Физиологическая площадь поперечного сечения

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

В мышц физиологии физиологическая площадь поперечного сечения (PCSA) — это площадь поперечного сечения мышцы , перпендикулярная ее волокнам, обычно в самой большой точке. Обычно его используют для описания сократительных свойств перистых мышц . Это не то же самое, что анатомическая площадь поперечного сечения (ACSA), которая представляет собой площадь поперечного сечения мышцы, перпендикулярную ее продольной оси. В неперистой мышце волокна параллельны продольной оси, поэтому PCSA и ACSA совпадают.

Определение

Одним из преимуществ перистых мышц является то, что большее количество мышечных волокон может быть уложено параллельно, что позволяет мышце производить большую силу, хотя угол волокон к направлению действия означает, что максимальная сила в этом направлении несколько меньше, чем максимальная сила в направление волокна.

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). Эта мера известна как физиологическая площадь поперечного сечения (PCSA) и обычно рассчитывается и определяется по следующей формуле, разработанной в 1975 году Александром и Верноном:

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

где ρ – плотность мышцы:

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

PCSA увеличивается с увеличением угла перистости и длины мышцы. В пеннатной мышце PCSA всегда больше ACSA. В неперистой мышце он совпадает с ACSA.

Оценка мышечной силы с помощью PCSA

Суммарная сила, действующая волокнами в наклонном направлении, пропорциональна PCSA. Если известно удельное напряжение мышечных волокон (сила, оказываемая волокнами на единицу PCSA), его можно рассчитать следующим образом:

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

Однако только часть этой силы можно использовать, чтобы потянуть сухожилие в желаемом направлении. Этот компонент, который представляет собой истинную мышечную силу (также называемую силой сухожилий). ), оказывается по направлению действия мышцы:

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

Другая составляющая, ортогональная направлению действия мышцы (Ортогональная сила = Суммарная сила × sinΦ), не действует на сухожилие, а просто сжимает мышцу, подтягивая ее апоневрозы друг к другу.

Обратите внимание, что, хотя практически удобно вычислять PCSA на основе объема или массы и длины волокон, PCSA (и, следовательно, общая сила волокон, которая пропорциональна PCSA) не пропорциональна только мышечной массе или длине волокон. А именно, максимальная ( тетаническая ) сила мышечного волокна просто зависит от его толщины (площади поперечного сечения) и типа . Ни в коем случае это не зависит только от его массы или длины. Например, когда мышечная масса увеличивается в результате физического развития в детстве, это может происходить только за счет увеличения длины мышечных волокон без изменения толщины волокон (PCSA) или типа волокон. В этом случае увеличение массы не приводит к увеличению силы.

Иногда увеличение массы связано с увеличением толщины. Только в этом случае это окажет 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 волокон. Даже в этом случае мышечная сила не увеличивается так сильно, как мышечная масса, поскольку увеличение массы частично вызвано изменением длины волокон, а длина волокон не влияет на мышечную силу.

Альтернативное определение

В 1982 году компания Sacks & Roy представила другое определение PCSA, обозначенное здесь как PCSA ₂ , для облегчения сравнения с предыдущим определением:

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

Сравнение показывает, что

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

в перистой мышце, так как $\cos \Phi$ всегда меньше 1, PCSA ₂ всегда меньше PCSA. Следовательно, ее нельзя описать как общую площадь поперечных сечений, перпендикулярных мышечным волокнам (зеленые линии на рисунке 1). Его можно интерпретировать двумя способами:

1. Проекция PCSA (зеленая линия на рисунке 1) на плоскости анатомического сечения (синяя линия).
2. ACSA неперистой мышцы с той же силой, что и перистая мышца.

Это означает, что в мышце, показанной на рисунке 1А, PCSA ₂ совпадает с ACSA. Недостатком этого определения является его более сложная интерпретация, преимуществом является то, что мышечную силу можно рассчитать более непосредственно:

${\text{Muscle force}}={\text{PCSA}}_{2}\cdot {\text{Specific tension}}$

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