Diskussion. Diskussion 60

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1 Diskussion 60 Diskussion Die Motivation zur Durchführung der vorgelegten Untersuchung entstand aus dem Bedarf der Biomechanik an neuen Messverfahren für die Quantifizierung von Muskelkräften. Die bislang zur Verfügung stehenden Methoden liefern entweder wie das Elektromyogramm nur grob quantitative und stark von den individuellen Meßbedingungen abhängige Daten (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10), oder sind wie die direkte Sehnenkraftmessung für eine routinemäßige Anwendung am Menschen in vivo zu invasiv (53). Ziel der durchgeführten Untersuchung war es, die Eignung der Magnetresonanzspektroskopie als Meßinstrument für die Biomechanik zur Bestimmung von Muskelkräften zu prüfen. In der Literatur existieren zahlreiche Untersuchungen, die mit Hilfe der Phosphor- Magnetresonanzspektroskopie verschiedene Parameter des Muskelstoffwechsels sowohl in Ruhe als auch unter Muskelbelastung abbilden (11, 12, 13, 14, 15). Neben den direkt spektroskopisch meßbaren Parametern wie Konzentrationen von Kreatinphosphat, anorganischem Phosphat und ATP sowie ph-wert wird die indirekte Bestimmung der ADP-Konzentration aus den vorgenannten Größen beschrieben (13, 38, 15, 47). ADP spielt als Regulator-Substanz insbesondere für den oxidativen Stoffwechsel eine wichtige Rolle (13, 38, 15, 50). Die Arbeitsgruppe von Radda und Kemp schlug die magnetresonanzspektroskopisch gemessene Aktivität der Kreatinphosphathydrolyse in den ersten Sekunden der Belastungsphase zur Abschätzung des Energiebedarfs einer Muskelbelastung vor (13). Bosca errechnete aus magnetresonanztomographischen und magnetresonanzspektroskopischen Messungen den Gesamt-ATP-Umsatz (als Summe der Aktivität von Kreatinphosphathydrolyse, anaerober Glykolyse und oxidativer Phosphorylierung) bezogen auf das aktivierte Muskelvolumen und schätzte den Wirkungsgrad der Muskelaktion bei einer isometrischen Muskelbelastung des M. triceps surae ab (14, 15). Untersuchungen, die verschiedene phosphorspektroskopisch gemessene Parameter in Hinblick auf eine Anwendung dieser Methode zur Muskelkraftmessung in der Biomechanik vergleichen, fehlen bislang.

2 Diskussion 61 In der vorgelegten Untersuchung wurden Messungen an insgesamt acht gesunden Probanden im Alter zwischen 23 und 29 Jahren durchgeführt. Die während einer isometrischen Belastung des M. triceps surae phosphorspektroskopisch gemessenen Parameter des Muskelenergiestoffwechsels wurden zu der jeweiligen Belastungsstufe in Beziehung gesetzt. Formal ist die äußere Arbeit bei isometrischer Muskelbelastung gleich null, da kein Weg zurückgelegt wird. Es wird jedoch für das nicht-konservative System Muskel auch bei der isometrischen Muskelbelastung ein definierter Energiebedarf, abhängig von der Größe und der Dauer der aufgebrachten Muskelkraft, vorausgesetzt (13). Bei jedem Probanden konnte in der Auswertung eine positive Korrelation zwischen verschiedenen Parametern des Energiestoffwechsels und der Muskelkraft gezeigt werden (Abb. 30 bis 34). Die Qualität der Abbildung der Muskelbelastung durch die genannten Parameter ist nicht nur von methodenspezifischen Meßfehlern sondern vor allem von der Dauer des Meßintervalls und dem Zeitpunkt der Messung in bezug auf Beginn und Dauer der Belastung abhängig: In der frühen Belastungsphase (innerhalb der ersten 30 Sekunden) überwiegt der Anteil der Kreatinphosphathydrolyse an der Gesamt-ATP-Produktion (Abb. 29). In dieser Phase liegt die beste Korrelation mit der Muskelbelastung mit linearen Korrelationskoeffizienten von 0,984 bis 0,999 bei der ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse vor, die direkt durch den Abfall der Kreatinphosphatkonzentration bestimmt wird (Abb. 35, Tab. 2). In der späteren Belastungsphase (mehr als 30 Sekunden nach Beginn der Muskelbelastung) stellt die Kreatinphosphathydrolyse nur noch einen geringen Teil der Gesamt-ATP-Produktion, so daß die Korrelation dieses Parameters mit der Muskelkraft gering ist. In dieser Phase wird die beste Korrelation mit der Muskelbelastung bei der ADP-abhängig errechneten Aktivität der oxidativen Phosphorylierung erreicht (Korrelationskoeffizienten zwischen 0,967 und 0,999). Alternativ kann mit ebenfalls guter Korrelation die ADP-Konzentration, die einen exponentiellen Zusammenhang mit der Muskelbelastung aufweist, direkt als Meßgröße genutzt werden (Abb. 44, Tab. 11). Die anhand der gemessenen ph-werte kalkulierte Aktivität der anaeroben Glykolyse weist sowohl in der frühen als auch in der späten Belastungsphase große inter- und intraindividuelle Schwankungen auf, so daß sich dieser Parameter am wenigsten als Meßgröße eignet (Abb. 37 und 42). Die große Streuung der Meßwerte ist auf erhebliche

