljusteringen mellom kneleddsaksen og dynamometeraksen og (b) effekten av gravitasjonskreftene. Følgelig ble leddvinkelspesifikke øyeblikk på grunn av tyngdekraften bestemt under en passiv kneleddsrotasjon (5 ° / s) drevet av dynamometeret, mens deltakerne var helt avslappede. Videre ble bidraget fra det antagonistiske øyeblikket produsert av hamstringmusklene vurdert ved å etablere et forhold mellom EMG-amplitude og det utøvde øyeblikket av hamstrings mens du jobbet som agonist25. EMG-aktiviteten til muskel biceps femoris og det tilsvarende øyeblikket produsert av hamstringene ble målt i en avslappet tilstand og under to ytterligere submaksimale isometriske knebøyningskontraksjoner av ulik intensitet, i henhold til metodikken rapportert av Mademli et al.26. EMG-aktiviteten ble målt synkront med de kinematiske dataene ved bruk av et trådløst EMG-system (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Sveits) ved en opptaksfrekvens på 1000 Hz.

Kraften som ble påført patellarsenen under MVC ble beregnet som kvotient for kneleddsmomentet og senearmen. For det helt forlengede kneet ble spakarmen målt i et tredimensjonalt koordinatsystem som den vinkelrette avstanden til senens handlingslinje til rotasjonsaksen til kneet basert på MR.Handlingslinjen til patellarsenen ble definert som linjen for best lineær passform gjennom de geometriske sentrene til senetverrsnittene, som ble rekonstruert fra segmentering av tverrbilder (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ) sekvens, Esaote, Genova, Italia) mellom den kaudale polen av patellarbenet og den første innsettingen ved tibial tuberositet. Den tilsvarende rotasjonsaksen til kneleddet ble bestemt ved å segmentere de laterale og mediale femorale epikondylene i de sagittale magnetiske resonansskanningene og koble sentrene til de respektive sirkler som passer best ifølge Churchill et al.27. Senemomentarmen som en funksjon av kneleddvinkelen ble beregnet ved å bearbeide momentarmendringer i forhold til leddvinkelen på grunnlag av dataene som ble gitt av Herzog og Read28.

Under MVCene var VL-fasciklene fanget av B-modus ultralyd (My Lab60, Esaote, Genova, Italia). En 10 cm lineær array-probe som opererte ved 43 Hz (LA923, 10 MHz, dybde 7,4 cm, brennpunkt 1,8, ingen bildefilter) ble festet til huden over VL-muskelmagen (~ 50% av lårbenlengden), justert med respekt til parallell overfladisk og dypere aponeurose og klarhet av justert hyperekoisk perimysialt intramuskulært bindevev som er veiledende for muskelfascikkelstrukturene, og festet av elastiske stropper. Ultralydsenheten og bevegelsessystemet ble synkronisert av et manuelt utgitt 5 V utløsersignal. Fasikellengden ble bestemt fra ultralydvideoene av en egenutviklet halvautomatisk sporingsalgoritme29 skrevet i Matlab (versjon R2012a, The Mathworks, Natick, USA). Kort fortalt inkluderte prosedyren en tilnærming av den dypere og overfladiske aponeurosen ved en best lineær passform gjennom tre manuelt plasserte og ramme-for-rammejusterte merker på det respektive indre bindevevslaget (figur 1). Deretter identifiserte en semi-automatisert algoritme basert på den bwtraceboundary funksjonen til Matlab Image Processing verktøykassen automatisk formen og orienteringen av bildelyshetsfunksjonene mellom begge aponeurosis i hver ramme, som er indikative for de hyperekoiske perimysiale bindevevdelene (snippets) justert muskelfasciklene (fig. 1). Oppdagede kodestykker ble ansett som gyldige følgende krav ble oppfylt: minimal lengde på 23 piksler (dvs. 0,4 cm, fra bunnen til venstre til det øverste høyre punktet i en kodebit); forholdet mellom areal og lengde på 8,5 (identifiserer hvite områder med en lang og smal form som deretter ble konvertert til linjer); vinkel mellom utklipp og øvre aponeurose mellom 6 ° og 35 °; 80% av pikslene på en linje mellom start- og sluttpunktet til en kodebit måtte være hvite. Hver ramme ble visuelt kontrollert etterpå for tilstrekkelig funksjonsplassering og korrigert manuelt om nødvendig (f.eks. Ikke-perimysiale bindevevsdeler ble fjernet). En lineær referansefascicle ble beregnet som et gjennomsnitt av de enkelte identifiserte funksjonene og ble brukt til bestemmelse av fascicle-lengde (fig. 1). Videre ble fascikellengden gjennomsnittlig over ti bilder fra platået til hver MVC. På grunnlag av den maksimale kraften som ble påført patellarsenen og den tilsvarende VL-fascikellengden, ble et individuelt kraft-fascicle-lengdeforhold beregnet for hver deltaker basert på en andreordens polynomial passform (figur 2), for å bestemme maksimal muskel kraft påført senen (F max) og L o for kraftgenerering. VL-muskelspesifikke konstanter av en rel = 0,34 og b rel = 4,03 s − 1 22 ble brukt til å vurdere maksimal forkortningshastighet for fascikelen V max = 11,85 L 0 s − 1. Kraft-hastighetsforholdet til VL-fasciklene ble deretter beskrevet i følge den klassiske Hill-ligningen2.

