差异在跖屈肌束长度和Pennation夹角健康和卒中后个人对卒中后跖屈肌力量的贡献和影响

文摘

卒中后跖屈肌肌肉无力归因于肌肉萎缩和激活受损,不能共同解释的限制作用产生的整个肌肉组织能力。感兴趣的卒中后的变化是否足底屈肌束长度和pennation角影响个体作用产生能力和跖屈肌的缺点是由于均匀变化是否在单独的肌肉力的贡献。比目鱼肌束长度和pennation角度,内侧和外侧腓肠肌用超声波测量,对比十hemiparetic卒中后主题和十个健康对照。生理横断面地区和卒中后跖屈肌力量贡献转矩估计为每个肌肉。无统计差异观察任何肌肉束长度或侧腓肠肌和比目鱼肌pennation轻瘫的之间的角度,nonparetic,健康的四肢。有明显降低()在局部麻痹的腓肠肌内侧pennation角相比nonparetic和健康的四肢。生理横断面区域和力量贡献较小的局部麻痹的一侧。此外,双边足底屈肌肌肉贡献扭矩保持不变。虽然每个足底屈肌的结构影响不同卒中后,每一块肌肉的相对贡献是一样的。

1。介绍

中风是一种长期的成人残疾的主要原因在美国。据报道,约有795000美国成年人每年受中风,中风的发病率估计将增加到2030年的25% (1]。肌肉无力侧大脑损伤或加重,是最常见的损伤后中风(2,3)和由最大自愿强度下降明显的局部麻痹的四肢相比nonparetic肢体(4,5]。

肌肉和神经障碍被认为是导致卒中后轻偏瘫(6]。因为肌肉的作用产生能力取决于数量的障碍,一些最近的研究已经确定了卒中后发生的这些变化。使用磁共振成像,拉姆齐et al。7]观察肌肉萎缩在十二15下肢肌肉。他们发现一个总体减少收缩组织柄地区20%的和24%的大腿。同样,克莱因et al。8]也观察到在跖屈肌肌肉萎缩肌肉但是另外发现跖屈肌虚弱主要来自肌肉激活失败。轻瘫的跖屈肌肌肉激活受损50%或更多的nonparetic相比。Knarr et al。9)报道,跖屈肌肌肉卷源自MRIactually低估了赤字最大发电能力约15%。因此,肌肉萎缩和受损的激活已报告,额外的卒中后的肌肉可能存在的结构变化和可能需要测量时试图准确地描述个体的作用产生潜在的卒中后的肌肉。

肌肉束层面发生的结构性变化可能包括分册的加长或缩短或改变方向(即。pennation角)的肌肉纤维肌肉的腹部。超声是一种有效的无创性方法测量单个肌肉的结构在活的有机体内。使用超声波,高et al。10]表明,内侧腓肠肌纤维长度和pennation角度更小中风后与健康对照组相比,已对主动和被动肌肉特性的变化。然而,对其他跖屈肌肌肉(如侧腓肠肌、比目鱼肌)或在多大程度上改变发生在nonparetic腿。此外,了解肌肉特性的变化如何影响每个足底屈肌的力量贡献的比例总体足底屈肌力矩会给洞察每个中风后肌肉的功能使用和卒中后是否足底屈肌无力是由于统一个人肌肉力量的变化。

本研究的目的是双重的。首先,我们旨在量化卒中后肌束长度和pennation角度三个单独的跖屈肌肌肉(即。,内侧和外侧腓肠肌、比目鱼肌),并将它们与健康对照组比较。我们假设在慢性中风幸存者,跖屈肌束长度和角度pennation轻瘫的和nonparetic之间不会改变,但会比健康对照组小。其次,我们旨在估计每个肌肉的力量贡献的比例总体足底屈肌力矩为每个卒中后的主题。

2。方法

2.1。主题

卒中后十个人物(8岁,男性,个月中风)和10个健康对照组(岁,6米)被纳入本研究。一个完整的总结主题人口可以在表中找到1。入选标准是慢性中风发生之前至少六个月;单一的病变;30 - 80岁;和步,但明显的步态赤字。如果他们有对象被排除在外多个中风影响双方的身体;心脏病或高血压;老年痴呆症;)严重的失语症;骨科或疼痛;癌症;任何金属植入物;或幽闭恐怖症。所有受试者签署知情同意由特拉华大学审查委员会批准。

