L'uso di Thermal Imaging Infra-Red per rilevare indolenzimento muscolare a insorgenza ritardata

Published 1/22/2012
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Medicine

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Summary

Lo scopo di questa indagine è stato quello di valutare se l'utilizzo di raggi infrarossi della telecamera termica è un valido strumento per rilevare e quantificare il dolore muscolare dopo l'esercizio.

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Al-Nakhli, H. H., Petrofsky, J. S., Laymon, M. S., Berk, L. S. The Use of Thermal Infra-Red Imaging to Detect Delayed Onset Muscle Soreness. J. Vis. Exp. (59), e3551, doi:10.3791/3551 (2012).

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Abstract

Indolenzimento muscolare a insorgenza ritardata (DOMS), noto anche come il danno muscolare indotta da esercizio (EIMD), è comunemente esperienza in individui che sono stati fisicamente inattivi per periodi di tempo prolungati, e iniziare con un attacco inaspettato di esercizio 1-4, ma può anche atleti che si verificano in esercizio oltre i limiti normali di formazione 5. I sintomi associati a questo doloroso fenomeno può variare da dolorabilità muscolare lieve a grave dolore debilitante 1,3,5. L'intensità di questi sintomi e gli aumenti disagio legate entro le prime 24 ore dopo la cessazione dell'esercizio, e picchi tra 24-72 dopo 1,3 ore di esercizio fisico. Per questo motivo, DOMS è una delle forme più comuni ricorrenti di lesioni sportive che possono influire sulle prestazioni di un individuo, e diventano 1,4 intimidatorio per molti.

Negli ultimi 3 decenni, il fenomeno DOMS ha acquisito una notevole quantitàdi interesse tra i ricercatori e specialisti in fisiologia dell'esercizio, dello sport e campi di riabilitazione 6. C'è stata una serie di studi pubblicati indagare questo evento doloroso in relazione ai suoi meccanismi di base, interventi di trattamento e strategie preventive 1-5,7-12. Tuttavia, è evidente dalla letteratura che DOMS non è una patologia facile da quantificare, poiché vi è una quantità gamma di variabilità tra gli strumenti di misura e metodi utilizzati per quantificare questa condizione 6. E 'ovvio che nessun accordo è stato fatto su una misura migliore valutazione per DOMS, il che rende difficile verificare se un intervento specifico in realtà aiuta a diminuire i sintomi associati a questo tipo di dolore o meno. Così, DOMS può essere visto come un po 'ambigua, perché dipendono da molti studi sulla misurazione dolore utilizzando una scala analogica visiva (VAS) 10,13-15, che è soggettiva piuttosto che una misura oggettiva. Anche se l'agobiopsie del muscolo, e livelli ematici di proteine ​​myofibre potrebbe essere considerato un gold standard per alcuni 6, grandi variazioni in alcune di queste proteine ​​del sangue sono stati documentati 6,16, in aggiunta ai rischi elevati talvolta associata a tecniche invasive.

Pertanto, nell'ambito dell'inchiesta in corso, abbiamo testato una termica a infrarossi (IR) tecnica di imaging della pelle sopra il muscolo esercitato per rilevare il dolore muscolare associato. Termografia a infrarossi è stata utilizzata, e trovato per avere successo nel rilevare diversi tipi di malattie e infezioni fin dal 1950 17. Ma sorprendentemente, nei pressi di niente è stato fatto sul DOMS e cambiamenti nella temperatura della pelle. Lo scopo principale di questa indagine è stato quello di esaminare i cambiamenti in DOMS utilizzando questa tecnica sicura e non invasiva.