3 Diskussion 62 Meßfehler der ph-messung durch Relativverschiebung des anorganischen Phosphatpeaks zurückzuführen, da es durch die bei Belastungsmessungen unvermeidlichen Signalschwankungen ebenfalls zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenzen kommt. Bei allen zuvor beschriebenen Parametern läßt sich durch eine Verlängerung des Meßintervalls von 10 Sekunden auf 30 Sekunden und die damit verbundene Mittelung der Meßparameter eine deutliche Reduktion der Streuung und Verbesserung der Korrelation mit der Muskelkraft erreichen. Die insgesamt aufwendige Kalkulation des Gesamt-ATP-Umsatzes zeigt im Vergleich zu der isolierten Betrachtung der Aktivität der Kreatinphosphathydrolyse in den ersten 30 Sekunden beziehungsweise der Aktivität der oxidativen Phosphorylierung oder der ADP-Konzentration in der späteren Belastungsphase keinen Vorteil (Abb. 38, Tab. 5 und Abb. 43, Tab. 10). Da die durch die ATP-Hydrolyse umgesetzte Energie nicht unter allen Bedingungen konstant ist, sondern von dem Phosphorylierungspotential abhängt, wurden die Abweichungen der freien Energie durch diesen Effekt beispielhaft anhand der Meßergebnisse eines Probanden bei verschiedenen Belastungen dargestellt (Abb. 45). Es zeigte sich jedoch nur bei sehr großen und langdauernden Muskelbelastungen mit resultierend stark erhöhtem ADP-Spiegel und hoher Konzentration an anorganischem Phosphat ein deutlich erniedrigtes Phosphorylierungspotential mit Abweichungen bei der errechneten freien Energie bis zu ca. 10%. Zusammenfassend steht mit der Magnetresonanzspektroskopie ein neues Verfahren zur Messung von Muskelkräften zur Verfügung. Mit der Bestimmung des Abfalls der Kreatinphosphatkonzentration existiert innerhalb der initalen Belastungsphase einer isometrischen Muskelbelastung ein aus den gemessenen Phosphorspektren leicht abzuleitender Parameter, der innerhalb eines großen Meßbereiches von sehr kleinen bis sehr großen Muskelbelastungen gut mit der Muskelkraft korreliert. Zusätzlich kann mit der errechneten ADP-Konzentration oder mit Hilfe der aus diesem Parameter abgeleiteten Aktivität der oxidativen Phosphorylierung die Muskelkraft auch bei länger dauernden Belastungen bestimmt werden. Bei der kritischen Betrachtung der Einzelergebnisse fallen neben der jeweils beschriebenen linearen Abhängigkeit verschiedener magnetresonanzspektroskopisch

