Experimentell design

Trettio friska vuxna (5 kvinnor) deltog i denna studie efter att ha informerat skriftligt samtycke till det experimentella förfarandet, som godkändes av den lokala etikkommittén (Ethikkomission, Ethikausschuss 2 am Campus Virchow-Klinikum, Charitéplatz 1, 10 117 Berlin; referensnummer EA2 / 076/15) och i enlighet med relevanta riktlinjer och förordningar. Deltagarna var regelbundet fysiskt aktiva och rapporterade inte någon historia av neuromuskulära eller skelettmässiga försämringar under de senaste sex månaderna. Deltagarna var lika fördelade i två grupper (dvs. n = 15). I den första gruppen (ålder: 27,3 ± 4,1 år, höjd: 179,2 ± 6,5 cm, massa: 75,0 ± 8,2 kg) bedömdes VL-muskelns individuella kraft-fascikellängdförhållande experimentellt med hjälp av maximal isometrisk frivillig knäförlängning sammandragningar (MVC) av höger ben vid olika knäledsvinklar på en dynamometer i kombination med ultraljudsavbildning av VL-fasciklarna. Kraften som applicerades på patellarsenan beräknades från knäledsmomentet och senhävarmen, som bestämdes av magnetisk resonanstomografi (MRI). På en andra dag mättes VL-fascikellängden och gemensamma kinematik för samma ben synkront under gång (1,5 m / s) och löpning (3,0 m / s) på ett löpband med användning av ultraljud respektive rörelsesanalys. Promenad och löpande ordning randomiserades mellan deltagarna och en uppvärmnings- och bekantningsfas på två minuter för varje hastighet föregick tio minuters försök. Mätningarna upprepades nästa dag för en tillförlitlighetsanalys. Deltagarna i den andra gruppen (ålder: 29,3 ± 6,7 år, höjd: 176,9 ± 8,0 cm, massa: 71,0 ± 12,0 kg) utförde samma gång- och löpningsprotokoll på löpbandet medan elektromyografisk (EMG) aktivitet i höger VL-muskel fångades. VL-aktivitetsdata kombinerades sedan med kinematik och fascikellängddata för den första gruppen.

Bedömning av muskelns inneboende egenskaper

Deltagarna satt på en dynamometer (Biodex Medical, Syst . 3, Inc., Shirley, NY), fixerad med en bäckenrem runt midjan medan armarna hölls korsade över bröstet. Höftledsvinkeln sattes till 85 ° (0 ° = rygg) för att minska bidraget från den bi-artikulära m. rectus femoris till knäförlängningsmomentet23. Efter en standardiserad uppvärmning utfördes åtta MVC i höger ben inklusive en platå på cirka 2 sekunder i intervallet 20 ° till 90 ° knäledsvinkel (0 ° = knäförlängt) i 10 ° intervall i en randomiserad ordning. Eftersom vinklarna baserade på dynamometerdata under vila inte är representativa för knävinklarna under sammandragningar på grund av mjukvävnadsdeformation och dynamometeröverensstämmelse24 registrerades benkinematik på basis av sex reflekterande markörer (främre iliac ryggrad, större trochanter, lateral och medial femoral epicondyle och malleoli) med ett Vicon motion capture-system (version 1.7.1., Vicon Motion Systems, Oxford, Storbritannien) som integrerar åtta kameror (6x F20, 2x T20) vid 250 Hz. Markörbanor utjämnades med hjälp av ett andra ordens lågpass Butterworth-filter med en avskärningsfrekvens på 6 Hz16.

