Proiectare experimentală

Treizeci de adulți sănătoși (5 femei) au participat la prezentul studiu după ce au furnizat informații scrise consimți la procedura experimentală, care a fost aprobată de comitetul local de etică (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; numărul de referință EA2 / 076/15) și în conformitate cu orientările și reglementările relevante. Participanții au fost activi fizic în mod regulat și nu au raportat niciun istoric de tulburări neuromusculare sau scheletice în ultimele șase luni. Participanții au fost distribuiți în mod egal în două grupuri (adică n = 15). În primul grup (vârstă: 27,3 ± 4,1 ani, înălțime: 179,2 ± 6,5 cm, masă: 75,0 ± 8,2 kg), relația individuală forță-lungime fascicul a mușchiului VL a fost evaluată experimental prin intermediul unor extensii isometrice voluntare maxime voluntare contracțiile (MVC) ale piciorului drept la diferite unghiuri ale articulației genunchiului pe un dinamometru în combinație cu imagistica cu ultrasunete a fasciculelor VL. Forța aplicată tendonului rotulian a fost calculată din momentul articulației genunchiului și brațul pârghiei tendonului, care a fost determinat prin imagistica prin rezonanță magnetică (RMN). În a doua zi, lungimea fasciculului VL și cinematica articulației aceluiași picior au fost măsurate sincron în timpul mersului (1,5 m / s) și alergării (3,0 m / s) pe o bandă de alergat folosind ultrasunografie și, respectiv, analiza mișcării. Ordinea de mers și mers a fost randomizată între participanți și o fază de încălzire și familiarizare de două minute pentru fiecare viteză a precedat încercările de 10 minute. Măsurătorile au fost repetate în ziua următoare pentru o analiză de fiabilitate. Participanții celui de-al doilea grup (vârstă: 29,3 ± 6,7 ani, înălțime: 176,9 ± 8,0 cm, masă: 71,0 ± 12,0 kg) au efectuat același protocol de mers și alergare pe banda de alergat în timp ce activitatea electromiografică (EMG) a mușchiului VL drept a fost capturat. Datele despre activitatea VL au fost apoi combinate cu datele despre cinematică și lungimea fasciculelor din primul grup.

Evaluarea proprietăților intrinseci ale mușchilor

Participanții au fost așezați pe un dinamometru (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), fixat cu o curea pelviană în jurul taliei în timp ce brațele erau ținute încrucișate deasupra pieptului. Unghiul articulației șoldului a fost setat la 85 ° (0 ° = culcat) pentru a reduce contribuția m bi-articulară. rectus femoris până la momentul extensiei genunchiului23. După o încălzire standardizată, opt MVC ale piciorului drept, inclusiv un platou de aproximativ 2 s, au fost efectuate într-un interval de 20 ° până la 90 ° unghiul articulației genunchiului (0 ° = genunchi extins) la intervale de 10 ° într-o ordine randomizată. Deoarece unghiurile bazate pe datele dinamometrului în timpul repausului nu sunt reprezentative pentru unghiurile genunchiului în timpul contracțiilor datorate deformării țesuturilor moi și conformității dinamometrului24, cinematica piciorului a fost înregistrată pe baza a șase markeri reflectorizanti (coloana iliacă anterioară, trohanter mai mare, lateral și medial epicondil femural și malleoli) utilizând un sistem de captare a mișcării Vicon (Versiunea 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, Marea Britanie) care integrează opt camere (6x F20, 2x T20) la 250 Hz. Traiectoriile markerului au fost netezite utilizând un filtru Butterworth de ordinul doi, cu o frecvență de decupare de 6 Hz16.

Momentele rezultate la articulația genunchiului au fost calculate prin intermediul dinamicii inverse conform metodologiei raportate de Arampatzis și colab.24 pentru a explica (a) efectul nealinierii dintre axa articulației genunchiului și axa dinamometrului și (b) efectul forțelor gravitaționale. În consecință, momentele specifice unghiului articulației datorate gravitației au fost determinate în timpul unei rotații pasive a articulației genunchiului (5 ° / s) condusă de dinamometru, în timp ce participanții au fost complet relaxați. Mai mult, contribuția momentului antagonist produs de mușchii ischișorilor a fost luată în considerare prin stabilirea unei relații între amplitudinea EMG și momentul exercitat al ischișorilor în timp ce lucra ca agonist25. Activitatea EMG a bicepsului femural muscular și momentul corespunzător produs de ischiori au fost măsurate într-o stare relaxată și în timpul a două contracții izometrice submaximale suplimentare ale flexiei genunchiului de intensitate diferită, conform metodologiei raportate de Mademli și colab. Activitatea EMG a fost măsurată sincron cu datele cinematice utilizând un sistem EMG fără fir (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Elveția) la o frecvență de achiziție de 1000 Hz.

