Skip to main content
Revista Brasileira de Ortopedia logoLink to Revista Brasileira de Ortopedia
. 2025 Apr 15;60(1):s00451804493. doi: 10.1055/s-0045-1804493

Assessment of the Pennation Angle of the Medial Gastrocnemius Muscle in Road Runners and Non-runners

Avaliação do ângulo de penação do músculo gastrocnêmio medial em corredores de rua e não corredores

Lara Barros Cecílio Mendes 1,, Carlos Henrique Fernandes 2, Paulo Santoro Bellangero 1, Benno Ejnisman 2, Moisés Cohen 2
PMCID: PMC12020621  PMID: 40276275

Abstract

Objective  To evaluate the pennation angle (PA) of the medial gastrocnemius muscle (MGM) in orthostasis and bilateral maximum plantar flexion (BMPF) in road runners and non-runners.

Methods  We assessed 31 runners and 31 non-runners from both genders between January and April 2019. We measured the MGM's PA on both sides by ultrasound during orthostasis and BMPF.

Results  The groups were homogeneous regarding the dominant side, gender, and age. During orthostasis, the mean right-sided PA was 19.46° in runners and 22.5° in non-runners ( p  < 0.004). On the left side, the mean PA was 20.79° in runners and 22.83° in non-runners ( p  < 0.029). During BMPF, the right-side PA was 40.06° in runners and 40.89° in non-runners, and, on the left side, the mean PA was 40.01° in runners and 40.52° in non-runners. The MGM's PA of the right limb from male runners was statistically significantly higher in orthostasis ( p  < 0.029) and BMPF ( p  < 0.045). The correlation between MGM in orthostasis and BMPF in the leg in each group was statistically significant in the right lower limb of non-runners.

Conclusion  Road runners presented a significantly lower MGM's PA than non-runners in orthostasis.

Keywords: motor activity; muscle contraction; muscle, skeletal; sedentary behavior; ultrasonography

Introduction

Running started in prehistoric times when humans needed to move quickly to hunt or escape predators. Running, even for 5 to 10 minutes per day and at slow speeds (< 9.65 km/h), is associated with significantly reduced risk of death from all causes and, specifically, from cardiovascular disease. The present study may motivate healthy but sedentary subjects to start and continue running to achieve substantial mortality reduction benefits. 1

Human muscle architecture has been studied in cadaveric specimens. However, scarce data are available on living human muscles. 2 3 4 Skeletal muscle tissue has properties that determine its characteristics and performance, such as excitability, contractility, extensibility, and elasticity. 5 The mechanical properties of skeletal muscle account for its performance, such as strength, length, speed, work, and power. 6

The pennation angle (PA) of the muscle fiber is the angle between the muscle fascicle and the intramuscular tendon, that is, the vertical inclination of the muscle fibers from the long muscle-tendon axis. 5 7 8 The fiber PA is a crucial functional feature of the muscle and varies according to the muscle contraction intensity and fiber length. 9 Muscle contraction causes fibers to shorten, increasing the PA. 9 10 Ultrasound allows accurate measurements of the length or PA of a muscle fascicle. 10 11 12

Muscle pain in the posterior region of the lower limb is a common complaint among runners. 13 14 Of all calf muscle injuries, 58 to 65% involve the medial gastrocnemius muscle (MGM), 8 to 38% affect the lateral head of the gastrocnemius, and 58 to 66% involve the soleus. 14 We believe that ultrasonographic studies of muscle architecture can support further research on the treatment and prevention of muscle injuries.

The objective of the current study was to compare the PA differences in the MGM in orthostasis and bilateral maximum plantar flexion (BMPF) in runners and non-runners.

Materials and Methods

The Research Ethics Committee approved the present study under CAAE 02582718.0.0000.5505, opinion number 3.115.229. This study was clinical, observational, cross-sectional, and comparative.

The study included volunteers aged 18 to 60 years old. The non-runner group included subjects who had not practiced physical activity for over a year. The road runner group included those who ran for more than a year at least twice a week and five kilometers per week. We did not include subjects with musculoskeletal injuries, neuromuscular diseases, prostheses, acute or chronic pain in the lower extremities, cognitive disabilities, malignant diseases, or pregnancy.

The study participants completed a questionnaire, and their body mass index (BMI) was calculated as the ratio between weight (in kilograms) and the square of their height (in meters).

A physician specialized in musculoskeletal imaging and an orthopedist supervised the ultrasound examinations.

Images were obtained with a real-time ultrasound, model HD 11(Philips Medical Systems, Amsterdam, Netherlands), with a 9-MHz linear transducer and an acoustic coupling gel.

To capture the image in the maximum cross-section area of MGM, the transducer was in a longitudinal position to the tibia, parallel to the muscle fascicles, and perpendicular to the skin in the upper third of an imaginary line from the flexion crease of the popliteal fossa to the center of the medial malleolus. 10 15 As described by Narici et al., 11 for the orthostatic examination, the volunteers remained in orthostasis with their feet parallel to the sagittal axis and the hip and knee in maximum extension ( Fig. 1A ).

Fig. 1.

Fig. 1

Orthostatic position ( A ) and maximum bilateral plantar flexion (BMPF) position ( B ) position of the medial gastrocnemius muscle.

We asked the study participants to stand up and actively and gradually increase the force until BMPF for image capture on one leg ( Fig. 1B ), followed by a gradual relaxation for five seconds. Next, we instructed them to perform the same maneuver for image capture of the contralateral leg. Images were satisfactory when they allowed the delineation of multiple fascicles across the entire image without interruption. 10 16 Stored images underwent a subsequent analysis with the free open-source medical image viewer Horos (version 3.1.1) distributed under a Lesser General Public License (LGPL) at Horosproject.org. Pennation angle was the angle between the deep intramuscular aponeurosis and a visible muscle fascicle in orthostasis ( Fig. 2A ) and BMPF ( Fig. 2B ). 9 11 17 18 The same orthopedist obtained three PA measurements from each image, using different fibers. The data underwent statistical analysis.

