文摘
骨骼肌是人类运动基本的性别特征。Sonomyography,一个新的信号量化肌肉激活,非常有利于理解通过监控实时肌肌肉功能架构更改。本试验研究的目的是研究性别差异的架构更改美食肌肉和肌腱通过sonomyography期间执行两条腿小腿提高练习。运动分析系统开发从超声图像中提取sonomyography运动学和动力学测量。小束长度变化等七个男性受试者被观察到初始小腿提高的一部分,而七个女性受试者的一簇立即缩短。这个结果表明,男人会产生更高的跖屈肌机械输出功率调节他们的体重更重。此外,大束长度之间的回归系数和肌肉力量的男性受试者意味着更高的肌肉僵硬的男人需要维护他们的身体重经济的需求。从目前的研究结果表明,体重可能发挥的因素结构变化的性别差异在运动肌肉和肌腱。sonomyography可能提供有价值的信息的理解性别差异在人类的动作。
1。介绍
骨骼肌是重要的人体组织监管力量的生成和控制身体动作生物(1]。骨骼肌的力量代功能几十年来一直在研究理解人类运动的性别特征(2- - - - - -5]。一些研究报告说,男性比女性产生更大的绝对强度(2- - - - - -4]。不同的是重要的甚至在调整体重之后,身体质量指数(BMI)、肌肉的横截面积,或纤维的大小。男人也有更大的力量发展与女性相比最大随意收缩(MVC)期间,暗示他们的速度力量代能力(5]。这些性别差异可以归因于诸多因素,其中包括建筑特点的肌肉,肌肉纤维类型、肌肉生物力学特征,在肌肉收缩的神经活动(6- - - - - -8]。
肌肉结构,主要由肌内神经束的几何布局,如束长度(FL)和pennation角(PA),肌肉功能[密切相关9,10]。肌肉成像已经成为一种很有前途的研究领域的认识到生物和生物电子肌肉通过检查肌肉结构变化的特点。作为一个低成本、广泛使用和无辐射成像形态,超声成像已经用于肌肉成像检查的静态变化FL和PA收缩(10),老化(11),体能训练(12),和疲劳13]。超声成像技术也被应用于研究肌肉建筑不同性别特征的贡献力生成功能(14- - - - - -20.]。男性倾向于有较大的PA与女性相比15- - - - - -17,19),虽然有些肌肉的差异不显著(15,16]。和男性相比,女性明显增大最佳PA产生最大的力量在MVC (20.]。肌肉更PA允许更多的纤维在平行排列在一个给定的横截面积,这意味着更高的力量一代潜力(18]。这些观察可以部分解释两性之间作用产生能力的差异。然而,有一个争议关于两性之间的FL在以前文献[14- - - - - -17]。目前还不清楚是否FL将有助于力的性别特征的一代。
最近,sonomyography (SMG),代表获得的肌肉结构的实时变化用超声波作为非侵入性的选择,提出了测量肌肉激活体内理解人类运动的特点(21]。SMG已经证明是一个非常有用和可靠的研究工具来评估肌肉如何运作在运动(22- - - - - -26和体内诊断和康复评估27- - - - - -30.]。SMG是大有好处的理解人类活动通过实时测量肌肉激活肌肉架构更改,虽然SMG的应用程序需要额外的努力需要进一步考虑的各种问题,包括超声波扫描仪之间的同步和运动分析系统,超声波探头放置和超声波数据收集和处理。然而,仍然有缺乏报告使用SMG检查肌肉架构变化的性别特征,如fascicle-shortening范围。此外,建筑的变化促进了肌肉肌腱弹性有效的运动性能(24]。尽管先前的研究已经显示性别差异僵硬的关节,肌肉,肌腱(16,31日),肌肉和肌腱组织之间的互动还没有调查使用SMG肌腱的性别利用弹性机械在运动的要求。
