Korrelation der transversalen Relaxationszeit mit mechanischen Muskelzuständen im menschlichen Oberarm

Zusammenfassung: Ziel der Studie war, muskelmechanische Veränderungen im menschlichen Oberarm während Beugung und Streckung anhand des T2-Kontrastes im MRT-Bild zu detektieren. Dazu wurde die Spin-Spin-Relaxationszeit im Bizeps und im Trizeps in beiden Armpositionen mittels Spinechoaufnahmetechniken quantitativ bestimmt. Stoffwechseleinflüsse auf die T2-Zeit konnten aufgrund entspannter Muskelbedingungen ausgeschlossen werden. Es wurden statistisch signifikante Änderungen der T2-Relaxationszeit in Abhängigkeit der Armposition gefunden. Es zeigte sich, dass eine Muskelverkürzung aufgrund Beugung (Bizeps) bzw. Streckung (Trizeps) des Armes zu einer Relaxationszeitverlängerung um etwa 5% führt. Einleitung: Die Korrelation von T2-Zeit und der Aktivierung des Muskels aufgrund aktiver Muskelarbeit war bereits Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten. Ausführliche Untersuchungen haben eine deutliche Änderung der T2-Zeit bei anhaltender Muskelbelastung feststellen können [1,2,3]. Die gefundenen Ergebnisse zeigen eine große Empfindlichkeit der Methode gegenüber Änderungen in der Durchblutung des Muskels, Wassereinlagerungen oder Temperaturänderungen. Dagegen wurde die Abhängigkeit von MRT-Kontrastparametern von einfacher Längenänderungen der Muskelfasern bisher kaum untersucht. In der vorliegenden Studie soll untersucht werden, wie der Einfluss der Muskelkontraktion auf den Kontrast im MRT-Bild genutzt werden kann, um in späteren Anwendungen die zyklische Muskelmotorik des Herzens zu erforschen. Methoden: Die Untersuchung wurde an 6 gesunden Probanden im Alter zwischen 30 und 40 Jahren durchgeführt. T2-Zeiten des rechten Oberarms wurden in gestreckter und gebeugter Armposition bestimmt. Phasen der Ruhe zwischen den Messungen erlaubten Effekte wie Erwärmung, erhöhten Blutfluss und veränderten Stoffwechsel auszuschließen. Es wurden Serien von EPI-Aufnahmen bei 30 Echozeiten (TE) in logarithmischen Abständen zwischen 12 und 90 ms aufgenommen. Zusätzlich wurden TSE-Daten verschiedener Schichten bei Echozeiten von 11 ms, 22 ms, 34 ms, 45 ms, 56 ms und 79 ms akquiriert. Die Signalintensitätswerte aller Echozeiten innerhalb der analysierten Regionen des Bizeps Brachii, des Brachialis und des Trizeps Brachii (Fig 1) ergeben exponentielle Relaxationskurven, deren Relaxationszeiten mithilfe eines mono-exponentiellen Fits und eines Least-Square-Non-Negative (LSNN) Fits berechnet wurden. Die 10 Messserien des gestreckten und gebeugten Arms wurden aus statistischen Gründen alternierend aufgenommen (Fig 2 A, B). Die Mittelwerte der Regionen über alle 10 Messungen waren Grundlage der Datenanalyse, bei der auch Änderungen der Querschnittsfläche berücksichtigt wurden.

Ergebnisse: Signifikante T2-Änderungen im Bizeps- und Trizeps Brachii waren erkennbar. Sowohl bei EPI-Aufnahmen (Fig 2 A, B) als auch bei der TSE wurden Änderungen der gleichen Größenordung im Vergleich von gestreckter zu gebeugter Armposition von 5±3% reproduzierbar detektiert. Korrelationen der Muskel-Querschnittsfläche mit T2 konnten nicht beobachtet werden (Fig 3). Obwohl sich die Querschnittsflächen des Bizeps und des Trizeps in gebeugter Armposition vergrößerten, trat bei den Werten des Trizeps, im Gegensatz zu denen des Bizeps, eine Abnahme der Relaxationszeit auf. Vergleichende Messungen der T2-Änderung im aktiv kontrahierten und relaxierten Muskel ergaben dagegen weniger signifikante Änderungen, obwohl sich die elastischen Eigenschaften des Muskels im kontrahierten Zustand drastisch von denen im relaxierten unterscheiden. Diskussion: Die beobachteten T2-Änderungen des Muskelgewebes deuten auf einen Zusammenhang zwischen T2 und inneren mikroskopischen Eigenschaften, wie der Erhöhung des Filament-Überlapps bei Verkürzung des Sarkomers des Muskels. Im Vergleich von gestreckter zu gebeugter Position des Arms werden die Filamente des Bizeps gedehnt und der Überlapp der Filamente nimmt ab. Dagegen nimmt die Länge des Trizeps ab, wodurch der Überlapp der Filamente zunimmt. Bei gebeugter Position des Arms kehren sich die Zustände des Bizeps und Trizeps jeweils um. Dieses gegenläufige Verhalten der Muskelgruppen entspricht tendenziell der beobachteten Änderung der T 2-Zeit. Weil makroskopische Effekte, wie Vergrößerung der Querschnittsfläche, die damit verbundene Erhöhung des Flüssigkeitsanteils und Änderungen der Elastizität als Auslöser dieses Effektes ausgeschlossen werden können, sind wahrscheinlich Verschiebungen der Myosin-Köpfe zwischen den Muskel-Filamenten [4] und der damit veränderten Umgebung, die die Protonen-Spins erfahren, verantwortlich für die detektierte Änderung der Spin-Spin-Relaxationszeit. Weitere Untersuchungen sind geplant, um die Ursache des gefundenen T2-Effektes aufzuklären.

Fig 1 Anatomische Lokalisierung: B: short- und long-head des Bizeps Brachii; TRlo,: long head des Trizeps Brachii; TRm,: medial head des Trizeps Brachii; TRla,: lateral head des Bizeps Brachii; BR: Brachialis. Bon: Knochen.

Fig 2 A Mittelwerte der T2-Werte eines repräsentativen Probanden im Bizeps bei alternierenden Armpositionen. Rot angewinkelt, Grün gestreckt.

Fig 2 B Mittelwerte der T2-Werte eines repräsentativen Probanden im Bizeps bei alternierenden Armpositionen. Rot angewinkelt, Grün gestreckt.

Fig 3 Prozentuale T2-Änderung der 6 Probanden (gestreckt? angewinkelt) gegenüber prozentualen Änderungen der Muskel-Querschnittsfläche.

Literatur:

[1] Yue, Guang, Andrew L. Alexander, Douglass H. Laidlaw, Arthur F. Gmitro, Evan C. Unger, and Roger M. Enoka. Sensitivity of muscle proton spin-spin-relaxation time as an index of muscle activation. J. Appl. Physiol. 77(1): 84–92, 1994.

[2] Chen, H. A., R. A. Roberts, J. P. Letellier, A. Caprihan, M. V. Icenogle, and L. J. Haseler. Changes in muscle proton transverse relaxation times and acidosis during exercise and recovery. J. Appl. Physiol. 79(4): 1370–1378, 1995.

[3] Akima, Ta kahashi, Kuno. Coactivation pattern in human quadriceps during isokinetic knee-extention by muscle functional MRI. Eur J Appl Physiol 91: 7–14, 2004.

[4] Schmalbruch. Skeletal Muscle. Springer Verlag Berlin Heidelberg NewYork Tokio, 1985