Protocol

1. L'esercizio

  1. Il muscolo di interesse per questo esperimento è stato flessori del gomito (bicipite brachiale).
  2. La forza muscolare è stata misurata per ogni partecipante di essere in grado di dare ad ogni individuo una resistenza sufficiente. Questa è stata determinata analizzando ogni partecipante per la loro massima resistenza (RM).
  3. Per testare la RM, abbiamo utilizzato un dispositivo di estensimetro interfacciato con un computer attraverso un (DA-100C) modulo amplificatore Biopac bioelettrica (BIOPAC Systems, Goleta, CA) per misurare la forza muscolare. Il modulo è stato collegato ad un convertitore analogico-100 MP al campionamento convertitore digitale ad una frequenza di 1.000 hertz al secondo, e con una risoluzione di 24 bit (Fig. 10).
  4. Il dispositivo estensimetro è stata fissata ad un banco con un angolo di 45 °. I soggetti sono stati istruiti a sedersi dietro il dispositivo e resto i gomiti sulla zona imbottita, in modo che la forza sforzo è attraverso i loro polsi. Questo era il modo migliore per assicurare che il soggetto non saràt reclutare qualsiasi altro muscolo che il bicipite (Fig. 11).
  5. Forza è stato determinato in 3 occasioni, ad ogni contrazione è di 3 secondi di durata con circa 45 secondi che separano le contrazioni. La media delle 3 misurazioni è stata la RM.
  6. Dopo aver determinato la RM per il muscolo bicipite di ciascun partecipante, la sessione è destinato operazione è stata effettuata con il 35% del loro RM.
  7. Tutti i soggetti sono stati sottoposti lo stesso esercizio con opportuni pesi ponderati per indurre il dolore muscolare (DOMS). Questa è stata effettuata facendo 4 serie da 25 ripetizioni di curl di concentrazione bicipiti mentre si è seduti su una sedia, e con i gomiti sostenuti sulle cosce (fig. 12).
  8. Ogni soggetto è stato dato un periodo di 90 secondi di riposo tra ogni serie. Soggetti o ha fatto l'intera serie di 25 ripetizioni, o sono stati istruiti a fermarsi se non sono riusciti a controllare costantemente il peso durante l'esercizio.

2. Infra-Red CaMera Preparazione e configurazione

  1. La stanza dove i raggi infrarossi di imaging si svolge è stato fissato a una temperatura costante di ridurre al minimo eventuali distorsioni esterne da differenze di temperatura ambiente, che potrebbe portare a false letture termica. Ai fini di questo esperimento abbiamo avuto una camera a temperatura controllata che è stata mantenuta a circa 23 ° C (+ / - 0,5 ° C).
  2. La fotocamera è stato fissato a una distanza di 1 metro di distanza, e ad un angolo perpendicolare alla pelle da misurare (Fig. 9a) *.
  3. Dopo la distanza richiesta è stata costituita, i soggetti sono stati invitati a fermarsi fino a quando l'immagine è stata presa. Questo non dovrebbe richiedere più di un paio di secondi, ma è molto critica per minimizzare i movimenti per assicurare l'accuratezza delle immagini prese.
  4. E 'preferibile che la camera ha più scuro vernice colorata, invece di colori più chiari, per ridurre al minimo le interferenze infrarossi.
  5. L'illuminazione è anche critico quando si tratta di immagini infrarosse, Becautilizzare fonte di luce che emettono raggi infrarossi onde come illuminazione fluorescente o tungsteno potrebbe dare falsi valori alti. L'opzione migliore illuminazione sarebbe una sala attrezzata con uniforme luci a LED, le luci a LED quasi non producono alcun infrarossi interferenza (fig. 9b) *.

* Una serie di test sono stati fatti presso i nostri laboratori utilizzando la telecamera a infrarossi FLIR 660 (Fig. 8), dove abbiamo confrontato le immagini della pelle da diverse angolazioni (0 (perpendicolare), 15, 30, 45 e 60 gradi), e a distanze diverse (1, 2 e 5 metri), dalla pelle, per individuare con precisione la temperatura della pelle. Tutte le immagini sono state confrontate con termocoppie calibrato e la migliore correlazione tra le immagini e le letture termocoppia è stato ad un angolo perpendicolare e ad una distanza di 1 metro di distanza dalla pelle (r = 0,93). Le diverse angolazioni e distanze causato una perdita pixilation, e diminuita la correlazione globale tra le immagini e le letture della termocoppia.

3. Immagine Acquirement

  1. Ai fini di questo esperimento, l'immagine del muscolo esercitato è stata presa prima che l'esercizio, e a 24, e 48 ore dopo l'esercizio.
  2. Il calore del corpo da fonti diverse il target potrebbe disturbare l'immagine termica e dare false letture. Per questo motivo, nessuno dovrebbe essere accanto o dietro il bersaglio.
  3. In questa indagine, le immagini sia del braccio allenato e non esercitati sono stati prelevati a fini comparativi. Abbiamo esercitato una delle braccia, come è stato detto in precedenza, e l'altro braccio è stato utilizzato come controllo (Fig. 4 e 5).
  4. Numeri delle immagini dalla telecamera a infrarossi sono stati registrati immediatamente su un foglio separato, in quanto potrebbe essere difficile identificare quale immagine appartiene a chi.

