Biceps Femoris long head Architecture and Passive Tissue Stiffness and Their Relations to Performance Variables

Abstract

The purpose of this master’s thesis was to investigate the reliability of ultrasound elastography (SWE) imaging in passive muscles, changes in the shear modulus (“stiffness”) along the biceps femoris long head (BFlh) muscle length, the architecture of the BFlh (muscle thickness (MT), fascicle length (FL) and pennation angle (PA)) and the relations of these muscle characteristics with performance variables (30 m speed, counter movement jump (CMJ), static jump, Nordic hamstring exercise, isokinetic hamstring:quadriceps-ratio). Hamstring injuries are common and cause a lot of absences, especially in sports involving high-intensity running. The hamstring muscles play a significant role in human movement, as they extend hip, flex knee, and participate in rotating the knee joint. BFlh, which is located laterally on the posterior thigh, is the most often injured hamstring muscle. Ultrasound elastography (SWE) is a relatively new technology to evaluate tissue stiffness. The technique is based on the detection of shear waves; the propagation is faster the stiffer the medium. The validity and reliability of SWE in muscle and tendon imaging has been studied, but re-porting varies. Mainly, it has been found to be a valid and reliable method, but it has its own limitations. All ultrasound measurements in this study were performed in one measurement session at rest. Participants of the study were female football (soccer) players (N=29). The reliabilities of the ultrasound measurements (SWE and architectural measurements) were good to excellent (ICC for SWE 0.854, p=0.000; PA 0.935, p=0.000; FL 0.963, p=0.000 and MT 0.982, p=0.000). There were statistically significant differences in shear modulus along the BFlh in the right but not in the left leg. No high correlations were found between muscle architecture, shear modulus and performance variables. Some statistically significant moderate and low correlations were found, as relevant ones shear modulus and 30 meters sprint time (0.450, p < 0.05), fascicle length and jump performance (CMJ 0.379, static jump 0.441, p < 0.05). The SWE measurements within the measurement session proved to be reliable, but the SWE measurement technology and analysis methods contain their own weaknesses. In the future, SWE may be a useful tool when monitoring muscle injury prevention and rehabilitation programs. Reliable comparisons between ultrasound measurements and performance variables re-quire more precisely scheduled measurements and additional measurement methods (such as EMG) to support the findings. Imaging shear modulus closer to the muscle-tendon junctions could show greater intra-muscular differences in SWE measurements.

Tämän pro-gradu tutkielman tarkoituksena oli selvittää ultraäänielastografian (SWE) reliabiliteettia passiivista lihasta kuvattaessa, biceps femoriksen pitkän pään (BFlh) shear modulusta (”jäykkyyttä”) pitkin lihaspituutta, BFlh:n arkkitehtuuria (lihaspaksuus (MT), fasikkelipituus (FL) ja pennaatiokulma (PA)) ja näiden lihasominaisuuksien yhteyksiä suorituskykymuuttujiin (30 m nopeus, kevennyshyppy, kyykkyhyppy, Nordic hamstring -liike, isokineettinen takareisi:etureisi -suhde). Takareisivammat ovat hyvin yleisiä ja aiheuttavat paljon poissaoloja erityisesti kovatehoisia juoksusuorituksia sisältävissä lajeissa. Takareiden lihakset ovat merkittävässä roolissa ihmisen jokapäiväisessä liikkumisessa, sillä ne ojentavat lonkkaa, koukistavat polvea ja osallistuvat myös polviniveltä kiertäviin liikkeisiin. Yleisimmin loukkaantuva lihas on nimenomaan BFlh, joka sijaitsee lateraalisesti reiden takaosassa. Ultraäänielastografia (SWE) on hiljattain yleistynyt kuvantamisteknologia, jolla voidaan arvioida kudoksen jäykkyyttä. Menetelmä perustuu leikkausaaltojen havaitsemiseen, joiden eteneminen on nopeampaa mitä jäykemmässä väliaineessa ne etenevät. SWE:n validiteettia ja reliabiliteettia lihasten ja jänteiden kuvantamisessa on tutkittu, mutta raportointi on vaihtelevaa. Pääosin menetelmän on todettu olevan validi ja luotettava, mutta sillä on omat rajoitteensa. Kaikki tämän tutkimuksen ultraäänimittaukset suoritettiin yhdellä mittauskerralla levossa. Tutkittavat olivat naisjalkapalloilijoita (N=29). Ultraäänimittausten (SWE ja arkkitehtuurimittaukset) reliabiliteetti oli hyvä–erinomainen (ICC SWE 0.854, p=0.000; PA 0.935, p=0.000; FL 0.963, p=0.000 ja MT 0.982, p=0.000). Shear moduluksessa pitkin BFlh:ta oli tilastollisesti merkitseviä eroja oikeassa, mutta ei vasemmassa jalassa. Muiden lihasominaisuuksien ja kudosjäykkyyden ja suorituskykymuuttujien välillä ei havaittu korkeita korrelaatioita. Joitakin tilastollisesti merkitseviä kohtalaisia ja matalia korrelaatioita havaittiin, olennaisimpina shear modulus ja 30 m sprinttiaika (0.450, p < 0.05), fasikkelipituus ja hyppysuorituskyky (CMJ 0.379, kyykkyhyppy 0.441, p < 0.05). SWE-mittaukset mittauskerran sisällä osoittautuivat luotettaviksi, mutta menetelmän mittaus- ja analysointimenetelmät sisältävät omat heikkoutensa. SWE voi olla tulevaisuudessa käyttökelpoinen apuväline lihasvammojen ehkäisyn ja kuntoutuksen monitoroinnissa. Luotettavat vertailut ultraäänimittausten ja suorituskykymuuttujien välillä vaativat täsmällisemmin ajoitettuja mittauksia ja mahdollisesti muita mittausmenetelmiä (kuten EMG) tuekseen. SWE-kuvantaminen lähempää lihasjänneliitoksia voisi tuoda suurempia eroja shear modulukseen BFlh:n sisällä, ja kertoa näin lihaksen sisäisistä ominaisuuksista enemmän.