本试验研究的目的是应用SMG检查性别架构更改的腓肠肌(GM)肌肉和肌腱在执行两条腿站calf-raise运动。跖屈肌功能中扮演着重要的角色在不同的任务,比如散步,跑步,跳跃22,32,33]。calf-raise运动已被证明是能够访问的力量和力量跖屈肌(34]。同时,通用汽车和比目鱼肌的肌肉活动在行走是类似于小腿提高(35]。因此,我们选择研究站后踢腿运动理解性别的贡献架构更改通用足底屈肌肌肉。在这项研究中,我们开发了SMG的人体运动分析系统,由专门设计的平面探头的超声波扫描仪和软件收集超声波图像,应用运动捕捉系统测量运动学和动力学数据,定制设备同步测量的超声波扫描仪和动作捕捉系统,和一个专门设计的平台来处理和分析数据。我们假设这个新开发的运动分析系统可以捕获和肌肉量架构改变运动期间,存在性别差异在转基因肌肉和肌腱的架构更改calf-raise练习。
2。材料和方法
2.1。SMG运动分析系统
发达运动分析系统主要由三部分组成:动作捕捉系统,便携式超声波仪器与专门设计的平板探测器,和一个定制的同步设备(图1)。在这项研究中,应用动作捕捉系统(VICON MX系统,VICON Corp .),加州,美国)被用于精确运动学测量8台摄像机采样在100赫兹。一个力传感平台(ATMI OR6系列,先进的机械技术公司,麻萨诸塞州,美国)是用来测量重力反应部队(平)动力学分析。原始的力和力矩信号在1千赫采样和传输到动作捕捉系统。此外,平运动学数据一起存储在VICON MX系统进行进一步处理。如图1便携式超声波扫描仪(SIUI1100汕头超声仪器研究所有限公司,有限公司,广东,中国)与专门设计的调查38毫米的宽度和5 - 10 MHz的频率采用SMG测量仪。专门设计的平板探测器与硅胶封闭是用来制作附件坚定和避免探头倾斜运动。一个定制的控制电路板与红外LED连接到超声波扫描仪通过通用串行总线(USB)沟通(图1),电路板上的红外LED用于同步的数据采集动作捕捉系统和超声波扫描仪。专门设计的软件程序使用Visual Studio(微软公司、华盛顿、美国)集成在超声波扫描仪控制同步装置,直接从超声波扫描仪捕获超声图像。在数据采集过程中,红外LED的电路被专门设计的软件打开,可以认为是外部同步信号动作捕捉系统。同时,超声波图像直接存储在超声波扫描仪(21帧/ s)的时候,可能可以避免额外的时滞和工件如果使用额外的视频捕捉卡。每张图片记录的时间指数更好的测量之间对齐的动作捕捉系统和超声波扫描仪。
(一)
(b)
后数据采集,数据存储在动作捕捉系统与超声波挑出同步数据通过使用红外LED的信号表示。然后选中的数据与超声波图像导出到专门设计的数据分析程序开发与Visual Studio(微软公司、华盛顿、美国)和可视化工具OpenGL进行数据处理和分析。运动分析,如关节角变化,是通过计算人体的空间数据,SMG,包括FL和PA(图2),从超声图像自动派生。一些自动化的方法已经发展到从超声图像中提取SMG [25,26,36- - - - - -40]。在目前的系统中,SMG的自动提取是通过应用一些我们以前开发的图像处理技术(25,26,39,40]。此外,天然气采收率与运动学数据,SMG可以用来计算肌腱和肌肉力量通过逆动力学(41),从而使肌肉force-length估计的关系。
2.2。试验协议
14个健康正常人(7男7女)没有任何的肌肉骨骼损伤的历史是从作者的研究所和招募参加了实验。排除标准在下肢肌肉骨骼障碍,阻止参与典型活动大于1天,当前下肢疼痛或树干,或从事一些有规律的运动(运动每周至少3次)。受试者的平均体重和体重指数52.3(2.7)(6.4)公斤和20.1公斤/米2妇女(年龄:29.0(4.0)年)和77.2(3.2)(10.5)公斤和24.8公斤/米2为男性(年龄:34.7(6.8)年)。机构伦理委员会批准了这项研究,所有受试者之前给书面知情同意参与实验。
