Der Energieumsatz bei konzentrischer und exzentrischer muskulärer Belastung: Experiment, Modell und Validierung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Alexander Gussew; Dr. Stefan Hochstein; Privatdozent Dr. Norman Stutzig
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546033411

Regelmäßige körperliche Aktivität hat eine positive Wirkung in Bezug auf die Prävention und Behandlung von kardiovaskulären, onkologischen und neurodegenerativen Erkrankungen sowie von Stoffwechselerkrankungen. Aus diesem Grund ist die valide Bestimmung der körperlichen Aktivität im Alltag von hoher Bedeutung. Die körperliche Aktivität lässt sich mit Hilfe des muskulären Energieumsatz charakterisieren. Jedoch sind bisherige Systeme zur Energieumsatzbestimmung entweder zu ungenau oder wenig alttagstauglich. Eine alternative Methode bietet die Simulation des muskulären Energieumsatzes mit Hilfe muskuloskelettaler Modelle. Solche Modelle können den Energieumsatz einzelner Muskeln bei konzentrischen Belastungen gut abbilden, sind aber bisher noch ungenau bei exzentrischen Belastungen. Das Hauptziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung und Validierung eines muskulo-skelettalen Modells (als Mehrkörpermodell), welches den Energieumsatz bei eingelenkigen konzentrischen und exzentrischen Kontraktionen am Beispiel einer Plantarflexion des Sprunggelenks voraussagen kann. Dazu wird ein Ansatz verwendet, der numerische und experimentelle Methoden kombiniert. Es wird ein bestehendes Hill-Typ-Muskelmodell angepasst und hinsichtlich der Energieumsatzrate erweitert bzw. weiterentwickelt. Anschließend erfolgt der Einbau mehrerer solcher Muskelmodelle in ein muskulo-skelettales Mehrkörpermodell (bestehend aus Unterschenkel, Sprunggelenk und Fuß), welches den Energieumsatz bei konzentrischen und exzentrischen Bewegungen der Plantarflexion simulieren kann. Parallel dazu wird mit einem MR-kompatiblen Pedalergometer eine neue Methode zur Messung des Energieverbrauchs an den arbeitenden Muskeln des Unterschenkels mittels funktioneller Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie (31P-fMRS) entwickelt und anschließend hinsichtlich der Validität und Reliabilität geprüft. Anhand spektroskopisch erfasster metabolischer Parameter werden ATP-Umsatzraten quantifiziert, die den mit Hilfe des Modells vorhergesagten Energieumsatzraten bei verschiedenen Belastungsregimes (unterschiedliche Intensität und Dauer) und Bewegungsformen (konzentrische und exzentrische willkürliche Kontraktionen) gegenübergestellt werden. Darüber hinaus werden belastungsspezifische elektromyografische Parameter simultan zur 31P-fMRS erfasst und dienen als Modelleingangsvariablen zur Charakterisierung der simulierten Belastungen. Dieser im Projekt umgesetzte experimentelle Ansatz dient der Validierung der Energieumsatzvorhersage mit den weiterentwickelten Hill-Typ-Muskelmodellen sowie der Validierung des neuen, im Rahmen des Projekts zu entwickelnden Mehrkörpermodells. Die Ergebnisse des Projekts stellen die elementare Basis für komplexere muskulo-skelettale Modelle dar, um den Energieumsatz bei körperlichen Alltagsbewegungen bestimmen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen