Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

3D Rekonstruktion der Muskelarchitektur bei
Oryctolagus cuniculus
Carolin Küpper
Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft, Institut für
Sportwissenschaft, Friedrich-Schiller-Universität
Jena
Zusammenfassung:
Skelettmuskeln besitzen eine komplexe Muskelarchitektur,
die einen entscheidenden Einfluss auf die Formänderung
des Muskels und das mechanische Verhalten während der
Kontraktion hat. Die geometrische Information ist somit
von großer Bedeutung für die Modellierung von Skelettmuskeln
und die Simulation von Muskelkontraktionen. In
dieser Arbeit soll die Anwendbarkeit zwei verschiedener
Methoden (Diffusion Tensor Imaging (DTI) und manuelles
Digitalisieren) zur Darstellung der 3D Architektur der Wadenmuskulatur
beim Kaninchen (Oryctolagus cuniculus)
geprüft werden. Mit einem klinischen MRT konnten unter
Verwendung eines anatomischen 3D Scans und einer
leicht modifizierten 2D EPI-DTI Sequenz Muskelfasern innerhalb
kürzester Zeit rekonstruiert werden. Diese vielversprechenden
Ergebnisse gilt es künftig mit den ex vivo
Untersuchungen durch den manuellen Digitalisierer (MicroScribe
MLX) zu validieren.
Einleitung:
Grundvoraussetzung für die Simulation von Muskelkontraktionen
ist neben der Modellierung der aktiven Muskelkomponente
die Erfassung und Rekonstruktion der Muskelgeometrien
und besonders der Muskelfaserverläufe.
Muskeln können entgegen früherer Modelle nicht als Linien
zwischen zwei Punkten (1D) (Hill, 1922, 1938) bzw.
unter Einführung eines innerhalb des Muskels homogenen
Fiederungswinkels als Fläche (2D) verstanden werden
(Epstein & Herzog, 1998). Vielmehr weisen Muskeln ein
räumliches Volumen auf. Dabei sind sie Zwangskräften,
z.B. durch die Packung der Muskulatur oder die Begrenzung
durch Knochen, ausgesetzt, die sich auf die Muskelkraftentwicklung
auswirken. Diesen Vorstellungen werden
die Finite-Elemente (FE) Muskelmodelle am ehesten
gerecht. Alle bisherigen auf dieser Methode entwickelten
Modellierungsansätze beziehen sich jedoch auf Muskelparameter
aus der Literatur. Sie verwenden unrealistische
Muskelgeometrien mit einheitlichen Muskelfasern und
Fiederungswinkeln und vernachlässigen Sehnen und Aponeurosen
(Böl & Reese, 2008; Meier & Blickhan, 2000).
Die geometrische Anordnung der Muskelfasern innerhalb
eines Muskels ist allerdings wesentlich komplexer, wobei
erst eine dreidimensionale Beschreibung dem inneren Aufbau
gerecht wird. Faserlänge (Gorb & Fischer, 2000), Fiederungswinkel
(Gorb & Fischer, 2000; Stark, 2008) und
Raumkrümmung (Stark, 2008) können in einem einfachen
Muskel von Faszikel zu Faszikel so stark variieren, dass dieser
nicht durch die Parameter eines einzigen Faszikelzuges
beschrieben werden kann. Aufgrund dieser Komplexität
sollte der Verlauf der Muskelfasern für den gesamten Muskel
bestimmt werden, da die Messung einzelner Fasern ein
verzerrtes und zu stark vereinfachtes Bild liefert.