反光标记被连接到主体的左腿与医学证明织物uOttawa标记集的基础上,因为这Plug-in-Gait标记集的增强版可能会增加关节运动学和动力学的再现性运动(42]。这些反光标记放置在大腿的外侧表面,膝盖的外侧和内侧上髁,柄越低,横向和内踝,鞋跟,分别和第一和第五跖骨的头。沿着mid-sagittal轴的测量是代表束测量静止和收缩状态(10),专门设计的平板探测器获得坚定的mid-belly通用绷带。探头的方向仔细调整成簇形象化从深到浅腱膜。足够的超声波凝胶也应用于测量来填补这一缺口的地区之间的探头和皮肤,减少人工影响超声波图像由运动引起的。数据采集之前,受试者被要求执行两条腿小腿在实验室提出了自由促进适应速度,鞋跟高度,和实验室环境。在数据收集过程中,主题站在力平台,不断提高他们的脚尖上身体直立的姿势。受试者被要求上升到脚趾尽可能高,沿着一条节奏与电子节拍器产生的1 Hz。受试者升高和降低他们的高跟鞋每个大约1秒,这是类似于先前的研究[35,43]。考试是重复三次,中间有一个1分钟的两个顺向试验,并且每个试验持续了大约20 ~ 30秒。
2.3。数据分析
建筑的变化分析了肌肉和肌腱的踝关节跖屈角。踝关节的跖屈角度计算了空间数据的反光标记。通用肌肉肌腱的长度单位(MTU), ,估计从关节角的柄长度与模型数据和霍金斯和船体44]。如图2,爸爸被定义为束角深腱膜,和FL被定义为沿丛生的路径长度从浅到深腱膜。在情况下,束扩展超声图像,束的长度被推断估计分册的可见的路径和腱膜直线在图像。根据定义,巴勒斯坦权力机构()和FL ()的通用自动从表中提取图像通过应用一些图像处理技术(25,26,39,40]。FL和PA与自动获取方法是视觉检测对保证测量肌肉结构。最后,跟腱长度计算通过使用MTU长度()、FL ()和巴勒斯坦权力机构(): 平的关节转矩可以计算通过逆动力学和运动学数据(41]。因为跟腱的力臂长度, ,据报道是踝关节角度的函数(45),跟腱力量从脚踝关节转矩估计和跟腱的力臂长度: 的相对贡献力开发的通用的跟腱是假定等于相对生理横截面积(PCSA)的通用汽车在所有跖屈肌(23]。通用PCSA占据总数的15.4% PCSA在跖屈肌(32]。可以计算的通用肌肉的力量 回归系数(斜率)的肌肉force-length当时计算招募肌肉僵硬的小腿了。此外,正如踝关节跖屈角的范围在人类日常生活的重大变化活动(46,47)和踝跖屈范围通常是低于25°时走(48,49),肌肉和肌腱的变化在25°跖屈踝关节角度检查之间的男性和女性的主题。
2.4。统计分析
值意味着(SD)。单向方差分析(方差分析)是用来测试性别对高度的影响,体重、BMI,肌肉力量,肌腱力量,FL, PA,分别和肌腱长度。线性回归分析是用来描述之间的关系之间的FL和肌肉力量和肌腱长度和肌腱的力量。皮尔逊积差相关系数()计算测量的相关性。学生的搭配以及应用于检查男性和女性群体之间的差异变化FL, PA,肌腱长度。此外,回归系数(斜率)和force-length面积之间的关系的男性和女性受试者检查学生的搭配以及。实现的线性回归分析也验证斜率和体重对两性之间的关系。在每一个测试,如果接受了水平的意义 。,科恩的影响大小的计算作为一个指标组之间的差异的大小,考虑大尺度效应作为临床相关的差异(例如, )[50]。
3所示。结果
