Messung von Muskelkräften mittels Phosphor ... · spin = sich drehen). Da bewegte Ladungen ein...

Ruhr-Universität Bochum

Abteilung für Funktionelle Morphologie

ehem. Leiter: Prof. Dr. H. Preuschoft

Messung von Muskelkräften mittels Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie

Inaugural-Dissertation zur

Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer

Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum

vorgelegt von

Uwe Ostendorf aus Papenburg

2003

Dekan: Prof. Dr. med. G. Muhr Referent: Prof. Dr. rer. nat. H. Preuschoft Korreferent: Prof. Dr. med. Jürgen Krämer Tag der mündlichen Prüfung: 27.04.2004

Für meine Eltern

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis Einleitung.................................................................................................................... 1-16

Fragestellung.............................................................................................................. 1-2

Entwicklung der Magnetresonanztechnik.................................................................. 3-4

Physikalische Grundlagen der Magnetresonanztechnik .......................................... 5-11

In-vivo-Magnetresonanzspektroskopie.................................................................. 12-16

Material und Methode............................................................................................. 17-32

Untersuchungsablauf .................................................................................................. 17

Belastungsapparatur............................................................................................... 18-21

MR-Messung ......................................................................................................... 22-24

Auswertung............................................................................................................ 25-33

Ergebnisse................................................................................................................. 34-59

Diskussion ................................................................................................................ 60-65

Schlußfolgerung.............................................................................................................66 Literaturverzeichnis ................................................................................................ 67-72

Abkürzungsverzeichnis ADP Adenosindiphosphat ATP Adenosintriphosphat B0 konstantes, in Magnetresonanzanlagen erzeugtes

Magnetfeld CrP Kreatinphosphat dG freie Energie EMG Elektromyogramm FFT Fast-Fourier-Transformation FID Free induction decay FPedal auf das Fußpedal der Belastungsapparatur

übertragene Kraft FSeil am Seil der Belastungsapparatur wirkende Kraft Ftriceps auf den M. triceps surae übertragene Kraft G Gewichtskraft G0 freie Standardenergie Gly anaerobe Glykolyse 1H Wasserstoffisotop mit der Massenzahl 1 HF Hochfrequenz I Drehimpuls K Boltzmannkonstante KCK Gleichgewichtskonstante der Kreatinkinasereaktion Km Mechaelis-Menten-Konstante M Nettomagnetisierung MR Magnetresonanz MRS Magnetresonanzspektroskopie Ox oxidative Phosphorylierung 31P Phosphorisotop mit der Massenzahl 31 Pi anorganisches Phosphat ppm parts per million R Gaskonstante r1-r3 Radius der jeweiligen Übersetzungsrolle r4 Abstand Sprunggelenk / Großzehengrundgelenk rtriceps Hebelarm des M. triceps surae bei der Plantarflexion t Zeit T Absolute Temperatur T1 longitudinale oder Spin-Gitter-Relaxation T2 transversale oder Spin-Spin-Relaxation TCr Summe aus phosphoryliertem und

unphosphoryliertem Kreatin TE Echozeit: Zeit zwischen der Mitte eines 90°-Impulses und

der Mitte des erzeugten Spin-Echos TR Wiederholungszeit (zwischen zwei Pulssequenzen) Vox Aktivität der oxidativen Phosphorylierung Vox.max maximale Aktivität der oxidativen Phosphorylierung δ relative Peakverschiebung γ gyromagnetisches Verhältnis µ magnetisches Moment ω0 Larmor-Frequenz

Einleitung 1

Einleitung

Fragestellung

Für viele Fragen der Medizin, Biologie und Sportwissenschaften stellt die Bestimmung

im menschlichen Körper auftretender Kräfte wie Muskel- oder Gelenkkräfte ein

zentrales Problem dar.

Um dieses Problem zu lösen, beschreibt die Biomechanik biologische Systeme mit

mechanischen Methoden. Mit Hilfe von mathematischen Ersatzmodellen können

biologische Strukturen abgebildet und im Körper wirksame Kräfte errechnet werden.

Die Genauigkeit der Abbildung eines biologischen Systems durch ein mechanisches

Modell aus mathematischen Gleichungen steigt mit der Anzahl der bekannten

Parameter des Systems. Die notwendigen anatomischen Daten können dabei entweder

post mortem durch Sektionen gewonnen werden, oder durch bildgebende Verfahren wie

die Magnetresonanztomographie auch in vivo bestimmt werden. Neben der

Beschreibung morphologischer Parameter müssen auch funktionelle Daten erhoben

werden. Dabei stellt der menschliche Körper aus mechanischer Sicht ein sogenanntes

„statisch unbestimmtes System“ dar, in dem mehr innere Kraftgrößen unbekannt als

durch äußere Messungen bestimmbar sind (1). Deshalb besteht in der Biomechanik ein

großer Bedarf an experimentellen Verfahren, welche die Messung von im

Körperinneren wirksamen Kräften ermöglichen. Eine wichtige Rolle spielt die Messung

von Muskelkräften.

Die derzeit am häufigsten eingesetzte Methode zur Abschätzung von Muskelaktivitäten

ist die Elektromyographie. Allerdings ist durch dieses Verfahren nur eine grobe

Quantifizierung von Muskelkräften möglich (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10). Die Ergebnisse

sind stark von interindividuellen Unterschieden und von den gewählten

Meßbedingungen wie Art und Dauer der Muskelbelastung, genauer Lokalisation der

Oberflächenelektroden und Ermüdungszustand der Muskulatur abhängig.

Einleitung 2

Eine Methode zur quantitativ exakten Muskelkraftmessung ist die direkte

Sehnenkraftmessung. Der Einsatz dieses Verfahrens wird jedoch in vivo durch die

Invasivität der Methode eingeschränkt (53).

Ziel der hier vorgelegten Untersuchung ist es, die Eignung der Phosphor-

Magnetresonanzspektroskopie zur nicht invasiven Messung von Muskelkräften zu

prüfen. Mit Hilfe dieses Verfahrens können die Konzentrationen der energiereichen

Phosphatverbindungen in der Skelettmuskulatur bestimmt werden (11). Wird ein

konstanter Energieumsatz durch eine definierte Muskelbelastung angenommen, ist eine

direkte Abhängigkeit der gemessenen phosphorspektroskopischen Daten zu erwarten,

da der Muskel im Sinne der Thermodynamik ein nicht-konservatives System darstellt

(12, 13, 14, 15).

Es soll die Frage nach reproduzierbaren Abbildungen von Muskelkräften durch die

verschiedenen phosphorspektroskopisch gemessenen Parameter beantwortet werden.

Des weiteren soll eine Eingrenzung der Gültigkeitsbereiche dieser Abbildungen

erfolgen.

Einleitung 3

Entwicklung der Magnetresonanztechnik

Als Ausgangspunkt der Entwicklung der Magnetresonanztechnik ist der Nachweis des

Phänomens der Kernspinresonanz durch Rabi (1939) anzusehen. Rabi schickte einen

Strahl von Wasserstoffteilchen alternativ durch ein inhomogenes und ein homogenes

Magnetfeld. In beiden Fällen regte er die Moleküle durch Einstrahlung einer

elektromagnetischen Hochfrequenzwelle in gleicher Form an. Dabei wurde der

Teilchenstrahl nur im homogenen Magnetfeld meßbar abgelenkt (16). Für diese Arbeit

erhielt Rabi 1944 den Nobelpreis für Physik.

Der Nachweis der Kernspinresonanz in flüssigen und festen Stoffen gelang 1946

unabhängig voneinander Bloch in Stanford und Purcell in Harvard (17, 18). Bloch

führte auch die erste Anwendung der Magnetresonanzanalyse auf biologisches Material

durch, als er seinen Finger in den Magneten seines ersten MR-Spektrometers hielt und

ein einziges starkes Protonensignal als integriertes Summensignal der Protonen in den

verschiedenen Geweben messen konnte. Bloch und Purcell erhielten 1952 gemeinsam

den Nobelpreis für Physik.

Der nächste wichtige Schritt folgte 1949/1951, als Knight bzw. Arnold die chemische

Verschiebung der Kernresonanzfrequenz durch die den Kern umgebende

Elektronenhülle in Metallen bzw. Flüssigkeiten entdeckten (19, 20). Durch die

Verschiebung der Resonanzfrequenz konnte vom Kernspinresonanzsignal auf die

Elektronenverteilung und damit auf die chemische Struktur geschlossen werden. Mit der

Entdeckung dieser „chemischen Verschiebung“ begann die Ära der MR-Spektroskopie

als Meßwerkzeug der Chemie zur Strukturbestimmung von Molekülen. Hochaufgelöste

MR-Spektroskopie stellt auch heute noch eine der wichtigsten chemisch-

spektroskopischen Methoden dar.

Den Einsatz der Kernspinresonanz in der Medizin ermöglichten die Arbeiten von

Damadian und Lauterbur. Damadian untersuchte die „In-vivo-Gewebe-Relaxation“

und entwickelte eine Methode zur Messung der Kernspindichte und der Relaxations-

zeit (21, 22).

Einleitung 4

Um eine örtliche Differenzierung der Messung der kernmagnetischen Reaktion zu

erreichen, setzte Lauterbur lineare magnetische Feldgradienten ein und erzeugte damit

1972 die ersten 2D-Magnetresonanz-Protonenbilder einer Wasserprobe (23).

Im Jahr 1973 gelang Moon und Richards die erste 31P-Spektroskopie einer lebenden

Zelle (24). Anhand der „chemischen Verschiebung“ des anorganischen Phosphates

konnten sie den intrazellulären pH in Erythrozyten messen.

Seit Entwicklung großer Magnetsysteme in Kombination mit der Einführung von

Oberflächenspulen Anfang der achtziger Jahre wird die Spektroskopie auch am

Menschen eingesetzt.

Einleitung 5

Physikalische Grundlagen der Magnetresonanztechnik

Im Kernspinresonanzexperiment, wie es 1946 erstmals von Bloch und Purcell

durchgeführt wurde, wird Atomkernen in einem homogenen Magnetfeld mittels

Hochfrequenzwellen definierter Frequenz Energie übertragen. Das nach Abschalten der

äußeren Energieeinstrahlung bei diesem Vorgang reaktiv entstehende und zu messende

Signal ist sowohl von der Konzentration der angeregten Kerne als auch von

stoffspezifischen Eigenschaften der gemessenen Substanz abhängig und dient als

Grundlage für alle spektroskopischen und bildgebenden Magnetresonanzverfahren.