4. Image Processing & analisi

  1. Le immagini acquisite IR sono stati elaborati utilizzando il "ThermoVision ExaminIR" Versione software: 1.10.2.
  2. Dopo aver selezionato l'immagine desiderata perr analisi, quattro regioni di interesse sono stati individuati l'immagine acquisita del braccio utilizzando le caselle statistiche sull'interfaccia del software (Fig. 6).
  3. Quando le regioni richiesto in tutto il braccio sono stati individuati, il software mostra le medie e le deviazioni standard delle temperature per ciascuna delle regioni selezionate. Possiamo allora o croce confrontare ogni regione singolarmente o per ottenere una temperatura media di tutto il braccio (Fig. 7).

5. Scala analogica visiva e analisi del sangue

  1. Una scala analogica visiva (VAS) è stato utilizzato per valutare dolore soggettivo del braccio. La scala era di 10 cm (100 mm) lunga serie scritta "nessun dolore" ad una estremità, e "molto dolorante" alla fine opposto. Ogni partecipante è stato diretto a lasciare un segno lungo la linea da 10 cm a indicare la loro risposta al dolore.
  2. La VAS sono stati somministrati ai soggetti prima dell'esercizio, 24 ore dopo l'esercizio, e in 48 ore.
  3. Sangue periferico è stato colraccolti da soggetti per misurare i livelli di concentrazione di mioglobina nel sangue.
  4. Il sangue è stato tratto dalla vena soggetti antecubitale prima dell'allenamento, 30 minuti dopo l'esercizio era finita, e dopo 48 ore.
  5. Il sangue è stato centrifugato a 4000 rpm per 10 minuti per separare il siero dalle cellule. I campioni sono stati poi conservati a -80 ° C fino a quando le analisi di mioglobina è stato fatto.
  6. Mioglobina è stata misurata utilizzando un Tosoh "AIA-360" Automated Analyzer immuno-enzimatico (Tosoh Corp., Tokyo, Giappone). I kit di analisi mioglobina (Myo 025297, ST AIA-PACK Mioglobina) sono stati utilizzati secondo le istruzioni produce.

6. Rappresentante Risultati

I risultati di immagini termiche a infrarossi scattate durante questa indagine sono ben rappresentati nella figura 1. Le immagini prese al 3 periodi di tempo (pre-esercizio, 24 ore post-esercizio, e 48 ore post-esercizio) per le braccia esercitato dei 41 soggetti, ha dimostratoun notevole aumento della temperatura il giorno 2 (24 ore dopo l'esercizio) rispetto al pre-esercizio temperature, e le temperature prese a 48 ore. Come mostrato in figura 1, la temperatura cutanea media era 32,80 + / - 1,03 ° C per il giorno 1 (pre-esercizio), e 33,96 + / - 1,46 ° C per il giorno 2 (24 ore dopo l'esercizio fisico), e 32,82 + / - 1,29 per il giorno 3 (48 ore post-esercizio). Questa differenza di temperatura della pelle dal giorno 1 al giorno 2 è risultata significativa (ANOVA p <0,01).

Tuttavia, per il non-esercitato braccio, i cambiamenti tra i 3 periodi di tempo non erano evidenti. La Figura 1 mostra che la temperatura cutanea media era 33,08 + / - 0,83 ° C per il giorno 1 (pre-esercizio), e 32,79 + / - 1,42 ° C per il giorno 2 (24 ore dopo l'esercizio fisico), e 33,17 + / - 0,95 per il giorno 3 (48 ore post-esercizio). Questa differenza di temperatura cutanea oltre i 3 giorni non è risultata significativa (ANOVA p = 0,38).

I risultati delle letture dal dolore VAS sono mostrati in figura 2. Come si vede nella figfigura 2, il dolore riferito ha avuto un drammatico aumento nei giorni 2 e 3. Livelli di dolore del muscolo esercitato aumentato da 3,6 + / - 6,1 al giorno 1, al 36,3 + / - 22.8 il giorno 2, e il 37,5 + / - 25,3 il giorno 3. Questo aumento dal giorno 1 è risultata significativa (ANOVA p <0,01).

