白雪桦,杨贤罡
(1.河北师范大学 体育学院,河北 石家庄050024;2.河北省体育科学研究所,河北 石家庄050011)
膝关节是运动损伤的好发关节。膝关节损伤后局部出现疼痛、肿胀等症状,产生保护性肌肉抑制,进而造成肌肉的废用性萎缩,肌力下降,膝关节功能障碍等,严重影响患者的日常生活。康复训练是膝关节损伤后的常用治疗方式之一,可促进下肢血液循环,防止肌肉萎缩,提高患者膝关节力量,增加膝关节稳定性等,在骨关节炎、髌股关节疼痛、半月板损伤的治疗或膝关节术后康复中均取得良好效果[1-3]。股四头肌是膝关节的唯一伸膝肌,对膝关节的稳定性起着至关重要的作用,因此被认为是康复训练的重点。股四头肌由股内侧肌(vastus medialis obliquus,VMO)、股外侧肌(Vastus lateralis,VL)、股中间肌(vastus internus,VI)和股直肌(rectus femoris,RF)4部分组成。当膝关节发生不同损伤时,患者在运动过程中可能会出现股四头肌不同部分差异性激活的现象[4],如有研究发现髌股关节疼痛患者相比健康人群在进行下楼梯、下蹲等活动时会出现股内侧肌激活程度减小,股外侧肌发力增加的现象;同样的现象也存在于髌腱末端病患者当中[5]。同时,股四头肌差异性激活也可能是引起膝关节疼痛的主要原因[6]。因此对不同膝关节疾病患者应选择适合的康复训练动作进行针对性干预[7]。
表面肌电测试(surface electromyography,sEMG)广泛应用于人体肌肉活动情况的研究中。表面肌电信号是神经冲动传导至肌肉导致肌肉收缩时产生的可传导至皮肤表面的生物电信号,当神经肌肉活动导致肌肉收缩时,信号可通过表面肌电测试系统在皮肤表面收集并进行分析,可一定程度上反应局部肌肉激活水平、疲劳程度与收缩形式等[8]。在目前将表面肌电应用于康复训练动作的研究中,有学者发现闭链运动比开链运动能更好地促进股四头肌的平衡发力[9]。而国内目前尚无针对临床上常用的康复训练动作的肌肉发力情况进行综合对比的研究。因此,本实验采用表面肌电测试技术,对目前临床常用的5种股四头肌康复训练动作中肌肉发力情况进行对比分析,旨在为膝关节不同损伤类型患者的康复训练中选择适合的训练动作提供一定的可参考依据。
2020年5 月于石家庄德瑞运动康复医疗中心进行实验,共招募14名受试者参与本次研究,其中男性8例,女性6例,年龄18至37岁,平均年龄(26.64±6.01)岁。所有受试者均身体健康,实验前24h内,未参加剧烈运动,不存在肌肉疲劳状况。受试者均自愿参与本次实验,并对实验内容均完全知情。受试者基本信息见表1。
表1 受试者基本情况表
1.2.1 测试准备
本研究采用Trigno型无线遥测表面肌电测试系统(Delsys,美国)对表面肌电信号进行采集。选择受试者优势腿进行测试,选取股四头肌中股内侧肌、股外侧肌、股直肌为肌电主要测试肌肉。测试前首先对受试者皮肤进行处理,剔除汗毛,使用75%医用酒精擦拭皮肤,用棉球擦拭各肌肉电极位点及其周围的液体。将电极延肌肉方向贴于各肌肉肌腹处。具体电极位置如下[10]:1)股内侧肌:电极片置于从膝关节内侧间隙到髂前上棘距离的20%处,两电极片连线与股骨长轴成55°夹角。2)股直肌:电极片置于大腿前侧,髌骨上缘与髂前上棘连线的中点。3)股外侧肌:电极片置于髌骨外上角到髂前上棘距离的1/10的位置,两电极片连线与股骨长轴成15°夹角。
1.2.2 测试步骤
正式实验前,由实验组织者告知测试者实验目的及步骤,对5种康复运动方式进行充分的熟悉,能正确完成动作,要求动作连贯自然。受试者在测试前进行2min准备活动。