Nach der einfachsten für das Verständnis des Vorganges ausreichenden physikalischen

Vorstellung werden Atomkerne als kugelförmige Gebilde angenommen, die um eine

„Kernachse“ rotieren. Ihr Drehimpuls wird vereinfacht als Kernspin bezeichnet (engl. to

spin = sich drehen). Da bewegte Ladungen ein magnetisches Feld erzeugen, ist dem

Drehimpuls eines Kernes ein proportionales magnetisches Moment zugeordnet. Die

Relation zwischen dem magnetischen Kernmoment µ und dem Drehimpuls I wird durch

das gyromagnetische Verhältnis γ, eine kernspezifische Konstante, beschrieben (25, 26).

In der Abb. 1 sind Drehimpuls und ihm

proportionales magnetisches Moment

durch einen Pfeil dargestellt, da es sich

um vektorielle Größen handelt, denen

außer dem Betrag auch eine Richtung

zugeordnet ist.

Im feldfreien Raum liegen diese vielen

magnetischen Momente völlig un-

geordnet vor und heben sich in ihrer

Summationswirkung nach außen weit-

gehend auf.

Erst wenn ein äußeres Magnetfeld (B0)

einwirkt, ordnen sich die magnetischen

Momente auf kegelmantelförmigen

Abb. 1. Abhängigkeit des magnetischenMomentes (µ) von dem Drehimpuls (I) unddem gyromagnetischem Verhältnis(γ) (25, 26).

µ

µ = γ ∗ I

Einleitung 6

Bahnen um die Feldlinien des angelegten

Magnetfeldes an, und zwar in paralleler

und antiparalleler Richtung, und bilden

Doppelpräzessionskegel (Abb. 2) (25,

26).

Wenn diese Aufteilung in die zwei

entgegengesetzten Richtungen im

Verhältnis 50:50 stattfände, wäre die

Nettomagnetisierung (M), die Summe

aller wirkenden magnetischen Momente,

gleich null. Dieses ist aber nicht der Fall,

denn die parallele Ausrichtung stellt

einen energetisch günstigeren Zustand

dar, der nach den Grundsätzen der

Thermodynamik bevorzugt wird. Die

Nettomagnetisierung stellt sich als

Vektor in B0-Richtung dar, weil sich alle

anderen Richtungskomponenten der

einzelnen präzidierenden magnetischen

Momente zu null addieren und nach

außen nur der Überschuß in B0-Richtung

meßbar ist (Abb. 3).

Bezogen auf Kernprotonen beträgt dieser Überschuß nur wenige Protonen auf 1 Million

(bei Körpertemperatur und 0,5-2,0 Tesla Feldstärke). Ein Milliliter Wasser enthält ca.

1022 Protonen, es ergibt sich unter den oben genannten Bedingungen ein Überschuß von

ca. 1017 Protonen pro Milliliter Wasser (26). Der Betrag der Nettomagnetisierung ist

nicht nur von der Anzahl der Protonen, sondern auch von der Feldstärke (B) des von

außen einwirkenden Magnetfeldes abhängig (antiparallel / parallel = e-µ*B/K*T; K =

Boltzmann Konstante, T = Temperatur (26)).

Bo Bo

= M

Abb. 2. Anordnung der magnetischenMomente (µ) auf einer kegelmantelförmigenBahn um das angelegte Magnetfeld (B0) undresultierende Nettomagnetisierung (M) (26).

Z Bo M Y X

Abb. 3. Ausrichtung der Nettomagneti-sierung (M) in Richtung des Magnetfeldes(B0) im Koordinatenkreuz (26).

Einleitung 7

Die Frequenz, mit der die einzelnen magnetischen Momente um den B0-Vektor kreisen,

wird als „Larmor-Frequenz“ bezeichnet. Diese ist proportional zur Stärke des

Magnetfeldes B0 und außerdem abhängig von dem gyromagnetischen Verhältnis γ

(ω0 = γ ∗ Β0) (26).

Die Nettomagnetisierung ist in B0-Richtung als Signal nicht meßbar, da sie sich genau

in Richtung des äußeren Feldes ausrichtet. Um trotzdem ein Signal zu erhalten, muß der

Vektor der Nettomagnetisierung (M) aus dem energieärmsten Zustand, also aus der B0-

Richtung, ausgelenkt werden.

Die für diesen Vorgang nötige Energie

wird nach dem Resonanzprinzip durch

eine eingestrahlte Hochfrequenzwelle

übertragen. Der Hochfrequenzimpuls

muß hierbei mit der Larmor-Frequenz

schwingen, und in der X/Y-Ebene, also

genau orthogonal zur Richtung der

Nettomagnetisierung ausgerichtet sein.

Die Folge ist, daß sich der Vektor der

Nettomagnetisierung auf einer Bahn, die

einem Kugelmantel entspricht, in sich

kontinuierlich vergrößernden, spiral-

förmigen Radien in die X/Y-Ebene

bewegt (Abb. 4) (26).

Um das unübersichtliche Bild der

präzidierenden magnetischen Momente

zu vereinfachen, wurde von Bloch ein

rotierendes Bezugssystem eingeführt,

das durch Z', X' und Y' gekennzeichnet

ist (26). Es dreht sich mit der Larmor-

Frequenz der einzelnen µ-Vektoren um

die Z-Achse (Abb. 5).

Z

Bo

HF

Y

X

Abb. 4. Auslenkung der Nettomagneti-sierung auf einer kugelmantelförmigenBahn in die X/Y-Ebene durch einenHochfrequenzimpuls (HF) der Larmor-Frequenz (25, 26)

Z´

Bo

HF

Y´ X´

Abb. 5 Auslenkung der Nettomagnetisierung im rotierenden Koordinatensystem (26)

Einleitung 8

Der maximale Auslenkungswinkel des M-Vektors ist abhängig von der Pulsdauer, der

eingestrahlten HF-Welle, der Feldstärke Bo und dem gyromagnetischen Verhältnis

(Auslenkungswinkel = γ ∗ Bo ∗ t) (25). Häufig werden Pulslängen entsprechend einem

Auslenkungswinkel von 90° angewandt.

Das MR-Signal wird durch die in der X/Y-Ebene präzidierenden

Magnetisierungsvektoren erzeugt, die in der Empfangsspule einen Strom induzieren, der

verstärkt und demoduliert wird. Dieses Signal wird als FID (Free Induction Decay)

bezeichnet und ist in Abb. 6 beispielhaft dargestellt (11).

Die Einhüllende dieses Signals nimmt exponentiell ab. Den Vorgang, bei dem die von

der Hochfrequenzwelle eingestrahlte Energie wieder an die Umgebung abgegeben wird,

bezeichnet man als Relaxation. Man unterscheidet zwei verschiedene

Relaxationsprozesse: die longitudinale T1-Relaxation und die transversale T2-Relaxation

(25, 26).

Abb. 6. Schemazeichnung des Magnetresonanzsignals FID (Free induction decay) (11).

Zeit

Signal

Einleitung 9

Bei der T1-Relaxation kehren die Magnetfeldvektoren unter Abgabe der von der

Hochfrequenzwelle eingestrahlten Energie an ihre magnetische und thermische

Umgebung wieder in die B0-Richtung zurück (Abb. 7). Dieser Vorgang wird auch als

Spin-Gitter-Relaxation bezeichnet.

Die Rückkehr der longitudinalen Magnetisierung in die ursprüngliche Richtung nimmt

einen exponentiellen Verlauf. Entsprechend der Exponentialfunktion M = M0 (1-e-t/T1)

wird für jeden Stoff die T1-Zeit als jene Zeit angegeben, in der 63% (1-e-1 = 0,63) der

Nettomagnetisierung in den Ausgangszustand zurückgekehrt sind (26).

Unter T2-Relaxation, auch Spin-Spin-

Relaxation oder transversale Relaxation

genannt, ist die Zeit zu verstehen, in

der sich die einzelnen magnetischen

Vektoren in der transversalen Ebene

verteilen und damit ihre Synchronität

verlieren (Abb. 8) (25, 26). Der Verlust

der Phasenbeziehung hängt mit örtlichen

Abweichungen des Magnetfeldes

zusammen, da die Umlauffrequenz der

Einzelvektoren nach der Larmor-

beziehung vom Magnetfeld abhängig ist

(25).

Durch die T2–Relaxation nimmt die

transversale Gesamtmagnetisierung

ebenfalls exponentiell ab. Da die

Relaxationsvorgänge von den stoff-

spezifischen Eigenschaften des Meß-

objektes abhängen, werden sie sowohl in

der Bildgebung als auch bei speziellen

spektroskopischen Techniken ausge-

nutzt.

In Abb. 9 ist ein vereinfachter Aufbau des MR-Experimentes dargestellt. Die Hoch-

frequenzspule dient als Sende- und Empfangsspule.

Z Bo Y X

Abb. 7. T1-Relaxation: Rückkehr der Mag-netfeldvektoren in die Bo-Richtung (25, 26).

Z Bo Y X

Abb. 8. T2-Relaxation: Verlust der Phasen-beziehung der einzelnen Magnetfeld-vektoren in der X/Y-Ebene (25, 26).

Einleitung 10

Während beim MR-Imaging das Signal mit Hilfe der linearen Feldgradienten einzelnen

Bildpunkten zugeordnet wird, entsteht bei der MR-Spektroskopie das FID als

Summensignal aus dem gesamten Meßbereich der HF-Spule. Aus diesem

Interferenzbild aller Resonanzfrequenzen wird durch Fourier-Transformation ein

Spektrum (Lorentz-Kurve) errechnet, in dem die Signalintensität in Abhängigkeit von

der Frequenz aufgezeichnet ist (Abb. 10).

Fourier-Transformation

S(t)

t

S(ω)

ω

Hochfrequenzgenerator

Signal-verarbeitung

FID

N

S

Abb. 9. Vereinfachte Darstellung des Versuchsaufbaus des MR-Experimentes. In einem konstanten Magnetfeld wird über eine Spule eineHochfrequenzwelle generiert. Dieselbe Spule dient als Empfänger für dasentstehende Resonanzsignal, das als FID (Free induction decay) bezeichnetwird (11).

Abb. 10. Durch Fourier-Transformation wird das Magnetresonanzsignal (FID) in ein Spektrumin Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. ω0 entspricht der Resonanzfrequenz, bei der dieLorentzkurve ihr Maximum erreicht (11).

Einleitung 11

Der im Spektrum dargestellte Peak entspricht einer Lorentzkurve mit Zentrum (Median)

bei der Resonanzfrequenz (ω0). Die Breite des Peaks ist mit der Abnahme-

geschwindigkeit des FID-Signals verknüpft, die besonders von lokalen

Magnetfeldinhomogenitäten im Meßobjekt abhängig ist (11). Die Fläche unter der

Kurve korreliert mit der Anzahl der angeregten Atomkerne. Da die Atomkerne nicht

isoliert als Einzelatome, sondern in molekularer Bindung vorliegen, wird jeder Kern

durch die umgebenden Elektronen abgeschirmt. Deshalb wirkt auf Kerne des gleichen

chemischen Elements in verschiedenen Verbindungen auch ein leicht differierendes

Magnetfeld ein. Die Folge ist eine geringgradige Verschiebung der Resonanzfrequenz,

die als „chemical shift“ bezeichnet wird (11). In Abb. 11 ist das Wasserstoffspektrum

von Ethanol dargestellt, das 1951 als erstes hochaufgelöstes MR-Spektrum einer

Flüssigkeit aufgenommen wurde (20).