Fig. 2.

Fig. 2

The arrows indicate a superficial aponeurosis (SA), a muscle fiber (MF), and a deep aponeurosis (DA). ( A ) Pennation angle (PA) of the medial gastrocnemius muscle in orthostasis. ( B ) Pennation angle of the medial gastrocnemius muscle during BMPF.

Statistical analysis

The Kolmogorov-Smirnov test assessed the normality of quantitative variables. The Student's t-test, Chi-squared test, and Pearson's correlation were used for data evaluation. The result of each comparison presented a p -value, defined as a statistical significance, at 0.05 (5%). Statistical analysis employed the following software: IBM SPSS Statistics for Windows, version 20.0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA), Minitab version 16 (Minitab LLC, State College, PA, USA), and MS Excel 2010 (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA).

Results

The present study consisted of 62 volunteers, including 31 runners and 31 non-runners. The runner group had 14 (45.2%) females and 17 (54.8%) males. The non-runner group had 18 (58.1%) females and 13 (41.9%) males.

The runner group had 25 (80.6%) subjects with right-side dominance and 6 (19.4%) participants with left-side dominance. The non-runner group had 28 participants (90.3%) with right-side dominance and 3 (9.7%) with left-side dominance.

The age in the runner group ranged from 23 to 51 years, with a mean age of 35.6 years, and a coefficient of variation (CV) of 19%. The age in the non-runner group ranged from 18 to 59 years, with a mean value of 34.5 years, and a CV of 24%. According to the Chi-squared test, the groups were homogeneous regarding the dominant side, gender, and age.

The mean BMI was higher in the non-runner group (26.6) than in the runner group (22.40) ( p  < 0.001).

Table 1 shows the descriptive statistical analysis of PA in orthostasis and BMPF of the right or left lower limbs from runners and non-runners.

Table 1. Pennation angle in the medial gastrocnemius muscle at ultrasound in road runners and non-runners.

Inferior limb Condition Group PA (mean) PA (median) SD CV Min. Max. N 95%CI p
Right Orthostasis Runners 19.46 19.12 3.57 18 11.36 26.79 31 10.26 00.004
Non-runners 22.25 22.04 3.77 17 13.23 30.23 31 10.33
BMPF Runners 40.06 39.44 7.78 19 26.10 55.72 31 20.74 00.680
Non-runners 40.89 40.47 8.07 20 25.42 56.25 31 20.84
Left Orthostasis Runners 20.79 20.88 3.58 17 14.75 28.04 31 10.26 00.029
Non-runners 22.83 22.45 3.61 16 15.12 29.45 31 10.27
BMPF Runners 40.01 39.99 7.48 19 24.54 56.75 31 20.63 00.774
Non-runners 40.52 39.95 6.38 16 27.56 59.26 31 20.25

Abbreviations: PA, pennation angle; CV, coefficient of variation (in percentage); SD, standard deviation; BMPF, bilateral maximum plantar flexion; 95%CI, 95% confidence interval; Max., maximum; Min., minimum.

The Pearson's correlation was used to assess the correlation between MGM in orthostasis and BMPF of each leg in each group ( Table 2 ). We found a positive correlation (higher than 0) in all comparisons, which was greater in the right lower limb of the non-runner group.

Table 2. Correlation between bilateral medial gastrocnemius muscle pennation angles in runners and non-runners.

Group Inferior limb r p
Runners Right 34.4 0.058
Left 37.8 0.036
Non-runners Right 60.7 0.001
Left 26.3 0.152

Table 3 shows the descriptive statistical analysis of MGM's PA in orthostasis and BMPF of both lower limbs and gender.

Table 3. Measurement of the pennation angle of the medial gastrocnemius muscle by ultrasound examination in volunteer runners according to laterality and gender.

Inferior limb Condition Gender PA (mean) PA (median) SD CV Min. Max. N 95%CI p
Right Orthostasis F 17.94 17.33 3.92 22 11.36 26.79 14 2.05 0.029
M 20.71 21.64 2.78 13 13.60 24.24 17 1.32
BMPF F 37.00 36.73 7.02 19 27.20 53.49 14 3.68 0.045
M 42.57 43.21 7.66 18 26.10 55.72 17 3.64
Left Orthostasis F 19.49 19.42 2.74 14 14.75 24.40 14 1.43 0.067
M 21.85 21.10 3.90 18 16.93 28.04 17 1.85
BMPF F 38.28 38.23 6.71 18 26.07 49.16 14 3.51 0.247
M 41.45 42.36 7.98 19 24.54 56.75 17 3.79

Abbreviations: PA, pennation angle; CV, coefficient of variation (in percentage); SD, standard deviation; F, female; BMPF, bilateral maximum plantar flexion; 95%CI, 95% confidence interval; M, male; Max., maximum; Min., minimum.

Discussion

Scientific research has demonstrated that muscle architecture, including PA, fascicle length, and fiber composition and arrangement, affects muscle functions. 17 18 19 20

The first authors to describe PA were Gans and de Vree, in 1987, 21 when studying the external adductor muscle of a lizard's jaw. In 1992, Henriksson-Larsen et al. 22 evaluated the vastus lateralis muscle PA of 15 female volunteers. This was the first in vivo assessment of contraction and relaxation using an ultrasound device. The authors photographed the images for later PA analysis, being the first to demonstrate the feasibility of in vivo measurements and observing that the fiber angle in the relaxed position was smaller than in contraction. These results showed that the methodology for PA measurement using ultrasound images had high reliability. Our study evaluated PA in road runners compared with non-runners. We did not find any studies with this comparison in the literature.