受试者首先进行最大自主等长收缩测试(Maximum Voluntary Contraction,MVC)[11]。受试者取坐位,保持屈髋屈膝60°,测试过程中以非弹性绑带固定骨盆与小腿处,所有受试者进行3次全力伸膝,每次维持5s的最大自主等长收缩,确定MVC肌电数据。
受试者休息30min后进行康复动作测试,康复动作依据发力形式不同可分为动力性动作与静力性动作,动力性动作包括直腿抬高、短弧伸膝、坐位伸膝;静力性动作包括股四头肌静力收缩和静蹲[12]。测试动作说明如下:
1)股四头肌静力收缩:仰卧位,膝关节伸直,进行股四头肌静力收缩。
2)直腿抬高:仰卧位,膝关节伸直,抬离床面至30°,而后缓慢下落。
3)短弧伸膝:仰卧位,在测试腿膝关节下方放置训练板,使膝关节呈60°,固定大腿不动,缓慢伸膝抬起小腿至膝关节完全伸直,而后缓慢下落。
4)坐位伸膝:坐位,将腘窝贴住椅子以固定大腿,膝关节呈90°,缓慢抬起小腿至完全伸膝,而后缓慢下落。
5)静蹲:站立位背靠墙,缓慢下蹲屈膝至膝关节呈45°,做半蹲状。
5个动作的先后顺序采用抽签方式生成。为保证肌电测试时间统一,所有动作每次均以5s完成。其中静力性动作持续5s,动力性动作采取发力2s,还原3s的方式进行测试。每个动作重复3次。受试者完成一个动作的测试后,经过2min的休息后接着进行下一种动作测试。
1.2.3 表面肌电信号处理
获得的表面肌电数据使用EMG server分析软件进行处理。将原始肌电信号经过滤波(20~400Hz)、整流处理后,计算每块肌肉的积分肌电值(integrated electromyogram,iEMG),使用MVC测试数据对各康复动作肌电信号进行标准化(%MVC),使用重复3次动作的iEMG相对值的平均值进行数据分析[11]。
采用SPSS24.0统计软件进行数据分析,正态分布数据用平均值±标准差(±SD)表示。由于5种康复训练方式肌肉收缩形式不同,因此仅将VMO∶VL指标进行所有康复动作比较,而后分别比较动力性动作与静力性动作中不同肌肉的发力程度。VMO∶VL值与3种动力性动作采用重复测量方差分析;2种静力性动作采用配对样本T检验,分析不同康复动作对受试者股四头肌肌肉活动的影响。以p<0.05为显著性差异,p<0.01为非常显著性差异。
表2与图1显示5种膝关节康复动作中股内侧肌与股外侧肌肌肉发力程度比值的变化。静蹲股四头肌VMO∶VL值最高,直腿抬高最低。静蹲、静力收缩与坐位伸膝动作VMO∶VL值大于1;短弧伸膝与直腿抬高训练VMO∶VL值小于1。
结果显示,Wilks’Lambda=0.268,F(4,10)=6.82,p<0.01,表明5种康复动作中的发力平衡存在非常显著性差异。事后检验显示静蹲与直腿抬高、短弧伸膝存在显著性差异(p<0.05,p<0.05);静力性收缩与短弧训练存在显著性差异(p<0.05),其他动作间无显著差异(p>0.05)。
表2 不同康复训练的发力平衡比较
图1 不同康复训练的发力平衡图
表3与图2显示不同动力性康复动作所有测试肌肉的iEMG值的变化。结果显示3种动力性动作中股直肌发力程度存在显著性差异,F(2,12)=13.23,p<0.01;而股内侧肌F(2,12)=1.91,p>0.05,股外侧肌F(2,12)=6.24,p>0.05,显示3种训练中股内侧肌与股外侧肌不存在显著性差异。事后检验结果显示直腿抬高训练股直肌发力与其他两动作存在非常显著差异性(p<0.01,p<0.01)。
表3 动力性康复训练相对iEMG值
图2 动力性动作股四头肌发力程度