I risultati dei livelli di concentrazione della mioglobina sono mostrati in figura 3. Come si vede in questa figura, non c'era quasi alcun cambiamento tra i 2 concentrazioni di mioglobina il giorno 1 (pre, e 30 minuti dopo l'esercizio fisico). Ma il giorno 3, l'aumento della mioglobina era molto grande. Questo aumento il giorno 3 è stato di circa 147 nanogrammi per millilitro (ng / ml) di sangue rispetto ai primi 2 concentrazioni al giorno 1. Concentrazioni di mioglobina sono stati 30,12 + / - 7,66 ng / mL al basale, 31,66 + / - 11,89 ng / ml 30 minuti dopo l'esercizio fisico, e 178,96 + / - 249,51 ng / ml al giorno 3. Questo aumento il giorno 3 è stato altamente significativo (ANOVA p <0,01).

Una analisi di correlazione è stata fatta tra le temperature della pelleottenuto dalle immagini a infrarossi e il dolore VAS livelli. Si è constatato che c'era una notevole correlazione tra le letture VAS il giorno 2, e la misurazione della temperatura cutanea il giorno 2. Questa correlazione è risultata significativa (r = 0,312, p <0,05). Tuttavia, non vi era alcuna correlazione evidente tra le letture VAS e le temperature di pelle al giorno 3. Questa correlazione è stata insignificante (r = 0,047, p = 0,77).

Figura 1
Figura 1. Un grafico rappresentante le differenze di temperatura della pelle tra le braccia esercitate (Diamonds), e poco esercitato braccia (Piazze) del 41 soggetti nel periodo di tempo di 3 giorni.

Figura 2
Figura 2. Un grafico rappresentativo delle differenze di dolore muscolare percepita misurata con la VAS nel periodo di tempo 3 giorni per tutti i 41 soggetti.


Figura 3. Un grafico rappresentativo delle differenze di concentrazioni di mioglobina per tutti i 41 soggetti sopra i 3 periodi di tempo.

Figura 4
Figura 4. A), una tipica immagine IR del braccio esercitato un soggetto prima dell'esercizio. B) l'immagine a infrarossi dello stesso braccio soggetti 24 ore dopo l'esercizio.

Figura 5
Figura 5. A), una tipica immagine IR di un soggetto non-esercitato braccio prima dell'esercizio. B) l'immagine a infrarossi dello stesso braccio soggetti 24 ore dopo l'esercizio.

Figura 6
Figura 6. Un'illustrazione delle 4 regioni di interesse per l'analisi del thermAl immagine del braccio.

Figura 7
Figura 7. Interfaccia software per la "ThermoVision ExaminIR" che mostra i 4 scatole di interesse su un'immagine IR di un braccio esercitato. Inoltre mostrati sono le interpretazioni statistiche per ogni casella.

Figura 8
Figura 8. La telecamera IR termico utilizzato per questa indagine (FLIR 660).

Figura 9
Figura 9. A) L'installazione della telecamera IR 1 metro di distanza dal braccio soggetti. B) Le luci a LED utilizzati nel laboratorio dove sono state scattate le immagini.

Figura 10
Figura 10. A) I moduli Biopac utilizzato per misurare la forza muscolare. B) Il dispositivo estensimetro fissato a 45 ° panca inclinata e collegato al sistema Biopac.

Figura 11
Figura 11. Un soggetto tipico esercitando vigore il dispositivo estensimetro.

Figura 12
Figura 12. Un soggetto sottoposto il protocollo di esercizio per indurre il dolore muscolare.

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Discussion

Lo scopo principale di questa indagine è stato quello di valutare l'utilità delle immagini termiche a infrarossi per individuare e misurare dolore muscolare dopo l'esercizio fisico intenso, ed i nostri risultati suggeriscono che l'imaging IR potrebbe essere una tecnica valida per la rilevazione DOMS, soprattutto entro le prime 24 ore di esercizio. Questo non è sorprendente, come Pennes 18 a condizione di un modello molto dettagliato del flusso di calore dal muscolo per la pelle degli arti. Questo modello prevede che il calore in tessuti più profondi come i muscoli possono essere dissipata nel sangue e nella pelle attraverso lo scambio di calore conduttivo. Quando i muscoli esercizio fisico, ovviamente, tremendo calore si sviluppa nei muscoli a causa di forze di attrito delle fibre muscolari e per l'aumento del metabolismo. Flussi aumentato di sangue al muscolo contribuirebbe anche al calore aumentata nei muscoli dopo l'esercizio. Perché il muscolo è un tessuto shell, la temperatura è di solito 32-33 ° C, tuttavia quando il flusso di sangue è aumentata al m esercitatouscle si avvicina la temperatura dei tessuti di base che è 37 ° C 18,19. Questo aumento del flusso sanguigno dovrebbe tornare alla normalità entro un paio d'ore dopo il termine dell'esercizio. Ma quando le temperature sono ancora elevate a 24 dopo ore di esercizio fisico, questo dimostra che il danno è successo al muscolo esercitato. Questi danni nel muscolo provoca ulteriore trasferimento di calore dal muscolo per la pelle sovrastante, che provoca un punto rilevabile caldo sotto la pelle.