Unter Beachtung dieser Faktoren ist das Ziel dieser Arbeit,
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die 3D Architektur der Wadenmuskulatur, insbesondere
des M. soleus, des Kaninchens darzustellen. Dabei kommen
zwei verschiedene Methoden zur Anwendung. Das Erfassen
der 3D Architektur unter Verwendung eines manuellen
3D Digitalisierer (MicroSchribe MLX) stellt in diesem
Zusammenhang eine gut erprobte und validierte Methode
dar (Gorb & Fischer, 2000; Schilling, Stark, & Fischer,
2003). Im Gegensatz dazu befindet sich das DTI noch in
der Entwicklungsphase. Einige kürzlich erschienene Studien
konnten die Anwendbarkeit des DTIs auf dem Gebiet
der in vivo Muskelfaserrekonstruktion an Tieren (Heemskerk
et al., 2005; Zhang et al., 2008), als auch am Menschen
(Kan et al., 2009; Lansdown et al., 2007) aufzeigen.
Zwei Hauptprobleme treten bei den derzeitigen DTI Muskelrekonstruktionen
auf. 1.) Die Faserverläufe in den distalen
und proximalen Endbereichen können nicht aufgelöst
werden. 2.) Die Abgrenzung zu benachbarten Muskeln
ist schwierig (Heemskerk et al., 2005). Eine Validierung
der Methode steht bisher noch aus. Zudem wurden alle
bisher publizierten Tieruntersuchungen zu dieser Thematik
ausschließlich an speziellen MR Tiersystemen durchgeführt.
Aufgrund dessen soll in der vorliegenden Studie die
Anwendbarkeit eines klinischen 3T MRT Systems zur Erfassung
der Muskelarchitektur mittels DTI geprüft werden.
Material/ Methoden:
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Methoden
zur Bestimmung der 3D Muskelarchitektur angewandt:
das DTI und das manuelle Digitalisieren.
Bei dem DTI handelt es sich um eine neuartige Untersuchungsmöglichkeit
auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie
(MRT), mit deren Hilfe Mikrostrukturen oder
Faserbahnen
in vivo dargestellt werden können. Bei diesem Verfahren
wird die Diffusionsrichtung der Wasserstoffprotonen als Information
genutzt, um Muskelfaserverläufe zu rekonstruieren.
Die MR Scans wurden mit einem klinischen 3T MRT
System (Tim Trio, Siemens Medical Solution, Erlangen,
Germany) unter Verwendung einer 8-Kanal Multifunktionspule
durchgeführt. Diese Spule besteht aus zwei Elementen
mit je vier kleinen Loops (CPC, Noras, Höchberg,
Germany). Der Versuch wurde mit einem weiblichen New
Zealand Kaninchen
(m = 3180 g) durchgeführt. Das Tier wurde über die Ohrvene
anästhesiert (Ketamin-Xylazin, Mischverhältnis: 10/1,
Dosierung: 10 mg/kg/h). Die Füße des Tieres wurden an
einer selbstgebauten Apparatur (Sprunggelenkswinkel >
90°) mittels 2 cm breiten Klebeband fixiert. Die Ausrichtung
der Unterschenkel des Tieres erfolgte parallel zum
magnetischen Feld des Scanners. Die zwei Elemente der
Spule wurden oberhalb bzw. unterhalb des Unterschenkels
platziert. Als erstes wurde ein anatomischer Scan unter
Verwendung einer single slab 3D T2-weighted TSE Sequenz
mit einer isotropen Auflösung von 0.5 mm3 durchgeführt.
Dieser Scan dauerte 21:02 min. Im Anschluss
daran erfolgte der Diffusion-Tensor-Scan mit einer leicht
modifizierten 2D EPI Sequenz. Dies ergab eine Auflösung
von 1.51x1.51x1.5 mm³. Die Gesamtzeit zur Erfassung der
Diffusion-Tensor-Scans mit drei Wiederholungen betrug
17:38 min. Die Tensor-Rekonstruktion und das Faser-Tracking
wurde mit Hilfe des Diffusion Toolkit, die Evaluierung
und Visualisierung der Tracks mit Trackvis durchgeführt
(Wang & Weeden, 2009).
Die zweite Methode zur Rekonstruktion der 3D Architektur
(insbesondere der Muskelfasern) ist die ex vivo Unter-