Die Protonen der Hydroxyl-, Methylen-

und Methylgruppe weisen jeweils eine

unterschiedliche chemische Verschie-

bung auf. Das Verhältnis der Flächen

unter den Peaks beträgt 1/2/3,

entsprechend der Anzahl der Protonen

pro Gruppe. Wie beim Ethanol wird

durch den Effekt der chemischen

Verschiebung die spektroskopische

Differenzierung und Quantifizierung

molekularer Verbindungen ermöglicht

(11).

Abb. 11. MR-Wasserstoffspektrum von Ethanol. Die Teilflächen unter der Kurve sind proportional der Anzahl an Protonen in der Hydroxyl-, Methylen- beziehungsweise Methylgruppe (11).

Einleitung

12

In-vivo-Magnetresonanzspektroskopie

Prinzipiell sind alle Atomkerne mit einer Spinquantenzahl ungleich null für

magnetresonanzspektroskopische Untersuchungen geeignet. In biologischen Geweben

wird die Anwendung der Magnetresonanzspektroskopie jedoch durch spezifische, für

die Magnetresonanz relevante Eigenschaften eingeschränkt (11, 25). Der Kern des

Wasserstoffatoms kommt mit Abstand am häufigsten in biologischen Gewebe vor.

Außerdem weisen Protonen das größte gyromagnetische Verhältnis und die höchste

relative MR-Empfindlichkeit auf (11). Deshalb werden in der bildgebenden

Magnetresonanztomographie fast ausschließlich Protonen verwendet.

In der H1-Spektroskopie werden ebenfalls die größten Signalintensitäten erreicht,

allerdings erschwert die Überlagerung durch die signalintensiven Wasser- und Lipid-

Peaks die Beurteilbarkeit anderer Verbindungen erheblich (26).

Die in vivo am häufigsten eingesetzte magnetresonanzspektroskopische Methode ist die

Phosphor-Spektroskopie. 31P weist im menschlichen Gewebe eine relative Häufigkeit

aller Phosphorisotope von 100% auf (26). Es ist in vielen Geweben, insbesondere in der

Muskulatur, aber auch in Leber, Nieren, Gehirn und verschiedenen Tumoren in hohen

Konzentrationen nachweisbar. Auf Grund der relativ großen chemischen Verschiebung

sind die einzelnen Resonanzpeaks im Phosphorspektrum gut abzugrenzen und leicht

interpretierbar. Da Phosphorverbindungen im Energiestoffwechsel eine zentrale Rolle

spielen, besitzt die Phosphor-Spektroskopie insbesondere für funktionelle

Fragestellungen eine besondere Bedeutung.

In Abb. 12 ist ein Phosphorspektrum der Skelettmuskulatur dargestellt. Um die geringen

Frequenzdifferenzen darstellen zu können, ist die Frequenz in ppm (parts per million)

als Abweichung von der Resonanzfrequenz (ω0) des Kreatinphosphates (CrP)

angegeben, die als Referenzfrequenz festgelegt wurde.

Die Flächen unter den einzelnen Resonanzpeaks sind den Konzentrationen der

Phosphatverbindungen in ruhender Skelettmuskulatur proportional: anorganisches

Phosphat (Pi) ca. 3 mmol/l, Kreatinphosphat (CrP) ca. 22 mmol/l und ATP ca. 8 mmol/l

(28, 29).

Einleitung

13

Da Adenosintriphosphat (ATP) drei Phosphoratome aufweist, kommen im Spektrum

insgesamt drei ATP-Peaks vor, die sich auf Grund der unterschiedlichen chemischen

Umgebung in der Resonanzfrequenz unterscheiden. Die Aufspaltung der einzelnen

Peaks in Dupletts (α − und γ−ATP) bzw. Tripletts (β-ATP) ist durch einen Spin-Spin-

Kopplungseffekt bedingt. Bei diesem Effekt wird das lokale Magnetfeld und damit die

Resonanzfrequenz durch den Spin der Nachbaratome geringfügig verändert. Da das β-

Phosphor durch zwei Nachbarn beeinflußt wird, entsteht ein Triplett (11, 25, 26, 27).

Unter Muskelbelastung kommt es zu Veränderungen im Energiestoffwechsel, welche

im Phosphorspektrum beobachtet werden können (11, 12, 13, 14, 15). In Abb. 13 ist

eine Serie von Spektren des M. triceps surae unter isometrischer Belastung und in der

anschließenden Erholungsphase gezeigt.

Abb. 12. Phosphorspektrum der Skelettmuskulatur. Dargestellt sind die Peaks desKreatinphosphates (CrP), des anorganischen Phosphates (Pi ) und die drei Peaks desAdenosintriphosphates (ATP), entsprechend den drei Phosphoratomen des ATP.

Pi

CrP

α-ATP β-ATP γ-ATP

Einleitung

14

Unter der Belastung nimmt durch die Aktivität zytosolischer Kreatinkinase der

Kreatinphosphatgehalt (CrP), der eine Art Kurzzeitenergiespeicher darstellt, schnell ab.

Deshalb kann die Konzentration des ATP zu Beginn der Belastungsphase bis zur

Aktivierung der oxidativen Phosphorylierung bzw. der anaeroben Glykolyse konstant

bleiben. Gleichzeitig steigt die Konzentration des anorganischen Phosphates (Pi), das

bei der Hydrolyse des ATP entsteht, an. In der anschließenden Erholungsphase kommt

es rasch zur Regeneration des Kreatinphosphatspiegels und zum Abfall des

anorganischen Phosphates. Unter anaeroben Bedingungen, z.B. bei ischämischer

Muskelbelastung, kommt es durch die Aktivierung der anaeroben Glykolyse zur

Zunahme der Laktatkonzentration und zum Absinken des pH-Wertes im Muskel. Auf

Grund der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz des anorganischen Phosphates vom pH-

Wert wird dies im Phosphorspektrum durch eine Verschiebung des Pi-Peaks in Richtung

des CrP-Peaks sichtbar.

Abb. 13. Serie von Phosphorspektren des M. triceps surae unter isometrischer Belastung sowiein der anschließenden Erholungsphase

Belastung

Erholung Zeit

Pi

β−ATP CrP

α−ΑΤP

γ−ATP

Frequenz

Einleitung

15

Seit der Einführung der großen Magnetsysteme, die eine Untersuchung am Menschen

erlauben, existieren zahlreiche Studien zur Anwendung der MR-Spektroskopie als

diagnostisches Instrument in der Medizin. Großen Anteil an der Entwicklung von

Methoden zur Gewinnung bioenergetischer Daten mit Hilfe der Phosphorspektroskopie

hat die Arbeitsgruppe von Radda (12, 13).

Die Phosphorspektroskopie wurde zunächst hauptsächlich für Untersuchungen der

Skelettmuskulatur angewandt. Bei verschiedenen primären Muskelerkrankungen

konnten typische metabolische Veränderungen identifiziert werden. 1981 wurde bei

Patienten mit einem Glykogenphosphorylasemangel (McArdel-Syndrom) eine im

Vergleich zur Kontrollgruppe rasche Abnahme des Kreatinphosphatspiegels und ein

fehlender pH-Anstieg unter ischämischer Muskelbelastung beobachtet. Die

beschriebenen Ergebnisse sind durch eine gestörte Glykogenolyse und damit inadäquate

ATP-Produktion über die anaerobe Glykolyse gut zu erklären. Typische

Stoffwechselveränderungen ließen sich später auch für weitere Enzymdefekte

nachweisen (30, 31, 32). Bei Muskeldystrophien (Typ Duchenne bzw. Becker) konnten

ein verminderter Kreatinphosphat/ATP–Quotient sowie relativ erhöhte Werte des

anorganischen Phosphats und erhöhte pH-Werte bereits in Ruhe nachgewiesen werden

(33, 34, 35). Bei mitochondralen Myopathien konnte ein gestörter oxidativer

Stoffwechsel mit verzögerter Kreatinphosphatresynthese nach Belastung

phosphorspektroskopisch belegt werden (30, 35, 36). Neben den primären

Muskelerkrankungen sind auch sekundäre Beeinträchtigungen des

Muskelstoffwechsels, zum Beispiel bei peripherer arterieller Verschlußkrankheit oder

Urämie, nachweisbar (37, 38).

Außer der Anwendung am Skelettmuskel können auch andere Organsysteme in vivo mit

Hilfe der Phosphorspektroskopie untersucht werden. Bei Patienten mit koronarer

Herzkrankheit wurde unter ergometrischer Belastung in der phosphorspektroskopischen

Untersuchung des Herzens ein Abfall des CrP/ATP-Quotienten nachgewiesen (39, 40,

41). Allerdings wird die Aussagekraft der kardialen Spektroskopie in vivo derzeit noch

durch technische Probleme wie mangelnde Selektivität und niedriges Signal-

Rauschverhältnis eingeschränkt (42).

Phosphorspektroskopische Untersuchungen verschiedener Tumoren ließen keine für

eine bestimmte Tumorentität spezifischen Eigenschaften erkennen (11, 26). Allerdings

Einleitung

16

konnten bei unterschiedlichen Tumoren ähnliche Stoffwechselveränderungen

festgestellt werden. Es finden sich typischerweise hohe Konzentrationen an

anorganischem Phosphat, Phosphomonoester und Phosphodiester (11). Nach Einleitung

einer Therapie (z.B. einer Chemotherapie oder Radiatio) kann ein Ansprechen des

Tumormetabolismus auf die Therapie phosphorspektroskopisch erfaßt werden (26, 43,

44, 45). Eine eindeutige prognostische Aussage ließ sich daraus allerdings bislang nicht

ableiten. Eine mögliche Anwendung der MR-Spektroskopie in der Onkologie könnte

bei erfolgter Therapie die frühzeitige Aufdeckung typischer metabolischer

Veränderungen bei einem Tumorrezidiv werden (46).

Insgesamt stellt die MR-Spektroskopie eine Methode dar, die nicht invasiv eine

funktionelle Abbildung des Energiestoffwechsels biologischer Systeme ermöglicht. Die

bereits vorliegenden Studien lassen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in den

verschiedenen medizinischen Disziplinen erwarten.

Ziel der vorgelegten Untersuchung ist es, die praktische Anwendbarkeit dieser Methode

zur Messung von Muskelkäften zu prüfen.

