Intra and inter-rater reliability of triceps surae morphological and mechanical properties in healthy subjects

Abstract

The Achilles tendon and the plantar flexor muscles play a key role in daily life activities such as raising from a chair, during gait and jump. Changes in mechanical overload can lead to both beneficial adaptations in the mechanical and morphological properties of the triceps surae muscle-tendon unit, such as after systemic exercise, as well as after the loss of structure and functionality after total Achilles tendon rupture and aging. The evaluation of the triceps surae structural and mechanical properties is fundamental so that losses in the health condition can be identified, as well as the improvements resulting from the recovery process of the musculoskeletal structures during a rehabilitation program. Therefore, it is fundamental that the methodology used to evaluate the structural and mechanical properties of the triceps surae muscle-tendon unit is reliable, and that the results are not influenced by the evaluator (high inter-rater reliability) or by the day and time of evaluation (high intra-rater reliability). However, there is still a lack of evidence in the literature regarding the psychometric variables related to the evaluation of the mechanical and morphological properties of the Achilles tendon and the plantar flexors muscular architecture in healthy subjects. In this perspective, the present dissertation presents three studies in order to achieve the following objectives: (Study 1) To verify the intra- and inter-rater reliability of the plantar flexors muscle architecture in healthy individuals. (Study 2) To verify intra- and inter-rater rater Achilles tendon morphology evaluation in healthy individuals. (Study 3) To verify intra and inter-rater reliability of the triceps surae isometric strength measurements The three studies were performed at the Neuromuscular Plasticity Sector of LAPEX of ESEFID-UFRGS. All participants were evaluated in their triceps surae muscle architecture (fascicle length, pennation angle and muscle thickness) and the Achilles tendon (cross-sectional area, tendon length and free tendon length) parameters by means of skeletal muscle ultrasonography. Maximal isometric voluntary contractions were performed on an isokinetic dynamometer. The evaluations occurred in 2 different moments: day 1 and day 2 by evaluator 1 (7-days interval between collections), and on the second day by 2 additional evaluators (2 and 3) in a successive way. Data analysis was performed in SPSS v. 20.0, by means of descriptive statistics (mean, SD - standard deviation) and inferential analysis (ICC - Intraclass Correlation Coefficient - SEM - Standard Error between Measures = DP√ (1 - ICC) MDC – Minimum Detectable Change = 1.96*EPM), and confidence interval analysis. In study 1, we verified a high intra- and inter-rater correlation for muscle thickness, pennation angle and fascicle length (ICC> 75), and low SEM and MDC values. In study 2, we found a high intra- and inter-rater correlation for total tendon length and cross-sectional area (ICC> 75). However, for the free tendon variable, the inter-rater correlation was low (ICC: 0.580). Comparing the evaluators' experience, evaluator 1 and 2 obtained a ICC of 0.910, whereas evaluators 1 and 3 had an ICC of 0.340, while between evaluators 2 and 3 the ICC was 0.280 These very low correlations for the free tendon variable can be explained by the evaluators' experience and by the training of the measurements. In study 3, we verified a high intra- and inter-rater correlation for isometric torque values of the plantar flexor muscles (ICC> 75), and low SEM and MDC values. Based on the above evidences, we can conclude that there is a high intra-rater and inter-rater reliability for muscle architecture, tendon structure and plantar flexor strength. In addition, our data can be used as a data base for the healthy condition for the comparison with patients with Achilles tendon injury. Our methodology can also be used in patients’ evaluation. However, some improvements in the used techniques are necessary to improve reliability and further reduce measurement errors.