calf-raise演习期间,FL范围从74.7(- 6.7)毫米到35.0(- 6.7)毫米,而PA的范围从18.3(2.8)°至36.8 (6.4)°。平均差异肌腱长度是26.1毫米。FL的女性和男性为73.0(- 5.3)毫米和76.4(- 7.9)毫米静止(科恩的 ),而PA为17.4(3.2)(2.2)°和19.2°(科恩的 ),分别。虽然束和肌腱的PA和长度较大的男性,这些性别差异不显著(所有 )。相比之下,与女性受试者相比,跖屈肌力矩峰值和同行的力量明显增大(转矩:男性= 48.6(8.6)海里,女= 30.6(5.5)海里,科恩 ;力:男性= 911.1 (163.9)N,女= 581.5 (111)N,科恩 ;所有 )。
束的长度变化和肌腱之间几乎是相同的性别跖屈角时改变了25°(表1),而男性PA的变化是3°大( 科恩的 )。如图3,爸爸在男性和女性之间的差异变得与跖屈角的变化更大。这意味着更多的纤维会并行排列在一个给定的CSA对男人当执行后踢腿练习。束变化也观察到的模式是不同的,尤其是在最初的踢腿的一部分,尽管FL的范围几乎是相同的两性之间(图4)。FL的男性保持近常数在初始后踢腿的一部分,而女性的束缩短2.3毫米。这将有助于显著差异在足底屈肌峰力矩和力需要支持他们的性别(所有不同身体质量 )。
图5显示force-length关系的肌肉和肌腱在跖屈角变化25°的男性和女性。地区由force-length关系明显较大的男性的肌肉和肌腱(肌肉: 科恩的 ,图5(一个);腱: 科恩的 ,图5 (b))。这意味着更多的机械能被人当执行生成和消散后踢腿练习。肌腱长度没有显著线性相关与跖屈肌腱的力量练习( (0.19))。另一方面,FL和肌肉力之间的线性相关显著的性别(男: (0.04), ;女: (0.07), )。图6显示了典型的相关性FL和肌肉力量一男一女在实验。此外,尽管不同的斜率关系不显著 ),回归系数(斜率)的男性(斜率= 1.28 (0.34)N /毫米)是比雌性(斜率= 0.96 (0.37)N /毫米)。同时,巨大的影响大小(科恩的 回归系数)被发现。正常化后体重,几乎没有差异之间的斜率性别(男:规范化斜率= 0.017 (0.04);女:规范化斜率= 0.018 (0.05); 科恩的 )。此外,斜率是高度相关的女性体重( ),而有一个弱线性相关性雄性体重和斜率( )。当只使用男性受试者的斜率与体重指数小于25公斤/米2,线性相关性变得更加相关( )。
(一)
(b)
(一)
(b)
4所示。讨论
我们调查的影响性别通用架构更改的肌肉和肌腱进行循环两条腿后踢腿练习。本研究的主要发现是,通用的模式束变化是不同的小腿在初始部分提出了男性和女性之间(图3),尽管没有明显的差异观察转基因分册和腱的长度变化。据报道,体重和体质成为肌肉力量的一个重要预测的踝关节跖屈肌之间的性别(3,51)和可能影响步态模式(52,53)和肌肉耐力(54]。以来,男性参与者在这项研究中比女性参与者,大约25公斤重的差异通用束变化可以部分归因于体重两性之间的区别。此外,更大的FL和肌肉力量之间的回归系数(女:0.96 (0.37)N /毫米;男:1.28 (0.34)N /毫米)观察雄性的小腿了,这意味着更高的肌肉僵硬的男人又招募了经济支撑体重。
成束的变化被观察到不同的两性之间(图3)。女性主题的一簇缩短立即在初始后踢腿的一部分,而男性受试者几乎保持不变。提高和降低部分花了大约1秒后踢腿,这结果推断,缩短速度慢于男性的,女性的小腿的初始部分提出了在同样的脚踝角速度。缩短速度较低将有利于机械功率输出后踢腿的初始部分,因为它运行在高原地区的force-length曲线。根据先前的研究在步态分析中,一簇时缩短峰值力生产转移到更慢速度切换时从步态行走步态以同样的速度运行,从而大幅提高肌肉力量和通用汽车的增加输出功率峰值(22]。蹲跳,反向运动,放跳,成束也在相对速度low-shortening区工作,尤其是在后期推出阶段,使神经束产生相对较高的力根据force-velocity关系(23,24]。