Material und Methode 17

Material und Methode

Untersuchungsablauf

Es wurden acht gesunde Probanden, jeweils vier weibliche und vier männliche, im Alter

von 23 bis 29 Jahren untersucht. Um einen Zusammenhang zwischen der aufgebrachten

Muskelkraft und den gemessenen Phosphorspektren identifizieren zu können, wurde

innerhalb des Meßtunnels eines 1,5 Tesla Magnetresonanztomographen dem M. triceps

surae mit Hilfe einer Belastungsapparatur eine gleichbleibende, isometrische Belastung

aufgeprägt. Vor und während der Belastung bis zur Erschöpfung sowie in der

Erholungsphase wurden kontinuierlich Phosphorspektren der belasteten Muskelgruppe

aufgenommen. Die Messungen wurden jeweils bei geringer, mittlerer und großer

Belastung durchgeführt. Aufgrund individueller Unterschiede erreichten fünf Probanden

eine Belastung von 80 N, 160 N, 240 N und drei Probanden von 100 N, 200 N, 300 N.

Zur Verbesserung des Signal/Rausch–Verhältnises wurde das gesamte Meßprotokoll

jeweils zweimal durchgeführt, und die Meßwerte derselben Belastungsstufe wurden

addiert. Bei der Auswertung wurden die Konzentrationen von anorganischem Phosphat

(Pi), Kreatinphosphat (CrP) und Adenosintriphosphat (ATP) im Meßvolumen anhand

der Flächen unter den jeweiligen Peaks berechnet. Der intrazelluläre pH sowie der

Energieumsatz der verschiedenen energieliefernden Stoffwechselwege wurden

errechnet und zu der aufgeprägten Muskelkraft in Beziehung gesetzt.


Belastungsapparatur

Die Apparatur wurde mit dem Ziel entwickelt, eine definierte Belastung einer

vorgegebenen Muskelgruppe zu realisieren. Um Bewegungsartefakte zu vermeiden

wurden die Messungen unter gleichbleibender, isometrischer Muskelbelastung

durchgeführt. Die Muskelgruppe mußte der magnetresonanzspektroskopischen Messung

mit einer Oberflächenspule gut zugänglich sein und ein möglichst großes Meßvolumen

bieten, um das gemessene Signal zu maximieren. Die aufgebrachte Belastung sollte nur

auf die im Meßbereich der Spule liegenden Muskeln wirken. Nicht belastete Muskulatur

sollte einen geringen Anteil des Meßvolumens ausmachen. Da die Messungen während

der Belastungsphasen erfolgen sollten, mußte die Belastungsapparatur dem ca. 40 cm

durchmessenden Meßtunnel des MR-Tomographen angepaßt werden.

Abb. 14 zeigt eine schematische sowie eine photographische Darstellung der zur

Belastung des M. triceps surae entwickelten Apparatur.

B C

Abb. 14. A: Schematische Darstellung der Belastungsapparatur. B/C: Photographiendes auf der Patientenliege des MR-Tomographen montierten Gerätes.

A


Das in Abb. 14 dargestellte Fußpedal diente zur Einleitung eines definierten Momentes

um das obere Sprunggelenk. Über ein Seil an der Unterseite des Aufbaus erfolgte die

Verbindung zu einer Übersetzungsrolle am Kopfende der Patientenliege. Dort wurde ein

Wasserkanister angehängt. Durch verschiedene Füllmengen konnten definierte Lasten

aufgebracht werden.

Um Bewegungsartefakte und Relativerschiebungen der Gelenkachsen zu minimieren,

erfolgte die Fixierung des Fußes am Pedal der Belastungsapparatur mit mehreren

Klettgurten. Ein konstanter Winkel im Kniegelenk konnte durch Fixierung von Unter-

und Oberschenkel erreicht werden.

Da bei der Messung mit der verfügbaren 5 cm-Oberflächenspule der empfindliche

Meßbereich nicht über eine Eindringtiefe von 5 cm hinausgeht, werden bei den MR-

spektroskopischen Messungen am M. triceps surae in erster Linie die Mm. gastrocnemii

erfaßt. Der Winkel der Plantarflexion wurde daher mit 30°-45° gewählt, so daß der

überwiegende Anteil der Belastung von den Mm. gastrocnemii geleistet wurde. Der

Anteil des M. soleus bei einer Plantarflexion größer als 25° ist gering (32). Zur

Minimierung der Abweichungen von der vorgegebenen Plantarflexion im Sprunggelenk

wurde an der Übersetzungsrolle eine Klingelschaltung installiert. Durch ein akustisches

Signal wurden Abweichungen angezeigt und konnten im Sinne eines einfachen

Biofeedbacks durch den Probanden unmittelbar korrigiert werden.

Beim Bau der Belastungsapparatur wurde bei allen Teilen, die innerhalb des Gerätes

eingesetzt wurden, auf ferromagnetische Materialien verzichtet und stattdessen

Buchenholz, Kunststoff und Messing verwendet.

In Abb. 15 ist eine mechanische Abschätzung der Momenten- und Kraftverhältnisse bei

der Aufprägung der Muskelbelastung dargestellt. Hierbei wurden sowohl die konstanten

Hebelverhältnisse der Belastungsapparatur als auch die variierenden Dimensionen bei

den unterschiedlichen Probanden berücksichtigt. Die Übereinstimmung der Drehachsen

des Sprunggelenkes und der Belastungsapparatur und eine starre Fixierung des Fußes

auf dem Pedal wurden vorausgesetzt. Wie dargestellt, wird die Kraftübertragung bei

konstanten Hebelarmverhältnissen der Belastungsapparatur nur durch den Hebelarm des

M. triceps surae bei der Plantarflexion beeinflußt.


α

A A

B

C FSeil = G * r1 / r2 FPedal = FSeil * r3 / r4 = G * (r1*r3) / (r2*r4) Ftriceps = FPedal * r4 / rtriceps = G * (r1*r3) / (r2*rtriceps)

Abb. 15. Kräfte und Momentengleichgewichte bei der Aufprägung der Muskelkraft. A: MR-tomographischer Längsschnitt durch den Unterschenkel mit Darstellung der Hebelverhältnissebei der Kraftübertragung auf den M. triceps surae. Der wirksame Hebelarm des M. tricepssurae ist als rtriceps eingetragen. B: Schematische Darstellung der gesamten Kraftübertragungvon der Gewichtskraft (G) über die Belastungsapparatur bis zum M. triceps surae. FSeil = Kraft,die am Seil der Belastungsapparatur wirkt; FPedal = auf das Fußpedal übertragene Kraft; Ftriceps =auf den M. triceps surae übertragene Kraft; r1-r3 = Radius der jeweiligen Übersetzungsrolle;r4 = Abstand Sprunggelenk / Großzehengrundgelenk; rtriceps = wirksamer Hebelarm des M.triceps surae bei der Plantarflexion C: Berechnung der dem Muskel aufgeprägten Kraft(Ftriceps).

B

Ftriceps

rtriceps

r2

r1

G

FSeil

r4 r3

FPedal

rtriceps


Mit Hilfe eines Kraftmeßsensors erfolgte die Kalibrierung der Belastungsapparatur. In

Abb. 16 ist das Ergebnis der am Pedal gemessenen Kraftübertragung (FPedal) jeweils für

auf- und absteigende Gewichtsreihen dargestellt.

Wie in Abb. 16 dargestellt, ist über große Belastungsbereiche ein weitgehend linearer

Kurvenverlauf (linearer Korrelationskoeffizient: R = 0,98) erkennbar. Es fällt allerdings

unter Berücksichtigung der auf- beziehungsweise absteigenden Gewichtsreihen eine

deutliche Hysteresis der gemessenen Daten auf. Dieser Effekt ist mit Abweichungen der

Kraftübertragung durch Reibungskräfte zu erklären. Eine Reduktion von

Reibungswiderständen war jedoch durch den notwendigen Verzicht auf

ferromagnetische Materialien nicht zu erreichen. Um den systematischen Fehler durch

diesen Effekt zu minimieren, wurden stets eine aufsteigende und eine absteigende

Meßreihe nacheinander durchgeführt und der jeweilige Mittelwert errechnet.

Abb. 16. Dargestellt ist die am Pedal der Belastungsapparatur gemessene Kraft (FPedal) in Abhängigkeit von der Größe der angehängten Gewichte (G). Durch die schwarzen Rauten dargestellt ist die aufsteigende Gewichtsreihe. Die Messungen bei absteigenden Gewichten sind mit Kreisen markiert.

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15G (Kg)

F (N

)


Magnetresonanz-Messung

Alle phosphorspektroskopischen und bildgebenden Messungen wurden an einem 1,5-

Tesla-Magnetom (SP 63, Siemens AG) im Entwicklungs- und Forschungszentrum für

Mikrotherapie durchgeführt. Als Sende- und Empfangsspule wurde eine „Transmission

Line Resonator“ - Oberflächenspule mit 5 cm Durchmesser benutzt, deren Resonanz-

frequenz auf Protonen und auf Phosphorkerne eingestellt werden kann.

Vor jeder Messung erfolgte zunächst die Positionierung des Probanden auf der

Belastungsapparatur außerhalb des Magnetresonanztomographen, wobei die in der

Unterschenkelstütze integrierte Oberflächenspule direkt unterhalb der Mm.

gastrocnemii lag. Anschließend wurde die Patientenliege so weit in das Gerät gefahren,

daß sich die Hochfrequenzspule genau in der Mitte des Magneten befand.

Nach der Positionierung erfolgte das sogenannte „Tuning“ der Spule. Beim Tuning wird

die Spule mittels spezieller Abstimmregler am Spulengehäuse manuell auf die

Resonanzfrequenzen für Protonen und Phosphorkerne abgestimmt.

Die genaue Positionierung der Spule wurde durch ein Protonenübersichtsbild des

Meßbereiches überprüft. Es wurde eine sogenannte Scout-Sequenz (Fl 2D, TR 200 ms,

TE 15 ms, 10 mm Schichtdicke, eine Akquisition) benutzt, die in einer sehr kurzen

Meßzeit ein zur Orientierung ausreichendes Bild liefert. In Abb. 17 ist ein

Übersichtsbild gezeigt. Der signalintensive Bereich entspricht dem von der

Spektroskopie erfaßtem Meßbereich. Bei der gewählten Transmitterspannung von 10 V,

die bei allen Messungen eingestellt wurde, wird der überwiegende Signalanteil aus

einem Bereich zwischen 5 mm und 30 mm Abstand von der Spulenoberfläche akquiriert

(26). Außerhalb dieses Bereiches nimmt die Signalintensität schnell ab. Wie aus Abb.

17 ersichtlich, liegt der empfindliche Meßbereich bei korrekter Positionierung

überwiegend in den Mm. gastrocnemii.


