Assessment of local muscle deformations using multi-modal imaging and finite element modeling

Abstract

Kas deformasyonlarının nörovasküler yolaklar (NVY), aponevroz, fasya veya üzerindeki deri gibi kas dışı dokuların etkisini dahil eden vivo değerlendirmesi, uzuvdaki doku bağlantılılığının işlevsel ilgisi düşünülünce çok önemlidir. Anatominin bütünleşik yapısı dahilinde kas ve kas dışı konektomun deformasyonları; aralarındaki mekanik etkileşimin anlasılması, kritiktir. Kinesiyo bant (KB) gibi dış yükler kaynaklı kas deformasyonları böylece kavranabilir ve nicellenmeleri KB'nin bilinmeyen etki mekanizmasını araştırmak için kritiktir. Ekstraselüler matriks (ESM) ile kas fiberlerinin sürerliliği ise ek önem taşır: Şimdiye kadar titin sıkça sarkomerin pasif yay elemanı olarak düşünüldü. Bu bakış titinin aktif durumda başkalaşan özellikleri nedeniyle değişmektedir. Ancak kas fiberi–ESM etkileşimi titinin etkisini daha da değiştirebilir. Bu tez manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ve görüntü çakıştırma; difüzyon tensör görüntüleme (DTG) ve traktografi; ve sonlu elemanlar modelleme (SEM) ile bu konuları ele almayı amaçlar. KB'nin MRG analizleri asal doku gerinimlerinin, KB yükleme yönünden saptığını gösterdi. DTG–traktografi ve MRGanalizleri ile pasif diz ekstansiyonu sonucu kas fiber ve kayma gerinimleri belirlendi.Toplamda uzayan (%8.7) ve kısalan (%7.5) kesimler içeren fasiküller boyunca gerinimlerheterojendi. Pasif kas SEM, gerinim düzensizliklerine neden olan miyobağdokusalyüklerin etkimesinde NVY bağlantılılığının rolünü gösterdi. Titin aktif davranışı dahilSEM, artan kas geriliminde titin katkısının önemini gösterdi. Genelde daha negatifgerinimler, yani daha kısa sarkomer etkisi; optimum boy ötesinde artan veya düzleşenaktif kuvvet görüldü. Sonuçta, kas doku deformasyonlarının değerlendirmesi için yenilikçi,girişimsel olmayan in vivo yöntemler; uzuvdaki epimüsküler etkileşimleri de dikkate alan yeni bakış açılarını kas patofizyolojisine yönelik implikasyonlar ile sunmaya olanak tanıyan hesaplamalı yaklaşımlar kullanıldı.

In vivo assessment of muscle deformations, including influence of non-muscular tissues such as neuro-vascular tracts (NVTs), aponeuroses, fasciæ or overlying skin, is key due to functional relevance of tissue connectivity within limb. In integral framework of anatomy, understanding deformations in muscle and non-muscular connectome, and mechanical interactions therein, is crucial. Muscle deformations caused by external loads, e.g., Kinesio tape (KT), are conceivable and crucial to quantify when exploring KT's unknown action mechanism.Continuity of muscle fibers and extra-cellular matrix (ECM) is also of relevance. Titin was so far considered as passive spring of sarcomere, a view now changing due to its altered properties in active state. Yet, muscle fiber–ECM interaction can further change titin's influence. This thesis aims to address these by magnetic resonance imaging (MRI) image registration, diffusion tensor imaging (DTI) and finite element modeling (FEM). MRI analyses of KT showed principal tissue strains deviated from KT loading direction. By DTI tractography and MRI analyses combined, muscle fiber and shear strains upon passive knee extension were determined. Strains were non-uniform along fascicles, which lengthened (8.7%) and shortened (7.5%), overall. Passive muscle FEM indicated role of NVT connectivity in imposing myofascial loads that cause strain non-uniformities. FEM with active titin showed increased total stress, with little increase from cross-bridges and much from titin. Depending on titin formulation, strain non-uniformities varied, yet persisted. Active force increased or leveled beyond optimum length. Strains were shorter overall: a shorter sarcomere effect. In sum, new non-invasive in vivo DTI and MRI methods are used to assess muscle tissue deformations; FEM allowed proposing new views incorporating epimuscular interactions within limb, with implications for muscle pathophysiology.