MRI assessment of local deformations along human medial gastrocnemius muscle fibers on submaximal plantarflexion activity

Abstract

Kaslar arasındaki mekaniksel etkileşimleri çevreleri dahilinde kapsamlı bir şekilde değerlendirmek için; kaslara ait mimarinin, kuvvetin ve deformasyonun eş zamanlı olarak hesaplanması gereklidir. Bu sebeple, 3B yerel deformasyonları elde edebilmek için Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) ve Demons imge çakıştırma yöntemleri kullanıldı. Dahası, kas fiber mimarisi difüzyon tensör görüntüleme (DTG) ile belirlendi. Bu çok yöntemli yaklaşım ve özel olarak tasarlanan deneysel ekipmanlar, aktivasyon sonucunda ortaya çıkan yerel şekil değiştirme bilgisinin kas fiberleri boyunca nicellenmesini mümkün kıldı. Bu çalışmanın hedefi, maksimum istemli kasılmanın %15'i ile gerçekleştirilen izometrik plantar fleksiyon aktivitesi sonucunda medial gastrocnemius (GM) fiberleri boyunca seri gerinim dağılımın gözlemleneceği hipotezini 5 kadın denek üzerinde test etmektir. Elde edilen sonuçlar, fiber yönü yerel uzama ve kısalmaların aynı kas fiberleri içinde eş zamanlı olarak ortaya çıktığını (örn. tek bir fiberde seri dağılım %12.4 kısalma ve %36.7 uzama aralığındadır) gösterdi ve hipotezi doğruladı. Dahası, sonuçlarımız paralel dağılımın da heterojenite gösterdiğini ortaya koymaktadır. Bu bulgular miyobağdokusal kuvvet iletiminin karakteristik bir göstergesi olmakla birlikte, iskelet kaslarının mekaniksel açıdan birbirlerinden bağımsız olmadığını vurgulamaktadır. Bilgimiz dahilinde, bu çalışma düşük kuvvetle gerçekleştirilen izometrik istemli kasılma sonucunda ortaya çıkan deformasyonu kas fiberleri yönünde nicellemeyi mümkün kılan ilk çalışmadır.Bu çalışma miyobağdokusal kuvvet iletiminin botulinum toxin uygulaması veya tendon gevşetme operasyonları gibi klinik uygulamalar üzerine olan etkilerinin canlı ortamda araştırılması için zemin oluşturmaktadır.

Comprehensive understanding of the mechanical interactions between skeletal muscles within their integral system of connective tissues requires simultaneous quantification of the architecture, force and deformation during in-vivo muscle action. For that purpose, magnetic resonance imaging (MRI) along with nonrigid Demons registration were applied together to quantify 3D local deformations. Additionally, diffusion tensor imaging (DTI) was utilized to reconstruct 3D muscle fiber architecture. Use of such multi-method approach and specifically designed experimental equipments together enabled the in-vivo quantification of local strains along the orientation of the skeletal muscle fibers occurring due to activation. The specific goal of this study was to test the hypothesis that 15/% of maximal voluntary isometric contraction (MVIC) of sustained plantar flexion results in a serial strain distribution along the muscle fibers of medial gastrocnemius (GM) of female subjects (n=5).Results indicate that considerable local lengthening and shortening occurs simultaneously within individual GM tracts (e.g. from 12.4/% shortening up to 36.7/% lengthening within a single tract) through the muscle.The hypothesis is therefore confirmed. Moreover, a parallel distribution was also found to be heterogeneous. Such findings are the characteristic indications of myofascial force transmission effects that highlights the interdependent mechanical functionality of skeletal muscles. To our knowledge, this is the first study in the literature that enables the evaluation of in-vivo deformations caused by submaximal isometric contraction with respect to the muscle fiber orientations of GM. Such experimental work therefore is expected to lay the groundwork for the investigation of in-vivo myofascial force transmission effects on clinical applications like botulinum toxin treatment and tendon transfer surgery.