Hyperthermische Behandlungsverfahren im Bereich der Tumortherapie oder sportmedizinische Fragestellungen zum Einfluss verschiedener Belastungen auf verschiedene Gewebe v.a. die Frage einer möglichen belastungsinduzierten Hyperthermie mit möglicher gesundheitlicher Schädigung usw. verlangen nach einem praktikablen Messverfahren zur Überwachung von Gewebetemperaturen während körperlicher Belastung. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss körperlicher Belastung bei moderaten Temperaturbedingungen um 21°C auf die Temperaturveränderung zum einen in der Muskulatur, zum anderen im Gehirn untersucht. Es wird eine praktikable Methodik zur Untersuchung von Gewebetemperaturen am Beispiel Muskulatur und Gehirn während bzw. unmittelbar nach körperlicher Belastung mittels Magnetspektroskopie beschrieben. Zur Bestimmung der Gewebetemperatur im M. gastrocnemius während aerober Belastung bei 30 % MVC und anaerober Belastung unter Ischämie bei 60 % MVC wurden an 21 gesunden männlichen Probanden 31P- spektroskopische Untersuchungen Form eines Tretversuches im MRT durchgeführt. Zur Untersuchung der belastungsinduzierten Temperaturentwicklung im Gehirn wurde die 1H-Magnetresonanzspektroskopie (MRS) genutzt. 14 gesunde männliche Probanden wurden während 150 min ohne Flüssigkeitsersatz bei 60 % ihrer individuellen anaeroben Leistungsschwelle auf einem Fahrradergometer belastet. Die Aufzeichnung der Spektren erfolgte zu drei Zeitpunkten prä, post und 3 h post Belastung in drei verschiedenen Voice of Interest (VOI''s) mit einer Grösse von 2 x 2 x 2 cm³= 8ml in der weißen Substanz parietal rechts, in der weißen Substanz parietal links und in der grauen Substanz okzipitoparietal. / Method of treatment using hyperthermia in tumor therapy or questions in sports medicine related to the influence of intensive sport activities on different tissue, especially the question of health effects or threat because of the possibility of load induced hyperthermia, need practicable method to measure brain temperature during physical activity. The influence of physical strain on temperature change in differerent tissue, in brain and in muscle, at moderate temperature about 21° C examinated in the present paper. A viable method using MRS for measuring tissue temperature in muscle and brain during physical aktivity resp. directly after load is described. For examination of the influence of different physical load on the local tissue temperature in musculature 31P-MRS was applied. 21 healthy male test person have been examinated using 31P-MRS during aerobic load with 30 % MVC and anaerobic load under ischemia with 60 % MVC . The load, a especially desingned kick experiment, occured directly in the magnetic resonance tomographic unit. 1H-MRS was used for examination of load induced temperature change in brain. 14 healthy male test person were loaded on cycle-ergometer during 150-min without liquid substitute with 60 % individual anaerobic threshold. MR-spectra observed in three different Voice of Interest (VOI''s) sized 2 x 2 x 2 cm³: grey substance occipitoparietal, white substance partietal on the right and white substance parietal on the left.