De resulterande ögonblicken vid knäleden beräknades med hjälp av invers dynamik enligt den rapporterade metoden. av Arampatzis et al.24 för att redogöra för (a) för effekten av felinriktningen mellan knäledsaxeln och dynamometeraxeln och (b) effekten av gravitationskrafterna. Följaktligen bestämdes ledvinkelspecifika moment på grund av tyngdkraften under en passiv knäledsrotation (5 ° / s) driven av dynamometern, medan deltagarna var helt avslappnade. Vidare betraktades bidraget från det antagonistiska ögonblicket som framkallades av hamstringsmusklerna genom att etablera ett samband mellan EMG-amplitud och utövat ögonblick av hamstrings medan han arbetade som agonist25. EMG-aktiviteten hos muskelbiceps femoris och motsvarande ögonblick som framkallades av hamstringarna mättes i ett avslappnat tillstånd och under ytterligare två submaximala isometriska knäböjningskontraktioner av olika intensitet, enligt metoden rapporterad av Mademli et al.26. EMG-aktiviteten mättes synkront med kinematiska data med användning av ett trådlöst EMG-system (Myon m320RX, Myon AG, Baar, Schweiz) med en upptagningsfrekvens på 1000 Hz.

Kraften som applicerades på patellarsenan under MVC beräknades som kvotient för knäledsmomentet och senarmen. För det helt utsträckta knäet mättes hävarmen i ett tredimensionellt koordinatsystem som det vinkelräta avståndet från senans verkningslinje till knäets rotationsaxel baserat på MR.Handlingslinjen för patellarsen definierades som linjen för bästa linjära passning genom de geometriska centrumen för senas tvärsnittsområden, som rekonstruerades från segmenteringen av tvärbilder (G-Scan, 0,25 T, 3D HYCE (GR ) sekvens, Esaote, Genova, Italien) mellan patellarbenets kaudala pol och den första insättningen vid tibial tuberositet. Motsvarande rotationsaxel för knäleden bestämdes genom att segmentera de laterala och mediala lårbensepikondylerna i de sagittala magnetiska resonansskanningarna och ansluta centrum för respektive bäst passande cirklar enligt Churchill et al.27. Senmomentarmen som en funktion av knäledsvinkeln beräknades genom att bearbeta momentarmändringar i förhållande till ledvinkeln på basis av data från Herzog och Read28.

Under MVC: erna var VL-fascikalerna fångas av ultraljud med B-läge (My Lab60, Esaote, Genova, Italien). En 10 cm linjär array-sond som arbetade vid 43 Hz (LA923, 10 MHz, djup 7,4 cm, fokalpunkt 1,8, inget bildfilter) fästes på huden ovanför VL-muskelmagen (~ 50% av lårbenlängden), justerad med avseende på till parallell ytlig och djupare aponeuros och tydlighet hos inriktad hyperekoisk perimysial intramuskulär bindväv som är vägledande för muskelfascikelstrukturerna och fixeras med elastiska remmar. Ultraljudsenheten och rörelsefångningssystemet synkroniserades av en manuellt släppt 5 V utlösarsignal. Fascikellängden bestämdes från ultraljudsvideorna av en egenutvecklad halvautomatisk spårningsalgoritm29 skriven i Matlab (version R2012a, The Mathworks, Natick, USA). Kortfattat inkluderade proceduren en approximation av den djupare och ytliga aponeurosen genom en bäst linjär passning genom tre manuellt placerade och ram-för-ram-justerade märken på respektive inre bindvävslager (fig 1). Sedan identifierade en halvautomatisk algoritm baserad på bwtraceboundary-funktionen i Matlab Image Processing-verktygslådan automatiskt formen och orienteringen av bildens ljusstyrkefunktioner mellan båda aponeurosis i varje ram, vilket är vägledande för de hyperekoiska perimysiala bindvävsdelarna (utdrag) i linje muskelfasciklarna (fig. 1). Upptäckta utdrag ansågs vara giltiga följande krav uppfylldes: minimal längd på 23 pixlar (dvs. 0,4 cm, från nedre vänstra till övre högra punkten i ett utdrag); förhållande område till längd 8,5 (identifierar vita områden med en lång och smal form som sedan konverterades till linjer); vinkel mellan utdrag och övre aponeuros mellan 6 ° och 35 °; 80% av pixlarna på en linje mellan start- och slutpunkten för ett utdrag måste vara vita. Varje ram kontrollerades visuellt efteråt för adekvat funktionsplacering och korrigerades manuellt vid behov (t.ex. icke-perimysiella bindvävsdelar togs bort). En linjär referensfascikel beräknades som ett medelvärde av de enskilda identifierade egenskaperna och användes för bestämning av fascicellängd (fig. 1). Vidare var fascikellängden i genomsnitt över tio bilder från platån för varje MVC. På grundval av den maximala kraften som appliceras på patellarsenan och motsvarande VL-fascikellängd beräknades en individuell kraft-fascikellängdsförhållande för varje deltagare baserat på en andra ordningens polynompassning (fig. 2) för att bestämma den maximala muskeln kraft applicerad på senan (F max) och L o för kraftgenerering. VL-muskelspecifika konstanter av rel = 0,34 och b rel = 4,03 s − 1 22 användes för att bedöma den maximala fascikelförkortningshastigheten V max = 11,85 L 0 s − 1. Kraft-hastighetsförhållandet för VL-fasciklarna beskrivs sedan efter den klassiska Hill-ekvationen2.