IR imaging è stata utilizzata per rilevare e diagnosticare molte malattie 17,19-24. Cambiamenti nella temperatura del corpo umano sono sempre stati indicatori di disfunzione, dove il calore aumento è principalmente associata a una sorta di infiammazione o infezione 17. Così, le temperature elevate pelle trovato 24 ore dopo l'esercizio in tutte le materie è forse il risultato di flussi di sangue più alto nel muscolo a causa di infiammazione e danno la riparazione dei tessuti 2. Inoltre, non incr evidentefacilita nella temperatura della pelle del non-esercitato braccio durante i 3 giorni di studio. Pertanto, se il flusso sanguigno muscolare è rimasta elevata nel braccio allenato, il sangue più caldo avrebbe mantenuto il muscolo caldo e quindi la cute sovrastante sarebbe stare al caldo. Come risultato, i tumori al seno nelle donne e tumori della pelle possono essere facilmente rilevato da immagini IR a causa del sangue aumento dei flussi al sito della lesione interessata 20,21.

I livelli elevati di dolore (VAS) il giorno 2 e 3, e le concentrazioni di mioglobina aumentato il giorno 3 sono entrambi indicatori di DOMS. Questo dimostra che i soggetti hanno ottenuto dolorante dopo la sessione di allenamento. Come si è visto nei risultati, c'è stata una relazione tra la temperatura della pelle aumentato il giorno 2, ed i livelli di dolore aumentata nello stesso giorno. Concentrazioni di mioglobina erano ancora elevate al giorno 3, mentre le temperature della pelle stavano tornando alla normalità. Questo rilascio ritardato di mioglobina nel sangue, potrebbe essere dovuto al muscolos risposta più lenta per l'infiammazione e il danno che si verifica nelle fibre muscolari dopo l'esercizio 25,26.

Tuttavia, da 3 a 5 giorni dopo, non ci può essere ancora la riparazione dei tessuti minori e ricostruzione, anche se il flusso di sangue forse vicino alla normalità. Ecco perché il giorno 3 ° non abbiamo visto una correlazione tra la temperatura della pelle e dei livelli di dolore, perché il danno era già fatto. Pertanto, riteniamo che questo sia predittiva di dolore, perché dimostra che se si ottiene sostenuto 24 ore aumento del flusso sanguigno del tessuto, allora sapete che avete danni al tessuto. Questo danno è stato verificato dalle letture VAS, e le concentrazioni di mioglobina nel sangue. Quindi, maggiore è la lettura della temperatura della pelle 24 ore dopo l'allenamento, il sorer il soggetto sarebbe stato in seguito.

Quindi, l'imaging IR termico sarebbe di grande valore nella rilevazione DOMS nelle sue fasi iniziali. Sarebbe anche un modo interessante, e indolore di looking a muscoli che sono state esercitate e sono doloranti, ore dopo l'esercizio è finito. In un ambiente sportivo, questa la diagnosi precoce di DOMS potrebbe aiutare a ridurre l'incidenza delle lesioni da over-esercizio i muscoli doloranti nei giorni seguenti l'esercizio iniziale.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgements

Vogliamo riconoscere un contratto (WS1763368) da Pfizer Pharmaceuticals per sostenere in questo lavoro. Vorremmo anche ringraziare il saudita Ministero dell'Istruzione Superiore (Mohe) per il loro supporto.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Infra-Red Thermal Camera FLIR Systems Inc. FLIR SC660
Thermal Infra-Red Analysis Software Thermo Fisher Scientific, Inc. Software Version 1.10.2
Bi–lectric Amplifier Module Biopac Systems, Inc. DA100C The DA100C provides variable gain settings, and adjustable voltage references.
Analog to Digital Converter Module Biopac Systems, Inc. MP100
Automated enzyme Immunoassay Analyzer Tosoh Corp. AIA -360 This device was used to analyze the blood samples, and obtain the myoglobin readings.

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