O tendão de Aquiles e os músculos flexores plantares têm um papel fundamental em atividades de vida diária como o levantar de uma cadeira, durante a marcha e o salto. Mudanças na sobrecarga mecânica podem levar tanto a adaptações benéficas nas propriedades mecânicas e morfológicas da unidade músculo-tendão do tríceps sural, como após o exercício físico sistematizado, quanto à perda da estrutura e da funcionalidade, como ocorre na ruptura total do tendão de Aquiles e no envelhecimento. A avaliação das propriedades estruturais e mecânicas do tríceps sural é fundamental para que se possa identificar a perda da condição de saúde, assim como também as melhoras decorrentes do processo de recuperação das estruturas musculoesqueléticas durante um programa de reabilitação. Para tanto, é fundamental que a metodologia empregada para a avaliação das propriedades estruturais e mecânicas da unidade músculo-tendínea do tríceps sural seja confiável, e que os resultados não sejam influenciados pelo avaliador (boa reprodutibilidade inter-avaliador) ou pelo dia e horário de avaliação (boa reprodutibilidade intra-avaliador). Entretanto, ainda faltam evidências na literatura referentes à obtenção de variáveis psicométricas relacionadas à avaliação das propriedades mecânicas e morfológicas do tendão de Aquiles e da arquitetura muscular dos flexores plantares em sujeitos saudáveis. Nessa perspectiva, a presente dissertação apresenta três estudos, a fim de atingir os seguintes objetivos: (Estudo 1) verificar a reprodutibilidade intra e inter-avaliador da arquitetura muscular dos flexores plantares em indivíduos saudáveis. (Estudo 2) Verificar a reprodutibilidade intra e inter-avaliador da morfologia tendínea do tendão de Aquiles em indivíduos saudáveis (Estudo 3) Verificar a reprodutibilidade intra e inter-avaliador das medidas da capacidade de produção de força do tríceps sural. Os três estudos foram realizados no Setor de Plasticidade Neuromuscular do LAPEX da ESEFID-UFRGS. Todos os participantes foram avaliados nos parâmetros de arquitetura muscular dos flexores plantares (comprimento de fascículo, ângulo de penação e espessura muscular) e do tendão de Aquiles (área de seção transversa e comprimento do tendão total livre) por meio de ultrassonografia musculo esquelética. Contrações voluntárias máximas isométricas foram realizadas em um dinamômetro isocinético. As avaliações ocorreram em 2 momentos distintos: dia 1 e dia 2 pelo avaliador 1 (7 dias de intervalo entre as coletas), e posteriormente dia 2 pelos avaliadores 1, 2 e 3 de forma sucessiva. A análise dos dados foi realizada no software SPSS v. 20.0, por meio de estatística descritiva (média, DP - desvio padrão) e inferencial (CCI – Coeficiente de Correlação Intraclasse; EPM – Erro Padrão entre Medidas = DP√(1-CCI); MMD – Mínima Mudança Detectável = 1,96*EPM), e intervalo de confiança. No estudo 1 verificamos uma alta correlação intra e inter-avaliador para espessura muscular, ângulo de penação e comprimento do fascículo dos flexores plantares (CCI>75), e valores baixos de EPM e MMD. No estudo 2, verificamos uma alta correlação intra e inter avaliador para comprimento do tendão total e área de secção transversa (CCI>75) Entretanto, para a variável de tendão livre, a correlação inter avaliador foi pobre (CCI: 0,580). Comparando a experiência dos avaliadores, os avaliadores 1 e 2 obtiveram um CCI de 0,910, enquanto que entre os avaliadores 1 e 3 o CCI foi de 0,340, e entre os avaliadores 2 e 3 o CCI foi de 0,280. Essas correlações muito baixas para a variável do tendão livre podem ser explicadas pela diferente experiência dos avaliadores e pelo tempo de treinamento na obtenção das medidas. No estudo 3, verificamos uma alta correlação intra e inter-avaliador para os valores de torque isométrico em rampa dos músculos flexores plantares (CCI>90), e valores baixos de EPM e MMD. Conclui-se, a partir dos estudos acima, que existe uma alta confiabilidade das medidas de arquitetura muscular e tendínea e de força tanto intra-avaliador quanto inter-avaliador. Além disso, os dados poderão servir como banco de dados de uma condição de saúde para comparação com dados de pacientes que sofreram lesões no tendão de Aquiles. A metodologia também pode ser aplicada na avaliação de pacientes. Entretanto, alguns aprimoramentos nas técnicas utilizadas são necessários a fim de melhorar a reprodutibilidade e reduzir ainda mais os erros de medida.