The ultrasound method for capturing PA measurements from the MGM effectively determined muscle architecture parameters. 23 Its advantages included low relative cost, easy handling, portability, tissue contrast, good reproducibility, no radiation exposure, and real-time image analysis. 11 18 24 25 26

Our sample consisted of 62 participants. Only four studies (Binzoni et al., 27 Kubo et al., 15 28 and Kawakami et al. 29 ) presented a larger sample than ours. However, unlike us, these authors did not evaluate the PA during BMPF.

Regarding gender, the current study had a slight female predominance (51.61%; 32 out of 62), but without statistical significance. A paper on injuries in amateur runners demonstrated a male predominance. 30

In the present study, the mean PA in males was higher compared with females, consistent with the findings of other authors. 16 28 29

The mean age in years was 35.6 in runners and 34.5 in non-runners, contrasting with other authors, such as 22, according to Chow et al., 16 28.3, per Maganaris et al., 12 24, per Manal et al., 31 and 38.8, per Narici et al. 11 The mean age in our study was higher than in some studies in the literature. Kubo et al. 15 noted a significant difference in PA between young and elderly subjects only in the vastus lateralis muscle of the thigh. The same authors described that MGM did not present a statistically significant value regarding PA and age. We did not analyze whether age was a factor in MGM's PA range.

There are different methods for assessing muscle strength, including isometric, isokinetic, variable resistance, and free weight tests. The selection of a strength testing method involves specificities, ease of acquisition, cost, and safety. 32 Although runners perform monopodial support during their practice, we measured the PA during BMPF with the volunteer's body weight, as it is safe and easy to perform and analyze the data. We did not find any PA measurements in the literature using this method.

When comparing our PA data in the standing position with the literature, 11 12 15 we noted a non-significant difference of one or two degrees. Comparing road runners and non-runners, we found statistically significant values in the standing position and the BMPF.

Pearson's correlation was used to measure the degree of variable interconnection. We found a positive correlation of 60.7% when analyzing contraction in orthostasis and BMPF, indicating that the greater the angle in orthostasis, the greater the muscle contraction, consistent with the literature. 10 11 12 31

The present study had some limitations, such as considering road runners' answers as reliable regarding the time spent running and the distance covered per week. In addition, some runners may perform other types of physical exercise, such as weight training, swimming, and ballet, potentially changing the leg muscles.

Another limiting factor of our study was measuring a single variable from the muscle architecture, the PA, hindering the comparison with other muscle components. Muscle architecture presents several parameters for analysis, such as muscle thickness, fiber length, physiological cross-sectional area, and PA, which impact a muscle's force production capacity. Although ultrasound quality depends on the operator and is subject to interpretation errors, measurements of muscle structure following a protocol performed by sonographers with different training and experience can achieve objective image measurements with few differences and little variation in results. 33

Considering the great plasticity of the muscular system and the ability of skeletal muscles to adapt to different stimuli, such as disuse or training types, studies to elucidate the mechanisms by which muscle tissues adapt to these changes are relevant. For instance, we know that children with cerebral palsy have spastic muscles. We can evaluate the PA in contractures after surgical treatment for muscle stretching. In tendon transfers, we can choose muscles with similar PAs. In muscle injuries, we can monitor healing with serial PA assessments.

In sports medicine, we can study training variability by evaluating the PA in structural and functional muscle changes, especially in the force production capacity. A meta-analysis of Brazilian studies investigating the prevalence and risk factors for injury in amateur road runners detected a higher prevalence of injuries in men, most frequently muscle injuries (27.9%, 95% confidence interval [CI] 18.2–40.1%). 34 Timmins et al. 35 described a PA increase in the injured biceps femoris compared with the unaffected side. These findings encourage studies to help treat and prevent injuries early in road runners and other athletes.

Conclusion

Road runners presented a significantly lower PA in MGM than non-runners in orthostasis.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer ao médico radiologista Dr. Giovanni Bessa Pereira Lima pela disponibilidade e prontidão sempre nas coletas dos dados e pela amizade de tantas jornadas. Este trabalho é dedicado aos voluntários que dedicaram tempo e paciência para a realização dos exames de imagem, sem os quais este projeto não aconteceria.

Acknowledgments

The authors would like to thank radiologist Dr. Giovanni Bessa Pereira Lima for his availability and promptness in collecting data and for his friendship during so many journeys. The present work is dedicated to the volunteers who provided their time and patience to perform the imaging exams; without them, this project would not have happened.

Funding Statement

Suporte Financeiro Os autores declaram que não receberam suporte financeiro de agências dos setores público, privado ou sem fins lucrativos para a realização deste estudo.

Financial Support The authors declare that they did not receive financial support from agencies in the public, private or non-profit sectors to conduct the present study.

Conflito de Interesses Os autores não possuem conflito de interesses a declarar.

Trabalho desenvolvido na Disciplina de Medicina do Esporte e Atividade Física, Centro de Traumatologia do Esporte, Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil.

Study developed at the Sports Medicine and Physical Activity Course, Sports Traumatology Center, Department of Orthopedics and Traumatology, Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, SP, Brazil.