4 Diskussion 63 gemessener Parameter von der Muskelkraft zwischen den einzelnen Probanden interindividuelle Unterschiede der Meßergebnisse auf. Dieser Effekt kann in erster Linie auf methodisch bedingte Abweichungen in der Aufprägung der Muskelkraft zurückgeführt werden. Bei Betrachtung von Abb. 16 fällt bei der Kalibrierung der Belastungsapparatur eine nicht zu vernachlässigende Hysteresis auf, die durch die erhöhten Reibungskräfte bei Verzicht auf ferromagnetische Bauelemente wie Kugellager innerhalb des Magneten zu erklären ist. Wie in Abb. 15 dargestellt ist die Kraftübertragung auf den M. triceps surae auch bei exakter Positionierung der Drehachse im Sprunggelenk und starrer Fixierung des Fußes am Pedal der Belastungsapparatur von dem individuellen Hebelarm des M. triceps surae bei der Plantarfexion abhängig. Durch die phosphorspektroskopischen Messungen mit der gewählten Oberflächenspule wurden überwiegend die Mm. gastrocnemii des M. triceps surae erfaßt. Der Winkel der Plantarfexion wurde daher mit so eingestellt, daß der überwiegende Anteil der Belastung ebenfalls auf die Mm. gastrocnemii übertragen wurde. Der Anteil des M. soleus und der weiteren Plantarflexoren (M. peronaeus longus, M. peronaeus brevis, M. tibialis posterior, M. flexor digitorum longus und M. flexor hallucis longus) an der Gesamtbelastung kann jedoch nicht vollständig vernachlässigt werden (51). Zusätzlich ist eine Kompensation der tangentialen Kraftkomponente am Pedal durch den M. quadriceps femoris, der als Antagonist des M. triceps surae am Kniegelenk wirkt, zu erwarten. Zwar wurde der Winkel im Kniegelenk durch Fixierung am Unter- und Oberschenkel möglichst konstant gehalten, um diesen Effekt zu minimieren, ein Anteil an der Gesamtbelastung ist jedoch nicht auszuschließen. Die vom M. soleus, den weiteren Plantarflexoren sowie dem M. quadriceps femoris aufgebrachten Kräfte wurden in den durchgeführten Messungen nicht erfaßt und können, da sie bei unterschiedlichen Probanden nicht als gleich groß angenommen werden können, interindividuelle Abweichungen ebenfalls erklären. Die vorgelegten phosphorspektroskopischen Meßergebnisse beziehen sich jeweils auf das von der benutzten Oberflächenspule erfaßte Muskelvolumen, das als repräsentativer Ausschnitt aus der gesamten aktivierten Muskelgruppe ausgewertet wurde. Interindividuell unterschiedliche Volumina der gesamten aktivierten Muskelgruppe blieben dabei unberücksichtigt. Durch eine Kombination der

5 Diskussion 64 phosphorspektroskopischen Messung mit einer magnetresonanztomographischen Kalkulation des gesamten aktiven Muskelvolumens könnten die durch diesen Effekt auftretenden Meßfehler minimiert werden (15). Inwieweit interindividuelle Abweichungen der Meßergebnisse durch die magnetresonanzspektroskopische Meßmethode bedingt sind, ist auf Grund der zahlreichen einflußnehmenden Faktoren aus den erhobenen Daten nur schwer abzuschätzen. Auch durch eine höhere Probandenzahl als in der vorgelegten als Machbarkeitsstudie angelegten Untersuchung, wäre diesbezüglich keine genauere Aussage zu erwarten. Es erscheint daher eine individuelle Kalibration notwendig, um genauere Messungen erreichen zu können. Da in der durchgeführten Untersuchung ein einheitliches Kollektiv aus gesunden Probanden im Alter zwischen 23 und 29 Jahren untersucht wurde, müssen bei der Übertragung auf andere Altersgruppen gegebenenfalls altersbedingte Abweichungen des Muskelstoffwechsels berücksichtigt werden. In verschiedenen magnetresonanzspektroskopischen Studien wurden signifikante Veränderungen des Muskelstoffwechsels in Abhängigkeit vom Lebensalter der Probanden gezeigt. Mit steigendem Alter ist ein vermindertes Phosphorylierungspotential durch verminderte Kreatinphosphatkonzentration in ruhender Muskulatur beschrieben worden. Bereits in der Gruppe im Alter über 50 Jahren kam es unter vergleichbarer Muskelbelastung zu einem geringer ausgeprägtem Abfall des ph-wertes und höheren ADP-Konzentrationen (29). Außerdem sank die Kapazität der oxidativen Phosphorylierung in Abhängigkeit vom Lebensalter, so daß im Alter über 70 Jahren eine im Durchschnitt um 30% verminderte maximale Aktivität nachweisbar war. Ebenso wurden bei Kindern ausgeprägte Abweichungen festgestellt. Die maximale Aktivität der oxidativen ATP-Produktion war um bis zu 100% erhöht, und wie bei den Probanden im hohen Lebensalter war ein geringeres Phosphorylierungspotential in Ruhe sowie ein geringerer ph-abfall unter Belastung nachweisbar (29). Die genannten Veränderungen des Energiestoffwechsels in Abhängigkeit vom Lebensalter lassen eine Übertragung der vorgestellten Untersuchungsergebnisse auf alle Altersgruppen nicht ohne weiteres zu. Es sind deshalb weitere Studien an einem größeren, gemischten Probandenkollektiv zu fordern. Gegebenenfalls sind die in dieser Untersuchung als konstant vorausgesetzten Größen

