Физиологическая площадь поперечного сечения - Physiological cross-sectional area

Рисунок 1 Расположение перистых мышечных волокон. Зеленые линии обозначают PCSA; синие линии представляют ACSA

В мышца физиология, физиологическая площадь поперечного сечения (PCSA) - это площадь поперечного сечения мышца перпендикулярно его волокнам, обычно в самой большой точке. Обычно он используется для описания свойств сжатия перистые мышцы.^[1] Это не то же самое, что площадь анатомического поперечного сечения (ACSA), которая представляет собой площадь поперечного сечения мышцы, перпендикулярную ее продольной оси. В неперчатой ​​мышце волокна параллельны продольной оси, поэтому PCSA и ACSA совпадают.

Определение

Одно из преимуществ перистых мышц состоит в том, что большее количество мышечных волокон может быть упаковано параллельно, что позволяет мышце производить больше силы, хотя угол волокна по направлению действия означает, что максимальная сила в этом направлении несколько меньше максимальной силы в направление волокна.^[2][3]

Площадь поперечного сечения мышцы (синяя линия на рисунке 1, также известная как площадь анатомического поперечного сечения или ACSA) неточно отражает количество мышечных волокон в мышце. Более точную оценку дает общая площадь поперечных сечений, перпендикулярных мышечным волокнам (зеленые линии на рисунке 1). Этот показатель известен как физиологическая площадь поперечного сечения (PCSA), и обычно рассчитывается и определяется по следующей формуле, разработанной в 1975 году Александром и Верноном:^[4][5][6]

${\displaystyle {\text{PCSA}}={{\text{muscle volume}} \over {\text{fiber length}}}={{\text{muscle mass}} \over {\rho \cdot {\text{fiber length}}}},}$

где ρ - плотность мышцы:

${\displaystyle \rho ={{\text{muscle mass}} \over {\text{muscle volume}}}.}$

PCSA увеличивается с увеличением угла перистости и длины мышцы. В перистых мышцах PCSA всегда больше, чем ACSA. В непеременной мышце он совпадает с ACSA.

Оценка мышечной силы по PCSA

Общая сила, прилагаемая волокнами в их наклонном направлении, пропорциональна PCSA. Если удельное напряжение длины мышечных волокон (сила, прилагаемая волокнами на единицу PCSA), ее можно вычислить следующим образом:^[7]

${\displaystyle {\text{Total force}}={\text{PCSA}}\cdot {\text{Specific tension}}}$

Однако только часть этой силы может быть использована для вытягивания сухожилия в желаемом направлении. Этот компонент, который является истинным сила мышц (также называемый сила сухожилия^[6]), действует по направлению действия мышцы:^[6]

${\displaystyle {\text{Muscle force}}={\text{Total force}}\cdot \cos \Phi }$

Другой компонент, ортогональный направлению действия мышцы (Ортогональная сила = Общая сила × sinΦ), не воздействует на сухожилие, а просто сжимает мышцу, подтягивая ее апоневрозы друг к другу.

Обратите внимание на то, что, хотя практически удобно вычислять PCSA на основе объема или массы и длины волокна, PCSA (и, следовательно, общая сила волокна, которая пропорциональна PCSA) не пропорциональна только мышечной массе или длине волокна. А именно максимальное (столбнячный ) сила мышечного волокна просто зависит от его толщины (площади поперечного сечения) и тип. Это ни в коем случае не зависит только от его массы или длины. Например, когда мышечная масса увеличивается за счет физическое развитие в детстве это может быть только из-за увеличения длины мышечных волокон без изменения толщины волокна (PCSA) или типа волокна. В этом случае увеличение массы не приводит к увеличению силы.

Иногда увеличение массы связано с увеличением толщины. Только в этом случае это будет иметь некоторое влияние на силу волокна, но этот эффект будет пропорционален увеличению толщины, а не увеличению массы. Например, на некоторых стадиях физического развития увеличение массы может быть связано как с увеличением PCSA, так и с увеличением длины волокна. Даже в этом случае мышечная сила не увеличивается так сильно, как мышечная масса, потому что увеличение массы частично происходит за счет изменения длины волокна, а длина волокна не влияет на мышечную силу.

Альтернативное определение

В 1982 году другое определение PCSA, обозначенное здесь PCSA.₂, чтобы облегчить сравнение с предыдущим определением, было введено Sacks & Roy:^[7]

${\displaystyle {\text{PCSA}}_{2}={{\text{muscle volume}}\cdot \cos \Phi \over {\text{fiber length}}}={{\text{muscle mass}}\cdot \cos \Phi \over {\rho \cdot {\text{fiber length}}}},}$

Сравнение показывает, что

${\displaystyle {\text{PCSA}}_{2}={\text{PCSA}}\cdot \cos \Phi .}$

в перистой мышце, так как ${\displaystyle \cos \Phi }$ всегда меньше 1, PCSA₂ всегда меньше, чем PCSA. Следовательно, его нельзя описать как общую площадь поперечных сечений, перпендикулярных мышечным волокнам (зеленые линии на рисунке 1). Это можно интерпретировать двояко:

1. Проекция PCSA (зеленая линия на рисунке 1) на анатомический разрез (синяя линия).^[8]
2. ACSA неперчатой ​​мышцы с той же силой, что и перистой мышцы.^[9]

Это означает, что в такой мышце, как на рисунке 1A, PCSA₂ совпадает с ACSA. Недостатком этого определения является его более сложная интерпретация, его преимущество в том, что мышечная сила может быть вычислена более прямо:

${\displaystyle {\text{Muscle force}}={\text{PCSA}}_{2}\cdot {\text{Specific tension}}}$^[7]

В настоящее время некоторые авторы продолжают использовать исходное определение PCSA,^[5][6] вероятно, из-за его интуитивно привлекательной геометрической интерпретации (рис. 1).

Рекомендации

1. Сила и площадь поперечного сечения скелетных мышц человека
2. К. Ганс (1982). Архитектура волокна и функция мышц. Обзоры упражнений и спорта. 10: 160–207.
3. Э. Оттен (1988). Концепции и модели функциональной архитектуры скелетных мышц. Обзоры упражнений и спорта. 16: 89–137.
4. Р. МакН. Александр, А. Вернон (1975). Размер мышц колена и лодыжки и силы, которые они проявляют, Journal of Human Movement Studies, 1: 115–123.
5. Наричи М.В., Ландони Л., Минетти А.Е. (1992). Оценка напряжения мышц-разгибателей колена человека по физиологическим измерениям площади поперечного сечения и силы in vivo. Европейский журнал прикладной физиологии и физиологии труда. 65 (5): 438–444.
6. Маганарис К.Н., Бальцопулос В. (2000). Механика максимального изометрического сокращения мышц у человека in vivo: значение для основанных на моделировании оценок удельного напряжения мышц. В Herzog W. (Ed). Механика скелетных мышц: от механизмов к функциям. Wiley & Sons Ltd, стр. 267-288.
7. Р. Д. Сакс, Р. Р. Рой (1982). Архитектура мышц задних конечностей кошек: функциональное значение. Журнал морфологии, 185–195.
8. Это связано с тем, что угол между анатомической и физиологической плоскостями поперечного сечения (угол между синей линией и зеленой линией на рисунке 1) по определению совпадает с Φ.
9. Для неперчатой ​​мышцы ACSA = мышечная сила / удельное напряжение и мышечная сила = PCSA.₂ × Удельное натяжение, отсюда PCSA₂ = Мышечная сила / Удельное напряжение = ACSA.