不同收缩方式的血流限制训练对膝关节骨性关节炎患者股内侧肌功能及形态学的影响观察

李鹏程, 俸 玉, 陈小霞, 陈岳峰, 李维仁, 黄 丽, 姚 娜

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)是一种慢性退行性疾病,常发生于中老年人,以膝关节软骨及周围软组织受累为主,其临床症状主要为膝关节疼痛、肿胀、活动受限,以及肌萎缩、肌无力等[1]。随着人口老龄化加剧,KOA发病率呈逐年上升趋势。近年我国的调查数据显示,症状性KOA的人群患病率达8.1%[2]。因此,有效防治KOA不仅可以改善中老年人的生活质量,还可以减轻社会经济负担。血流限制(blood flow restriction,BFR)训练是一种新型训练方法,在训练过程中佩戴加压装置以限制肢体静脉血回流,通过减少肢体动脉血灌注来刺激机体产生一系列反应,从而达到增加肌肉体积、提升肌肉力量的效果[3-4]。在BFR作用下,仅需一次重复最大重量(one-repetition maximum,1RM)的20%～30%便能增强肌肉力量,提高肌肉适应性[5-6]。本研究旨在通过表面肌电分析系统、超声仪等技术方法比较BFR训练、等长训练、等张训练对KOA患者股内侧肌(vastus medialis oblique,VMO)功能及形态学的影响差异,为临床治疗KOA提供参考。

1 对象与方法

1.1研究对象 招募2021年6月至2023年6月昆明市中医医院收治的KOA患者108例,KOA Kellgren-Lawrence X线分级(KOA K-L分级)为2～4级,采用随机数字表法将其分为A观察组、B观察组和对照组,每组36例。三组基线资料比较差异无统计学意义(P>0.05),见表1,具有可比性。本研究获昆明市中医医院医学伦理委员会审查批准,研究对象签署知情同意书。

表1 三组基线资料比较

1.2纳入、排除和剔除标准 纳入标准：(1)符合《中国骨关节炎诊疗指南(2021年版)》[7]中关于KOA的诊断标准;(2)双膝KOA K-L分级为2～4级;(3)年龄40～75岁。排除标准：(1)合并类风湿性关节炎、膝关节结核、膝关节肿瘤、关节内骨折或代谢性骨病者;(2)合并严重心脑血管疾病、肝肾功能不全或造血系统疾病者;(3)合并精神类疾病者;(4)有BFR训练禁忌证。剔除标准：(1)依从性差,不能按时接受治疗或同时接受其他治疗;(2)发生严重不良反应,不能继续接受治疗。

1.3治疗方法

1.3.1 对照组 采用VMO等张收缩训练。患者取仰卧位,膝关节下垫三角垫,保持膝关节屈曲30°,在踝关节处施加30% 1RM负荷,嘱患者用力伸直膝关节,并保持30 s后放下。30次/组,组间休息10 s,每天共训练3组,每周治疗5次,持续治疗3周。

1.3.2 A观察组 采用VMO等长收缩结合BFR训练的治疗方案。下肢动脉闭塞压(lower limb arterial occlusion pressure,LOP)测量[8]：患者取仰卧位,用Theratools血流限制带(型号：下肢大腿训练带,109 cm×10 cm)缠绕于大腿近端,将GE超声仪(型号：LOGIQ fortis,美国通用电气)探头置于足背动脉处,将血流限制训练带加压充气至超声屏幕显示足背动脉血流完全闭塞,随后放气至血流出现的瞬间,此时血流限制训练带的压力值即LOP。将血流限制训练带缠绕于大腿近端,加压至60% LOP并持续,随后开始VMO等长收缩训练：患者取仰卧位,在膝关节下方放置4～5 cm高软枕,嘱患者用力下压软枕收缩VMO并保持90 s,30次/组,组间休息10 s,每天共训练3组,每周治疗5次,持续治疗3周。