表4显示两种静力性康复动作所有测试肌肉的iEMG值的变化。本研究结果显示,静力性动作中,股直肌与股外侧肌肌肉发力情况存在显著性差异(p<0.05),而股内侧肌不存在显著性差异(p>0.05)。
表4 静力性康复训练相对iEMG值
图3 静力性动作股四头肌发力程度
膝关节是人体下肢的主要负重关节,在运动中其稳定性有赖于膝关节周围肌肉,股四头肌作为膝关节唯一的伸膝肌,在膝关节的动态稳定性方面具有至关重要的作用。骨骼肌具有快速适应外界环境变化的特点,在较强机械力的作用下表现为相应的肥大,而在制动、固定及失重状态下则表现为相应的肌肉萎缩,导致肌力、耐力减退等功能性变化[4]。膝关节损伤后,由于活动减少,患者股四头肌存在不同程度的肌力下降。当股四头肌力量下降时,会造成关节稳定性降低,在运动过程中极易出现膝关节新的急性损伤,恶性循环。不仅如此,因无法维持膝关节各组织间的相对稳定,组织间长期产生异常摩擦也容易引起一些慢性的劳损,如滑膜炎、髌骨软化、骨性关节炎等。因此恢复膝关节损伤患者股四头肌的力量十分重要。目前常用于临床的股四头肌康复训练中,依据肌肉收缩形式的不同,可分为动力性训练与静力性训练。静力性训练为通过长时间的等长收缩以刺激肌肉,常见训练包括股四头肌静力收缩、静蹲等,多用于康复初期或膝关节屈伸会引起症状加重的患者。动力性训练中肌肉通过向心与离心收缩的方式进行训练,常见训练包括短弧伸膝、坐位伸膝、直腿抬高等,多用于需要提高膝关节主动伸膝能力患者。
表面肌电指标可分为时域指标与频域指标[13]。时域分析指标主要观察肌肉收缩过程中募集的肌电程度的大小,即肌电信号的振幅特征,反映运动单位募集数量的变化[8]。iEMG值是目前常用的时域指标之一,指表面肌电图单位时间内整流波的面积,可以反映单位时间内骨骼肌放电总量和肌力的变化,在运动系统伤病评定过程中有非常重要的价值[5]。本研究通过对股四头肌,重点对股内侧肌、股直肌、股外侧肌在进行静蹲、静力收缩、短弧伸膝、直腿抬高以及坐位伸膝等5种不同运动形式的康复训练的iEMG信号进行采集与分析,研究结果发现在发力平衡方面,静蹲、静力收缩与坐位伸膝动作发力平衡值大于1,短弧伸膝与直腿抬高训练发力平衡值小于1,但5种康复训练动作中静蹲训练发力平衡明显优于短弧伸膝与直腿抬高,静力性收缩优于短弧伸膝,显示坐位伸膝与两种静力性训练对于股四头肌平衡发力更好;3种动力性动作中,直腿抬高动作股直肌发力高于短弧伸膝与坐位伸膝,在刺激股直肌方面效果更好;2种静力性动作中股四头肌静力性收缩股直肌与股外侧肌发力程度高于45°静蹲,对肌肉刺激效果更佳。
康复训练的目的是以增加膝关节力量为主。不同康复训练动作对肌肉的刺激作用也存在差异。Irish[11]通过对比静蹲、坐位伸膝与弓步蹲等3种训练动作,发现静蹲训练刺激股内侧肌效果优于坐位伸膝与弓步蹲,坐位伸膝和静蹲训练刺激股外侧肌效果优于弓步蹲。本研究结果显示,短弧收缩、直腿抬高以及坐位伸膝3项动力性动作中,对于股内侧肌与股外侧肌的刺激程度基本相同。而直腿抬高对股直肌的激活程度显著高于其他两项。不同于股内侧肌与股外侧肌,股直肌起自髂前下棘和髋臼上方,跨过髋关节与膝关节,属于双关节肌,在伸膝的同时还具有屈髋的功能。而直腿抬高是在股四头肌发力维持伸膝的同时进行屈髋运动,因此对股直肌有更好的刺激作用。在两项静力性动作中,结果显示在进行静力收缩时股直肌与股外侧肌的肌肉发力程度高于静蹲,而股内侧肌发力不存在差异。这是由于在股四头肌静力收缩过程中,患者采用全力的方式进行股四头肌收缩,肌纤维得到了更高的动员。而在静蹲过程中,患者膝关节仅需要使用维持身体的姿势,因此发力较小。