Die meisten Kinder mit infantiler Zerebralparese (IZP) entwickeln eine spastische Parese, was zu Schwäche, erhöhtem Muskel-Dehnungswiderstand und Kontrakturen führt. Der Spitzfuß ist eines ihrer häufigsten Defizite. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, nicht-invasive Behandlungsstrategien für diese Pathologie näher zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die Effekte einer Unterschenkel-Lagerungsorthese auf die Muskelmorphometrie des Gastrocnemius unter zu Hilfenahme von Ultraschall und 3D Bewegungsanalyse untersucht. Lagerungsorthesen konnten das Gangbild verbessern, führten gleichzeitig aber zu Atrophie. Um eine alternative Therapieform zu finden, wurde in der zweiten Studie die kontraktile Aktivität des Gastrocnemius mittels Ultraschall, Bewegungsanalyse und EMG während des Gehens, Vorwärts-Bergauf, bzw. Rückwärts-Bergab, sowie in der Ebene untersucht. Das Bergaufgehen steigerte die konzentrische Exkursion der Faszikel, wohingegen das Rückwärts-Bergabgehen zu vermehrter Exzentrik führte. Da sich exzentrisches Training positiv auf Faszikellängenwachstum auswirken kann, wurde in der dritten Studie das Rückwärts-Bergabgehen mit statischem Dehnen als traditionelle Therapieform verglichen. Ultraschall, Bewegungsanalyse und handgesteuerte Dynamometrie wurden verwendet, um die Plantarflexorenkraft, die passive Sprunggelenksbeweglichkeit, die Gastrocnemius Morphometrie sowie die Steifigkeit und Dehnbarkeit auf Muskel-Sehnen und Gelenkebene zu untersuchen. Dehnen zeigte keinerlei Benefits gegenüber dem Laufbandtraining. Rückwärts-Bergabgehen war dagegen ein effektives Gangtraining und setzt vermutlich neuronale und koordinative Reize. In der Zusammenschau scheinen positive Änderungen im Gangbild bei IZP Kindern sowohl durch Unterschenkelorthesen, als auch durch Rückwärts-Bergabgehen erreichbar zu sein. Beides führte aber nicht zu Muskelwachstum. Funktionelle Verbesserungen scheinen daher auch stark von neuronal, koordinativen Aspekten abhängig zu sein. / Most children with Cerebral Palsy (CP) develop spastic paresis, which leads to muscle weakness, increased stretch-resistance and joint contractures. The gastrocnemius muscle is frequently targeted to alleviate a common deficiency known as equinus. The overall objective of this thesis was to investigate several non-invasive treatment strategies for this pathology. The first study investigated the effects of ankle foot orthotics on spastic gastrocnemius morphometrics as well as on gait by using ultrasound and motion capturing. We concluded that braces improved walking function but also lead to atrophy. During the second study, we searched for a readily available, substituting stimulus and compared the contractile activity of the gastrocnemius on treadmills, namely during flat-forward, forward-uphill and backward-downhill gait using ultrasound, motion capturing and EMG. Uphill gait promoted concentric fascicle action, while backward-downhill gait increased eccentric fascicle action. Since eccentric training had been previously shown to increase fascicle length in controls, during the third study, we compared backward-downhill walking versus static, manual stretching. Ultrasound, motion analysis and handheld dynamometry were used to test plantarflexor strength, passive ankle joint flexibility, as well as gastrocnemius morphometrics, stiffness and strain on muscle-tendon and joint level. Backward-downhill walking led to larger single stance dorsiflexion and faster achievable walking velocities while stretching aggravated knee flexion in swing. Strength, joint flexibility, as well as stiffness on muscle-tendon and joint level were not altered. Backward-downhill walking can be an effective gait treatment, probably improving coordination. Nevertheless, more intense training might be necessary to alter muscle-tendon properties. In sum, backward-downhill walking and bracing increased function without promoting or even by harming muscle growth.