Referências

  • 1.Lee D C, Pate R R, Lavie C J, Sui X, Church T S, Blair S N. Leisure-time running reduces all-cause and cardiovascular mortality risk. J Am Coll Cardiol. 2014;64(05):472–481. doi: 10.1016/j.jacc.2014.04.058. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 2.Fukunaga T, Kawakami Y, Kuno S, Funato K, Fukashiro S. Muscle architecture and function in humans. J Biomech. 1997;30(05):457–463. doi: 10.1016/s0021-9290(96)00171-6. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 3.Aagaard P, Andersen J L, Dyhre-Poulsen Pet al. A mechanism for increased contractile strength of human pennate muscle in response to strength training: changes in muscle architecture J Physiol 2001534(Pt. 2):613–623. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 4.Azizi E, Brainerd E L, Roberts T J. Variable gearing in pennate muscles. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(05):1745–1750. doi: 10.1073/pnas.0709212105. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 5.Hamill J, Knutzen M, Derrick R. São Paulo: Manole; 2016. Bases biomecânicas do movimento humano. [Google Scholar]
  • 6.Zatsiorsky M. Rio de Janeiro: Guanabara; 2016. Biomecânica no esporte. [Google Scholar]
  • 7.Ikegawa S, Funato K, Tsunoda N, Kanehisa H, Fukunaga T, Kawakami Y. Muscle force per cross-sectional area is inversely related with pennation angle in strength trained athletes. J Strength Cond Res. 2008;22(01):128–131. doi: 10.1519/JSC.0b013e31815f2fd3. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 8.McArdle D, Katch I F, Katch V L. Rio de Janeiro: Guanabara; 2016. Fisiologia do exercício: nutrição, energia e desempenho humano. 8ª ed. [Google Scholar]
  • 9.Fukunaga T, Ichinose Y, Ito M, Kawakami Y, Fukashiro S. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. J Appl Physiol. 1997;82(01):354–358. doi: 10.1152/jappl.1997.82.1.354. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 10.Kawakami Y, Ichinose Y, Fukunaga T. Architectural and functional features of human triceps surae muscles during contraction. J Appl Physiol. 1998;85(02):398–404. doi: 10.1152/jappl.1998.85.2.398. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 11.Narici M V, Binzoni T, Hiltbrand E, Fasel J, Terrier F, Cerretelli P.In vivo human gastrocnemius architecture with changing joint angle at rest and during graded isometric contraction J Physiol 1996496(Pt 1):287–297. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 12.Maganaris C N, Baltzopoulos V, Sargeant A J.In vivo measurements of the triceps surae complex architecture in man: implications for muscle function J Physiol 1998512(Pt 2):603–614. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 13.Marti B, Vader J P, Minder C E, Abelin T. On the epidemiology of running injuries. The 1984 Bern Grand-Prix study. Am J Sports Med. 1988;16(03):285–294. doi: 10.1177/036354658801600316. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 14.Fields K B, Rigby M D. Muscular Calf Injuries in Runners. Curr Sports Med Rep. 2016;15(05):320–324. doi: 10.1249/JSR.0000000000000292. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 15.Kubo K, Kanehisa H, Azuma K et al. Muscle architectural characteristics in young and elderly men and women. Int J Sports Med. 2003;24(02):125–130. doi: 10.1055/s-2003-38204. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 16.Chow R S, Medri M K, Martin D C, Leekam R N, Agur A M, McKee N H. Sonographic studies of human soleus and gastrocnemius muscle architecture: gender variability. Eur J Appl Physiol. 2000;82(03):236–244. doi: 10.1007/s004210050677. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 17.Rutherford O M, Jones D A. Measurement of fibre pennation using ultrasound in the human quadriceps in vivo. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1992;65(05):433–437. doi: 10.1007/BF00243510. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 18.Kawakami Y, Abe T, Fukunaga T. Muscle-fiber pennation angles are greater in hypertrophied than in normal muscles. J Appl Physiol. 1993;74(06):2740–2744. doi: 10.1152/jappl.1993.74.6.2740. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 19.Ichinose Y, Kanehisa H, Ito M, Kawakami Y, Fukunaga T. Relationship between muscle fiber pennation and force generation capability in Olympic athletes. Int J Sports Med. 1998;19(08):541–546. doi: 10.1055/s-2007-971957. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 20.Kumagai K, Abe T, Brechue W F, Ryushi T, Takano S, Mizuno M. Sprint performance is related to muscle fascicle length in male 100-m sprinters. J Appl Physiol. 2000;88(03):811–816. doi: 10.1152/jappl.2000.88.3.811. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 21.Gans C, de Vree F. Functional bases of fiber length and angulation in muscle. J Morphol. 1987;192(01):63–85. doi: 10.1002/jmor.1051920106. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 22.Henriksson-Larsén K, Wretling M L, Lorentzon R, Oberg L. Do muscle fibre size and fibre angulation correlate in pennated human muscles? Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1992;64(01):68–72. doi: 10.1007/BF00376443. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 23.Martins N da F, Peixinho C C, Oliveira L de. Confiabilidade de medidas de arquitetura muscular do tríceps sural por ultrassonografia de imagem. Rev Bras Cineantropom Desempenho Hum. 2012;14(02):212–220. [Google Scholar]
  • 24.Maganaris C N, Baltzopoulos V. Predictability of in vivo changes in pennation angle of human tibialis anterior muscle from rest to maximum isometric dorsiflexion. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1999;79(03):294–297. doi: 10.1007/s004210050510. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 25.Zhou Y, Li J Z, Zhou G, Zheng Y P. Dynamic measurement of pennation angle of gastrocnemius muscles during contractions based on ultrasound imaging. Biomed Eng Online. 2012;11:63. doi: 10.1186/1475-925X-11-63. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 26.Narici M. Human skeletal muscle architecture studied in vivo by non-invasive imaging techniques: functional significance and applications. J Electromyogr Kinesiol. 1999;9(02):97–103. doi: 10.1016/s1050-6411(98)00041-8. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 27.Binzoni T, Bianchi S, Hanquinet S et al. Human gastrocnemius medialis pennation angle as a function of age: from newborn to the elderly. J Physiol Anthropol Appl Human Sci. 2001;20(05):293–298. doi: 10.2114/jpa.20.293. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 28.Kubo K, Kanehisa H, Azuma K et al. Muscle architectural characteristics in women aged 20-79 years. Med Sci Sports Exerc. 2003;35(01):39–44. doi: 10.1097/00005768-200301000-00007. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 29.Kawakami Y, Abe T, Kanehisa H, Fukunaga T. Human skeletal muscle size and architecture: variability and interdependence. Am J Hum Biol. 2006;18(06):845–848. doi: 10.1002/ajhb.20561. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 30.de Araujo M K, Baeza R M, Zalada S RB, Alves P BR, de Mattos C A. Injuries among amateur runners. Rev Bras Ortop. 2015;50(05):537–540. doi: 10.1016/j.rboe.2015.08.012. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 31.Manal K, Roberts D P, Buchanan T S. Optimal pennation angle of the primary ankle plantar and dorsiflexors: variations with sex, contraction intensity, and limb. J Appl Biomech. 2006;22(04):255–263. doi: 10.1123/jab.22.4.255. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 32.Powers S. São Paulo: Manole; 2014. Fisiologia do exercício: teoria e aplicação ao condicionamento e ao desempenho. 8ª e ed. [Google Scholar]
  • 33.Chiaramonte R, Bonfiglio M, Castorina E G, Antoci S AM. The primacy of ultrasound in the assessment of muscle architecture: precision, accuracy, reliability of ultrasonography. Physiatrist, radiologist, general internist, and family practitioner's experiences. Rev Assoc Med Bras. 2019;65(02):165–170. doi: 10.1590/1806-9282.65.2.165. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 34.Borel W P, Elias Filho J, Diz J BM et al. Prevalence of Injuries in Brazilian Recreational Street Runners: Meta-Analysis. Rev Bras Med Esporte. 2019;25(02):161–167. [Google Scholar]
  • 35.Timmins R G, Shield A J, Williams M D, Opar D A. Is There Evidence to Support the Use of the Angle of Peak Torque as a Marker of Hamstring Injury and Re-Injury Risk? Sports Med. 2016;46(01):7–13. doi: 10.1007/s40279-015-0378-8. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
Rev Bras Ortop (Sao Paulo). 2025 Apr 15;60(1):s00451804493. [Article in Portuguese]