Bevor eine spektroskopische Messung möglich ist, muß die Homogenität des

Magnetfeldes optimiert werden. Dieser Vorgang wird als "Shimming" bezeichnet. Die

Inhomogenität des Feldes ist sowohl durch Unregelmäßigkeiten im Magneten als auch

durch das Einbringen von Material bzw. Probanden in das Magnetfeld bedingt. Für den

Shim-Vorgang sind mehrere kleine Spulen im Magneten angeordnet. Die in diesen

Spulen fließende Ströme können unabhängig voneinander entweder manuell oder

automatisch modifiziert werden. Die Shim-Ströme werden solange modifiziert, bis das

Integral des zur Kontrolle gemessenen FID-Signals ein Maximum erreicht. Auf Grund

der hohen Signalintensitäten wird dieser Vorgang stets im 1H-Modus durchgeführt. Zur

Überprüfung der Shim-Qualität wird das Wassersignal des Protonenspektrums benutzt.

Die Halbwertsbreite soll hierbei 0,3 ppm nicht überschreiten. Nach Erreichen einer

ausreichenden Signalintensität, gemessen als Integral des FID-Signals, wird das

Shimming abgeschlossen.

In der durchgeführten Untersuchung erfolgte bei allen Probanden eine automatisierte

Shim-Prozedur. Anschließend wurde zur weiteren Signaloptimierung eine manuelle

Feineinstellung der Shim-Ströme durchgeführt.

Abb. 17. MR-tomographisches Bild zur Überprüfungder Positionierung der Oberflächenspule über den Mm.gastrocnemii. (Scout-Sequenz Fl 2D, TR 200 ms, TE15 ms, 10 mm Schichtdicke, eine Akquisition)


Bei den in dieser Studie gemessenen Phosphorspektren wurde eine FID-Sequenz mit

Rechteckpuls und einer Pulsdauer von 500 µs entsprechend einem Auslenkungswinkel

von 90° benutzt. Die Wiederholungszeit (TR) betrug 1800 ms und die „Dwell time“

250 µs, bei einer „Vektorsize“ von 1024.

Um möglichst viele Spektren in kurzer Zeit messen zu können, wurden die Spektren je

nach der bei der Shim-Procedur erreichten Signalintensität aus nur drei bis fünf

Akquisitionen errechnet, entsprechend einer Meßzeit von 6-10 Sekunden pro Spektrum.


Auswertung

Die Auswertung erfolgte im Auswertemenü des SP63. In Abb. 18 ist ein FID-Signal

nach der Addition von zwei Meßdatensätzen dargestellt. Das Signal nimmt mit der Zeit

exponentiell an Intensität ab, bis nach ca. 100 ms – 150 ms der überwiegende Anteil des

Signals aus Rauschen besteht.

Multiplikation mit der Gauss-Funktion:

Um eine Glättung des Spektrums zu erreichen, wurde eine Wichtung mit einer Gauss-

Funktion [f(x)=exp(-ln2((x-c)w)²)] durchgeführt. Dabei wurde c als Mittelpunkt gleich

Null und w gleich der Halbwertsbreite gesetzt. In Abb. 19 ist das FID-Signal nach der

Multiplikation mit dieser Gauss-Funktion dargestellt.

Abb. 18. Phosphorspektroskopisches FID-Signal des M. triceps surae vor derSignalverarbeitung.

Abb. 19. FID-Sinal nach Multiplikation mit der Gauss-Funktion.


Fourier-Transformation:

Durch die Fourier-Transformation (FFT) wurde das im Zeitbereich gemessene FID-

Signal in den Frequenzbereich umgerechnet. Da es sich um komplexe Daten handelt,

liegen ein Real- und ein Imaginärteil vor (Abb. 20).

Abb. 20. Nach der Fourier-Transformation des MR-Signals liegen ein Realteil (oben) und ein

Imaginärteil (unten) vor.


Phasenkorrektur:

Vor der Phasenkorrektur wurde zunächst die Referenzfrequenz (CrP-Peak) festgelegt.

Es wurde eine Phasenkorrektur durchgeführt, so daß die Signal-Peaks des Realteiles

positive Werte annehmen. Im Imaginärteil gleichen sich positive und negative Werte

aus (Abb. 21). Durch die Phasenkorrektur wurde der Imaginärteil eliminiert und nur

noch der Realteil ausgewertet.

Abb. 21. MR-Signal nach Durchführung der Phasenkorrektur.


Bestimmung der Flächen unter den Peaks:

Um die Konzentrationen der gemessenen Phosphorverbindungen zu errechnen, wurden

die Flächen unter den Resonanzpeaks bestimmt. Die zur Verfügung stehenden

Integralfunktionen erforderten eine manuelle Festlegung der Peakgrenzen, bei der eine

subjektive Beeinflussung durch den Auswerter nicht ausgeschlossen ist. Deshalb

wurden die Peakflächen als dreiecksförmig angenommen und aus der Peakhöhe und der

Mittelbreite angenähert abgeschätzt (Abb. 22).

Abb. 22. Schematische Darstellung eines typischen Signalpeaks. Zur Abschätzung der mit derKonzentration der gemessenen Substanz korrelierenden Fläche unter der Kurve erfolgt dieAusmessung der Peakhöhe und der Mittelbreite (11).

Sign

al (V

)

Chemical shift (ppm)

100%

50%


Errechnen von Konzentrationen:

Absolute Konzentrationen sind mittels der MR-Spektroskopie nur indirekt bestimmbar,

da die Fläche unterhalb der Resonanzpeaks zwar in direktem Zusammenhang mit der

Anzahl der angeregten Phosphoratome steht, aber auch von der Größe des erreichten

Gesamtsignales abhängt. Um Signalschwankungen auszugleichen, die während einer

Belastungsmessung unvermeidlich sind, wurde die Summe der Konzentrationen des

Kreatinphosphates (CrP) und des anorganischen Phosphates (Pi) als konstant 25 mmol/l

angenommen. Werte in diesem Bereich sind von verschiedenen Autoren nach

bioptischen und MR-spektroskopischen Untersuchungen angegeben worden (15, 28, 29,

34). Mit Hilfe dieser Referenzkonzentration wurden die einzelnen Konzentrationen aus

den jeweiligen Peakflächen errechnet.

pH-Wert-Bestimmung:

Die phosphorspektroskopische pH-Wert-Messung wird durch die Abhängigkeit der

Resonanzfrequenz des anorganischen Phosphates vom pH-Wert ermöglicht.

Intrazellulär besteht ein von der Protonenkonzentration abhängiges Gleichgewicht

zwischen H2PO4- und HPO4

2-. Da beide Formen rasch ineinander übergehen, entsteht

nur ein Resonanzpeak, dessen chemische Verschiebung vom Konzentrationsverhältnis

zwischen H2PO4- und HPO4

2- bestimmt wird. Mit Hilfe der modifizierten Handerson-

Hasselbalch-Gleichung (Tab. 1) läßt sich deshalb der intrazelluläre pH-Wert anhand der

Verschiebung der Resonanzfrequenz des anorganischen Phosphates relativ zur pH-

unabhängigen Frequenz des Kreatinphosphates errechnen (26).

ADP-Konzentration:

Die ADP-Konzentration wurde aus dem Kreatinkinase-Equilibrium (Tab. 1) errechnet

(15, 38, 47).

Es wurde eine Gleichgewichtskonstante KCK = 1,66*109 eingesetzt (15, 38, 47). Die

Gesamtkonzentration von phosphoryliertem und unphosphoryliertem Kreatin (TCr)

wurde als konstant vorausgesetzt, und in Ruhe ein Anteil von 15% als unphosphoryliert

angenommen (15). Eine ATP-Konzentration von 8 mmol/l wurde ebenfalls als konstant

angenommen (15, 28, 29).


Tab. 1. Zusammenfassung der bei der Auswertung benutzten Gleichungen aus demEnergiestoffwechsel: a) Modifizierte Handerson-Hasselbalch-Gleichung zur Errechnung des pH-Wertes aus derrelativen Peakverschiebung (δ) des anorganischen Phosphatpeaks (26). b) Errechnung derADP-Konzentration aus dem Kreatinkinase-Equilibrium. Gleichgewichtskonstante KCK =1,66*109 (15, 38, 47). c) Kreatinkinasereaktion (15). d) Anaerobe Glykolyse (15). e) Aktivitätder oxidativen Phosphorylierung (Vox) in Abhängigkeit von der ADP-Konzentration. Vox.max

entspricht der maximalen Aktivität der oxidativen Phosphorylierung und Km der Michaelis-Menten-Konstante (13, 38, 15, 50). f) Errechnung der freien Energie (dG) der ATP-Hydrolysein Abhängigkeit von der freien Standardenergie (G0) und dem Phosphorylierungspotential. T =absolute Temperatur, R = Gaskonstante, ATP- und Pi-Konzentrationen in mmol/l und ADP-Konzentration in µmol/l (13).

a) Modifizierte Handerson-Hasselbalch-Gleichung

b) Ableitung der ADP-Konzentration aus dem Kreatinkinase-Equilibrium

c) Kreatinkinasereaktion

d) Anaerobe Glykolyse

e) Aktivität der oxidativen Phosphorylierung

f) Freie Energie aus ATP-Hydrolyse

pH = 6,75 + log [ -1 ]δ-3,275,78-δ

= Vox

Vox.max 1

1 + (Km/ADP)

KCK = ADP = [ -1]* [TCr][PCr]

KCK * [ATP][H+]

[ATP]*[Cr] [PCr]*[ADP]*[H+]

Cr-Kinase CrP + ADP + 0,9H+ Cr + ATP

Glucose + 2 Pi + 2 ADP 2 Laktat + 2 ATP + H+ + 2 H2O

dG = 67,4 + 2,58 * ln [ATP] [ADP]*[Pi]

dG = dG0 + R * T * ln [ATP] [ADP] * [Pi]


Pufferkapazität:

Um aus den gemessenen pH-Werten die entsprechenden H+-Konzentrationen errechnen

zu können, benötigt man die Pufferkapazität. Im Zytosol hängt die Pufferkapazität im

wesentlichen von drei Komponenten ab: dem anorganischen Phosphat, Bicarbonat und

einer dritten, von Bicarbonat und anorganischem Phosphat unabhängigen Komponente

(13). Gemessen wird die Pufferkapazität in sogenannten slykes [mmol/(l*pH-Einheit)],

entsprechend der Konzentration an Basen, die benötigt wird, die beim Abfall um eine

pH-Einheit entstehenden H+-Ionen zu titrieren (13). Die von Bicarbonat und

anorganischem Phosphat unabhängige Komponente entspricht nach Titrations-

ergebnissen einem Wert von ca. 16 slykes bei pH 7 (13, 48). Die Pufferung durch

Bicarbonat wurde mit kleiner als 5 slykes angegeben (13, 49). Die Pufferkapazität des

anorganischen Phosphates ist von der Konzentration abhängig und steigt unter

Belastung um ein Mehrfaches an (bis zu ca. 10 slykes bei Belastung) (13). Die aktuelle

Pufferkapazität wurde aus der Summe von 20 slykes für Bicarbonat und sonstige

Puffersysteme und der gemessenen Konzentration des anorganischen Phosphates

abgeschätzt (15).