Forța aplicată tendonului rotulian în timpul MVC-urile au fost calculate ca coeficient al momentului articulației genunchiului și brațului pârghiei tendonului. Pentru genunchiul complet extins, brațul pârghiei a fost măsurat într-un sistem tridimensional de coordonate ca distanță perpendiculară a liniei de acțiune a tendonului față de axa de rotație a genunchiului pe baza RMN.Linia de acțiune a tendonului rotulian a fost definită ca linia cu cea mai bună potrivire liniară prin centrele geometrice ale secțiunilor transversale ale tendonului, care au fost reconstruite din segmentarea imaginilor transversale (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ), Esaote, Genova, Italia) între polul caudal al osului rotulian și inserția inițială la tuberozitatea tibială. Axa de rotație corespunzătoare a articulației genunchiului a fost determinată prin segmentarea epicondililor femurali laterali și mediali în scanările de rezonanță magnetică sagitală și conectarea centrelor cercurilor cele mai potrivite corespunzătoare conform Churchill și colab. Brațul momentului tendinos în funcție de unghiul articulației genunchiului a fost calculat prin procesarea modificărilor momentului brațului în raport cu unghiul articulației pe baza datelor furnizate de Herzog și Read28.

În timpul MVC, fasciculele VL au fost capturat de ultrasunografie în modul B (My Lab60, Esaote, Genova, Italia). O sondă liniară de 10 cm care funcționează la 43 Hz (LA923, 10 MHz, adâncime 7,4 cm, punct focal 1,8, fără filtru de imagine) a fost atașată la piele deasupra burții musculare VL (~ 50% din lungimea femurului), ajustată cu respect la aponevroză superficială și profundă paralelă și claritatea țesutului conjunctiv intramuscular perimisial hiperecogen aliniat, care este indicativ pentru structurile fasciculului muscular și fixat de curele elastice. Dispozitivul cu ultrasunete și sistemul de captare a mișcării au fost sincronizate printr-un semnal de declanșare eliberat manual de 5 V. Lungimea fasciculului a fost determinată din videoclipurile cu ultrasunete de un algoritm de urmărire semi-automat auto-dezvoltat29 scris în Matlab (versiunea R2012a, The Mathworks, Natick, SUA). Pe scurt, procedura a inclus o aproximare a aponevrozei profunde și superficiale printr-o potrivire liniară optimă prin trei mărci plasate manual și cadru cu cadru ajustate pe stratul de țesut conjunctiv interior respectiv (Fig. 1). Apoi, un algoritm semiautomat, bazat pe funcția de limită transversală a casetei de instrumente Matlab Image Processing, a identificat automat forma și orientarea caracteristicilor luminozității imaginii între ambele aponevroze din fiecare cadru, care sunt indicative pentru părțile de țesut conjunctiv hiperecogen (fragmente) aliniate cu fasciculele musculare (Fig. 1). Fragmentele detectate au fost considerate valide, au fost îndeplinite următoarele cerințe: lungimea minimă de 23 pixeli (adică 0,4 cm, de la stânga jos până la punctul din dreapta sus al unui fragment); raportul dintre suprafață și lungime de 8,5 (identifică zonele albe cu o formă lungă și îngustă care au fost apoi convertite în linii); unghiul dintre fragment și aponevroza superioară între 6 ° și 35 °; 80% din pixelii de pe o linie între punctul de început și sfârșitul unui fragment trebuiau să fie albi. Fiecare cadru a fost controlat vizual ulterior pentru plasarea adecvată a caracteristicilor și corectat manual dacă este necesar (de exemplu, au fost îndepărtate porțiuni de țesut conjunctiv non-perimisial). Un fascicul de referință liniar a fost calculat ca o medie a trăsăturilor individuale identificate și a fost utilizat pentru determinarea lungimii fasciculului (Fig. 1). Mai mult, lungimea fasciculului a fost calculată în medie pe zece cadre de pe platoul fiecărui MVC. Pe baza forței maxime aplicate tendonului rotulian și a lungimii corespunzătoare a fasciculului VL, a fost calculată o relație individuală forță-lungime fascicul pentru fiecare participant pe baza unei potriviri polinomiale de ordinul doi (Fig. 2), pentru a determina mușchiul maxim forța aplicată tendonului (F max) și L o pentru generarea forței. S-au utilizat constante specifice ale mușchiului VL a rel = 0,34 și b rel = 4,03 s − 1 22 pentru a evalua viteza maximă de scurtare a fasciculului V max = 11,85 L 0 s − 1. Relația forță-viteză a fasciculelor VL a fost apoi descrisă în urma ecuației clasice Hill2.