Avaliação do ângulo de penação do músculo gastrocnêmio medial em corredores de rua e não corredores

Resumo

Objetivo  Avaliar o ângulo de penação (AP) do músculo gastrocnêmio medial (MGM) em ortostatismo e flexão plantar máxima bilateral (FPMB) em corredores de rua e não corredores.

Métodos  Foram avaliados 31 corredores e 31 não corredores, de ambos os gêneros, entre janeiro e abril de 2019. O AP do MGM foi mensurado em ambos os lados por meio de ultrassom durante ortostatismo e apoio em flexão plantar máxima bilateral.

Resultados  Os grupos foram considerados homogêneos quanto ao lado dominante, gênero e idade. Durante o ortostatismo, os corredores apresentaram no lado direito um AP médio de 19,46° em comparação a 22,5° dos não corredores ( p  < 0,004) e no lado esquerdo apresentaram um AP médio 20,79° para corredores versus 22,83° para não corredores ( p  < 0,029). Durante a FPMB, os corredores apresentaram no lado direito um AP médio de 40,06° em comparação a 40,89° dos não corredores e no lado esquerdo apresentaram um AP médio 40,01° para corredores versus 40,52° para não corredores. O AP do MGM do membro direito em corredores do gênero masculino foi estatisticamente significante maior, tanto em ortostatismo ( p  < 0,029) quanto em FPMB ( p  < 0,045). A correlação entre ortostatismo e FPMB do MGM da perna em cada um dos grupos demonstrou ser estatisticamente significante no grupo de não corredores para o membro inferior direito.

Conclusão  Os corredores de rua apresentaram um valor significativamente menor do AP do MGM em relação aos não corredores em ortostatismo.

Palavras-chave: atividade motora, comportamento sedentário, contração muscular, músculo esquelético, ultrassonografia

Introdução

A corrida se originou na pré-história, quando os homens precisavam se movimentar rapidamente para caçar ou fugir de seus predadores. A prática da corrida, mesmo que seja de 5 a 10 minutos por dia e em velocidades lentas (< 9,65 km/h), está associada a riscos significativamente reduzidos de morte por todas as causas e, especialmente, por doenças cardiovasculares. Este estudo pode motivar indivíduos saudáveis, mas sedentários, a começar e continuar a correr em busca de benefícios de mortalidade substanciais e alcançáveis. 1

A arquitetura muscular humana foi estudada em espécimes de cadáveres. Contudo, são escassos os dados disponíveis sobre músculos humanos vivos. 2 3 4 O tecido muscular esquelético apresenta propriedades que determinam suas características e desempenho, como a excitabilidade, contratilidade, extensibilidade e elasticidade. 5 As propriedades mecânicas do músculo esquelético determinam seu desempenho, tais como força, comprimento, velocidade, trabalho e potência. 6

O ângulo de penação (AP) da fibra muscular é definido como o ângulo entre o fascículo muscular e o tendão intramuscular, isto é, a inclinação vertical das fibras musculares do longo eixo músculo-tendíneo. 5 7 8 O AP da fibra é uma importante característica funcional do músculo e varia com a intensidade da contração e o comprimento da fibra muscular. 9 A contração muscular provoca o encurtamento das fibras, levando a um aumento do AP. 9 10 Para obter medições precisas do comprimento ou do AP de um fascículo muscular, utiliza-se do exame de ultrassom. 10 11 12

A dor muscular na região posterior do membro inferior é queixa frequente em corredores. 13 14 O gastrocnêmio medial envolve 58 a 65% de todos os casos de lesões musculares da panturrilha; a cabeça lateral do gastrocnêmio, de 8 a 38% e o sóleo, de 58 a 66% dos casos. 14 Consideramos que o estudo da arquitetura muscular por ultrassom pode nos dar subsídios para futuros trabalhos sobre tratamento e prevenção dessas lesões musculares.