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Das Ziel dieser Studie war es, die Beteiligung der nichtmuskulären schweren Myosinketten an der Kontraktion der glatten Muskeln unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Als Versuchsmodell wurde die Harnblase von neugeborenen Wildtyp und transgenen Mäusen verwendet, bei denen das Gen für die glattmuskelspezifischen schweren Myosinketten durch "Gene Targeting" funktionell eliminiert wurde (Knock-Out). Das Fehlen der Expression der glattmuskelspezifischen schweren Myosinketten wurde durch Elektrophorese und Immunfärbung bestätigt. Im Gegensatz dazu blieb die Expression der nichtmuskulären schweren Myosinketten unverändert. Die mechanische Analyse des glatten Muskels wurde mit intakten Muskelpräparaten aus der Harnblase durchgeführt. Das Muskelpräparat wurde in KCl-Lösung oder mit Phorbolester stimuliert. Die Aktivierung mittels depolarisierender KCl-Lösung führte bei neugeborenen Wildtyp Mäusen zuerst zu einer transienten Kontraktion (Phase 1) mit hoher Kraftentwicklung und maximaler Verkürzungsgeschwindigkeit, und danach zu einer tonischen Kontraktion (Phase 2) mit niedrigerer Kraftentwicklung und maximaler Verkürzungsgeschwindigkeit. Blasenpräparate neugeborener Knock-Out Mäuse dagegen zeigten keine Phase 1, sondern nur eine tonische Kontraktion, die mit Wildtyp Mäusen vergleichbar war. Daher scheint nichtmuskuläres Myosin an der tonischen Kontraktion des glatten Muskels beteiligt zu sein. Durch Stimulierung mit Phorbolester waren ähnliche tonische Muskelkontraktionen der Blasenpräparate sowohl bei Wildtyp als auch bei Knock-Out Mäusen zu beobachten. Vermutlich wird also das nichtmuskuläre Myosin durch Stimulierung mit Phorbolester aktiviert. Intrazelluläre Filamente wurden durch Immunfluoreszenz mit einem spezifischen Antikörper gegen nichtmuskuläre schwere Myosinketten in kultivierten primären glatten Muskelzellen untersucht. Dabei zeigten die Muskelzellen sowohl von Wildtyp als auch von Knock-Out Mäusen intrazelluläre dicke Myosinfilamente, was für die Beteiligung des nichtmuskulären Myosins an der glatten Muskelkontraktion spricht. Entsprechend wurden intrazelluläre Filamente mit einem Antikörper gegen glattmuskelspezifische schwere Myosinketten in kultivierten primären glatten Muskelzellen untersucht. Wie erwartet, konnten nur in glatten Muskelzellen von Wildtyp Mäusen intrazelluläre Filamente nachgewiesen werden, nicht aber in denen von Knock-Out Mäusen. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass nichtmuskuläres Myosin zumindest an der tonischen Kontraktion glatter Muskelzellen beteiligt sein kann. / The aim of the present study was to investigate the involvement of non-muscle myosin heavy chain in smooth muscle contraction under physiological conditions. As an experimental model urinary bladder from neonatal wild-type mice as well as from neonatal mice with disrupted smooth muscle myosin heavy chain expression was used. This animal model was established through gene targeting technology, resulting in complete elimination of the expression of smooth muscle myosin heavy chains. The lack of expression of smooth muscle myosin heavy chains was confirmed by electrophoresis and immunoblotting. On the other hand, non-muscle myosin heavy chain expression remained normal, as verified by Western blot analysis. The mechanical analysis of smooth muscle was performed with intact urinary bladder preparations, stimulated using prolonged KCl depolarization or with phorbol ester. Prolonged activation by KCl depolarization of intact bladder preparations from wild-type neonatal mice produced an initial transient state (phase 1) of high force generation and maximal shortening velocity, followed by a sustained state (phase 2) with lower force generation and maximal shortening velocity. In contrast, bladder preparations from homozygous knockout neonatal mice did not exhibit phase 1, but phase 2 could be observed, i.e. a similar isometric force and maximal shortening velocity, compared to wild-type phase 2. Thus, non-muscle myosin appears to be recruited in the sustained phase of smooth muscle contraction during prolonged KCl depolarization in the animal model used. Upon stimulation with phorbol ester a similar sustained contraction was observed in both wild-type and knockout smooth muscle preparations. Therefore, non-muscle myosin may also be recruited during phorbol ester stimulation in both wild-type and knockout muscle preparations. The participation of non-muscle myosin in smooth muscle contraction was further supported by the finding of longitudinally arranged intracellular filaments in cultivated smooth muscle cells from both wild-type and knockout mice by immunofluorescence microscopy, using a specific antibody raised against non-muscle myosin heavy chain. In a similar way, smooth muscle myosin heavy chain structures were investigated in cultivated smooth muscle cells. As expected, longitudinally arranged intracellular filamentous structures of smooth muscle myosin were observed in wild-type smooth muscle cells, but not in smooth muscle cells from knockout mice. In conclusion, in neonatal smooth muscle the initial phase of contraction elicited by KCl depolarization is generated by smooth muscle myosin heavy chain recruitment. Upon prolonged KCl depolarization non-muscle myosin is recruited in the sustained phase of contraction, as well as upon stimulation with phorbol ester. Thus, it was possible, for the first time, to verify the involvement of the non-muscle myosin in smooth muscle contraction in vivo. The results of the present study contribute to the understanding of the regulatory mechanisms of smooth muscle contraction.