Ultraljudbaserad bestämning av vastus lateralis muskelfascikellängd. (a) Ultraljudsgivaren fästes försiktigt på muskelmagen med hjälp av en skräddarsydd neoprenelastisk gjutning. (b) Ett halvautomatiskt spårningsförfarande ram för ram användes för att identifiera synliga egenskaper hos flera fasciklar (F) belägna mellan den manuellt spårade övre (uA) och djupare (dA) aponeurosen. En representativ referensfascikel (rF) beräknades sedan på basis av de identifierade fascikeldelarna för att bedöma fascikellängden som det euklidiska avståndet mellan insättningspunkterna med de två aponeurosen.

Exempel på kraft-fascikellängdförhållande för vastus lateralis-muskel. Kraftfascikellängdsförhållandet bestämdes experimentellt med hjälp av maximal frivillig isometrisk knäförlängning (kvadrater) och respektive andra ordningens polynompassning (streckad linje).

Bedömning av gemensam kinematik och muskelfascikellängd under gång och löpning

Under 10 minuters gång- och löpningsprov på löpbandet (Daum electronic, ergo_run premium8, Fürth, Tyskland) registrerades kinematiska data för höger ben av Vicon motion capture-system (5x Vicon MX T20, 5x Vicon MX-T20-S , 250 Hz), med användning av anatomiskt refererade markörer placerade på större trochanter, lateral femoral epicondyle, lateral malleolus, chef för andra metatarsalis och tuberositas calcanei. Touchdown av foten under gång och löpning bestämdes utifrån kinematiska data som ögonblick av minimalt vertikalt läge för hälmarkören 30,31, tån av under gång som reversering av den horisontella hastigheten för metatarsalis markören 30,32 och under löpning som minimalt i knäledsvinkeln, dvs den mest utsträckta knäpositionen31.

Under respektive 10 minuters gång och löpning fångades en ultraljudinspelning på 10 s synkront med kinematiska data varannan minut. Medan data från en försök användes för att jämföra VL-fascikelbeteendet mellan gångarter användes alla fem försöken för tillförlitlighetsanalysen (se nedan). Ultraljudbilderna spelades in med en infångningsfrekvens på 43 Hz med användning av en 10 cm linjär array-omvandlare som fixerades i en skräddarsydd flexibel, antislipad neopren / plastgjutning (figur 1) och fascikellängden mättes som beskrivits ovan. Fascikellängddata filtrerades med användning av ett andra ordens lågpass Butterworth-filter med en avskärningsfrekvens på 6 Hz och var i genomsnitt över 6 till 11 steg (8,1 ± 0,9) för varje deltagare och gång (dvs. gå och springa). / p>

Den tillhörande längdförändringen för VL MTU under rörelse beräknades som produkten av förändringen i knäledsvinkeln och den individuella vinkelspecifika patellarsenarmen. Den ursprungliga MTU-längden vid fotens beröring bestämdes baserat på regressionsekvationen från Hawkins och Hull34. MTU och fascikelhastigheter under rörelse beräknades som det första derivatet av längdförändringen över tiden. Figur 3 illustrerar längdförändringarna för VL-fasciklarna och MTU under gång och löpning från en representant deltagare under tre på varandra följande stegcykler.

