In vivo Quantifizierung und Implementierung der Dynamik der Muskelarchitekturparameter Faserwinkel und Faserlänge in ein komplexes Muskelmodell

Abstract

Die Kontraktionsdynamik der Skelettmuskulatur wird durch die Architektur und die Geometrie des kontrahierenden Muskels beeinflusst und ist abhängig von den kontraktilen Eigenschaften der Muskelfaser. In Muskeln mit (uni)pennater Architektur sind die Muskelfasern in einem bestimmten Winkel zur Kraftwirkungsrichtung angeordnet. Dieser Muskelfaserwinkel und die Faserlänge verändern sich bei Kontraktion entscheidend in Abhängigkeit von der Gelenkwinkelstellung (Muskellänge) und der Kraftproduktion (Kontraktionsintensität). Die dynamischen Veränderungen der beiden Muskelarchitekturparameter beeinflussen dadurch maßgebend das Kontraktionsverhalten hinsichtlich der Muskelverkürzung und der Kontraktionsgeschwindigkeit (Muscle Gearing). Muskelverkürzungen wie sie für Alltagsbewegungen erforderlich sind, können nur durch die Vergrößerung des Muskelfaserwinkels realisiert werden. Spezifische Muskelmodelle bieten die Möglichkeit, Einblick in die im Inneren der Muskulatur ablaufenden Prozesse der Kraftentwicklung zu erhalten und das Kontraktionsverhalten des Muskels abzubilden. Trotz der nachweislichen Abhängigkeit des Faserwinkels von den genannten Kontraktionsbedingungen, wird ein dynamischer Faserwinkelverlauf, nicht zuletzt aufgrund fehlender zuverlässiger Parameter, in den meisten Muskelmodellen nicht berücksichtigt, sondern der Faserwinkel als konstant angenommen. Die Dissertation widmet sich daher einerseits der ultraschallbasierten Quantifizierung der Muskelarchitekturparameter Faserlänge und Faserwinkel der drei Muskeln der menschlichen Wadenmuskulatur (m. triceps surae) bei verschiedenen Kontraktionsbedingungen (50°-130° Sohlenwinkel und 0-100 % Kontraktionsintensität), andererseits ihrer Implementierung in ein komplexes Muskelmodell unipennater Architektur. Es wurde ein quadratischer Zusammenhang zwischen der Faserlänge und dem Faserwinkel gefunden, der die Basis für die iterative Berechnung der kontraktilen und serienelastischen Komponenten bildet. Das Modell ermöglicht die Darstellung und mathematische Beschreibung eines dynamischen Muskelfaserverlaufs bei isometrischen und konzentrischen Kontraktionen der Plantarflexoren und liefert den Zusammenhang zwischen Muskelfaserwinkel, -länge und -kraft. Auf Grundlage der Modellrechnungen kann eine allgemeine Gesetzmäßigkeit zur Bestimmung des Faserwinkels in Abhängigkeit von der Faserlänge und der Faserkraft formuliert werden, die für weitere Modellierungen eingesetzt werden kann.