Projeto experimental

Trinta adultos saudáveis (5 mulheres) participaram do presente estudo após darem informações por escrito consentimento para o procedimento experimental, que foi aprovado pelo comitê de ética local (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; número de referência EA2 / 076/15) e de acordo com as diretrizes e regulamentos relevantes. Os participantes eram fisicamente ativos regularmente e não relataram qualquer história de deficiências neuromusculares ou esqueléticas nos últimos seis meses. Os participantes foram distribuídos igualmente em dois grupos (ou seja, n = 15). No primeiro grupo (idade: 27,3 ± 4,1 anos, altura: 179,2 ± 6,5 cm, massa: 75,0 ± 8,2 kg), a relação força-comprimento do fascículo individual do músculo VL foi avaliada experimentalmente por meio de extensões isométricas voluntárias máximas do joelho contrações (MVC) da perna direita em diferentes ângulos da articulação do joelho em um dinamômetro em combinação com imagens de ultrassom dos fascículos VL. A força aplicada ao tendão patelar foi calculada a partir do momento articular do joelho e do braço de alavanca do tendão, que foi determinada por ressonância magnética (RM). No segundo dia, o comprimento do fascículo do VL e a cinemática articular da mesma perna foram medidos de forma síncrona durante a caminhada (1,5 m / s) e a corrida (3,0 m / s) em esteira por ultrassonografia e análise de movimento, respectivamente. A ordem de caminhada e corrida foi randomizada entre os participantes e uma fase de aquecimento e familiarização de dois minutos para cada velocidade precedeu as tentativas de 10 minutos. As medidas foram repetidas no dia seguinte para análise de confiabilidade. Os participantes do segundo grupo (idade: 29,3 ± 6,7 anos, altura: 176,9 ± 8,0 cm, massa: 71,0 ± 12,0 kg) realizaram o mesmo protocolo de caminhada e corrida na esteira enquanto atividade eletromiográfica (EMG) do músculo VL direito foi capturado. Os dados de atividade VL foram então combinados com os dados de cinemática e comprimento do fascículo do primeiro grupo.

Avaliação das propriedades intrínsecas do músculo

Os participantes estavam sentados em um dinamômetro (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), fixada com uma tira pélvica ao redor da cintura enquanto os braços eram mantidos cruzados acima do peito. O ângulo da articulação do quadril foi ajustado em 85 ° (0 ° = supino) para reduzir a contribuição do m bi-articular. reto femoral ao momento de extensão do joelho23. Após um aquecimento padronizado, oito MVCs da perna direita, incluindo um platô de cerca de 2 s, foram realizados em uma faixa de ângulo da articulação do joelho de 20 ° a 90 ° (0 ° = joelho estendido) em intervalos de 10 ° em uma ordem aleatória. Como os ângulos baseados nos dados do dinamômetro durante o repouso não são representativos para os ângulos do joelho durante as contrações devido à deformação do tecido mole e complacência do dinamômetro24, a cinemática da perna foi registrada com base em seis marcadores reflexivos (espinha ilíaca anterior, trocanter maior, lateral e medial epicôndilo femoral e maléolos) usando um sistema de captura de movimento Vicon (Versão 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, Reino Unido) integrando oito câmeras (6x F20, 2x T20) a 250 Hz. As trajetórias dos marcadores foram suavizadas usando um filtro Butterworth passa-baixa de segunda ordem com uma frequência de corte de 6 Hz16.

Os momentos resultantes na articulação do joelho foram calculados por meio de dinâmica inversa de acordo com a metodologia relatada por Arampatzis et al.24 para explicar (a) o efeito do desalinhamento entre o eixo da articulação do joelho e o eixo do dinamômetro e (b) o efeito das forças gravitacionais. Assim, os momentos específicos do ângulo articular devido à gravidade foram determinados durante uma rotação passiva da articulação do joelho (5 ° / s) conduzida pelo dinamômetro, enquanto os participantes estavam completamente relaxados. Além disso, a contribuição do momento antagônico produzido pelos músculos isquiotibiais foi considerada ao estabelecer uma relação entre a amplitude EMG e o momento exercido dos isquiotibiais durante o trabalho como agonista25. A atividade EMG do músculo bíceps femoral e o momento correspondente produzido pelos isquiotibiais foram medidos em estado de relaxamento e durante duas contrações isométricas submáximas adicionais de flexão do joelho de diferentes intensidades, segundo metodologia relatada por Mademli et al.26. A atividade EMG foi medida em sincronia com os dados cinemáticos usando um sistema EMG sem fio (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Suíça) a uma frequência de aquisição de 1000 Hz.