1.3.3 B观察组 采用VMO等张收缩结合BFR训练。将血流限制训练带缠绕于大腿近端,加压至60% LOP并持续,随后开始VMO等张收缩训练,训练方案与对照组相同。

1.4观察指标 于治疗前及治疗3周后观察以下指标：(1)疼痛评分。采用视觉模拟量表(Visual Analogue Scale,VAS)评分进行评估,总分10分,评分越高提示疼痛感越强。(2)大腿围度。患者取仰卧舒适体位,应用软尺在大腿1/2处测量肌肉围度。(3)VMO厚度。患者取仰卧舒适体位,采用GE超声仪测量VMO厚度。测量位置：取大腿远端髌骨上缘至髂前上棘连线1/5处,并向内横向移动至大腿围度的1/8处,在此所获得的超声图像上测量浅层筋膜与深层筋膜之间的垂直距离即VMO厚度。(4)VMO肌电值。采用表面肌电分析系统(型号：SA7550,加拿大Thought Technology)测量VMO的均方根(root-mean-square,RMS)值和积分肌电(integrated electromyography,iEMG)值。患者取仰卧位,沿着肌纤维方向将表面肌电电极贴于VMO肌腹两端,参考电极贴于腓骨头表面皮肤,嘱患者行VMO等张收缩活动,记录RMS值和iEMG值,数值越高,提示肌肉募集越多,收缩强度越大。

2 结果

2.1三组治疗前后左膝及右膝VAS评分比较 在治疗后,三组左膝及右膝VAS评分与治疗前相比均显著降低(P<0.05)。A观察组和B观察组的左膝及右膝VAS评分均低于对照组,且B观察组评分更低,差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

表2 三组治疗前后左膝及右膝VAS评分比较分]

2.2三组治疗前后左、右大腿围度比较 治疗后,三组左、右大腿围度与治疗前相比均显著增大(P<0.05)。A观察组和B观察组的左、右大腿围度均大于对照组,且B观察组围度更大,差异有统计学意义(P<0.05),见表3。

表3 三组治疗前后左、右大腿围度比较

2.3三组治疗前后左、右腿VMO厚度比较 治疗后,三组左、右腿VMO厚度与治疗前相比均显著增加(P<0.05)。A观察组和B观察组的左、右腿VMO厚度均大于对照组,且B观察组VMO厚度更大,差异有统计学意义(P<0.05),见表4。

表4 三组治疗前后左、右腿VMO厚度比较

2.4三组治疗前后左、右腿VMO的iEMG值、RMS值比较 在治疗后,三组左、右腿VMO的iEMG值和RMS值与治疗前相比均显著增加(P<0.05)。A观察组和B观察组的左、右腿的iEMG值和RMS值均大于对照组,且B观察组的指标数值更大,差异有统计学意义(P<0.05),见表5、表6。

表5 三组治疗前后左、右腿VMO的iEMG值比较

表6 三组治疗前后左、右腿VMO的RMS值比较

3 讨论

3.1肌萎缩、肌无力是KOA患者肌肉功能障碍的主要特征性表现。有研究显示,KOA患者股四头肌肌力衰退程度明显大于正常老年人,导致肌肉收缩速度减慢,收缩力量减弱,运动时神经支配效率下降[9]。因此,在针对KOA患者的运动训练中,股四头肌肌力增强训练可在一定程度上控制疾病进展,改善患者临床症状及膝关节功能。在股四头肌的4个组成部分中,VMO最为重要,特别在伸膝运动的最后阶段得到体现。于丽丽等[10]通过肌骨超声评估中老年女性KOA患者早期膝关节周围肌肉结构变化,结果发现VMO厚度变薄,VMO和股外侧肌力量失衡。由此可见,VMO对膝关节起稳定作用,增强VMO肌力能有效预防KOA发病。本研究结果显示,经过3周VMO肌力训练后,三组患者膝关节VAS评分、VMO厚度、大腿围度,以及VMO的iEMG值和RMS值与治疗前相比均得到改善,证明VMO肌力训练有利于减轻KOA患者关节疼痛,增加VMO厚度,提高膝关节功能。