Determinarea pe ultrasunete a lungimii fasciculului muscular vastus lateralis. (a) Traductorul cu ultrasunete a fost atașat cu atenție pe burta musculară prin intermediul unei piese elastice din neopren personalizate. (b) O procedură de urmărire cadru cu cadru semi-automată a fost utilizată pentru a identifica caracteristicile vizibile ale multiplelor fascicule (F) situate între aponevroza superioară (uA) și cea profundă (dA) trasată manual. Un fascicul de referință reprezentativ (rF) a fost apoi calculat pe baza porțiunilor de fascicul identificate pentru a evalua lungimea fasciculului ca distanță euclidiană între punctele de inserție cu cele două aponevroze.

Exemplară relație forță-lungime fascicul a mușchiului vastus lateralis. Relația forță-lungime fascicul a fost determinată experimental prin intermediul extensiilor maxime voluntare isometrice ale genunchiului (pătrate) și a unei potriviri polinomiale de ordinul doi (linie punctată).

Evaluarea cinematicii articulare și a lungimii fasciculului muscular în timpul mersului și alergării

În timpul încercărilor de 10 minute de mers pe jos și alergare pe banda de alergat (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Germania), datele cinematice ale piciorului drept au fost înregistrate de sistemul de captare a mișcării Vicon (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), utilizând markeri cu referință anatomică, amplasați pe trohanterul mai mare, epicondilul femural lateral, maleola laterală, capul celui de-al doilea metatarsal și tuberozita calcanei. Aterizarea piciorului în timpul mersului și alergării a fost determinată din datele cinematice ca moment de poziție verticală minimă a marcatorului de călcâi30,31, degetul de la picior în timpul mersului ca inversare a vitezei orizontale a markerului metatarsalis30,32 și în timpul alergării ca minim în unghiul articulației genunchiului, adică cea mai extinsă poziție a genunchiului31.

În timpul respectivelor 10 minute de mers și alergare, o înregistrare cu ultrasunete de 10 s a fost capturată sincron cu datele cinematice la fiecare două minute. În timp ce datele unui studiu au fost utilizate pentru a compara comportamentul fasciculului VL între mersuri, toate cele cinci studii au fost utilizate pentru analiza fiabilității (vezi mai jos). Imaginile cu ultrasunete au fost înregistrate la o frecvență de captare de 43 Hz utilizând un traductor de matrice liniară de 10 cm care a fost fixat într-o piesă de neopren / plastic turnată la comandă flexibilă (Fig. 1) și lungimea fasciculului a fost măsurată așa cum s-a descris mai sus. Datele despre lungimea fasciculului au fost filtrate folosind un filtru Butterworth de treaptă joasă de ordinul doi cu o frecvență de decupare de 6 Hz și în medie pe 6 până la 11 trepte (8,1 ± 0,9) pentru fiecare participant și mers (adică mers și alergare).

Schimbarea de lungime asociată a VL MTU în timpul locomoției a fost calculată ca produs al modificării unghiului articulației genunchiului și al brațului individual al pârghiei tendonului rotulian specific unghiului33. Lungimea inițială MTU la atingerea piciorului a fost determinată pe baza ecuației de regresie oferită de Hawkins și Hull34. Viteza MTU și a fasciculului în timpul locomoției au fost calculate ca prima derivată a modificării lungimii în timp. Figura 3 ilustrează modificările de lungime ale fasciculelor VL și MTU în timpul mersului și alergării de la un participant reprezentativ pe parcursul a trei cicluri de pași consecutivi.

Lungimea unității musculare-tendoniene Vastus lateralis (MTU), lungimea fasciculului muscular și electromiografică (EMG ) activitatea unui participant reprezentativ pe parcursul a trei pași consecutivi de mers (stânga) și alergare (dreapta). Fazele de poziție respective sunt umbrite în gri.

