Intramuskuläre Architektur der menschlichen Rückenmuskulatur

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1 Intramuskuläre Architektur der menschlichen Rückenmuskulatur Heiko Stark Rosemarie Fröber Nadja Schilling Einleitung Präventive und rehabilitative Trainingsprogramme berücksichtigen Parameter wie die Kontraktionseigenschaften (fast vs. slow) oder die Topographie (ein, zwei oder mehrgelenkig) von Muskeln, um ein optimales Training entsprechend ihrer Funktionsweise zu erreichen. Bisher nicht beachtet wird dabei, dass die Funktionsweise eines Muskels auch maßgeblich durch seine innere Architektur bestimmt wird (z.b. Anordnung und Länge der Muskelfaserbündel, Verhältnis von Faszikel und Sehne). Traditionell unterscheidet man einfache, ungefiederte Muskeln mit mehr oder wenig parallel angeordneten Faserbündeln von gefiederten Muskeln, in denen die Faszikel in einem Winkel von ein, zwei oder mehreren Seiten an eine Sehne ansetzen. Faserbündellänge und Ansatzwinkel bestimmen Kontraktionsgeschwindigkeit, weg und kraft eines Muskels. Gefiederte Muskeln sind aufgrund ihrer Architektur besonders geeignet, viel Kraft bei kurzen Kontraktionswegen zu erzeugen, während ungefiederte Muskeln günstiger für lange Kontraktionswege und hohe Geschwindigkeiten sind. Bei Abschätzungen dieser Kontraktionsparameter für Rückenmuskeln wird allerdings zumeist vom oberflächlichen Faszikelverlauf ausgegangen, obwohl verschiedene Studien v.a. an Extremitätenmuskeln zeigen, dass der oberflächliche Faszikelverlauf nicht repräsentativ für den gesamten Muskelbauch sein muss. In vielen Fällen ist die Faserbündelarchitektur deutlich komplexer z.b. mit intramuskulären Inhomogenitäten (lokale Unterschiede in Fiederung oder Faszikellänge) [1,2]. Mit unserer 3D-Rekonstruktion der menschlichen autochthonen Rücken muskulatur wollen wir zur Aufklärung ihrer intramuskulären Architektur beitragen und so eine Einbeziehung dieser biomechanischen Eigenschaften in Trainingsprogramme und ein gezielteres Training der entsprechenden Muskeln ermöglichen. Material & Methode Für diese Untersuchung stand uns ein männlicher Körperspender (57 Jahre) zur Verfügung. Nachdem Haut, subkutanes Fett und die Mm. trapezius, latissimus dorsi et serratus posterior inferior entfernt waren, wurden Titanschrauben an tastbaren Knochenpunkten entlang der Wirbelsäule und dem Becken eingebracht. Diese dienen der Überwachung der Relativbewegungen der einzelnen Knochen während der Präparation und als Referenzkoordinatensystem für die Rekonstruktion. Im Anschluss wurde ein CT-Scan vom gesamten Torso angefertigt, aus dessen Bilderstapel das Skelett einschließlich der Marker mit der kommerziellen Software»ImageJ«[a] und»imaris«[b] rekonstruiert wurde.»imagej«bearbeitet

2 2 Heiko Stark Rosemarie Fröber Nadja Schilling die Schnittbilder mittels digitaler Bildverarbeitung und segmentiert die einzelnen Knochen, während in»imaris«die Rekonstruktion der einzelnen Knochen erfolgt. Für die Rekonstruktion wurde die dorsale Muskulatur beidseitig vermessen und schichtweise abgetragen. Dabei diente die linke Seite als Vorversuch für die Herangehensweise und z.t. für den Vergleich für die rechte Seite. Bedingt dadurch ist für die linke Seite nur der Teildatensatz der fleischigen Anteile der Faszikel vorhanden. In jeder Schicht wurden mit Hilfe des 3D-Digitalisierers»MicroScribe «[c] Raumkoordinaten für jeden Faszikel erfasst (Gerätegenauigkeit: 0,23 mm), die mit dem selbstgeschriebenen Programm»Cloud«aufgearbeitet, korrigiert und im globalen Bezugssystem ausgerichtet werden. Für die Visualisierung des Skeletts und der Muskeln wird das Programm»PovRay«[d] verwendet, das eine optimale Einstellung von Perspektive und Beleuchtung für die Visualisierung der Daten erlaubt. Abbildung 1: Bildschirmfoto des selbst entwickelten Programms»Cloud«einschließlich aller digitalisierten Faszikel der epaxialen Muskulatur. In Cloud werden die erfassten Daten z.b. im globalen Koordinatensystem ausgerichtet und aufgearbeitet.

