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.
Material und Methode 18
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
Material und Methode 19
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.
Material und Methode 20
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
Material und Methode 21
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
)
Material und Methode 22
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.
Material und Methode 23
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)
Material und Methode 24
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.
Material und Methode 25
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.
Material und Methode 26
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.
Material und Methode 27
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.
Material und Methode 28
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%
Material und Methode 29
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).
Material und Methode 30
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]
Material und Methode 31
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).
Material und Methode 32
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).
Material und Methode 33
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
160 N Belastung Erholung
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
240 N Belastung Erholung
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
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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.
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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.
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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.
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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.
Proband 1 2 3 4 5 6 7 8 Mittelwert SD SD%
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.
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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
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