DFG-Projekt HO-74492
ZUSAMMENFASSUNG
Regelmäßige körperliche Aktivität hat eine positive Wirkung in Bezug auf die Prävention und Behandlung von Stoffwechsel- kardiovaskulären, onkologischen und neurodegenerativen Erkrankungen. Aus diesem Grund ist die valide Bestimmung der körperlichen Aktivität im Alltag von hoher Bedeutung, zum Beispiel in Bezug auf die Prävention und Rehabilitation. Die körperliche Aktivität lässt sich mit Hilfe des muskulären Energieumsatz charakterisieren. Jedoch sind bisherige Systeme zur Energieumsatzbestimmung entweder zu ungenau oder wenig alttagstauglich. Eine alternative Methode bietet die Simulation des muskulären Energieumsatzes mit Hilfe muskuloskelettaler Modelle. Solche Modelle können den Energieumsatz einzelner Muskeln bei konzentrischen Belastungen gut abbilden, sind aber bisher noch ungenau bei exzentrischen Belastungen. Das Hauptziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung und Validierung eines muskuloskelettalen Modells (als Mehrkörpermodell), welches den Energieumsatz bei eingelenkigen konzentrischen und exzentrischen Kontraktionen am Beispiel einer Plantarflexion des Sprunggelenks voraussagen kann. Dazu wird ein Ansatz verwendet, der numerische und experimentelle Methoden kombiniert. Es wird ein bestehendes Hill-Typ-Muskelmodell angepasst und hinsichtlich der Energieumsatzrate erweitert bzw. weiterentwickelt. Anschließend erfolgt der Einbau mehrerer solcher Muskelmodelle in ein muskulo-skelettales Mehrkörpermodell (bestehend aus Unterschenkel, Sprunggelenk und Fuß, welches den Energieumsatz bei konzentrischen und exzentrischen Bewegungen der Plantarflexion simulieren kann. Parallel dazu wird mit einem MR-kompatiblen Pedalergometer eine neue Methode zur Messung des Energieverbrauchs an den arbeitenden Muskeln des Unterschenkels mittels funktioneller Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie (31P-fMRS) entwickelt und anschließend hinsichtlich der Validität und Reliabilität geprüft. Anhand spektroskopisch erfasster metabolischer Parameter werden ATP-Umsatzraten quantifiziert, die den mit Hilfe des Modells vorhergesagten Energieumsatzraten bei verschiedenen Belastungsregimes (unterschiedliche Intensität und Dauer) und Bewegungsformen (konzentrische und exzentrische dynamisch willkürliche Kontraktionen) gegenübergestellt werden. Darüber hinaus werden die parallel zur 31P-fMRS erfasste, belastungsspezifische elektromyografische, Parameter als weitere Modelleingangsvariablen zur Charakterisierung der Belastungen verwendet. Dieser im Projekt umgesetzter experimenteller Ansatz dient der Validierung der Energie¬umsatz¬vorhersage mit den bereits existierenden Hill-Typ-Muskelmodellen sowie der Validierung des neuen, im Rahmen des Projekts zu entwickelnden Mehrkörpermodells. Die Ergebnisse des Projekts stellen die elementare Basis für komplexere muskulo-skelettale Modelle dar, um den Energieumsatz bei Alltagsbewegungen bestimmen zu können.
SUMMARY
Regular physical activity has a positive effect on the prevention and treatment of metabolic, cardiovascular, oncological and neurodegenerative diseases. For this reason, the valid determination of physical activity in everyday life is of great importance, for example in relation to prevention and rehabilitation. Physical activity can be characterized with the help of muscular energy consumption. However, previous systems for determining energy expenditure are either too imprecise or not suitable for everyday use. An alternative method is to simulate the muscular energy metabolism using musculoskeletal models. Such models can depict the energy turnover of individual muscles well during concentric loads, but are still inaccurate during eccentric loads.The main goal of this project is to develop and validate a musculoskeletal model (in terms of a multi-body model) that can predict energy expenditure during single-joint concentric and eccentric contractions using the example of plantar flexion of the ankle joint. For this purpose, an approach combining numerical as well as experimental methods is used.An existing Hill-type muscle model is adapted and extended or further developed with regard to the energy consumption rate. Subsequently, several such muscle models are combined in one musculo-skeletal multi-body model (consisting of lower leg, ankle, and foot), which can simulate the energy consumption during concentric and eccentric movements of plantar flexion.In parallel, a new method for measuring energy expenditure in the working muscles of the lower leg using functional phosphorus magnetic resonance spectroscopy (31P-fMRS) is being developed with an MR-compatible pedal ergometer and subsequently tested for validity and reliability. Using spectroscopically recorded metabolic parameters, ATP turnover rates are quantified and compared with the energy consumption rates predicted by the model under different exercise regimes (different intensity and duration) and forms of movement (concentric and eccentric dynamic voluntary contractions). In addition, the load-specific electromyographic parameters, which are recorded parallel to the 31P-fMRS, are used as further model input variables to characterize the loads. This experimental approach implemented in the project serves to validate the energy consumption prediction with the existing Hill-type muscle models and to validate the new multi-body model to be developed as part of the project.The results of the project represent the elementary basis for more complex musculo-skeletal models in order to be able to determine the energy metabolism during everyday motion.