Die 3D-Architektur der Muskelfaszikel in ausgewählten Muskeln und ihre Relevanz zur Kraftentwicklung

Stark, Heiko

Biomechanische Muskelmodelle zur Beschreibung von Muskeleigenschaften sind in ihrer Modellierung sehr komplex und nutzen verschiedene Techniken, wie die Forward Kinematik, die Inverse Kinematik und die Finite-Element-Methode (FEM). Allen gemeinsam ist jedoch die fehlende Beschreibung der wichtigen Feinstrukturen wie der Fasertypenverteilung oder die geometrische Anordnung der Muskelfaszikel. Die Anordnung der Faszikel hat aber einen wichtigen Einfluss auf die Kraftentwicklung des Muskels. Ziel dieser Arbeit war es, die innere Architektur ausgewählter Muskeln dreidimensional zu rekonstruieren und feinarchitektonisch den isometrisch kontrahierten mit den nicht kontrahierten Zustand zu vergleichen. Dazu wurde der M. gastrocnemius medialis und der M. soleus der Ratte (Rattus norvegicus) unter experimentellen Bedingungen untersucht. Hierbei wurden die Muskeln im relaxierten und kontrahierten Zustand schockgefroren. Mit verschiedenen Techniken wurden dann die Muskelfaserbündel als räumliche Linien aus Gefrierschnittserien rekonstruiert und ausgewertet. Dies ermöglichte eine hohe Auflösung der Geometrie in beiden Zuständen. Aus ihnen konnte in einem weiteren Schritt der Fiederungswinkel und die Krümmung der Faszikel sowie ihre geometrische Veränderung bestimmt werden. Die Muskeln zeigten lokal unterschiedliche Fiederungswinkel und Krümmungen. Zudem veränderten sich diese Parameter während der Kontraktion. Aus den Resultaten lässt sich ableiten, dass die Architektur viel komplexer ist als es viele Modelle heute einbeziehen. Dabei müssen lokale Unterschiede der Fiederungswinkel beachtet werden, denn gerade die sind im Hinblick auf die lokale Innervation der neuronalen Kompartimente wichtig, da aus ihnen unterschiedliche Muskelkraftrichtungen resultieren. Aber auch für die Bestimmung der physiologischen Muskelquerschnittsfläche und des Fiederungswinkels mit Ultraschallmessungen ergeben sich Einschränkungen. Ferner konnte mit dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass sich die Krümmung der Faszikel stark zwischen proximalen und distalen Muskelteilen unterscheidet, was in zukünftige Muskelmodelle einfließen muss.

Biomechanical models describing muscle characteristics are very complex and different techniques like forward kinematics, inverse kinematics and finite element method were used in the past. None of them take all influential 3D features into account, such as the fibre type distribution or the geometrical arrangement of the muscle fascicles. In particular, the arrangement of the fascicles has an influence on the force production of the muscle. The aim of this study was to reconstruct and compare the 3D architecture of the muscle fascicles between relaxed and contracted muscles and to document possible internal inhomogeneities. The M. gastrocnemius medialis and M. soleus of the rat (Rattus norvegicus Wistar) were investigated under experimental conditions. The muscles were shock-frozen in the relaxed or contracted condition. From serial-cross-sections, the muscle fibre bundles were reconstructed and evaluated as 3D polynomials using different techniques. The detailed geometry of the two muscles was measured in high resolution in both, the relaxed and the contracted condition. The variation of the polynomials contains information about the pinnation angle and the curvature of the fascicles as well as their geometrical deformation. The muscles showed locally different pinnation angles and curvature distributions, and these parameters changed during contraction. The results show specifically that many models oversimplify the muscle architecture. This simplification ignores local differences in the pinnation angles which have an impact on a muscle’s contraction properties. Moreover, because these local architecturally different regions may be innervated separately and act in so called neuromuscular compartments, a detailed, nature-orientated muscle model has to take the local differences into account. Additionally, local differences impose a problem on the determination of the PCSA, as it can not be determined exactly. Because the fascicle curvature varies between the proximal and the distal muscle parts, comprehensive curvature data are essential to more detailed muscle models.

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Stark, Heiko: Die 3D-Architektur der Muskelfaszikel in ausgewählten Muskeln und ihre Relevanz zur Kraftentwicklung. 2008.

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