2.2。肌肉结构

每个主题都坐在Biodex测力计(Biodex医疗系统,雪莉,纽约)与他们的膝盖完全伸展和脚获得中性脚踝弯曲脚板。尼龙搭扣皮带被用来防止脚移动。一个额外的约束是用来防止膝盖弯曲。收集所有测量在休息状态。

个人肌肉束长度()和pennation角度()测量使用GE LOGIQ P6(美国通用电气医疗集团,沃基肖,WI)超声波设备。三个踝关节肌肉测定:腓肠肌内侧(毫克),侧腓肠肌(LG)和比目鱼肌(SOL)。纵向记录使用b型超声图像扫描仪与15 MHz高分辨率线阵探头(ML6-15)。扫描参数优化获得最高质量的超声图像为每个主题。占非均匀束长度的可能性以及肌肉的长度,和θ记录midbelly的每一块肌肉。测量深度和表面的腱膜之间θ测量之间的角度深腱膜和肌束本身(图1)。当肌肉束的全部长度线性探测视场以外的,技术的扩展视场称为LOGIQ视图是使用。LOGIQ观点已被证明是准确的5%以内(11]。两个进行了测量和θ和两者之间的平均作为代表值,参数计算。中风的主题,四肢轻瘫的和nonparetic单独治疗,而对照组,平均使用双方一般卒中后两组之间的比较。

2.3。跖屈肌力量贡献

在中立的立场(生理横截面积)为每个卒中后跖屈肌肌肉估计使用肌肉容积重建技术从以前的工作7]。对于所有科目,轴向t1加权图像获得了双腿先生使用1.5 T标记LX扫描仪(通用电气医疗、密尔沃基、WI)。IMOD软件(科罗拉多大学博尔德有限公司;(12)被用来手动跟踪每个足底屈肌的边界在整个肌肉长度。横断面地区调整noncontractile组织使用像素阈值和体积计算加法调整截面尺寸和乘以切片厚度(11.5毫米)/腹部肌肉的长度。肌肉卷十卒中后的六个主题(主题1 - 6)在当前的研究中分析由拉姆齐et al。7]。

PCSA肌肉体积的函数,束长度和pennation角和估计使用 在哪里是肌肉体积在中立位置。确定的相对贡献,,每一块肌肉的合并跖屈肌联合转矩(),个别肌肉PCSA的比率确定。这需要后肌肉压力保持不变的假设中风或任何改变在卒中后肌肌肉组织,压力是一致的线性变化与增加力量。在这两个假设, 重新排列(2)获得PCSA比率: 因此,和。

最后,使用真正的(即。,而不是意志)从破裂的叠加方法(9),我们决定每个肌肉的相对贡献跖屈力矩: 可以重新排列,这样吗,在那里每个肌的力臂在关节角和中性是一个常数来自所有已知值。时刻的手臂被从一个科目的肌肉骨骼模型在OpenSim [13]几何比例的每个主题。乘以每个由其各自的力臂和除以,对整体的贡献百分比关节力矩进行了计算。

2.4。统计分析

束长度和pennation角为正常使用Lilliefors测试数据进行测试,并使用参数统计制度。单向方差分析被用来比较轻瘫的,nonparetic和健康控制每个肌肉参数值。图基最显著的差异是用来测试因果各个组之间的差异。的显著性水平用于所有统计测试。PCSA和比较使用的比率nonparetic肢体轻瘫的。每一块肌肉的百分比贡献整体力矩()也计算。

3所示。结果

3.1。肌肉结构

由于病人时间限制在数据收集、身体疲劳、肌肉和肌肉痉挛,只有2(毫克,索尔)收集从一个卒中后主题(S1;LG)。所有组意味着可以在表中找到2。nonparetic之间没有统计学差异观察局部麻痹的,和健康的束长度;然而,平均值小了卒中后腓肠肌与健康对照组相比,3 - 7毫米。没有显著差异pennation角之间的LG和索尔轻瘫的,nonparetic,健康的四肢。毫克,显著降低()相比,局部麻痹的四肢nonparetic和健康的四肢。