Vastus lateralis muscle-tendon unit (MTU) längd, muskelfascikellängd och elektromyografisk (EMG) ) aktivitet för en representant deltagare under tre på varandra följande gång (vänster) och löpande (höger) steg. Respektive hållningsfaser är skuggade i grått.

Den experimentella bestämningen av VL-fascikellängden under rörelse var testades för tillförlitlighet genom att jämföra fem enskilda bedömningar på två separata dagar (3 till 4 dagar däremellan). För att uppnå en exakt omplacering av ultraljudssonden den andra mätdagen markerades de fyra hörnpunkterna i ultraljudssonden på huden med en icke-permanent markör. De markerade positionerna mättes med ett flexibelt mätband i förhållande till de mediala och laterala lårbenkondylerna, som representerar fasta anatomiska landmärken. Den andra dagen rekonstruerades positionen därefter och deltagarna utförde samma gångprotokoll medan fascikellängden åter fångades fem gånger.

Bedömning av EMG-muskelaktivitet under rörelse

Yta EMG för den högra VL-muskeln mättes under gång- och löpeförsöken efter åtta minuter på löpbandet i 60 s med hjälp av det trådlösa EMG-systemet och två bipolära ytelektroder (2 cm mellanelektrodavstånd) som placerades på muskelmagen . Ett andra ordens högpass Butterworth-filter med en 20 Hz avstängningsfrekvens, en fullvågs-korrigering och sedan ett lågpassfilter med en 20 Hz avstängningsfrekvens applicerades på rå EMG-data. EMG-aktiviteten var i genomsnitt över 10 gång- respektive löpsteg och normaliserades för varje deltagare till det maximala värdet som uppnåddes under löpningen. För att bestämma uppkomsten av VL-muskelaktiviteten under gång och löpning använde vi en tröskel som definierades som baslinjeaktiviteten plus tre gånger dess standardavvikelse35,36. En representativ rå EMG-datauppsättning presenteras i fig. 3.

Statistik

Ställnings- och svängningsfaserna för varje stegcykel i EMG-gruppen var tidsnormiserade separat till de för för att kunna relatera EMG med fascicle och MTU-parametrar från de två olika grupperna. En tvåvägs variansanalys (ANOVA) för upprepade åtgärder utfördes för att testa parametrarna (absolut och normaliserat till L o fascicle och MTU-längd, respektive driftsintervall och EMG-aktiveringstillståndslängd) för aktiveringstillstånd (aktivt vs. inaktivt tillstånd) och gångförhållanden (gång vs löpning) effekter.En tvåvägs upprepad åtgärd ANOVA användes också för att testa parametrar (normaliserad fascicle och MTU-hastighet) för komponent (fascicle vs. MTU) och gångtillståndseffekter (gång vs. löpning) under det aktiva tillståndet i hållningsfasen. Normaliteten hos de standardiserade resterna av alla undersökta parametrar testades med Shapiro-Wilk-testet med användning av respektive ANOVA-modell. Interaktionseffekter testades post-hoc med ett parat t-test med avseende på skillnaderna i respektive variabla värden. Ett parat t-test (två-tailed) användes för att testa med avseende på skillnader i genomsnittlig EMG-aktivitet, normaliserad fascikellängd och hastighet samt krafthastighetspotentialer i det aktiva tillståndet mellan gång och löpning. I händelse av att resterna inte är normala (absoluta och relativa intervall av förändringar i fascikellängd, kraftlängdspotential) tillämpades Wilcoxon-testet i enlighet med detta. Gruppantropometri jämfördes med hjälp av ett t-test för oberoende prover.

Koefficienten för multipla korrelationer (CMC) 37 användes för att testa tillförlitligheten för bestämning av faslängd för hela stegcykeln av de fem försök på de två dagarna. Roterande medelkvadratskillnader (RMSD) beräknades för dag 1 och 2 och båda dagarna för att kvantifiera variationen mellan försök. En ANOVA för upprepade åtgärder utfördes för att undersöka möjliga skillnader i gångcykeln mellan de två testdagarna för gång och löpning. Signifikansnivån sattes till α = 0,05. Α-nivån justerades till 0,025 för post-hoc-analys samt separat icke-parametrisk testning av de två faktorerna.

Tillgång till material och data