Knochen und Muskel sind die wichtigsten Gewebe im muskuloskelettalen System welche dem Körper die Bewegungen möglich machen. Beide Gewebetypen sind hochgradig strukturierter Extrazellulärmatrix zugrundegelegt, welche die mechanischen und biologischen Funktionen bestimmen. In dieser Studie wurden die räumliche Verteilung der anisotropen elastischen Eigenschaften und der Gewebemineralisation im humanen kortikalen Femur untersucht mit akustischer Mikroskopie und Synchrotron-µCT. Die homogenisierten elastischen Eigenschaften wurden aus einer Kombination der Porosität und der Gewebeelastizitätsmatrix mit Hilfe eines asymptotischen Homogenisierungsmodells ermittelt. Der Einfluss der Gewebemineralisierung und der Strukturparameter auf die mikroskopischen und mesoskopischen elastischen Koeffizienten wurde unter Berücksichtigung der anatomischen Position des Femurschaftes untersucht. Es wurde ein Modell entwickelt, mit welchem der intramuskuläre Fettgehalt des porcinen musculus longissimus nichtinvasiv mittels quantitativem Ultraschall und dessen spektraler Analyze des Echosignals bestimmt werden kann. Muskelspezifische Parameter wie Dämpfung, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter und cepstrale Paramter wurden aus den RF-Signalen extrahiert. Die Einflüsse der Muskelkomposition und Strukturparameter auf die spektralen Ultraschallparameter wurden untersucht. Die akustischer Parameter werden durch die Muskelfaserorientierung beeinflusst und weisen höhere Werte parallel zur Faserlängsrichtung als senkrecht zur Faserorientierung auf. Die in dieser Studie gewonnenen detaillierten und lokal bestimmten Knochendaten können möglicherweise als Eingabeparameter für numerische 3D FE-Simulationen. Darüber hinaus kann die Untersuchung von Veränderungen der lokalen Gewebeanisotropie neue Einsichten in Studien über Knochenumbildung geben. Diese auf Gewebeebene bestimmten Daten von Muskelgewebe können in numerischen Simulationen von akustischer Rückstreuung genutzt werden um diagnostische Methoden und Geräte zu verbessern. / Bone and muscle are the most important tissues in the musculoskeletal system that gives the ability to move the body. Both tissues have the highly oriented underlying extracellular matrix structure for performing mechanical and biological functions. In this study, the spatial distribution of anisotropic elastic properties and tissue mineralization within a human femoral cortical bone shaft were investigated using scanning acoustic microscopy and synchrotron radiation µCT. The homogenized meoscopic elastic properties were determined by a combination of porosity and tissue elastic matrix using a asymptotic homogenization model. The impact on tissue mineralization and structural parameters of the microscopic and mesocopic elastic coefficients was analyzed with respect to the anatomical location of the femoral shaft. A model was developed to estimate intramuscular fat of porcine musculus longissimus non-invasively using a quantitative ultrasonic device by spectral analysis of ultrasonic echo signals. Muscle specific acoustic parameters, i.e. attenuation, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter, and cepstral parameters were extracted from the measured RF echoes. The impact of muscle composition and structural properties on ultrasonic spectral parameters was analyzed. The ultrasound propagating parameters were affected by the muscle fiber orientation. The most dominant direction dependency was found for the attenuation. The detailed locally assessed bone data in this study may serve as a real-life input for numerical 3D FE simulation models. Moreover, the assessment of changes of local tissue anisotropy may provide new insights into the bone remodelling studies. The data provided at tissue level and investigated ultrasound backscattering from muscle tissue, can be used in numerical simulation FE models for acoustical backscattering from muscle for the further improvement of diagnostic methods and equipment.