A força aplicada ao tendão patelar durante o MVCs foi calculado como quociente entre o momento da articulação do joelho e o braço de alavanca do tendão. Para o joelho totalmente estendido, o braço de alavanca foi medido em um sistema de coordenadas tridimensional como a distância perpendicular da linha de ação do tendão ao eixo de rotação do joelho com base na ressonância magnética.A linha de ação do tendão patelar foi definida como a linha de melhor ajuste linear através dos centros geométricos das áreas transversais do tendão, que foram reconstruídas a partir da segmentação das imagens transversais (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ), Esaote, Genova, Itália) entre o pólo caudal do osso patelar e a inserção inicial na tuberosidade tibial. O eixo de rotação correspondente da articulação do joelho foi determinado segmentando os epicôndilos femorais lateral e medial nas ressonâncias magnéticas sagitais e conectando os centros dos respectivos círculos de melhor ajuste de acordo com Churchill et al.27. O braço do momento do tendão em função do ângulo da articulação do joelho foi calculado pelo processamento das mudanças do braço do momento em relação ao ângulo da articulação com base nos dados fornecidos por Herzog e Read28.

Durante os MVCs, os fascículos VL foram capturado por ultrassonografia modo B (My Lab60, Esaote, Genova, Itália). Uma sonda de matriz linear de 10 cm operando a 43 Hz (LA923, 10 MHz, profundidade de 7,4 cm, ponto focal 1.8, sem filtro de imagem) foi fixada na pele acima da barriga do músculo VL (≈50% do comprimento do fêmur), ajustada em relação para paralelizar aponeurose superficial e profunda e clareza de tecido conjuntivo perimisial hiperecoico intramuscular que é indicativo das estruturas do fascículo muscular, e fixado por tiras elásticas. O dispositivo de ultrassom e o sistema de captura de movimento foram sincronizados por um sinal de gatilho de 5 V liberado manualmente. O comprimento do fascículo foi determinado a partir dos vídeos de ultrassom por um algoritmo de rastreamento semiautomático de autodesenvolvimento29 escrito em Matlab (versão R2012a, The Mathworks, Natick, EUA). Resumidamente, o procedimento incluiu uma aproximação da aponeurose mais profunda e superficial por um melhor ajuste linear por meio de três marcas colocadas manualmente e ajustadas quadro a quadro na respectiva camada interna de tecido conjuntivo (Fig. 1). Em seguida, um algoritmo semiautomático baseado na função bwtraceboundary da caixa de ferramentas de processamento de imagem do Matlab identificou automaticamente a forma e a orientação dos recursos de brilho da imagem entre as aponeurose em cada quadro, que são indicativos para as partes hiperecogênicas do tecido conjuntivo perimisial (fragmentos) alinhadas os fascículos musculares (Fig. 1). Os trechos detectados foram considerados válidos, os seguintes requisitos foram atendidos: comprimento mínimo de 23 pixels (ou seja, 0,4 cm, da parte inferior esquerda ao ponto superior direito de um trecho); relação área / comprimento de 8,5 (identifica áreas brancas com uma forma longa e estreita que foram então convertidas em linhas); ângulo entre o fragmento e a aponeurose superior entre 6 ° e 35 °; 80% dos pixels em uma linha entre o ponto inicial e final de um fragmento tinham que ser brancos. Cada quadro foi controlado visualmente depois para a colocação de recurso adequado e corrigido manualmente se necessário (por exemplo, porções de tecido conjuntivo não perimisial foram removidas). Um fascículo de referência linear foi calculado como uma média das características únicas identificadas e foi usado para a determinação do comprimento do fascículo (fig. 1). Além disso, o comprimento do fascículo foi calculado em dez quadros do platô de cada MVC. Com base na força máxima aplicada ao tendão patelar e o comprimento do fascículo VL correspondente, uma relação individual força-comprimento do fascículo foi calculada para cada participante com base em um ajuste polinomial de segunda ordem (Fig. 2), para determinar o músculo máximo força aplicada ao tendão (F max) e o L o para geração de força. As constantes específicas do músculo VL de a rel = 0,34 eb rel = 4,03 s − 1 22 foram usadas para avaliar a velocidade máxima de encurtamento do fascículo V max = 11,85 L 0 s − 1. A relação força-velocidade dos fascículos VL foi então descrita seguindo a equação de Hill clássica2.