3.2。跖屈肌力量贡献

意味着PCSA和值可以在表中找到3。估计两个受试者被排除在力贡献(见表1);因此只有8受试者使用。所有轻瘫的PCSAs小轻瘫的一侧,由轻瘫的指示/ nonparetic比率小于1。相对力量贡献()遵循相同的趋势,作为轻瘫的值都小于nonparetic一边。然而,比率低得多(0.66 - -0.68)为每个肌肉。占总足底屈肌力矩,每个肌肉麻痹性和nonparetic四肢之间是一样的。

4所示。讨论

作用产生的变化特性和电机控制卒中后的肌肉可以改变肌肉的方式能够产生功能性运动,可能导致偏离健康模式。肌肉结构参数如束长度和pennation角两个因素影响卒中后肌肉收缩产生的力量。在本研究中我们使用医学成像技术测量束长度和pennation卒中后跖屈肌的角。这个数据被用来估计生理横断面区域,每个肌肉力量贡献。

一般来说,我们轻瘫的MG束长度结果和pennation角度和健康pennation角度相似,报道之前中性踝关节角度值(10]。当我们健康束长度范围内观察到的高et al。10),我们还发现,健康的价值略,但不明显大于我们的轻瘫的价值观。结果的差异可能是由于使用的样本或由于位置沿腹部肌肉束长度测量的地方。之前的研究使用了5厘米的距离musculotendon结所有测量,当我们把测量在肌肉midbelly。此外,先前的研究招募受试者与肌肉痉挛状态,虽然我们没有控制。

虽然没有数据已经公布在卒中后LG或溶胶的肌肉比较我们的结果,我们认为,一般的MG数据之间的一致性增强当前和先前的研究的方法和结果。轻瘫的和nonparetic LG束长度较低意味着比健康,约7毫米,这是大于MG束长度的差异,但仍不显著。肌肉力量传播沿着肌肉束轴和肌腱pennation角的余弦成正比(14,15]。在目前的研究中,轻瘫的MG pennation约5°角明显小;然而,功能上没有意义因为cos 5°太小(~ 0.003%)。尽管如此,小pennation价值并证实肌肉萎缩。包括内侧和外侧头的腓肠肌在我们的研究中,我们观察到,卒中后腓肠肌的影响不同。似乎轻瘫的腓肠肌萎缩有复杂的机制涉及肌肉体积的变化以及成束的长度和方向。此外,我们没有调查个别肌纤维类型的变化,这也可以解释微分效应我们观察到在腓肠肌。尽管I型和II型纤维进行各种肌肉类型的变化(16],先前的研究已经表明选择性II型纤维萎缩和肥大的类型我的肌肉纤维16- - - - - -18]。具体来说,Dattola et al。17腓肠肌)发现这是真的。这种纤维的变化比率可能表明激活失败或停止使用特定于腓肠肌。

索尔的卒中后我们没有发现差异和健康束长度或pennation角。一项研究确实发现小得多的溶胶肌肉卷轻瘫的一侧nonparetic[相比7]。小卷没有束长度或pennation角变化可能是由于减少整体肌肉长度或系列的观察数量的增加。高和张19]建议的转变和提高边坡的卒中后腓肠肌活跃force-length关系可能是由于减少数量的观察串联分册。在目前的研究中,健康之间没有束长度的变化和卒中后溶胶表明要么正好相反(即。,系列)的观察人数的增加这种肌肉或丛生的张力增加。自轻瘫的跟腱长度似乎增加卒中后(20.],增加足底屈肌群紧张可能是一个可行的机制观察肌肉结构的变化。然而,进一步的研究对溶胶的活性成分是必要的确认这些参数。