Determinarea experimentală a lungimii fasciculului VL în timpul locomoției a fost testat pentru fiabilitate prin compararea a cinci evaluări unice în două zile separate (între 3 și 4 zile între ele). Pentru a realiza o repoziționare precisă a sondei cu ultrasunete în a doua zi de măsurare, cele patru puncte de colț ale sondei cu ultrasunete au fost marcate pe piele folosind un marker nepermanent. Pozițiile marcate au fost măsurate cu o bandă de măsurare flexibilă în raport cu condilii femurali mediali și laterali, reprezentând repere anatomice fixe. În a doua zi, poziția a fost reconstruită în consecință, iar participanții au efectuat același protocol de mers, în timp ce din nou lungimea fasciculului a fost capturată de cinci ori.

Evaluarea activității musculare EMG în timpul locomoției

Suprafață EMG al mușchiului VL drept a fost măsurat în timpul încercărilor de mers și alergare după opt minute pe bandă de alergat timp de 60 s cu ajutorul sistemului EMG fără fir și a doi electrozi bipolari de suprafață (distanță interelectrodică de 2 cm) care au fost așezați pe burta musculară . Datelor brute EMG li s-a aplicat un filtru de trecere Butterworth de ordinul doi cu o frecvență de întrerupere de 20 Hz, o rectificare cu undă completă și apoi un filtru de trecere cu o frecvență de întrerupere de 20 Hz. Activitatea EMG a fost calculată în medie pe 10 pași de mers și respectiv alergare și normalizată pentru fiecare participant la valoarea maximă atinsă în timpul alergării. Pentru a determina debutul activității musculare VL în timpul mersului și alergării, am folosit un prag care a fost definit ca activitate inițială plus de trei ori abaterea standard35,36. Un set reprezentativ de date brute EMG este prezentat în Fig. 3.

Statistici

Fazele de poziție și de swing ale fiecărui ciclu de etape ale grupului EMG au fost normalizate în timp separat cu cele din grup fascicul pentru a putea relaționa EMG cu parametrii fasciculului și MTU din cele două grupuri diferite. O analiză bidirecțională a varianței (ANOVA) pentru măsuri repetate a fost efectuată pentru a testa parametrii (absoluți și normalizați la lungimea fasciculului și MTU, intervalele de operare respective și durata stării de activare EMG) pentru starea de activare (starea activă vs. starea inactivă) și efectele condiției mersului (mersul pe jos vs. alergarea).O măsură repetată bidirecțională ANOVA a fost, de asemenea, utilizată pentru a testa parametrii (fascicul normalizat și viteza MTU) pentru componentă (fascicul vs. MTU) și a condiției mersului (mers vs. alergare) în timpul stării active a fazei de poziție. Normalitatea reziduurilor standardizate a tuturor parametrilor investigați a fost testată prin testul Shapiro-Wilk folosind modelul respectiv ANOVA. Efectele de interacțiune au fost testate post-hoc printr-un test t asociat pentru diferențele valorilor variabile respective. Un test t asociat (cu două cozi) a fost folosit pentru a testa diferențele de activitate medie EMG, lungimea și viteza normală a fasciculului, precum și potențialele forței-viteze în starea activă dintre mers și alergare. În caz de non-normalitate a reziduurilor (intervalul absolut și relativ de modificări ale lungimii fasciculului, potențialul forței-lungime), testul Wilcoxon semnat-rang a fost aplicat în consecință. Antropometria de grup a fost comparată prin intermediul unui test t pentru eșantioane independente.

Coeficientul de corelații multiple (CMC) 37 a fost utilizat pentru a testa fiabilitatea determinării lungimii fasciculului pentru întregul ciclu de pași din cele cinci încercări în cele două zile. Diferențele pătrate medii de rădăcină (RMSD) au fost calculate pentru zilele 1 și 2 și ambele zile pentru a cuantifica variabilitatea între studii. A fost efectuat un ANOVA pentru măsuri repetate pentru a examina diferențele posibile ale ciclului de mers între cele două zile de testare pentru mers și alergare. Nivelul de semnificație a fost stabilit la α = 0,05. Nivelul α a fost ajustat la 0,025 pentru analiza post-hoc, precum și testarea separată non-parametrică a celor doi factori.

Disponibilitatea materialelor și a datelor