Determinação baseada em ultrassom do comprimento do fascículo do músculo vasto lateral. (a) O transdutor de ultrassom foi cuidadosamente fixado na barriga do músculo por meio de um molde elástico de neoprene customizado. (b) Um procedimento de rastreamento semiautomático quadro a quadro foi usado para identificar características visíveis de múltiplos fascículos (F) localizados entre a aponeurose superior (uA) e mais profunda (dA) traçada manualmente. Um fascículo de referência representativo (rF) foi então calculado com base nas porções do fascículo identificadas para avaliar o comprimento do fascículo como a distância euclidiana entre os pontos de inserção com as duas aponeurose.

Relação exemplar entre força e comprimento do fascículo do músculo vasto lateral. A relação força-comprimento do fascículo foi determinada experimentalmente por meio de extensões isométricas voluntárias máximas do joelho (quadrados) e um respectivo ajuste polinomial de segunda ordem (linha tracejada).

Avaliação da cinemática das articulações e comprimento do fascículo muscular durante a caminhada e corrida

Durante os testes de caminhada e corrida de 10 minutos na esteira (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Alemanha), os dados cinemáticos da perna direita foram registrados pelo sistema de captura de movimento Vicon (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), usando marcadores referenciados anatomicamente colocados no trocanter maior, epicôndilo femoral lateral, maléolo lateral, cabeça do segundo metatarso e tuberositas calcanei. O toque do pé durante a caminhada e corrida foi determinado a partir dos dados cinemáticos como o instante da posição vertical mínima do marcador do calcanhar30,31, o dedo do pé durante a caminhada como reversão da velocidade horizontal do marcador do metatarso30,32 e durante a corrida como o mínimo no ângulo da articulação do joelho, ou seja, posição do joelho mais estendido31.

Durante os respectivos 10 minutos de caminhada e corrida, uma gravação de ultrassom de 10 s foi capturada em sincronia com os dados cinemáticos a cada dois minutos. Embora os dados de um ensaio tenham sido usados para comparar o comportamento do fascículo VL entre os passos, todos os cinco ensaios foram usados para a análise de confiabilidade (veja abaixo). As imagens de ultrassom foram registradas em uma frequência de captura de 43 Hz usando um transdutor de matriz linear de 10 cm que foi fixado em um molde de plástico / neoprene antiderrapante flexível feito sob medida (Fig. 1) e o comprimento do fascículo foi medido conforme descrito acima. Os dados do comprimento do fascículo foram filtrados usando um filtro Butterworth passa-baixa de segunda ordem com uma frequência de corte de 6 Hz e média de 6 a 11 passos (8,1 ± 0,9) para cada participante e marcha (ou seja, caminhada e corrida). / p>

A mudança de comprimento associada do VL MTU durante a locomoção foi calculada como o produto da mudança no ângulo da articulação do joelho e o braço de alavanca do tendão patelar específico do ângulo individual33. O comprimento inicial da MTU no toque do pé foi determinado com base na equação de regressão fornecida por Hawkins e Hull34. A MTU e as velocidades do fascículo durante a locomoção foram calculadas como a primeira derivada da mudança de comprimento ao longo do tempo. A Figura 3 ilustra as mudanças de comprimento dos fascículos VL e MTU durante a caminhada e corrida de um participante representativo ao longo de três ciclos de etapas consecutivas.

Comprimento da unidade músculo-tendão do vasto lateral (MTU), comprimento do fascículo muscular e eletromiografia (EMG ) atividade de um participante representativo durante três passos consecutivos de caminhada (esquerda) e corrida (direita). As respectivas fases de apoio estão sombreadas em cinza.