我们的发现与之前的结果表明,转基因肌肉的男人产生高力量相对最优水平和少量的工作效率高踢腿在初始的一部分。自从体重和无脂质量已报告的一个重要贡献者跳性能和强度在所有下肢关节3,15束变化),这种差异可能是由于体重越重的人。加速度的腿向前摆动,树干的动能主要是依赖于踝关节跖屈肌在走路的姿态阶段工作(22,33]。和垂直速度的增加身体的质量中心在推出后期阶段所需的机械输出功率高跖屈肌(23]。因此,FL变化不大的小腿的初始部分提出了将使地区的最高力量,附近的肌肉运作服务产生的机械输出功率更高跖屈肌支持体重较重的人。
束和肌腱期间表现出的粘度行为重复的两条腿calf-raise演习在本研究(图5)。MTU表现出粘弹性性质的有效利用人体运动时肌肉收缩的结果(24,55),这可以归因于横桥的弹性,肌动蛋白和肌凝蛋白细丝。MTU的粘弹性特征发挥重要作用在stretch-shortening周期一个古怪的行动立即后跟一个同心行动工作的肌肉。肌腱作为能源存储春天出现的循环跖屈,贡献大量的能源总机械工作23]。区域内肌腱force-length曲线,即磁滞,能量损失主要是由于机械功转换成热量,而force-length的下行肢体曲线下的面积代表能量恢复肌腱(56,57]。尽管较高的机械功率输出(图5(一个), )生成calf-raise演习期间,大大大滞后地区男性受试者的肌腱force-length曲线表明更多的能量消散在循环后踢腿练习(图5 (b), )。这个观察更大的磁滞在男性是在协议与以前的调查报告发现,久保et al。56]。这可以部分解释了肌肉耐力差异性别在执行stretch-shortening周期运动(5,51]。
下的肌腱细长略低跟腱力量。肌腱强行拉伸时,他们以非线性的方式回应,一个初始曲线脚趾区域之后,是一个近似的线性区域(58]。腱的伸长增加曲线模式,这意味着体内肌腱可能出现蠕变(59]。在走路,小腿三头肌的伸长弹性结构可以达到4%,运营脚趾地区的肌腱(1]。本研究的一个有趣的发现是,没有明显的线性相关性观察肌腱力量和肌腱之间的长度,这可能表明,肌腱曲线脚趾地区运营期间calf-raise练习。另一方面,肌肉力量和FL,回归系数显著相关(斜率)肌肉force-length关系的男性比女性更大,而男性的斜率几乎一样,归一化后的女性体重。一些先前的研究表明,被动和主动肌肉僵硬在女性低于男性(6,60,61年]。肌肉僵硬区别性别可能归因于性别差异在肌肉的粘弹性性质61年]。据报道,男性的肌肉系统是更有效的抵制改变它的长度(6),这意味着严厉的肌肉参与收缩。因此,男性受试者的大斜坡在这项研究可能表明硬在小腿肌肉招募了加薪。此外,肌肉和体重可能会进一步解释大部分的性别影响腿刚度和肌肉僵硬16,31日,60,62年]。男性受试者招募腿刚度,较重的体重高于轻女性受试者在执行功能任务(31日,62年]。作为活跃的肌肉僵硬导致腿刚度(31日),更大的边坡中观察到男性受试者可能意味着男性招募硬肌肉来支持重体重的男性在经济上小腿了。身体质量也是一个重要的贡献者在刚度(主客体之间的区别16),这可以解释之间的强相关性雌性体重和斜率( 在目前的研究中。然而,斜率不与男性的体重(高度相关 )。身体脂肪已被证明与体重指数呈极显著的正相关关系(63年,64年]。体重指数为25公斤/米2在男性和23公斤/米2妇女被建议作为肥胖的诊断筛查的否决(64年]。因此,观察到的无意义的体重和斜率之间的相关性可能部分归因于较高的BMI的男性在这项研究(男:24.8(3.2)公斤/米2;女:20.1(2.7)公斤/米2)。当只使用男性主体的斜坡与体重指数小于25公斤/米2变得更加相关的相关性( )。需要进一步研究探索的影响体重和体脂详细招募更多的科目。