O objetivo deste estudo foi comparar as diferenças da mensuração do AP do músculo gastrocnêmio medial em ortostatismo e em flexão plantar máxima bilateral (FPMB) em corredores e não corredores.

Materiais e Métodos

Este estudo foi previamente aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa sob o número CAAE 02582718.0.0000.5505, parecer n° 3.115.229. O estudo foi clínico, observacional, transversal e comparativo.

Foram incluídos voluntários com idade superior a 18 e inferior a 60 anos. No grupo de não corredores foram incluídos indivíduos que não praticavam atividade física há mais de um ano. No grupo de corredores de rua, foram incluídos aqueles que praticavam a atividade esportiva de corrida há mais de um ano com frequência mínima de duas vezes por semana e mínimo de cinco quilômetros por semana. Não foram incluídos indivíduos com lesões musculoesqueléticas, com doenças neuromusculares, próteses, dor aguda ou crônica das extremidades inferiores, deficiências cognitivas, doenças malignas ou gravidez.

Os participantes do estudo preencheram um questionário e tiveram seu índice de massa corporal (IMC) calculado pela relação do peso (em quilos) com sua altura ao quadrado (em metros).

Os exames de ultrassonografia foram realizados sob supervisão de um médico especialista em imagem musculoesquelética e um ortopedista.

Obtiveram-se as imagens com um ultrassom, modelo HD 11, em tempo real (Philips Medical Systems, Amsterdã, Holanda) com um transdutor linear de frequência 9 mHz revestido com gel de transmissão para obter acoplamento acústico.

Para captura da imagem na área de secção transversal máxima do músculo gastrocnêmio medial, o transdutor foi colocado em posição longitudinal em relação à tíbia, orientado paralelamente aos fascículos musculares e perpendicular à pele, no terço superior de uma linha imaginária da prega de flexão da fossa poplítea até o centro do maléolo medial. 10 15 Conforme descrito por Narici et al., 11 para o exame em ortostatismo, os voluntários ficaram na posição ortostática, com os pés paralelos ao eixo sagital, com o quadril e joelho em extensão máxima ( Fig. 1A ).

Fig. 1.

Fig. 1

Posição de ortostatismo ( A ) e posição de flexão plantar máxima bilateral (FPMB) ( B ) do músculo gastrocnêmio medial.

A partir do ortostatismo, os participantes do estudo foram instruídos a desenvolver ativamente uma força gradualmente crescente até a FPMB para a captura da imagem em uma perna ( Fig. 1B ), seguido por um relaxamento gradual de cinco segundos. Em seguida, eram orientados verbalmente para a mesma manobra com a finalidade de armazenar as imagens do gastrocnêmio medial da perna contralateral. As imagens foram consideradas satisfatórias quando vários fascículos puderam ser delineados em toda a imagem sem interrupção. 10 16 As imagens armazenadas foram submetidas a análise subsequentes com um visualizador de imagens médicas de código aberto gratuito Horos (versão 3.1.1), distribuído sob Licença Pública Geral Menor ( Lesser General Public License – LGPL, em inglês) no Horosproject.org. O ângulo de penação foi calculado como aquele entre a aponeurose intramuscular profunda e um fascículo muscular claramente visível, tanto em ortostatismo ( Fig. 2A ) como durante a FPMB ( Fig. 2B ). 9 11 17 18 Foram realizadas, em cada imagem, três medições do AP, em fibras diferentes, pelo mesmo ortopedista. Os dados foram enviados para análise estatística.

Fig. 2.

Fig. 2

As setas indicam a aponeurose superficial (AS), uma fibra muscular (FM) e aponeurose profunda (AP). ( A ) Ângulo de penação (AP) do músculo gastrocnêmio medial em ortostatismo. ( B ) Ângulo de penação do músculo gastrocnêmio medial durante a FPMB.

Análise estatística

Para avaliar a normalidade das variáveis quantitativas, o teste de Kolmogorov-Smirnov foi empregado. Os dados foram avaliados por meio dos testes T de Student, Qui-Quadrado e correlação de Pearson. O resultado de cada comparação apresenta um valor p , sendo definido como um valor de significância de 0,05 (5%). Para a análise estatística foram utilizados os softwares: IBM SPSS Statistics for Windows (IBM Corp., Armonk, NY, EUA), versão 20.0, Minitab versão 16 (Minitab LLC, State College, PA, EUA) e MS Excel 2010 (Microsoft Corp., Redmond, WA, EUA).

Resultados

Sessenta e dois voluntários participaram do estudo, sendo 31 corredores e 31 não corredores. O grupo de corredores de rua foi formado por 14 (45,2%) indivíduos do gênero feminino e 17 (54,8%) do masculino. O grupo de não corredores tinha 18 (58,1%) indivíduos do gênero feminino e 13 (41,9%) do masculino.