肌肉体积可能低估的力之间轻瘫的赤字和nonparetic四肢,除了激活受损,这些差异也可能是由于肌肉结构的变化(9]。PCSA包含建筑测量(例如,和θ)和肌肉体积。PCSA价值观反映了足底屈肌的体积数据从先前的研究8,9在轻瘫的价值观是大约15%小于nonparetic一边。因此,这些建筑的变化可能不会解决卒中后肌无力的潜在机制。然而,当使用PCSA获得肌肉力的比率,我们发现66 - 68%的差异在个人肌肉力量contributions-similar力赤字报告(9]。这些估计是基于类似的方法,最终依赖于值。有趣的是,虽然力量在每个足底屈肌之间不断的贡献减少,每一块肌肉的整体贡献,卒中后足底屈肌扭矩保持不变。也就是说,不管轻偏瘫或实际的值毫克,LG,索尔仍大约有23%,18%,59%,分别。这个信息时可能有用分区从一个已知的未知力量扭矩,如在计算建模。

我们假设PCSA,来自参数测量在一个中立的休息状态,而不是最佳纤维长度,肌肉力量成正比。最佳纤维长度的轻瘫的MG减少大约1.5厘米从健康19),可能会增加肌肉的麻痹性PCSA。以来最佳纤维长度的转变其余跖屈肌之间,以及这些变化比较轻瘫的和nonparetic肌肉是未知的,很难评估整体效果,最佳纤维长度的差异会对我们当前的结果。但是,如果更改保持一致的跖屈肌和四肢,部队的整体贡献将不变。

两个潜在的测量误差来源应该承认我们的超声波测量技术。首先,为了减少束长度内不均匀性的潜在影响肌肉,我们测量束长度和角度pennation midbelly的每一块肌肉。虽然被小心地近似midbelly的位置以类似的方式对所有科目和所有测量,这是标准化比从一个离散的生理标志点成像比如musculotendon结。错误也可能是由于我们使用的扩展视场技术可以引进误差5%以内(11]。这些潜在的测量误差可以解释为什么我们的数据没有明显不同。

本研究有一些局限性。首先,我们假设为每个单独的卒中后跖屈肌肌肉压力的影响相似。正如前面所讨论的那样,丛生的张力的增加可能会发生,可能暗示压力的变化,但在多大程度上是目前未知。通过测量体系结构参数在中性关节角和休息条件,我们承认每个肌肉的收缩性能比报道可能不同。随着肌肉收缩增加,束长度会缩短,pennation角会增加;然而,变化的程度在卒中后跖屈肌结构存在不同程度的肌肉收缩和变化是否均匀的肌肉会值得研究。pennation角会增加增加收缩,对整体的贡献肌肉力量也可能被低估。

还应该指出的是,牵张反射开始痉挛的反应在测试过程中会出现膝盖完全伸展腓肠肌的延伸位置。虽然我们大部分的受试者最小或没有出现阵挛,因此可能没有痉挛状态,我们承认我们没有账户在超声波协议。我们还研究了每一块肌肉uniarticular肌肉,而腓肠肌biarticular。要完全理解整个腓肠肌发生变化,评估所有参数在不同膝关节角度可能会提供一个更全面的了解卒中后建筑的差异。

5。结论

从多个成像模式(即。,米RI and ultrasound), we have derived architectural parameters for three poststroke plantar flexor muscles and showed subtle differences between paretic, nonparetic, and healthy control limbs. Using these在活的有机体内估计参数,我们随后PCSA和相对力量贡献对于每个卒中后跖屈肌,尽管这些变化并不完全解释改变卒中后力发电能力。我们的结果表明,该架构的内侧和外侧头腓肠肌的影响超过溶胶后中风。我们还表明,尽管这些肌肉之间的架构更改,每个足底屈肌的整体相对力量的贡献永远都是一样的,不管你肢体。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢诊断成像将对他们的帮助与MRI数据收集和生物统计学家,Ryan Pohlig帮忙统计分析。这项工作是由国家卫生研究院NS055383, NIH NR010786, NIH GM103333,特拉华大学研究生奖学金授予约翰·w·拉姆齐。