ATP-Produktion aus verschiedenen Stoffwechselwegen

ATP aus der Kreatinphosphathydrolyse:

In Tab. 1 ist die Kreatinkinasereaktion dargestellt. Bei der Hydrolyse des

Kreatinphosphates entsteht pro Mol CrP ein Mol ATP, gleichzeitig werden 0,9 Mol

Protonen verbraucht. Die ATP-Produktion aus der Kreatinphosphathydrolyse kann also

direkt aus der Abnahme der CrP-Konzentration abgelesen werden (15).

ATP aus der anaeroben Glykolyse:

Bei der anaeroben Glykolyse entstehen aus einem Mol Glukose zwei Mol ATP, dabei

werden zwei Mol Laktat und ein Mol Protonen produziert (Tab. 1).


Die ATP-Produktion aus der anaeroben Glykolyse wurde anhand der Veränderungen

des pH-Wertes ermittelt. Voraussetzung war die Bestimmung der Pufferkapazität (siehe

oben) und der Menge an Protonen, die bei den anderen ATP-produzierenden

Stoffwechselwegen produziert bzw. verbraucht wurden (15).

In Abb. 23 sind die Produktions- bzw. Verbrauchsraten von Protonen bei der ATP-

Produktion aus den verschiedenen Stoffwechselwegen dargestellt (15). Es ergeben sich

ein Nettoverbrauch von 0,4 Mol H+ pro Mol ATP aus der Kreatinphosphathydrolyse,

und ein Nettoüberschuß von 1 Mol H+ pro Mol ATP aus der anaeroben Glykolyse,

wenn berücksichtigt wird, daß bei der ATP-Hydrolyse 0,5 Mol H+ entstehen. Die

Nettoproduktion von Protonen durch ATP aus der oxidativen Phosphorylierung ist zu

vernachlässigen, da bei der ATP-Hydrolyse in etwa die gleiche Menge an Protonen

entsteht, wie bei der oxidativen ATP-Produktion verbraucht wird (15).

Unberücksichtigt blieben sogenannte Auswascheffekte durch die Abgabe von Protonen

aus dem Cytosol, da diese Effekte bei Belastungen unter 2 Minuten vernachlässigbar

gering sind (15, 50).

ATP ADP+Pi

-0,9H+

CrP-Hydrolyse

+0,5H+

Anaerobe Glykolyse

Oxidative Phosphorylierung

-0,5H+

+0,5H+ ATP-Hydrolyse

Abb. 23. Produktion beziehungsweise Verbrauch von Protonen der ATP-produzierenden undATP–verbrauchenden Stoffwechselwege (15).


ATP aus oxidativer Phosphorylierung:

Aus den durch die Phosphorspektroskopie gelieferten Daten kann die oxidative ATP-

Produktion nicht direkt errechnet werden. Deshalb wird die Abhängigkeit der

oxidativen Phosphorylierung vom ADP, welches eine wichtige Regulatorsubstanz

darstellt, ausgenutzt.

Wie in Tab. 1 dargestellt, konnte ein hyperboler Zusammenhang zwischen der ADP-

Konzentration und der Akivität der oxidativen Phosphorylierung gezeigt werden, der

sich durch eine Michaelis-Menten-Kinetik beschreiben läßt (13, 38, 15, 50). Vox.max

entspricht der maximalen Aktivität der oxidativen Phosphorylierung und Km der

Michaelis-Menten-Konstanten. Bei MR-spektroskopischen Messungen in der initialen

Erholungsphase (10 sek. nach Muskelbelastung), in der nahezu die gesamte Energie aus

der oxidativen Phosphorylierung zur Regeneration des Kreatinphosphat-Spiegels

genutzt wird, konnte indirekt ein durchschnittliches Vmax von ca. 40 mmol/kg*min und

ein Km von ca. 30µM bestimmt werden (13, 15, 38). Mit Hilfe der aufgeführten

Michaelis-Menten-Gleichung wurde die ATP-Produktion der oxidativen Phos-

phorylierung aus den ADP-Werten errechnet.

Energie aus ATP:

Die freie Energie der ATP-Hydrolyse, also die pro Mol ATP freigesetzte Energie, ist

abhängig von der freien Standardenergie G0 und dem Phosphorylierungspotential (13),

siehe Tab. 1.

Bei einem pH-Wert von 7 beträgt die Standardenergie (G0) für ATP –31,8 kJ/mol. Das

Produkt der Gaskonstanten und der absoluten Temperatur (R * T) wurde mit 2,58

kJ/mol eingesetzt. Werden die ATP- und Pi-Konzentrationen in mmol/l und die ADP-

Konzentration in µmol/l angegeben, ergibt sich die in Tab. 1 dargestellte Gleichung

(13).

Ergebnisse 34

Ergebnisse

Ausgewertet wurden die bei insgesamt acht Probanden gemessenen Phosphorspektren,

während geringer (80 N bzw. 100 N), mittlerer (160 N bzw. 200 N) und hoher

Muskelbelastung (240 N bzw. 300 N) sowie in der Erholungsphase.

Die angegebenen Konzentrationen beziehen sich auf den von der Resonanzspule

erfaßten Meßbereich, der repräsentativ für die gesamte belastete Muskulatur

ausgewertet wurde.

In Abb. 24 ist eine typische Serie von Phosphorspektren vor, während und nach der

Muskelbelastung mit 240 N gezeigt. Im Vergleich mit der Ruhemessung sind unter

Belastung ein rascher Abfall des Kreatinphosphat-Peaks, sowie eine entsprechende

Zunahme des anorganischen Phosphates zu erkennen. In der Erholungsphase nach der

Belastung werden die „Kreatinphosphatspeicher“ rasch aufgefüllt.

Ergebnisse 35

Abb. 24. Serie von Phosphorspektren des M. triceps surae. A: vor Belastung, B-E: unterBelastung mit 240 N, F-I: nach Belastung. Die Spektren wurden jeweils in einem Zeitintervallvon 10 Sekunden kontinuierlich nacheinander aufgenommen.

A B

D

C

E F

G H I

Ergebnisse 36

In Abb. 25 dargestellt sind die aus den Phosphorspektren errechneten Konzentrationen

an Kreatinphosphat und anorganischem Phosphat sowie der aus der relativen

Verschiebung des anorganischen Phosphates errechnete pH-Wert in Abhängigkeit von

der Zeit.

Erkennbar ist ein zunächst annähernd linearer Abfall der Kreatinphosphatkonzentration

und ein entsprechender Anstieg des bei der Hydrolyse des Kreatinphosphates

entstehenden anorganischen Phosphates (Pi). Abhängig von der Größe der Belastung

nimmt die Steilheit des initialen Abfalls zu. Der pH-Wert steigt zunächst durch die bei

der Kreatinphosphathydrolyse gepufferten Protonen an, sinkt jedoch im weiteren

Verlauf kontinuierlich, sobald die anaerobe Glykolyse an Bedeutung zunimmt.

Ergebnisse 37

Abb. 25. Konzentration des Kreatinphosphates und des anorganischen Phosphates sowie pH-Werte in Abhängigkeit von der Zeit. Bei A: 80 N, B:160 N, C: 240 N, sowie in den jeweiligen Erholungsphasen.

80 N Belastung Erholung

0

5

10

15

20

25

0 30 60 90 120 150 180

Zeit (sek.)

Kon

z. (m

mol

/l)

6,5

6,7

6,9

7,1

7,3

7,5 pH

CrP

Pi

pH


0

5

10

15

20

25

0 30 60 90 120

Zeit (sek.)

Kon

z. (m

mol

/l)

6,5

6,7

6,9

7,1

7,3

7,5 pH

CrP

Pi

pH


0

5

10

15

20

25

0 30 60 90Zeit (sek.)

Kon

z. (m

mol

/l)

6,5

6,7

6,9

7,1

7,3

7,5 pH

CrPPi

pH

A

C

B

Ergebnisse 38

Um eine Beziehung zwischen der aufgebrachten Muskelkraft und dem

Energiestoffwechsel herstellen zu können, wurden die ATP-Produktionsraten der

Kreatinphosphathydrolyse, der anaeroben Glykolyse und der oxidativen Phos-

phorylierung errechnet, wie im Kapitel „Material und Methode“ beschrieben. Die ATP-

Produktionsraten aus den verschiedenen Stoffwechselwegen während der

unterschiedlichen Belastungsstufen sowie in der jeweiligen Erholungsphase sind in

Abb. 26 bis 28 dargestellt.

Ergebnisse 39

ATP aus CrP (80 N )

-4

-2

0

2

0 30 60 90 120 150 180

Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

ATP aus CrP (160 N )

-4-3-2-10123

0 30 60 90 120

Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

ATP aus CrP (240 N )

-4

-2

0

2

4

0 30 60 90

Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

Abb. 26. ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse bei A: 80 N, B:160 N, C: 240 N, sowie in der Erholungsphase in Abhängigkeit von der Zeit.Die Mittelwerte der Einzelmessungen sind durch schwarze Punkte markiertund mit Linien verbunden.

A

B

C

ATP

(mm

ol/l)

A

TP (m

mol

/l)

ATP

(mm

ol/l)

Ergebnisse 40

ATP aus GLY (240 N)

-2

-1

0

1

2

3

0 30 60 90

Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

ATP aus GLY (160 N )

-2

-1

0

1

2

3

0 30 60 90 120Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

ATP aus GLY (80 N )

-3-2-10123

0 30 60 90 120 150 180Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

Abb. 27. ATP-Produktion aus der anaeroben Glykolyse bei A: 80 N, B: 160 N,C: 240 N, sowie in der Erholungsphase in Abhängigkeit von der Zeit. DieMittelwerte der Einzelmessungen sind durch schwarze Punkte markiert und mitLinien verbunden.

A

B

C

ATP

(mm

ol/l)

A

TP (m

mol

/l)

ATP

(mm

ol/l)

Gly

Gly

Gly

Ergebnisse 41

ATP aus O x (80 N )

-0,50

0,51

1,52

2,53

0 30 60 90 120 150 180Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

ATP aus O x. (160 N )

-0,50

0,51

1,52

2,53

0 30 60 90 120Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

ATP aus O x (240 N )

00,5

11,5

22,5

33,5

0 30 60 90

Zeit (sek.)

ATP

(mm

ol/l)

Abb. 28. ATP-Produktion aus der oxidativen Phosphorylierung bei A: 80 N, B:160 N, C: 240 N, sowie in der Erholungsphase in Abhängigkeit von der Zeit.Die Mittelwerte der Einzelmessungen sind durch schwarze Punkte markiert undmit Linien verbunden.