A determinação experimental do comprimento do fascículo VL durante a locomoção foi testado para confiabilidade comparando cinco avaliações únicas em dois dias separados (3 a 4 dias entre). Para obter um reposicionamento preciso da sonda de ultrassom no segundo dia de medição, os quatro pontos de canto da sonda de ultrassom foram marcados na pele com um marcador não permanente. As posições marcadas foram medidas com uma fita métrica flexível em relação aos côndilos medial e lateral do fêmur, representando pontos anatômicos fixos. No segundo dia, a posição foi reconstruída de acordo e os participantes realizaram o mesmo protocolo de marcha enquanto novamente o comprimento do fascículo foi capturado cinco vezes.

Avaliação da atividade muscular EMG durante a locomoção

Superfície A EMG do músculo VL direito foi medida durante as tentativas de caminhada e corrida após oito minutos na esteira por 60 s por meio do sistema EMG sem fio e dois eletrodos de superfície bipolares (2 cm de distância intereletrodo) que foram colocados na barriga do músculo . Um filtro Butterworth passa-alta de segunda ordem com uma frequência de corte de 20 Hz, uma retificação de onda completa e, em seguida, um filtro passa-baixa com uma frequência de corte de 20 Hz foram aplicados aos dados EMG brutos. A atividade EMG foi calculada em média em 10 passos de caminhada e corrida, respectivamente, e normalizada para cada participante para o valor máximo alcançado durante a corrida. Para determinar o início da atividade muscular VL durante a caminhada e corrida, utilizamos um limiar que foi definido como a atividade basal mais três vezes o seu desvio padrão35,36. Um conjunto de dados EMG brutos representativos é apresentado na Fig. 3.

Estatísticas

As fases de postura e balanço de cada ciclo de etapa do grupo EMG foram normalizadas no tempo separadamente para as do grupo grupo de fascículos para poder relacionar a EMG com os parâmetros do fascículo e MTU dos dois grupos diferentes. Uma análise de variância bidirecional (ANOVA) para medidas repetidas foi conduzida para testar os parâmetros (absolutos e normalizados para o fascículo L e comprimento de MTU, respectivas faixas operacionais e duração do estado de ativação EMG) para o estado de ativação (estado ativo vs. inativo) e efeitos da condição de marcha (caminhada vs. corrida).Uma ANOVA de medidas repetidas bidirecional também foi usada para testar parâmetros (fascículo normalizado e velocidade de MTU) para efeitos de componente (fascículo vs. MTU) e condição de marcha (caminhada vs. corrida) durante o estado ativo da fase de apoio. A normalidade dos resíduos padronizados de todos os parâmetros investigados foi testada pelo teste de Shapiro-Wilk utilizando o respectivo modelo ANOVA. Os efeitos de interação foram testados post-hoc por um teste t pareado para as diferenças dos respectivos valores das variáveis. Um teste t pareado (bicaudal) foi usado para testar as diferenças de atividade EMG média, comprimento e velocidade do fascículo normalizado, bem como potenciais de força-velocidade no estado ativo entre caminhada e corrida. Em caso de não normalidade dos resíduos (variação absoluta e relativa das alterações do comprimento do fascículo, potencial força-comprimento), o teste dos postos sinalizados de Wilcoxon foi aplicado em conformidade. A antropometria do grupo foi comparada por meio de um teste t para amostras independentes.

O coeficiente de correlações múltiplas (CMC) 37 foi usado para testar a confiabilidade da determinação do comprimento do fascículo para todo o ciclo do passo dos cinco ensaios nos dois dias. As diferenças de raiz quadrada média (RMSD) foram calculadas para os dias 1 e 2 e ambos os dias para quantificar a variabilidade entre os ensaios. Uma ANOVA para medidas repetidas foi realizada para examinar possíveis diferenças no ciclo da marcha entre os dois dias de teste para caminhada e corrida. O nível de significância adotado foi α = 0,05. O nível α foi ajustado para 0,025 para a análise post-hoc, bem como testes não paramétricos separados dos dois fatores.

Disponibilidade de materiais e dados