FL和PA的变化和值用该方法测量与先前的报道是一致的(9,10,58,65年]。在这个实验中,平均FL在休息期间减少到35.0毫米74.7毫米,小腿加薪,而平均PA的范围从18.3°到36.8°。转基因分册的健康受试者的平均长度是78毫米的膝盖完全伸展,脚踝达到15°背屈(65年]。膝盖完全伸展,踝关节固定在中立的立场,据报道,神经束在MVC缩短到30 ~ 34毫米,而PA增加到35 ~ 40°(58]。PA和FL的男性被发现比雌性更大在这项研究中,尽管没有显著的差异( 和 、职责)。更大的PA男性也同意在以前的文献[15- - - - - -17,19,20.]。然而,有抵触的结果对于FL在不同性别14,15,17,19]。全部et al。15]报道不再通用在男性肌肉束。据报道,相比之下,女性大FL在通用肌肉14,17]。先前的研究发现,训练可以产生必要的改编的一簇几何(12,66年]。性别差异在通用分册取决于培训或定期锻炼模式(19]。日常锻炼的习惯可能导致方差在两性FL。因此,性别可能不是通用的主要决定因素束长度。在未来,应该招募更多的科目来验证这个假设。
应该注意在这项研究中,force-length的斜率关系并不是实际的肌肉僵硬。减去的转矩的转矩放松条件被用来估计活动肌肉僵硬(67年]。因此,回归系数(坡)在目前的研究只表示一般的肌肉僵硬,被动和主动的总和在小腿肌肉僵硬了。然而,这个因素并不影响本研究的主要结果。此外,可能会有一簇曲率和异质性的变化FL在肌肉内。通用的神经束从mid-belly确定肌肉在目前的研究。以来连续神经束几乎静止,变得稍微弯曲收缩程度的增加和减少肌肉长度,导致只有~ 6%低估在FL最大随意收缩(MVC) (68年),因此一个次要因素的测量FL在小腿运动。FL几乎统一整个轻快肌肉休息和高频等距收缩(69年]。那里奇et al。10)也报道,测量沿着mid-sagittal轴代表了测量最大等长收缩和放松的神经束条件。因此,我们认为,衡量神经束在这项研究可以代表通用汽车所有神经束肌肉的变化。
仍有一些局限性。首先,体育活动的影响没有很好地考虑在目前的研究。所有受试者招募在本研究中只要求不定期锻炼或接收任何特定的体能训练。不同的训练模式被证明能对感冒引起的各种适应束几何(19),可能会影响行为的神经束,在小腿踝关节跖屈肌的强度提高。身体活动的影响在将来的研究中应进一步研究利用体育活动评分和截止分数显然建立两组同样运动的实验。这个试点研究的另一个限制是,我们测量通用肌肉受到限制,也就是一个小腿肌肉负责足底屈肌。同时,本研究相对较少的参与者。因此,未来的研究应该进行更大样本在每个群性,其他的小腿肌肉,和其他涉及跖屈的运动,如散步、跳,允许更好的理解性别特征在跖屈肌肌肉。
总之,sonomyography可以检查肌肉和肌腱的动态几何性质,提供有价值的信息的理解性别特征在运动。这项初步研究的结果表明,转基因肌肉男性的架构更改允许他们的肌肉生成更高的机械功率输出在calf-raise练习。此外,男性的肌肉僵硬招募在踢腿练习比雌性的大。这些发现表明,男性的肌肉可能操作提供更高的输出在经济上支持他们的体重更重。体重可能行为的因素之一不同性别之间的肌肉和肌腱。未来的研究有必要确定体重对肌肉活动在正常步态的影响及其临床/生理影响关节稳定和肌肉和肌腱受伤的风险。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的香港理工大学(G-YL74),香港创新及科技基金(UIM213),中央大学,基础研究基金和国家自然科学基金(NSFC61771130和NSFC61701442)。作者要感谢莎莉丁女士对她的帮助编辑。