A

B

C

ATP

(mm

ol/l)

Ergebnisse 42

Während die ATP-Produktion aus der Kreatinphosphathydrolyse nach einem

Maximalwert zu Beginn der Belastung kontinuierlich abnimmt, nehmen die anderen

Stoffwechselwege im Verlauf der Messung an Bedeutung zu.

Der Zeitraum, in dem der überwiegende Anteil der ATP-Produktion nicht mehr durch

die Kreatinphosphathydrolyse gestellt wird, ist von der Größe der Belastung abhängig:

je größer die Belastung, desto schneller nimmt die Aktivität der Kreatinphosphat-

hydrolyse ab und entsprechend die Aktivität der oxidativen Phosphorylierung und der

anaeroben Glykolyse zu.

Der prozentuale Anteil der verschiedenen Stoffwechselwege an der Gesamt-ATP-

Produktion in Abhängigkeit von der Zeit ist in Abb. 29 für die jeweiligen

Belastungsstufen aufgetragen.

Es ist erkennbar, daß in der initialen Belastungsphase der überwiegende Anteil der

Energie aus der Kreatinphosphathydrolyse gestellt wird. Die Bedeutung der anderen

beiden Stoffwechselwege nimmt erst im weiteren Verlauf der Belastung zu. Nach circa

30 Sekunden fällt der Anteil der Kreatinphosphathydrolyse an der Gesamt-ATP-

Produktion bei allen Belastungsstufen hinter den der anderen Stoffwechselwege

deutlich zurück.

Ergebnisse 43

0 10 2030

40

GLY

CrPOx

0

20

40

60

80

100

(%)

(sek.)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

GLYCrP

Ox0

20

40

60

80

100

(%)

(sek.)

0 10 20 30 40 50 60

GLYCrP

Ox

0

20

40

60

80

100

(%)

(sek.)

Abb. 29. Anteil der einzelnen Stoffwechselwege an der gesamten ATP-Produktion in Prozent. Rot: anaerobe Glykolyse, gelb: oxidative Phos-phorylierung, blau: Kreatinphosphathydrolyse. A: 80 N, B: 160 N, C: 240 N.

A

B

C

Gly

Gly

Gly

Ergebnisse 44

In den Abbildungen 30 bis 34 sind die Produktionsraten der drei ATP-produzierenden

Stoffwechselwege sowie die Gesamt-ATP-Produktion und die ADP-Konzentration in

Abhängigkeit von den verschiedenen Belastungsstufen dargestellt. Es wurden jeweils

unterschiedliche Meßintervalle zu Grunde gelegt. Um Meßungenauigkeiten in den

ersten Sekunden der Belastung zu eliminieren, wurde als erstes Meßintervall 10-20

Sekunden nach Start der Belastungsphase aufgetragen. Außerdem wurden ein

verlängertes Meßintervall von 0-30 Sekunden und ein spätes Intervall von 30-40

Sekunden gewählt.

Ergebnisse 45

CRP 10-20

-1

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AT

P (m

mol

/l)

CRP 30-40

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

CRP 0-30

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Abb. 30. ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse inAbhängigkeit von der Belastung. A: Meßintervall 10-20 Sekunden, B:Messintervall 0-30 Sekunden, C: Meßintervall 30-40 Sekunden.

A

B

C

CrP

CrP

CrP

Ergebnisse 46

Ox 0-30

0123456789

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Ox 10-20

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Ox 30-40

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

5

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AT

P (m

mol

/l)

B

C

A

Abb. 31. ATP-Produktion durch die oxidative Phosphorylierung in Abhängigkeit von der Belastung. A: Meßintervall 10-20 Sekunden, B: Meßintervall 0-30 Sekunden, C: Meßintervall 30-40 Sekunden.

Ergebnisse 47

Gly 0-30

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Gly 10-20

-2,5-2

-1,5-1

-0,50

0,51

1,52

2,5

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Gly 30-40

-2-1,5

-1-0,5

00,5

11,5

22,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Abb. 32. ATP-Produktion durch die anaerobe Glykolyse in Abhängigkeitvon der Belastung. A: Meßintervall 10-20 Sekunden, B: Meßintervall 0-30Sekunden, C: Meßintervall 30-40 Sekunden.

C

B

A

Ergebnisse 48

ATP ges. 0-30

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

ATP ges. 10-20

-2

-10

12

34

56

7

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

ATP ges 30-40

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Belas tung (N)

AT

P (m

mol

/l)

A

B

C

Abb. 33. Gesamt-ATP-Produktion in Abhängigkeit von der Belastung.A: Meßintervall 10-20 Sekunden, B: Meßintervall 0-30 Sekunden, C:Meßintervall 30-40 Sekunden.

ATP ges. 30-40

Ergebnisse 49

ADP 0-30

05

1015202530354045

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AD

P (µ

mol

/l)

ADP 10-20

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350Belas tung (N)

AD

P (µ

mol

/l)

ADP 30-40

0102030405060708090

100

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AD

P (µ

mol

/l)

C

B

A

Abb. 34. ADP-Konzentration in Abhängigkeit von der Belastung. A: Meßintervall 10-20 Sekunden, B: Meßintervall 0-30 Sekunden, C: Meßintervall 30-40 Sekunden.

Ergebnisse 50

Um den am besten geeigneten Parameter für die Messung von Muskelkräften zu

identifizieren, wurden die Meßergebnisse unter Verwendung der in den Abb. 30 bis 34

dargestellten Parameter verglichen. Es wurden bei der Betrachtung der Ergebnisse die

Messungen in der frühen Belastungsphase (0-30 Sekunden nach Beginn der Belastung)

von den Ergebnissen in der späteren Belastungsphase unterschieden. Während innerhalb

der ersten 30 Sekunden der Belastung die Kreatinphosphathydrolyse den

überwiegenden Teil der Stoffwechselenergie liefert, stellen die anaerobe Glykolyse und

die oxidative Phosphorylierung in der späten Belastungsphase die wichtigsten

energieliefernden Prozesse dar (Abb. 29).

Da in der frühen Belastungsphase bei allen Parametern eine deutlich geringere Streuung

der einzelnen Meßwerte bei Betrachtung eines längeren Intervalls von 30 Sekunden

vorlag (Abb. 30-34), wurden die Ergebnisse des Meßintervalls 0-30 Sekunden

verglichen.

Für die späte Belastungsphase wurden die Ergebnisse des Intervalls 30-40 Sekunden

verglichen, da viele Probanden bei den höheren Belastungsstufen eine Belastungszeit

von über 40 Sekunden nicht erreichten.

In Abb. 41 bis 50 wurden wie zuvor die ATP-Produktion aus Kreatinphosphat-

hydrolyse, anaerober Glykolyse und oxidativer Phosphorylierung sowie die Gesamt-

ATP-Produktion und der ADP-Spiegel jeweils gegen die verschiedenen

Belastungsstufen aufgetragen. Die Trendlinien der linearen Regression wurden

aufgetragen. Bei den ADP-Konzentrationen in Abhängigkeit von der Muskelbelastung

wurden die Trendlinien einer exponentiellen Regression aufgetragen. In Tab. 2 bis Tab.

11 sind die entsprechenden Steigungen der Regressionsgeraden (beziehungsweise

Exponenten der exponentiellen Regression), die Korrelationskoeffizienten sowie die

Mittelwerte der Korrelationskoeffizienten und die Standardabweichungen der

Steigungen sowie die prozentualen Standardabweichungen in bezug auf die Mittelwerte

der Steigungen dargestellt.

Ergebnisse 51

Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%

R 0,991 0,999 0,993 0,991 0,984 0,993 0,999 0,994 0,993

Steigung 0,030 0,026 0,027 0,043 0,020 0,040 0,039 0,039 0,033 0,008 24,2

Tab. 2. Korrelationskoeffizient (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 0-30 Sekunden.

Abb. 36. ATP-Produktion durch die oxidative Phosphorylierung inAbhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 0-30 Sekunden.Lineare Trendlinien für die einzelnen Probanden.

Ox 0-30

0123456789

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AT

P (m

mol

/l)

Abb. 35. ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse inAbhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 0-30 Sekunden. Lineare Trendlinien für die einzelnen Probanden.

CRP 0-30

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

CrP

Ergebnisse 52


R 0,999 0,960 0,982 0,999 0,993 0,994 0,989 0,995 0,989

Steigung 0,025 0,013 0,022 0,026 0,012 0,023 0,028 0,022 0,021 0,006 28,6

Tab. 3. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der ATP-Produktion durch die oxidative Phosphorylierung in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 0-30 Sekunden.


R 0,747 0,886 0,844 0,975 -0,504 0,153 0,481 0,997 0,572

Steigung 0,018 0,021 0,015 0,020 -0,003 0,001 0,004 0,026 0,013 0,011 84,6

Tab. 4. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der ATP-Produktion durch die anaerobe Glykolyse in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 0-30 Sekunden.

Abb. 37. ATP-Produktion durch die anaerobe Glykolyse inAbhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 0-30 Sekunden. Lineare Trendlinien für die einzelnen Probanden.

Gly 0-30

-4-3-2-101234

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

Ergebnisse 53


R 0,965 0,990 0,999 0,992 0,992 0,999 0,999 0,999 0,9919

Steigung 0,073 0,06 0,064 0,089 0,029 0,063 0,071 0,086 0,0670 0,0189 28,2

Tab. 5. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der Gesamt-ATP-Produktion in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 0-30 Sekunden.

Abb. 38. Gesamt-ATP-Produktion in Abhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 0-30 Sekunden. Lineare Trendlinien für dieeinzelnen Probanden.

ATP ges. 0-30

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

Abb. 39. ADP- Konzentration in Abhängigkeit von der Belastung.Meßintervall 0-30 Sekunden. Exponentielle Trendlinien für dieeinzelnen Probanden.

ADP 0-30

05

1015202530354045

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AD

P (µ

mol

/l)

Ergebnisse 54

Tab. 6. Korrelationskoeffizienten (R) und Exponent (Exp.) der exponentiellen Regressions-kurve sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Exponenten (SD%) für jeden Probanden bei der ADP-Konzentration in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 0-30 Sekunden.


R 0,999 0,995 0,990 0,999 0,978 0,993 0,999 0,985 0,992

Exp 0,006 0,002 0,005 0,007 0,005 0,006 0,007 0,005 0,0050 0,002 40


R 0,596 0,050 0,758 0,991 0,076 0,494

Steigung 0,083 -0,003 -0,001 0,005 0,004 0,025 0,016 0,001 0,016 0,029 180

Tab. 7. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für die einzelnen Probanden bei der ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 30-40 Sekunden.