No grupo de corredores, 25 (80,6%) participantes apresentavam dominância do lado direito e 6 (19,4%) participantes do lado esquerdo. No grupo de não corredores, 28 participantes (90,3%) apresentavam dominância do lado direito e 3 (9,7%) do lado esquerdo.

A idade no grupo de corredores variou de 23 a 51 anos, com média de 35,6 anos e coeficiente de variação (CV) de 19%. A idade no grupo de não corredores variou de 18 a 59 anos, com média de 34,5 anos e CV de 24%. Pelo teste do Qui-quadrado , os grupos foram homogêneos quanto ao lado dominante, gênero e idade.

Na comparação do IMC, a média foi maior no grupo de não corredores (26,6) do que no grupo de corredores (22,40) ( p  < 0,001).

Na Tabela 1 , encontra-se análise estatística descritiva do AP em ortostatismo ou em FPMB dos membros inferiores direito ou esquerdo de corredores e não corredores.

Tabela 1. Mensuração do ângulo de penação do músculo gastrocnêmio medial durante exame de ultrassom em corredores de rua e não corredores.

Membro inferior Condição Grupo AP (média) AP (mediana) DP CV Mín. Máx. N IC95% p
Direito Ortostatismo Corredores 19,46 19,12 3,57 18 11,36 26,79 31 1,26 0,004
Não corredores 22,25 22,04 3,77 17 13,23 30,23 31 1,33
FPMB Corredores 40,06 39,44 7,78 19 26,10 55,72 31 2,74 0,680
Não corredores 40,89 40,47 8,07 20 25,42 56,25 31 2,84
Esquerdo Ortostatismo Corredores 20,79 20,88 3,58 17 14,75 28,04 31 1,26 0,029
Não corredores 22,83 22,45 3,61 16 15,12 29,45 31 1,27
FPMB Corredores 40,01 39,99 7,48 19 24,54 56,75 31 2,63 0,774
Não corredores 40,52 39,95 6,38 16 27,56 59,26 31 2,25

Abreviaturas: AP, ângulo de penação; CV, coeficiente de variação (em porcentagem); DP, desvio padrão; FPMB, flexão plantar máxima bilateral; IC95%, intervalo de confiança de 95%; Máx., máximo; Mín., mínimo.

Para correlação entre ortostatismo e FPMB do músculo gastrocnêmio medial da perna em cada um dos grupos, utilizamos a correlação de Pearson ( Tabela 2 ). Encontramos uma correlação positiva (maior que 0) em todas as comparações, sendo maior no grupo não corredores para o membro inferior direito.

Tabela 2. Correlação entre os ângulos de penação do músculo gastrocnêmio medial bilaterais em corredores e não corredores.

Grupo Membro inferior r p
Corredores Direito 34,4 0,058
Esquerdo 37,8 0,036
Não corredores Direito 60,7 0,001
Esquerdo 26,3 0,152

Na Tabela 3 , encontra-se análise estatística descritiva do AP do músculo gastrocnêmio medial em ortostatismo e FPMB de ambos os membros inferiores detalhadas conforme o gênero dos corredores.

Tabela 3. Mensuração do ângulo de penação do músculo gastrocnêmio medial pelo exame de ultrassom em corredores de acordo com a lateralidade e o gênero.

Membro inferior Condição Gênero AP (média) AP (mediana) DP CV Mín. Máx. N IC95% p
Direita Ortostatismo F 17,94 17,33 3,92 22 11,36 26,79 14 2,05 0,029
M 20,71 21,64 2,78 13 13,60 24,24 17 1,32
FPMB F 37,00 36,73 7,02 19 27,20 53,49 14 3,68 0,045
M 42,57 43,21 7,66 18 26,10 55,72 17 3,64
Esquerda Ortostatismo F 19,49 19,42 2,74 14 14,75 24,40 14 1,43 0,067
M 21,85 21,10 3,90 18 16,93 28,04 17 1,85
FPMB F 38,28 38,23 6,71 18 26,07 49,16 14 3,51 0,247
M 41,45 42,36 7,98 19 24,54 56,75 17 3,79

Abreviaturas: AP, ângulo de penação, CV, coeficiente de variação (em porcentagem); DP, desvio padrão; F, feminino; FPMB, flexão plantar máxima bilateral; IC95%, intervalo de confiança de 95%; M, masculino; Máx., máximo; Mín., mínimo.

Discussão

Pesquisas científicas têm demonstrado que as funções musculares são afetadas pelas características da arquitetura muscular, tais como o AP, o comprimento do fascículo, a composição e o arranjo das fibras musculares. 17 18 19 20

O AP foi descrito pela primeira vez em 1987 por Gans e de Vree 21 por meio de um estudo do músculo adutor externo da mandíbula de um lagarto. Em 1992, Henriksson-Larsen et al. 22 avaliaram o AP do músculo vasto lateral da coxa de 15 voluntárias do sexo feminino. O músculo foi avaliado pela primeira vez in vivo, nas posições relaxado e contraído, com o uso do aparelho de ultrassonografia. Os autores fotografaram as imagens para posterior análise do AP, sendo os primeiros a demonstrar que essas medidas são possíveis in vivo e observando que o ângulo da fibra na posição relaxado era menor do que na posição em contração muscular. Os resultados obtidos demonstraram que a metodologia utilizada para medição do AP realizada em imagens de ultrassom apresentou alta confiabilidade. Nosso estudo avaliou o AP em corredores de rua em comparação com não corredores. Não encontramos na literatura trabalhos com essa comparação.