引用

1. 诉l .罗杰·a . s ., d - et al .,“心脏病和中风统计- 2012更新:美国心脏协会的一份报告,“循环2012年,卷125,pp. e2-e220。视图:谷歌学术搜索
2. a·w·安德鲁斯和r·w·Bohannon“中风后肌肉力量分配障碍,”临床康复,14卷,不。1,第87 - 79页,2000。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. c . w . y . Chan“运动和感觉赤字中风:关联综合评价,“理疗加拿大,38卷,不。1,29-34,1986页。视图:谷歌学术搜索
4. m·f·莱文和c . Hui-Chan脚踝痉挛状态与对手主动收缩hemiparetic呈负相关,”肌电图和临床神经生理学,34卷,不。7,415 - 425年,1994页。视图:谷歌学术搜索
5. 美国m . Svantesson k . s . Sunnerhagen,美国,和g . Grimby”发展疲劳在重复eccentric-concentric中风患者的足底屈肌肌肉收缩,“物理医学与康复档案,卷80,不。10日,1247 - 1252年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. c .彭定康,j·雷客什尔和h·e·布朗“弱点和力量训练与卒中后半身不遂的人:基本原理,方法,和功效,“康复杂志》上的研究和发展第41卷。。3、293 - 312年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j·w·拉姆齐,p . j . Barrance t·s·布坎南和j·s·希金森,“轻瘫的肌肉萎缩和non-contractile组织内容在个人中风后下肢的肌肉,“生物力学杂志,44卷,不。16,2741 - 2746年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. c·s·克莱因d·布鲁克斯·d·理查森,w·e·McIlroy开发和m·t·贝利“自愿激活失败对跖屈肌软弱比对手coactivation和肌肉萎缩在慢性中风幸存者,”应用生理学杂志,卷109,不。5,1337 - 1346年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. b . a . Knarr j·w·拉姆齐·t·s·布坎南,j·s·金森(s . a . Binder-Macleod,“肌肉体积最大的预测力发电能力在跖屈肌中风后,“肌肉和神经48卷,第976 - 971页,2013年。视图:谷歌学术搜索
10. f·高,t·h·格兰特,e·j·罗斯和l .张“被动的机械性能变化腓肠肌肌肉的肌束和关节水平中风幸存者,”物理医学与康复档案,卷90,不。5,819 - 826年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. l .翁a . p . Tirumalai c . m .阴暗的et al .,“我们extended-field-of-view成像技术。”放射学,卷203,不。3、877 - 880年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. j·r·克雷默d . n . Mastronarde和j·r·麦金托什”的计算机可视化三维图像数据使用IMOD中,“结构生物学杂志》上,卷116,不。1,第76 - 71页,1996。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. s . l . Delp f·c·安德森,a . s . Arnold et al .,“OpenSim:开源软件创建和分析动态模拟的运动,”IEEE生物医学工程,54卷,不。11日,第1950 - 1940页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. t .巨大,r·r·罗伊·f·g·Shellock et al .,“人类的生理横截面积的腿部肌肉基于磁共振成像,”骨科研究期刊》的研究,10卷,不。6,926 - 934年,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. y Kawakami (t .安倍,t .巨大,“肌肉纤维pennation角度比在正常肌肉过分生长更大,”应用生理学杂志,卷74,不。6,2740 - 2744年,1993页。视图:谷歌学术搜索
16. 美国t .渣、j·d·许和c·乔丹,“中风患者肌肉组织化学的形态学变化,“临床骨科和相关研究卷,199年,第168 - 159页,1985年。视图:谷歌学术搜索
17. r . Dattola p . Girlanda g·维塔et al .,“肌肉重排中风后偏瘫患者:一个电生理学和形态学研究,“欧洲神经病学,33卷,不。2、109 - 114年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. e . d . Toffola d . Sparpaglione a . Pistorio和m . Buonocore”在中风患者肌肌肉变化的表现物理医学与康复档案,卷82,不。5,661 - 665年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. f·高和l .张”改变了卒中后腓肠肌肌肉的收缩性能,”应用生理学杂志,卷105,不。6,1802 - 1808年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. h .赵任y, y . n, s .问:刘,和l .张问:“跟腱力学性能卒中后超声评价”,应用生理学杂志,卷106,不。3、843 - 849年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2014年约翰·w·拉姆齐等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。