Abb. 40. ATP-Produktion durch die Kreatinphosphathydrolyse inAbhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 30-40 Sekunden.Lineare Trendlinien für die einzelnen Probanden.

CRP 30-40

-2-10123456

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

CrP

Ergebnisse 55


R 0,991 0,997 0,990 0,999 0,967 0,988

Steigung 0,008 0,007 0,007 0,012 0,005 0,019 0,016 0,010 0,011 0,005 45,5

Tab. 8. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der ATP-Produktion durch die oxidative Phosphorylierung in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 30-40 Sekunden.

Abb. 41. ATP-Produktion durch die oxidative Phosphorylierung inAbhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 30-40 Sekunden.Lineare Trendlinien für die einzelnen Probanden.

Ox 30-40

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

Abb. 42. ATP-Produktion durch die anaerobe Glykolyse inAbhängigkeit von der Belastung. Meßintervall 30-40 Sekunden.Lineare Trendlinien für die einzelnen Probanden.

Gly 30-40

-2

-1

0

1

2

3

4

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

Ergebnisse 56


R 0,177 0,994 0,990 0,969 0,053 0,637

Steigung 0,009 -0,004 0,014 0,019 0,012 0,014 0,013 -0,001 0,009 0,008 88,8

Tab. 9. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der ATP-Produktion durch die anaerobe Glykolyse in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 30-40 Sekunden.


R 0,240 0,980 0,996 0,985 0,067 0,654

Steigung -0,017 -0,007 0,014 0,026 0,017 0,041 0,031 0,002 0,013 0,020 154

Tab. 10. Korrelationskoeffizienten (R) und Steigung der Regressionsgeraden sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Steigungen (SD%) für jeden Probanden bei der Gesamt-ATP-Produktion in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 30-40 Sekunden.

Abb. 43. Gesamt-ATP-Produktion in Abhängigkeit von derBelastung. Meßintervall 30-40 Sekunden. Lineare Trendlinien fürdie einzelnen Probanden.

ATP ges 30-40

-4

-2

0

2

4

6

8

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

ATP

(mm

ol/l)

Ergebnisse 57

Tab. 11. Korrelationskoeffizienten (R) und Exponent (Exp.) der exponentiellen Regressionskurve sowie Mittelwert, Standardabweichung (SD) und prozentuale Standardabweichung in bezug auf den Mittelwert der Exponenten (SD%) für jeden Probanden bei der ADP-Konzentration in Abhängigkeit von der Muskelbelastung. Meßintervall: 30-40Sekunden.


R 0,989 0,999 0,986 0,999 0,986 0,992

Exp 0,004 0,003 0,004 0,007 0,003 0,012 0,011 0,007 0,006 0,003 50

Abb. 44. ADP-Konzentration in Abhängigkeit von der Belastung.Meßintervall 30-40 Sekunden. Exponentielle Trendlinien für dieeinzelnen Probanden.

ADP 30-40

020406080

100120140160180

0 50 100 150 200 250 300 350Belastung (N)

AD

P (µ

mol

/l)

Ergebnisse 58

Aus den Abb. 35 bis 44 sowie Tab. 2 bis 11 geht hervor, daß bei jedem einzelnen

Probanden in der frühen Belastungsphase von 0-30 Sekunden ein linearer

Zusammenhang zwischen der Aktivität der Kreatinphosphathydrolyse und der

Muskelkraft bestand. Der Korrelationskoeffizient (R) lag zwischen 0,984 und 0,999.

Die Steigungen der linearen Regressionsgeraden variieren bei den verschiedenen

Probanden. Die Standardabweichung der Steigungen beträgt 24,2 % des Mittelwertes

(SD%, Tab. 2).

Annähernd gleich hohe lineare Korrelationskoeffizienten zwischen 0,960 und 0,999

fanden sich bei der Aktivität der oxidativen Phosphorylierung in Abhängigkeit von der

Muskelkraft in der ersten Belastungsphase. Die errechnete ADP-Konzentration, die als

Grundlage zur Bestimmung der Aktivität der oxidativen Phosphorylierung genutzt

wurde, weist eine exponentielle Abhängigkeit von der Muskelkraft auf mit

Korrelationskoeffizienten von 0,978 bis 0,999 (Abb. 36, Tab. 3).

Es fielen großen inter- sowie auch intraindividuellen Schwankungen der aus dem pH-

Wert abgeleiteten Aktivität der anaeroben Glykolyse auf. Eine eindeutige lineare

Korrelation mit der Muskelbelastung zeigte sich bei Korrelationskoeffizienten von

-0,504 bis 0,997 nicht (Abb.37, Tab. 4).

Die Berechnung des Gesamt-ATP-Umsatzes als Summe der ATP-Produktion der drei

beschriebenen Stoffwechselwege erbrachte im Vergleich zu der Betrachtung der

einzelnen Parameter keinen Vorteil (Abb. 38 und Tab. 5).

In der späten Belastungsphase (30-40 Sekunden) ist die ausgeprägte lineare Korrelation

der Kreatinphosphathydrolyse-Aktivität mit der Muskelbelastung nicht mehr

nachweisbar (Abb. 40 und Tab. 7).

Trotz des mit nur 10 Sekunden viel kürzeren Beobachtungsintervalls konnte in der

späten Belastungsphase eine gute Korrelation der oxidativen Phosphorylierung (lineare

Regression) beziehungsweise der ADP-Konzentration (exponentielle Regression) mit

der Belastung gezeigt werden. Es wurden Korrelationskoeffizienten zwischen 0,967 und

0,999 beziehungsweise 0,986 und 0,999 errechnet. Die Standardabweichung der

Steigungen der Regressionsgeraden betrug 45,5 % des Mittelwertes. Bei der ADP-

Konzentration betrug die Standardabweichung der Exponenten der Regressionskurven

50,0 % des Mittelwertes (Abb. 41 und 44 sowie Tab. 8 und 11).

Ergebnisse 59

Die Aktivität der anaeroben Glykolyse und auch der errechnete Gesamt-ATP-Umsatz

weisen in der späten Belastungsphase keine eindeutige Korrelation mit der

Muskelbelastung auf (Abb. 42 und 43 sowie Tab. 9 und 10).

In den bislang vorgelegten Ergebnissen wurden unterschiedliche ATP-produzierende

Stoffwechselwege betrachtet, um einen möglichst genauen Parameter zur Messung von

Muskelkräften zu finden. Dabei wurde die jeweils produzierte Menge ATP abgeschätzt.

Die aus der ATP-Hydrolyse frei werdende Energie pro ATP-Molekül ist jedoch nicht

unter allen Bedingungen konstant, sondern vom aktuellen Phosphorylierungspotential

abhängig. Bei großen Muskelbelastungen mit resultierend niedrigem Kreatinphosphat-

spiegel muß dieser Effekt berücksichtigt werden. In Abb. 45 ist die auf diese Weise

errechnete freie Energie aus der Kreatinphosphathydrolyse gegen die Muskelbelastung

aufgetragen. Der Kurvenverlauf unter Berücksichtigung des aktuellen

Phosphorylierungspotentials entspricht im Bereich der niedrigen und mittleren

Belastung jener Kurve, die auf einen konstanten Energiegewinn pro Mol ATP basiert.

Im hohen Belastungsbereich (200 N - 300 N) kommt es zu einer zunehmenden

Abweichung, so daß sich der Kurvenverlauf weiter einer linearen Funktion annähert.

Abb. 45. Dargestellt ist die freie Energie aus der Kreatinphosphat-hydrolyse jeweils als Mittelwert aller Messungen in Abhängigkeit vonder Belastung. Die mit Quadraten gekennzeichneten Werte basieren aufeinem konstanten Energiegewinn pro Mol ATP, die durch Rautengekennzeichnete Kurve berücksichtigt die Variation des Phos-phorylierungspotentials.

Energie aus CrP (0-30 sek.)

0

200

400

600

800

0 100 200 300 400Belastung (N)

Ener

gie (K

J)

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 Magnetresonanz-

spektroskopie 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 magnetresonanz-

spektroskopischen 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.

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

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

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 30°- 45° 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

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 magnetresonanz-

spektroskopischen Studien wurden signifikante Veränderungen des Muskel-

stoffwechsels in Abhängigkeit vom Lebensalter der Probanden gezeigt. Mit steigendem

Alter ist ein vermindertes Phosphorylierungspotential durch verminderte Kreatin-

phosphatkonzentration 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

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 über-

wiegendem 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.

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.

Literaturverzeichnis 67

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Herzlich danken möchte ich Herrn Prof. Dr. H. Preuschoft für die Unterstützung sowie

die wertvollen Hinweise bei der Durchführung dieser Dissertation. Mein besonderer

Dank gilt Herrn Prof. Dr. H. Witte für die intensive und ausdauernde Betreuung, die ich

erfahren durfte.

Für die Unterstützung bei der Anfertigung der Belastungsapparatur danke ich

Feinmechanikermeister M. Wüthrich.

Dem Entwicklungs- und Forschungszentrum für Mikrotherapie möchte ich für die

Bereitstellung des Magnetresonztomographen danken.

Mein Dank gilt ferner Frau Dr. B. Bellenberg für die fachlichen Ratschläge und

Hilfestellungen bei der Durchführung der magnetresonanzspektroskopischen

Messungen.

Lebenslauf

Persönliche Daten

Name: Uwe Ostendorf

Geburtsdatum / -ort: 1. Juni 1971 in Papenburg

Schulausbildung

1978 - 1982 Grundschule Flachsmeer

1982 - 1984 Orientierungsstufe Michaelschule Papenburg

1984 - 1991 Gymnasium Papenburg, Abitur

Zivildienst

08.1991 - 10.1992 Innere Abteilung, Marienhospital Papenburg

Studium

1992 - 1998 Studium der Medizin an der Ruhr-Universität Bochum

08.1994 Ärztliche Vorprüfung

08.1995 Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung

03.1998 Zweiter Abschnitt der Ärztlichen Prüfung

04.1998 - 03.1999 Praktisches Jahr im

Knappschaftskrankenhaus Recklinghausen,

Lehrkrankenhaus der Ruhr-Universität Bochum

sowie im Regionalspital Lachen,

Lehrkrankenhaus der Universität Zürich

03.05.1999 Dritter Abschnitt der Ärztlichen Prüfung

19.05.1999 Teilapprobation durch die Bezirksregierung Münster

Ärztliche Tätigkeit

01.07.1999 - 31.12. 2000 Arzt im Praktikum in der

Medizinischen Klinik I, Marienhospital Herne,

Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum

01.01.2001 Approbation durch die Bezirksregierung Münster

Seit dem 01.01.2001 Assistenzarzt in der

Medizinischen Klinik I, Marienhospital Herne

Messung von Muskelkräften mittels Phosphor ... · spin = sich drehen). Da bewegte Ladungen ein...

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