Ultralydbasert bestemmelse av vastus lateralis muskelfasikellengde. (a) Ultralydtransduseren ble forsiktig festet på muskelmagen ved hjelp av en tilpasset neoprenelastisk støping. (b) En halvautomatisk sporingsprosedyre for ramme for ramme ble brukt til å identifisere synlige trekk ved flere fascikler (F) plassert mellom manuelt sporet øvre (uA) og dypere (dA) aponeurose. En representativ referansefascicle (rF) ble deretter beregnet på grunnlag av de identifiserte fascicle-delene for å vurdere fascicle-lengden som den euklidiske avstanden mellom innsettingspunktene med de to aponeurosis.

Eksemplarisk forhold mellom kraft og fascikulær lengde på vastus lateralis-muskelen. Forholdet mellom kraftfasikulærlengde ble eksperimentelt bestemt ved hjelp av maksimal frivillig isometrisk kneutvidelse (firkanter) og en respektive annenordens polynomial passform (stiplet linje).

Vurdering av ledd kinematikk og muskelfasikel lengde under gange og løping

I løpet av 10 minutters gange og løpeprøver på tredemøllen (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Tyskland), ble kinematiske data på høyre ben registrert av Vicon motion capture system (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), ved bruk av anatomisk refererte markører plassert på større trochanter, lateral femoral epicondyle, lateral malleolus, leder av andre metatarsalis og tuberositas calcanei. Touchdown av foten under gange og løping ble bestemt fra kinematiske data som øyeblikkelig av minimal vertikal stilling av hælmarkøren 30,31, tå av under gange som reversering av horisontal hastighet av metatarsalis markør 30,32 og under løping som minimum i kneleddvinkelen, dvs. mest utvidet kneposisjon31.

I løpet av de respektive 10 minuttene med å gå og løpe, ble en ultralydopptak på 10 s tatt synkront med kinematiske data hvert annet minutt. Mens dataene fra en prøve ble brukt til å sammenligne VL-fascikulær atferd mellom gangart, ble alle fem forsøk brukt til pålitelighetsanalysen (se nedenfor). Ultralydbildene ble tatt opp med en fangstfrekvens på 43 Hz ved hjelp av en 10 cm lineær array-svinger som ble festet i en skreddersydd, fleksibel, antiskid neopren / plaststøpt (figur 1), og fascikellengden ble målt som beskrevet ovenfor. Fascicle lengdedata ble filtrert ved hjelp av et andreordens lavpass Butterworth-filter med en avskjæringsfrekvens på 6 Hz og var i gjennomsnitt over 6 til 11 trinn (8,1 ± 0,9) for hver deltaker og gang (dvs. å gå og løpe). / p>

Den tilhørende lengdeendringen av VL MTU under bevegelse ble beregnet som produktet av endringen i kneleddvinkelen og den individuelle vinkelspesifikke patellar senearmen33. Den opprinnelige MTU-lengden ved berøring av foten ble bestemt basert på regresjonsligningen gitt av Hawkins og Hull34. MTU og fascicle hastigheter under bevegelse ble beregnet som det første derivatet av lengdeendringen over tid. Figur 3 illustrerer endringene i lengden på VL-fasiklene og MTU under gange og løping fra en representant deltaker over tre påfølgende trinnsykluser.