3.2根据肌肉收缩方式不同,肌力训练分为等长收缩训练和等张收缩训练。等长收缩训练能有效预防肌肉废用性萎缩,但在训练过程中缺乏关节活动的刺激,对增强肌肉力量、肌围度的效果不够理想。等张训练能够有效改善肌肉萎缩,促使肌纤维增粗肥大,增强肌围度、肌肉力量及肌耐力,但在训练时需要不断增加抗阻负荷[11-12]。根据美国运动医学学院建议,传统肌力训练的抗阻力负荷最少要达60%～80% 1RM[13]。基于KOA疾病特点,大负荷抗阻力训练会加重关节软骨磨损及引起关节疼痛、肿胀等,导致患者对运动训练的依从性降低。BFR训练起源于日本Yoshiaki Soto医师的加压训练法,其以较小负荷便能达到增强肌力、肌耐力及增大肌肉横截面积的效果,训练效果与传统肌力训练相当[14]。Ferraz等[15]对KOA患者进行12周低负荷BFR训练后,股四头肌1RM增加23%,股四头肌横截面积增加7%。另外,秦蓓瑛和强乙[16]的研究显示,BFR训练联合低负荷抗阻训练可增强老年KOA患者股四头肌力量,显著改善膝关节功能和步行能力。本研究采用30%1RM的负荷,60% LOP,在持续性加压下进行等张收缩训练和等长收缩训练,结果显示,等张收缩结合BFR训练组和等长收缩结合BFR训练组在大腿围度、VMO厚度方面均较治疗前改善,且等张收缩结合BFR训练组的治疗效果更优。这可能与BFR的肌肉缺血和代谢压力作用机制有关,BFR训练后肌内及血液内代谢产物积累导致乳酸浓度升高,血液内酸性环境会刺激生长激素(growth hormone,GH)分泌,同时,肌内乳酸浓度也会促进GH和类胰岛素生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)分泌,促进肌肉生长[17]。持续加压会带来更高的代谢压力,造成更多代谢产物堆积[18]。有研究显示,BFR可通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)/哺乳动物雷帕霉素靶点(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路促进肌肉生长[19]。BFR也能抑制肌细胞泛素蛋白水解路径,使叉头蛋白O3A(forkhead box transcription factor 3A,FOXO3A)、泛蛋白连接酶atrogin-1及MuRF-1表达水平下调,促使肌肉增大[20]。另外,在BFR作用下肌内乳酸代谢产物的累积会抑制慢肌纤维运动神经元供应通道,使快肌纤维的募集增加,在机械压力作用下肢体等张收缩,使得缺血肢体肌电活动增加,诱发肌肉疲劳而募集更多快肌纤维参与运动,这可能是等张收缩训练的疗效优于等长收缩训练的原因。有研究报道,在60%～80% LOP的BFR作用下肌肉容积增加更显著,肌肉募集也相应增加[21]。

3.3在BFR训练中,缺血、缺氧环境可诱导机体释放类阿片、儿茶酚胺、大麻素等抑痛物质和降低痛觉敏感性物质,从而缓解疼痛[22]。另外,BFR训练会产生条件性疼痛调节效应,通过内源性镇痛机制达到缓解疼痛的效果[23]。本研究结果也显示,经过运动训练后,三组VAS评分均较治疗前改善,且VMO等张收缩结合BFR训练组的改善情况最佳,这可能与VMO肌力增强、激活肌肉适应性和膝关节稳定性增加等有关。

综上所述,BFR训练作为一种新型治疗方法,能有效改善KOA患者关节疼痛,增加VMO肌厚度、肌围度及肌肉募集能力。在低负荷BFR作用下,等张收缩训练在改善KOA患者疼痛和增加肌厚度及肌围度、肌肉募集能力方面优于等长收缩训练。