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Aktuelle In-vivo-Methoden zur Bewertung der Belastung und Dehnung der Achillessehne (AT) in der biomechanischen Literatur haben bestimmte Einschränkungen, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Daher hatte die erste Studie zum Ziel, die AT-Dehnung und -Kraft während der Fortbewegung mithilfe einer genauen, nicht-invasiven Methode zu messen. Die Länge der AT wurde unter Berücksichtigung ihrer Krümmung mit reflektierenden Folienmarkern von der Insertion am Fersenbein bis zum Übergang zwischen der Muskel-Sehnen-Verbindung des Musculus gastrocnemius medialis (GM-MTJ) gemessen. Die Kraft der AT wurde durch Anpassung einer quadratischen Funktion an die experimentelle Kraft-Längen-Kurve der Sehne ermittelt, die aus maximalen freiwilligen isometrischen Kontraktionen (MVC) gewonnen wurde. Die Ergebnisse der zweiten Studie zeigen, dass eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit zu einer 21%igen Abnahme der maximalen AT-Kraft bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zur bevorzugten Geschwindigkeit führt, während die Nettobelastung der AT-Kraft am Sprunggelenk (ATF-Arbeit) in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus trugen eine frühere Plantarflexion, erhöhte elektromyografische Aktivität der Muskeln Sol und GM sowie der Energieübertrag von Knie- zu Sprunggelenk durch die biartikulären Musculi gastrocnemii zu einer 1,7- bzw. 2,4-fachen Zunahme der netto ATF-Mechanik-Arbeit bei Übergangs- und maximalen Gehgeschwindigkeiten bei. Das Ziel der dritten Studie war es, die in der ersten Studie vorgeschlagene Methode zu vereinfachen, indem die Anzahl der reflektierenden Folienmarker reduziert wurde, jedoch die hohe Genauigkeit beibehalten wurde. Die Krümmung der AT wurde mithilfe von reflektierenden Folienmarkern zwischen dem Ursprung des GM-MTJ und dem Einführungsmarker am Fersenbein beurteilt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Reduzierung der Anzahl der Folienmarker um 70% beim Gehen und um 50% beim Laufen zu einem marginalen Fehler führen würde und somit einen vernachlässigbaren Effekt auf die Länge der AT und die maximale Dehnungsmessung hätte. / Current in vivo methods to assess the Achilles tendon (AT) strain and loading in the biomechanics literature have certain limitations that require careful consideration. Therefore, the first study was to measure the AT strain and quantify AT force during locomotion with an accurate non-invasive method. AT length was measured considering its curvature using reflective foil markers from AT insertion at calcaneus to gastrocnemius medialis muscle-tendon junction (GM-MTJ). The force of the AT was calculated by fitting a quadratic function to the experimental tendon force-length curve obtained from maximum voluntary isometric contractions (MVC). The findings in second study indicate that an increase in walking speed leads to a 21% decrease in maximum AT force at higher speeds compared to the preferred speed, yet the net work of the AT force at the ankle joint (ATF-work) increased as a function of walking speed. Additionally, an earlier plantar flexion, increased electromyographic activity of the Sol and GM muscles, and knee-to-ankle joint energy transfer via the biarticular gastrocnemii contributed to a 1.7 and 2.4-fold increase in the net ATF-mechanical work in the transition and maximum walking speeds. The objective of the third study was to simplify the proposed method in the first study by reducing the number of foil reflective markers while preserving high accuracy. The AT curvature was assessed using reflective foil markers between the GM-MTJ origin and the calcaneal insertion marker. Our results indicate that reducing the number of foil markers by 70% during walking and 50% during running would result in a marginal error and, thus, a negligible effect on the AT length and maximum strain measurement.