O método de ultrassonografia para captar as medidas do AP do músculo gastrocnêmio medial foi considerado eficaz para a determinação de parâmetros da arquitetura muscular. 23 Apresenta vantagens, como menor custo relativo, fácil manuseio e portabilidade, contraste entre os tecidos, boa reprodutibilidade, não exposição do indivíduo à radiação e possibilidade de análise da imagem em tempo real. 11 18 24 25 26

Nossa amostra foi composta de 62 participantes. Somente quatro estudos (Binzoni et al., 27 Kubo et al. 15 28 e Kawakami et al. 29 ) apresentaram uma amostra maior do que a nossa. Contudo, esses autores não avaliaram o valor do AP durante a FPMB, como realizado em nosso trabalho.

Neste estudo, em relação ao gênero, houve discreto predomínio do feminino, 51,61% (32 de um total de 62), porém sem apresentar significância estatística. Um estudo sobre lesões em praticantes amadores de corrida demonstrou predomínio em atletas do sexo masculino. 30

Neste estudo, a média do AP do gênero masculino foi maior do que a do feminino, corroborando com os achados de outros estudos. 16 28 29

Quanto à média de idade em anos, a do grupo dos corredores foi de 35,6 e a dos não corredores, de 34,5, sendo diferentes das reportadas por outros autores: 22 anos de média no estudo de Chow et al. 16 ; 28,3 anos no estudo de Maganaris et al. 12 ; 24 anos a média de idade no estudo de Manal et al. 31 ; e 38,8 anos no Narici et al. 11 Observamos que a média de idade do nosso estudo foi maior do que em alguns estudos da literatura. Kubo et al. 15 observaram uma diferença significativa no AP entre jovens e idosos somente no músculo vasto lateral da coxa. Os mesmos autores descreveram que o músculo gastrocnêmio medial não apresentava um valor estatisticamente significante em relação ao AP quanto à idade. Em nosso trabalho, não estudamos se a idade era um fator de variação nos valores do AP do músculo gastrocnêmio medial.

Para avaliar a força muscular, existem diferentes métodos, como o teste isométrico, o isocinético, o de resistência variável e o teste com pesos livres. A escolha de um método de teste de força envolve a especificidades, facilidade de aquisição, custo e segurança. 32 Embora os corredores realizem apoio monopodial durante sua prática esportiva, optamos por realizar a medição durante a FPMB com o peso corporal do voluntário, por ser seguro, de fácil execução e análise dos dados. Não encontramos na literatura medição do AP usando este método.

Quando comparamos nossos dados do AP em ortostatismo com os dados da literatura, 11 12 15 podemos observar que há uma diferença de um ou dois graus, não apresentando um valor significativamente diferente. Ao compararmos os grupos de corredores de rua e não corredores, encontramos valores estatisticamente significantes em ortostatismo e na FPMB.

Utilizamos a correlação de Pearson para mensurar o quanto as variáveis estão interligadas. Foi encontrada uma correlação positiva, com 60,7%, ao analisar o ortostatismo e a contração FPMB, indicando que, quanto maior o ângulo em ortostatismo, maior também será na contração muscular. Esses dados também estão de acordo com a literatura. 10 11 12 31

Este estudo possui algumas limitações, como termos que considerar fidedignas as respostas dos corredores de rua participantes do estudo, quanto ao tempo de corrida de rua e a quilometragem executada durante a semana. Devemos considerar também a possibilidade de que alguns corredores realizam outras modalidades de exercício físico, como musculação, natação, balé, entre outros. O que pode acarretar alterações na musculatura da perna.

Outro fator limitante de nosso estudo foi que medimos somente uma variável da arquitetura muscular, o AP, o que inviabiliza comparação entre os componentes musculares. A arquitetura muscular apresenta vários parâmetros para análise, como a espessura muscular, o comprimento da fibra, a área de secção fisiológica e o AP, que possuem um efeito na capacidade de produção de força de um músculo. Apesar da qualidade do ultrassom depender do operador e estar sujeita a erros interpretativos, medições da estrutura muscular seguindo um protocolo, realizado por ultrassonografistas com diferentes formações e experiências, podem conseguir uma medição objetiva de imagens com poucas diferenças e pouca variação nos resultados. 33

Considerando a grande plasticidade do sistema muscular, e a capacidades dos músculos esqueléticos de se adaptarem a diferentes estímulos, tais como o desuso ou diferentes tipos de treinamentos, assim, torna-se relevantes conduzir estudos para elucidar os mecanismos pelos quais os tecidos musculares se adaptam a essas modificações. Por exemplo, sabemos que em crianças com paralisia cerebral a musculatura se torna espástica. Podemos avaliar o AP nas contraturas após o tratamento cirúrgico para alongamentos musculares. Nas transferências tendíneas, podemos escolher músculos com APs semelhantes. Em se tratando de lesões musculares, podemos acompanhar a cicatrização dessas lesões com avaliações seriadas dos APs.

Na medicina esportiva, pode-se estudar a variabilidade de treinamentos avaliando o AP nas alterações estruturais e funcionais nos músculos, principalmente na capacidade de produção de força. Em uma metanálise de estudos brasileiros para investigar a prevalência e os fatores de risco de lesão em corredores de rua amadores, observou-se maior prevalência de lesões em homens, e as lesões musculares foram as mais frequentes (27,9%, intervalo de confiança [IC] de 95% 18,2–40,1%). 34 Timmins et al. 35 descreveram o aumento do AP em bíceps femurais lesionados em comparação ao lado não lesionado. Esses achados estimulam a realizar estudos com o intuito de auxiliar a tratar e prevenir lesões de maneira precoce em corredores de rua e outros atletas.

Conclusão

Os corredores de rua apresentaram um valor significativamente menor do AP do músculo gastrocnêmio medial em relação aos não corredores em ortostatismo.


Articles from Revista Brasileira de Ortopedia are provided here courtesy of Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia

RESOURCES