6 Diskussion 65 wie Konzentration von Kreatinphosphat und anorganischem Phosphat in Ruhe oder maximale Aktivität der oxidativen Phosphorylierung altersabhängig zu korrigieren. Bei allen in dieser Untersuchung unter Muskelbelastung durchgeführten phosphorspektroskopischen Messungen wurde eine isometrische Muskelbelastung gewählt. In der Literatur beschriebene Messungen in Abhängigkeit von dynamischer Muskelarbeit wurden in der Regel kurz nach einer Belastungsphase durchgeführt, da es unter dynamischen Bedingungen zu einer Verschiebung des Meßbereiches und erheblicher Inhomogenität des Magnetfeldes kommt, so daß vergleichbare Bedingungen kaum zu erreichen sind. Wie bereits oben dargelegt wurde der Meßbereich der benutzen Oberflächenspule so gewählt, daß die Phosphorspektren fast ausschließlich aus den spulennah gelegenen Mm. gastrocnemii aquiriert wurden. Dieser Anteil des M. triceps surae besteht sowohl aus langsamen Typ I - Fasern als auch schnellen Typ II Fasern, mit überwiegendem Anteil an Typ II - Fasern (52). Bei Untersuchungen anderer Muskelgruppen müssen die fasertyp-spezifischen metabolischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Der M. soleus zum Beispiel weist einen vergleichsweise höheren Anteil an Typ I - Fasern auf (52). Bei einer magnetresonanzspektroskopischen Untersuchung dieses Muskels ist mit einer geringeren Aktivität der anaeroben Glykolyse und dadurch höheren ph-werten zu rechnen. Bei gleicher Muskelbelastung sind höhere ADP-Werte sowie eine höhere Aktivität der oxidativen Phosphorylierung zu erwarten (28). Ob die genannten Abweichungen unterschiedlicher Muskelfasertypen signifikante Auswirkungen auf die Korrelation der phosphorspektroskopischen Messungen mit der geleisteten Muskelkraft bedingen, bleibt in weiteren Studien zu prüfen.

7 Schlußfolgerung 66 Schlußfolgerung Bei jedem der acht untersuchten Probanden konnte eine ausgeprägte Korrelation spektroskopisch gemessener Parameter mit der Muskelkraft gezeigt werden. Mit der Kreatinphosphatkonzentration wurde ein phosphorspektroskopisch leicht meßbarer Parameter identifiziert, der unter den bei dieser Untersuchung geltenden Bedingungen innerhalb der ersten 30 Sekunden der Muskelbelastung eine geeignete Meßgröße für Muskelkraft darstellt. Bei Messungen von Muskelkräften, die länger als 30 Sekunden wirken, konnte bei der errechneten ADP-Konzentration, beziehungsweise der aus der ADP-Konzentration abgeleiteten Aktivität der oxidativen Phosphorylierung, ebenfalls eine hohe exponentielle beziehungsweise lineare Korrelation mit der Muskelkraft gezeigt werden. Weiteren Studien bleibt es vorbehalten, größere, gemischte Patientenkollektive sowie Muskulatur verschiedener Muskelfasergruppen zu untersuchen. Ein Vergleich mit den bereits etablierten Methoden zur Messung von Muskelkräften, insbesondere der Elektromyographie ist ebenfalls notwendig. Insgesamt konnte die prinzipielle Anwendbarkeit der Magnetresonanzspektroskopie als Methode zur Bestimmung von Muskelkräften belegt werden. Auch wenn auf dem derzeitigen Stand der Technik die Magnetresonanzspektroskopie noch keine überindividuell verlässliche Absolutmessung von Muskelkräften gewährleisten kann, so liefert dieses Verfahren gegenüber dem heutigen Standardverfahren Elektromyographie den Vorteil der Übergangsmöglichkeit von einer intervallskalierten Relativskala auf eine lineare Relation. Mit der Etablierung der magnetresonanzspektroskopischen Messung von Muskelkräften wird durch die Kombination mit der Magnetresonanztomographie die Verknüpfung von funktionellen und morphologischen Untersuchungen möglich. In der Zukunft könnte durch weitere meßtechnische Verbesserungen der routinemäßige Einsatz schon heute existierender volumenselektiver Spektroskopietechniken auch kleine oberflächenfern gelegene Meßvolumina selektiv der nicht invasiven Muskelkraftmessung zugänglich machen.