Vastus lateralis muskel-senenhet (MTU) lengde, muskelfasikellengde og elektromyografisk (EMG ) aktivitet av en representant deltaker i løpet av tre påfølgende gange (venstre) og løpende (høyre) trinn. Respektive holdningsfaser er skyggelagt i grått.

Den eksperimentelle bestemmelsen av VL-fascikellengden under bevegelse var testet for pålitelighet ved å sammenligne fem enkeltvurderinger på to separate dager (3 til 4 dager i mellom). For å oppnå en presis omplassering av ultralydsonden den andre måledagen ble de fire hjørnepunktene til ultralydsonden markert på huden ved hjelp av en ikke-permanent markør. De markerte posisjonene ble målt med et fleksibelt målebånd i forhold til de mediale og laterale lårbenformene, som representerer faste anatomiske landemerker. På den andre dagen ble posisjonen rekonstruert tilsvarende, og deltakerne utførte samme gangprotokoll, mens igjen fascikellengden ble fanget fem ganger.

Vurdering av EMG-muskelaktivitet under bevegelse

Overflate EMG for høyre VL-muskel ble målt under gang- og løpsforsøkene etter åtte minutter på tredemølle i 60 s ved hjelp av det trådløse EMG-systemet og to bipolare overflateelektroder (2 cm avstand mellom elektroder) som ble plassert på muskelmagen . Et andre-ordens høypass Butterworth-filter med en 20 Hz avskjæringsfrekvens, en fullbølgeretting og deretter et lavpasfilter med en 20 Hz avskjæringsfrekvens ble påført de rå EMG-dataene. EMG-aktiviteten ble gjennomsnittet over henholdsvis 10 gang- og løpetrinn og normalisert for hver deltaker til maksimal verdi oppnådd under løping. For å bestemme utbruddet av VL-muskelaktiviteten under gange og løping, brukte vi en terskel som ble definert som basislinjeaktiviteten pluss tre ganger standardavviket35,36. Et representativt rå EMG-datasett er presentert i fig. 3.

Statistikk

Holdnings- og svingfasene til hver trinnsyklus i EMG-gruppen ble separat tidsnormalisert til de av fascicle group for å kunne relatere EMG med fascicle og MTU parametere fra de to forskjellige gruppene. En toveis variansanalyse (ANOVA) for gjentatte tiltak ble utført for å teste parametrene (absolutt og normalisert til L o fascicle og MTU-lengde, respektive driftsområder og EMG-aktiveringstilstandsvarighet) for aktiveringstilstand (aktiv vs. inaktiv tilstand) og gangtilstand (gange mot løping) effekter.En toveis gjentatte tiltak ANOVA ble også brukt til å teste parametere (normalisert fascicle og MTU-hastighet) for komponent (fascicle vs. MTU) og gangtilstand (gang vs. løping) effekter under den aktive tilstanden i holdningsfasen. Normaliteten til de standardiserte restene av alle undersøkte parametere ble testet av Shapiro-Wilk-testen ved bruk av den respektive ANOVA-modellen. Interaksjonseffekter ble testet post-hoc av en paret t-test for forskjellene mellom de respektive variable verdiene. En sammenkoblet t-test (to-tailed) ble brukt til å teste for forskjeller i gjennomsnittlig EMG-aktivitet, normalisert fascikellengde og hastighet samt krafthastighetspotensialer i aktiv tilstand mellom å gå og løpe. I tilfelle residualene ikke er normaliserte (absolutt og relativt område av endringer i fascicle-lengde, kraftlengdepotensial) ble Wilcoxon signert-rangtest brukt tilsvarende. Gruppeantropometri ble sammenlignet ved hjelp av en t-test for uavhengige prøver.

Koeffisienten for flere korrelasjoner (CMC) 37 ble brukt til å teste påliteligheten av bestemmelsen av fascikellengden for hele trinnsyklusen til de fem forsøk på de to dagene. Rotmessige kvadratdifferanser (RMSD) ble beregnet for dag 1 og 2 og begge dager for å kvantifisere variabiliteten mellom forsøk. En ANOVA for gjentatte tiltak ble utført for å undersøke mulige forskjeller i gangsyklusen mellom de to testdagene for gange og løping. Betydningsnivået ble satt til α = 0,05. Α-nivået ble justert til 0,025 for post-hoc analyse samt separat ikke-parametrisk testing av de to faktorene.

Tilgjengelighet av materialer og data