肌纤维的活动依赖于神经信息的驱动,在膝关节损伤后,股四头肌不仅出现肌力下降,肌肉的激活也会发生障碍,即肌肉不能启动所有的运动单位或从启动的运动单位中不能获得最大放电率。可能是因膝关节损伤后异常的传入信息改变了γ神经对肌肉纺锤体的驱动[14],影响了脊髓或更高水平中枢对股四头肌的运动神经元池的兴奋驱动,引起了肌肉的抑制[15]。就股四头肌而言,具体表现为VMO与VL的差异性激活。在股四头肌的肌群中,VMO和VL是相互协同又互为拮抗的两块肌肉,股内侧肌与股外侧肌的肌力平衡,对髌股关节接触应力分布和髌骨运动轨迹有非常大的影响。股内斜肌和股外侧肌在肌力、激发顺序等方面的异常均可能导致两者的不平衡状态,影响髌骨活动轨迹,进而导致伸膝装置的功能异常[16]。如Mirzaie等[17]通过对比健康人群与髌骨关节疼痛患者在进行功能性动作时的下肢表面肌电情况,结果表明髌股关节综合征患者在运动中股内侧肌激活程度小于股外侧肌。VMO和VL的iEMG比值(VMO∶VL)是衡量股内斜肌/股外侧肌之间肌力平衡状况的重要指标[11]。当VMO∶VL值等于或大于1时有利于髌骨关节在运动过程中的稳定[18]。因此有学者提出在康复训练中应重视训练动作肌肉发力平衡情况,而针对不同损伤后出现膝关节的股四头肌各部分萎缩与激活差异进行针对性训练[7]。缪萍等[19]对下肢开链运动与闭链运动对股四头肌中股内侧肌与股外侧肌的练习平衡性的影响进行了研究,结果显示坐位伸膝中股外侧肌与股内侧肌比值大于双足下蹲,且大于1,双足半蹲动作更接近膝关节的发力平衡,认为屈膝时的闭链运动能够更有选择性地激发股内侧肌。而在本研究的训练动作中,静蹲属于闭链训练,其余4种训练动作属于开链训练。5种康复训练结果同样显示静蹲训练中VMO∶VL比值大于1,发力平衡比值最高,且与短弧伸膝、直腿抬高等开链运动存在差异,与其研究结果一致。而在本研究的开链训练中,坐位伸膝与静力收缩肌肉发力比值同样大于1,结果与其研究不同,这可能与实验过程中进行的坐位伸膝的规定动作时间、发力时是否存在负荷、发力角度存在一定关系,应进一步分析在进行同一康复训练动作时,患者不同条件(如时间、频率、角度等)对肌肉发力情况的影响。
本研究存在一定局限性。1)本研究中采用的动力性训练采用非负重方式进行,而在临床应用过程中如坐位伸膝训练会在患者有一定力量以后增加负重。2)在测试过程中,对不同康复动作采集5s肌肉收缩的肌电信号进行对比,仅说明在单位时间内的训练效果。而患者实际进行康复治疗的过程中,静力性收缩一般应用于康复训练早期,采用收缩Ns+放松Ns的方式进行训练;静蹲应用于患者膝关节可适当负重后,一般采用维持至力竭或Nmin的方式进行训练。两种训练方式在实际应用过程中训练时间上存在差异,在肌肉出现疲劳后肌肉激活情况可能发生改变。3)本研究在静蹲动作中采用目前常用的45°作为静蹲角度,而不同角度下静蹲肌肉激活情况也存在差异[20]。因此在未来的研究中,应将患者在进行康复训练时的实际应用方式与环境考虑在内,对不同康复训练动作从实践角度出发进行研究与分析。
不同股四头肌康复训练动作表面肌电存在差异。本项研究显示,动力性康复训练中直腿抬高可以更有效刺激股四头肌中股直肌,静力性收缩中单位时间内股四头肌静力收缩刺激股直肌和股外侧肌优于静蹲;5项康复训练中股四头肌发力平衡情况静蹲训练发力最佳,可更有效地刺激股内侧肌,其效果优于短弧伸膝与直腿抬高,而静力收缩训练发力平衡优于短弧伸膝。康复训练中应根据患者股四头肌发力障碍特点选择适合的康复动作。未来研究应注意结合康复训练实践,进一步研究康复训练过程中持续时间、关节角度对训练效果的影响。