Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

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3D Rekonstruktion der Muskelarchitektur bei Oryctolagus cuniculus Carolin Küpper Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft, Institut für <strong>Sport</strong>wissenschaft, Friedrich-Schiller-Universität <strong>Jena</strong> 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, 20 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-
suchung mit einem manuellen Digitalisierer (MicroScribe MLX). Zuvor wurden spezielle Vorbereitungen getroffen. Unmittelbar nach dem Tod des Tieres (♂, m = 2700 g) erfolgte die Präparation der linken unteren Extremität (Abziehen der Haut, Entfernen von oberflächigem Fett und Bindegewebe, Durchtrennen des Oberschenkels). Der Muskel-Knochen-Verband wurde anschließend bei einem Sprunggelenkswinkel von 90° in alkoholischen Bouin fixiert. Diese Fixationsmethode ermöglicht einen guten Erhalt der volumetrischen Verhältnisse (Schilling, Stark, & Fischer, 2003) und ruft im Vergleich zu anderen Fixationsmethoden nur sehr wenige Schrumpfartefakte des Muskelgewebes hervor (Gorb & Fischer, 2000). Nach einer ausreichenden Fixierung von mindestens 24 h wurde der M. plantaris, in Zukunft der M. soleus, unter Erhalt von Ursprung und Ansatz von der umliegenden Muskulatur befreit. Im ersten Arbeitsschritt der Digitalisierung erfolgt das Abscannen der Muskeloberfläche, wobei in Aponeurosendaten und Faszikelkoordinaten unterschieden wurde, sowie der angrenzenden Knochen. Die dreidimensionalen Punktpositionen wurden durch das manuelle Positionieren einer nadelförmigen Messspitze erfasst (Genauigkeit < 0,1 mm). Um die anschließende Vermessung, die höchste Präzession erfordert, zu gewährleisten, wurde das Präparat in Wachs eingegossen. Diese zusätzliche Fixierung vermeidet Bewegungen des Präparates während der Datenaufnahme. Im zweiten deutlich aufwändigeren Arbeitsgang werden künftig schrittweise Faszikel abpräpariert (Zupfpräparation). Zur Rekonstruktion der Muskelfaserverläufe werden von jedem zehnten Faszikel Ursprung, Ansatz und ausgewählte Messpunkte entlang des Faszikels aufgenommen. Die Daten werden mit der MicroScribe Utility Software erfasst und mit Matlab 7.6 visualisiert. Ergebnisse: Um die einzelnen Muskeln bzw. Muskelgruppen zu visualisieren, wurden mehrere ROIs (englisch: region of interest) manuell in das anatomische Volumen, das heißt in die Querschnitte der Muskeln des rechten Unterschenkels, gezeichnet. Die Muskelquerschnitte sind Ergebnisse des anatomischen Scans. Die ROIs setzen sich aus dem M. tibialis anterior (TA) und dem M. extensor digitorum longus (EDL), Teilen des M. soleus (SOL), M. plantaris (PL) und des M. flexor hallucis longus (FHL), dem M. gastrocnemius medialis (GM) und lateralis (GL) zusammen (in Graustufen dargestellt). Die resultierenden Tracks (Hauptdiffusionslinien) repräsentieren den Verlauf der Muskelfasern. Alle Tracks, welche die definierten ROIs durchlaufen, sind in Abbildung 1 gemeinsam mit einem anatomischen Scan aufgeführt (Abb.1). Erste Visualisierungsversuche der dreidimensionalen Koordinaten des M. plantaris des linken Beines des Kaninchens, die mittels des 3D-Scanners erfasst wurden, werden in Abbildung 2 dargestellt. Hierbei beruhen ausschließlich die Daten der Aponeurosen auf der manuellen Digitalisierung. Zum besseren Verständnis wurden der Knochen-Verband, Sehnen sowie einzelne Muskelfasern schematisch eingefügt (Abb.2). Diskussion: Die ersten recht vielversprechenden Ergebnisse des DTIs mit einem klinischen MRT System ermutigen, die Muskelarchitektur unter Verwendung des beschriebenen Versuchsaufbaus detaillierter zu untersuchen. Auch wenn eine durchaus adäquate Möglichkeit gefunden wurde, die Muskelarchitektur darzustellen, so ist die angewandte 2D EPI-basierte Erfassung anfällig für Suszeptibilitätsartefakte, die die Architektur der rekonstruierten Muskelfasern deformieren. Aufgrund dessen erweist es sich als sinnvoll, in den künftigen Untersuchungen 3D-DTI Sequenzen zu verwenden. Bei der Auswertung der ermittelten Daten besteht die Schwierigkeit, anhand des DTIs Information über die Muskelgrenzen zu erlangen. Dieses Problem ist in der Literatur bereits bekannt (Heemskerk et al., 2005). Dadurch wird die Zuordnung der Muskelfasern zu den zugehörigen Muskeln erschwert. Abhilfe wurde durch das Definieren von ROIs geschaffen, welche aus dem anatomischen Scan ermittelt wurden. Dies ermöglichte es alle Muskelfasern, die durch einen ROI laufen, zu bündeln, stellvertretend für das Abgrenzen der Muskeln bzw. Muskelgruppen gegeneinander. Dennoch ist aufgrund einer unzureichenden räumlichen Auflösung die Gefahr gegeben, dass einzelne Muskelfasern Abbildung 1 Von links nach rechts. Sagittale Ansicht des anatomischen Scans. Laterale und mediale Ansicht der Fasergebiete des rechten Unterschenkels (hervorgegangen aus den definierten ROIs). 21
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