Körperliche Aktivität während der Schwangerschaft wirkt sich positiv auf die Gesundheit von Mutter und Kind aus. Trotzdem werden Schwangere häufig gewarnt, sich aufgrund der abnehmenden Muskelkraft, den nachgiebigeren Bändern und Sehnen sowie der verschlechterten Stabilität beim Sport verletzen zu können. Um Verletzungen während der Schwangerschaft vorbeugen zu können, wird in dieser Arbeit erstmalig der Einfluss von Schwangerschaft auf den Muskel-Sehnen-Komplex der unteren Extremitäten untersucht. Weiterhin werden der Effekt auf das statische Gleichgewicht und der Einsatz eines Schwangerschaftsgurtes als potentielle Präventionsmaßnahme gegen Sturzunfälle überprüft. Zur Untersuchung des Muskel-Sehnen-Komplexes wurde die Morphologie des m. vastus lateralis, die Muskelkraft der Knieextensoren und die Eigenschaften der Patellasehne am Anfang und am Ende der Schwangerschaft sowie ein halbes Jahr nach der Entbindung mittels Ultraschall und Dynamometrie analysiert. Das Gleichgewicht wurde anhand der Grenzen der Stabilität nach anterior und posterior und anhand des Körperschwankens im ruhigen Stand auf einer Kraftmessplatte bei Schwangeren in den unterschiedlichen Schwangerschaftstrimestern und bei Nicht-Schwangeren mit und ohne Schwangerschaftsgurt beurteilt. Diese Arbeit liefert relevante Erkenntnisse, die für die Beurteilung des Verletzungsrisikos von Schwangeren und für die Entwicklung geeigneter präventiver Maßnahmen nützlich sind. Es wurde zum wiederholten Male bestätigt, dass Schwangerschaft zu einer Verschlechterung der posturalen Stabilität führt. Ein Schwangerschaftsgurt stellt jedoch keine geeignete Methode zur Verbesserung der Stabilität dar. Während Muskelmorphologie und Sehnensteifigkeit keinen negativen Einfluss zeigen, könnte die zunehmende Sehnenruhelänge zu einer vergrößerten Gelenkbeweglichkeit beitragen und das Risiko für Verletzungen und Stürze erhöhen. / Physical activity during pregnancy has beneficial effects on maternal and fetal health. However, pregnant women are frequently cautioned when exercising since a loss in muscle strength, an increased compliance of ligaments and tendons as well as impairments in postural stability are assumed to lead to injuries in pregnant women. This thesis investigates for the first time the effect of pregnancy on the muscle-tendon unit of the lower extremities for the prevention of injuries during pregnancy. Furthermore, this thesis analyzes the effect of pregnancy on static postural stability and examines whether a maternity support belt is an appropriate method for fall prevention in pregnant women. To investigate the muscle-tendon unit, the morphology of the vastus lateralis muscle, muscle strength of the knee extensors and the properties of the patellar tendon were analyzed in the early and late stage of pregnancy as well as six months after delivery by means of ultrasound and dynamometry. Balance ability was assessed determining the limits of stability in the anterior and posterior directions and the postural sway during motionless upright standing on a force plate in pregnant women in different trimesters of pregnancy and in non-pregnant women with and without maternity support belt. This thesis provides relevant evidence for the assessment of the risk of injury in pregnant women and the development of appropriate prevention strategies. It confirmed that pregnancy is accompanied by impaired postural stability. However, a maternity support belt is not an appropriate method to improve stability. While muscle morphology and tendon stiffness were not negatively affected during pregnancy, the increase in tendon rest length might contribute to an increased joint mobility that may increase the fall and injury risk.