3 Intramuskuläre Architektur der menschlichen Rückenmuskulatur 3 Ergebnisse & Diskussion Von der autochthonen epaxialen Rückenmuskulatur (M. spinalis thoracis, M. iliocostalis lumborum, M. longissimus thoracis, M. semispinalis thoracis, M. multifidus thoracis et lumborum, Mm. rotatores, Mm. interspinales, Mm. intertransversarii) Abbildung 2: 3D-Rekonstruktion des Skelettes des untersuchten männlichen Körperspenders einschließlich der verwendeten Referenzmarker (in gelb). Die Wirbelkörper der lumbalen Höhen 1, 3 und 5 sind grünlich getönt. 3D-Rekonstruktion des M. longissimus thoracis (links) und des M. multifidus thoracis et lumborum (rechts) repräsentiert durch a) ihre Faszikelverläufe (fleischige Anteile in rot, sehnige Anteile in blau) und b) ihre Muskelbauchoberflächen.

4 4 wurden insgesamt 1082 fleischige (591 links, 491 rechts; á 6,9 Stütz punkte) und 339 sehnige (re; á 6,4 Stützpunkte) Faszikelanteile abgetragen und vermessen. Dabei entfielen insgesamt 335 fleischige (197 li, 138 re) und 54 sehnige (re) Faszikelanteile auf den M. longissimus thoracis (Abb. 2, nur linke Seite dargestellt) und insgesamt 148 fleischige (73 li, 75 re) und 83 sehnige (re) Faszikelanteile auf den M. multifidus thoracis et lumborum (Abb. 2, nur rechte Seite dargestellt). Im Vergleich zum M. multifidus thoracis et lumborum fällt neben der deutlich größeren Faszikellänge der geringere Fiederungswinkel im M. longissimus lumborum auf (vor allem im caudalen Bereich). Während die kürzeren Faszikel des M. multifidus thoracis et lumborum relativ geradlinig zwischen Ansatz und Ursprung verlaufen, sind sowohl Faszikelkrümmung als auch torsion höher im M. longissimus lumborum. Somit hat der M. longissimus lumborum räumlich eine ausgeprägte S Form. Vergleicht man die Zahl der fleischigen Faszikelanteile beider Körperseiten, so zeigt sich eine deutlich Asymmetrie im M. longissimus thoracis, während der M. multifidus symmetrischer ausgebildet war. Die sich anschließende statistische Betrachtung einzelner Parameter und vor allem der Vergleich dieser zwischen den Körperseiten und den verschiedenen Muskeln wird ein genaueres Muskelmodell im Vergleich zu früheren Studien ermöglichen [3-10]. Es können Aussagen bezüglich der Homogenität einzelner Muskeln und deren Einteilung in morpho-funktionelle (Unter )Einheiten erarbeitet werden. Zusätzlich lassen sich die Auswirkungen einzelner Muskeln oder Muskelgruppen abschätzen, quantifizieren und simulieren. Danksagung Diese Studie wird von der Berufsgenossenschaft Nahrungsmittel und Gaststätten gefördert. Für die Ermöglichung des CT-Scans danken wir PD Dr. Schulz vom Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie des Universitätsklinikums und für die Bereitstellung der Marker danken wir R.D. Bader von der Gesichts- und Kieferchirugie. Für die technische Unterstützung danken wir herzlich S. Müller und A. Wiegand. Literatur Heiko Stark Rosemarie Fröber Nadja Schilling van Eijden TMGJ, Korfage JAM, Burgman P (1997) Architecture of the Human Jaw-Closing and Jaw- Opening Muscles. The Anatomical Record 248 (3), Gorb SN, Fischer MS (2000) Three-dimensional analysis of the arrangement and length distribution of fascicles in the triceps muscle of Galea musteloides (Rodentia, Cavimorpha). Zoomorphology 120 (2), Biedermann HJ, DeFoa JL, Forrest WJ (1991) Muscle fibre directions of iliocostalis and multifidus: male-female differences. Journal of Anatomy 179, Bogduk N, Pearcy M, Hadfield G (1992) A Universal Model of the Lumbar Back Muscles in the Upright Position. Spine 17 (8), de Foa JL, Forrest W Biedermann HJ (1989) Muscle fibre direction of longissimus, iliocostalis and multifidus: landmark-derived reference lines. Journal of Anatomy 163, Delp SL, Suryanarayanan S, Murray WM, Uhlir J, Triolo RJ (2001) Architecture of the rectus abdominis, quadratus lumborum, and erector spinae. Journal of Biomechanics 34,

5 Intramuskuläre Architektur der menschlichen Rückenmuskulatur 5 Dumas GA et al. (1991) Orientation and moment arms of some trunk muscles. Spine 16 (3), Hansen L, de Zee M, Rasmussen J, Andersen T, Wong C, Simonsen EB (2006) Anatomy and Biomechanics of the Back Muscles in the Lumbar Spine With Reference to Biomechanical Modeling. Spine 31 (17), McGill SM et al. (1993) Measurement of the trunk musculature from T5 to L5 using MRI scans of 15 young males corrected for... Clin. Biomech. 8 (4), Stokes IAF, Gardner-Morse M (1999) Quantitative anatomy of the lumbar musculature. Journal of Biomechanics 32 (3), Quellen [a] ImageJ (National Institutes of Health, USA) [b] Imaris (Bitplane AG, Zürich, Schweiz) [c] MicroScribe (Immersion Corporation, San Jose, USA) [d] POV-Ray (Persistence of Vision Raytracer Pty. Ltd., Australien)

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