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Dissertation: Pengfei Yang


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Dissertation: Pengfei Yang

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institute of Biomechanics and Orthopaedics
Yang, Pengfei (2013): Relation of muscular contractions to mechanical deformation in the human tibia during different locomotive activities Zusammenfassung:
Abstract

Bone deformation is widely accepted as one of the most important factors in bone adaptation. It was hypothesized that the largest load on bone is primarily caused by muscle forces. Nevertheless, in vivo bone deformation amplitude and regimes measurements are still technically challenging, especially in humans. Furthermore, the relationship between the local muscle activities and the bone loading pattern remained largely unclear. Therefore, taking human shank as an object, one of the purposes of the present thesis was to investigate the tibia loading regimes, in terms of tibia segment deformation pattern, during different locomotor activities in humans. Moreover, the role of calf muscle activities in tibia deformation regimes was further examined.
Utilizing a novel optical segment tracking (OST) approach, the in vivo tibia segment deformation regimes in five male volunteers were investigated during walking, running, stair ascent and isometric muscle contraction. The reliability study of the OST approach suggested that the OST approach is capable of assessing in vivo tibia deformation regimes with high resolution, accuracy and repeatability. Most importantly, the surgical procedure of the entire experiments was well tolerated by the test subjects. During the stance phase of walking, results suggested that the proximal tibia primarily bends to the posterior aspect, medial aspect and twists to the external aspect with respect to distal tibia. The peak to peak (p2p) antero-posterior (AP) bending angles increased linearly with the vertical ground reaction force and speed, respectively. Similarly, p2p torsion angles increased with the vertical free moment. However, the exact relationship between the tibia deformation and reaction force or moment was different between individuals. P2p AP bending angle during treadmill running was speed-dependant and larger than walking. In contrast, p2p tibia torsion angle was smaller during treadmill running than walking. Furthermore, peak posterior bending and peak torsion occurred during the first half (21%-22%) and second half (72%-76%) of the stance phase of walking, respectively. Two noticeable peaks of torsion with forefoot contact (38% and 82% of stance phase), but only one peak of torsion with full foot contact (78% of stance phase) were found during stair ascent. The peak-to-peak torsion angle was larger with forefoot contact than full foot contact during both the stance phase of stair ascent and running. The tibia deformation regimes were characterized mostly by torsion than bending during isometric plantar flexion.
To conclude, bending and torsion predominated the tibia deformation regimes during the investigated activities. The relationship of tibia deformation with locomotor speed and ground reaction forces bears highly individual-related information. Unexpectedly large torsional deformation was induced by forefoot exercises and isometric contraction. Together with the specific fixed phase relationship between torsional deformation angles and local muscle activities, it seems that tibia torsion deformation is closely related to the local muscle contractions. It thus can be speculated that the torsional deformation might be another candidate, besides the compression and tension, to drive the long bone adaptation.

Zusammenfassung

Knochenverformung ist weitgehend anerkannt als einer der wichtigsten Faktoren bei Knochenanpassungsvorgängen. Man nimmt an, dass die größten Lasten auf den Knochen vorrangig durch Muskelkräfte verursacht werden. Nichtsdestoweniger sind Messungen in vivo von Knochendeformationen in Amplitude und in den verschiedenen Verformungs-Regimes immer noch eine große Herausforderung, insbesondere beim Menschen. Darüber hinaus war bisher die Beziehung zwischen lokaler Muskelaktivität und dem Muster der Knochenbelastung weitestgehend unklar. Eines der Ziele der vorliegenden Thesis war daher, am Beispiel des menschlichen Schienbeins die unterschiedlichen Last-Fälle der Tibia bei unterschiedlichen Fortbewegungs-Aktivitäten im Menschen zu untersuchen, und zwar in Form von Verformungsmustern von Tibia-Segmenten. Zusätzlich wurde die Rolle der Wadenmuskelaktivität für die Tibiaverformung untersucht.
Ein neuartiger Ansatz zur optischen Segment-Verfolgung (optical segment tracking, OST) kam zum Einsatz, um in vivo die Tibia Segment-Verformung von 5 männlichen Freiwilligen beim Gehen, Laufen, Treppensteigen und bei isometrischer Muskelkontraktion zu untersuchen. Eine Zuverlässigkeitsstudie zur OST-Methodik ergab, dass diese Methode in der Lage ist, die Tibia-Verformung in vivo in hoher Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit darzustellen. Die chirurgischen Eingriffe der gesamten Experimente wurden von den Probanden gut vertragen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich während der Stand-Phase beim Gehen die proximale Tibia vornehmlich in posteriale und mediale Richtung biegt sowie in externale Richtung in Bezug auf die distale Tibia verdreht. Die Amplitude der „peak to peak (p2p)“ antero-posterioe (AP) Biegewinkel stieg linear mit vertikaler Bodenreaktionskraft und Geschwindigkeit. Ähnlich vergrößerten sich die p2p Torsionswinkel mit dem vertikalen freien Drehmoment. Die genaue Beziehung zwischen Tibiaverformung Reaktionskraft oder –drehmoment war jedoch interindividuell unterschiedlich. Der P2p AP Biegungswinkel während des Laufens auf dem Laufband war geschwindigkeitsabhängig und größer als beim Gehen. Im Gegensatz dazu war der p2p Torsionswinkel der Tibia beim Laufen kleiner als beim Gehen. Die Maxima der posterialen Biegung und der Torsion fielen in die erste Hälfte (21%-22%) und entsprechend in die zweite Hälfte (72%-76%) der Standphase beim Gehen. Zwei ausgeprägte Maxima der Torsion bei vollem Fuß-Kontakt (78% Standphase) traten beim Treppensteigen auf. Der p2p Torsionswinkel war größer bei Vorderfuß-Kontakt als bei vollem Fußkontakt während der Standphase sowohl bei Treppensteigen als auch beim Laufen. Die Tibiaverformung während der isometrischen Plantarflexion war mehr durch Torsion als durch Biegung charakterisiert.
Zusammenfassend kann man sagen, dass bei den untersuchten Aktivitäten Biegung und Torsion bei der Tibiaverformung vorherrschten. Die Beziehung zwischen Tibiadeformation einerseits und Fortbewegungsgeschwindigkeit und Bodenreaktionskräften andererseits birgt hochgradig individuumbezogene Informationen. Unerwartet hohe Torsionsdeformation wurde durch Vorderfuß-Übungen und durch isometrische Kontraktion hervorgerufen. Zusammen gesehen mit der auffälligen Beziehung zwischen den Phasen des Torsionswinkels und der lokalen Muskelaktivitäten scheint die torsionale Deformation der Tibia eng verbunden zu sein mit den lokalen Muskelkontraktionen. Man kann spekulieren, dass die torsionale Verformung neben Kompression und Dehnung ein weiterer Treiber bei der Anpassung von Röhrenknochen ist.


17.10.2017 - 03:17