Mechanographic Analyses in Pediatrics: Allometric Scaling of ‘Peak Jump Force’ and Its Relationship to ‘Maximal Isometric Grip Force’ in Childhood and Adolescence

Abstract

Background: Kinetic analyses of the neuromuscular system have become an important part in the diagnostics of metabolic bone disorders in pediatrics because of the relevance of the ‘Functional Muscle-Bone Unit’. Because muscle function is associated with muscle metabolism, it is suggested that the association of maximal forces with anthropometric variables (e. g., body weight) is characterized by allometric scaling. The present manuscript aims to describe the scaling exponent for the association of maximal forces of mechanography and dynamometry to body weight and exemplarily applies the prediction of ‘Peak Jump Force’ (PJF) by ‘Maximal Isometric Grip Force’ (MIGF) for the characterization of the unconditioned neuromuscular system in subjects with congenital heart disease (CHD).

Subjects: MIGF was measured in a reference population of 135 school boys and 177 school girls who were not randomized individuals of a German primary and high-school. In addition, data of the neuromuscular system were analyzed in 29 individuals with CHD.

Methods: Participants performed counter-movement jumping on a force plate to measure PJF and v_max. MIGF was determined by dynamometric measurement.

Results: PJF scaled (body mass)^0.97 in girls and (body mass)^1.05 in boys. PJF was not different from the scaling exponent=1 in both genders. After having taken the logarithm, MIGF predicted PJF with R² _adjusted=0.774 in boys, R² _adjusted=0.720 in girls (p<0.001 each) and R² _adjusted=0.209 (p=0.007) in patients with CHD. The mean of the predicted PJF was lower than the mean of the measured PJF in subjects with CHD (p<0.001). The difference between the predicted and the measured PJF (ΔPJF) was associated with v_max (R² _adjusted=0.113, p=0.042).

Conclusions: PJF scales body weight in an isometric way as recently describe for other vertebrates. MIGF is a good predictor of PJF in healthy children, but not in unconditioned individuals. ΔPJF indicates conditioning of the individual and may be used to describe inter- and intramuscular coordination in children.

Zusammenfassung

Hintergrund: Mechanografische Analysen des neuromuskulären Systems haben mittlerweile auch einen diagnostischen Stellenwert in der Pädiatrie erlangt. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist die kinetische Analyse des Counter-movement-Sprungs durch die Messung der Bodenreaktionskräfte in Hinblick auf seine allometrische Skalierung und im Vergleich zur Entwicklung der ,Maximalen isometrischen Griffstärke‘ (MIGF) bei Kindern und Jugendlichen.

Probanden: Die Studienpopulation umfasste 135 Schüler und 177 Schülerinnen, die nicht randomisiert wurden und Schüler einer deutschen Grundschule und eines deutschen Gymnasiums waren. Zudem wurden Daten von 29 Patienten mit kongenitalen Herzfehlern analysiert.

Methoden: Die Studienteilnehmer absolvierten Counter-movement-Sprünge auf einer Sprungplatte, sodass die maximale Sprungkraft (Peak Jump Force, PJF) und die maximale Geschwindigkeit des Massenschwerpunktes beim Absprung (v_max) ermittelt werden konnten. MIGF wurde durch Messung mit einem Dynamometer bestimmt.

Ergebnisse: PJF-skalierte (Körpermasse)^0,97 bei den Mädchen und (Körpermasse)^1,05 bei den Jungen. Der Skalierungsfaktor von PJF war bei Mädchen und Jungen nicht signifikant vom Faktor=1 verschieden. Nach Lograithmierung sagte die Variable MIGF den Parameter PJF in der Gruppe der Jungen mit R² _adjusted=0,774, in der Gruppe der Mädchen mit R² _adjusted=0,720 (jeweils p<0,001) und in der Gruppe der Herzkranken mit R² _adjusted=0,209 (p=0,007) voraus. Der Mittelwert des vorhergesagten Wertes für PJF war niedriger als der Wert der gemessenen PJF in Patienten mit Herzerkrankung (p<0,001). Die Differenz zwischen vorhergesagter und gemessener PJF (ΔPJF) stand statistisch mit v_max (R² _adjusted=0,113; p=0,042) in Zusammenhang.

Schlussfolgerungen: PJF skaliert isometrisch zur Körpermasse, wie es bereits für andere Vertebraten beschrieben wurde. MIGF ist ein guter Prädiktor für PJF bei gesunden Kindern und Jugendlichen, jedoch nicht bei Menschen mit einem unkonditionierten neuromuskulären System. ΔPJF kann als Marker für die Konditionierung eines neuromuskulären Systems angesehen werden und beschreibt inter- und intramuskuläre Koordination.

mechanography - dynamometry - peak jump force - maximal isometric grip force

Mechanografie - Dynamometrie - maximale Sprungkraft - maximale Isometrische Griffstärke - allometrisches Skalengesetz

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