膝骨關(guān)節(jié)炎患者股內(nèi)側(cè)肌、股直肌和股外側(cè)肌間的協(xié)調(diào)性

師東良,王寧華,謝斌

流行病學(xué)調(diào)查表明,原發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎患者最突出的流行病學(xué)特點(diǎn)是隨年齡增加,發(fā)病率不斷增高,好發(fā)于50歲以上[1]。55歲以上骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率高達(dá)44%～70%,其中10%表現(xiàn)為各種功能障礙或殘疾[2],從而加重了社會負(fù)擔(dān)[3]。原發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎以膝關(guān)節(jié)最為好發(fā)[4],因此迫切需要對膝骨關(guān)節(jié)炎展開深入研究。以往研究多關(guān)注肌肉力量,其實(shí)肌肉收縮不協(xié)調(diào)也可能是膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制之一。膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性依賴于股四頭肌肌力和腘繩肌肌力的恰當(dāng)比例[5]。膝骨關(guān)節(jié)炎患者的患肢存在屈伸肌快收縮纖維萎縮和機(jī)能下降、肌力平衡改變、腘繩肌協(xié)同活動增強(qiáng)和膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的異常[6]。不僅主動肌和拮抗肌的協(xié)調(diào)與膝骨關(guān)節(jié)炎有關(guān),股四頭肌內(nèi)不同肌肉的協(xié)調(diào)收縮也可能與膝骨關(guān)節(jié)炎有關(guān)。有關(guān)股四頭肌股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌啟動順序的研究,由于測試方法不一致,缺乏可比性,尚未得出一致的結(jié)論[7-10]。

1 對象與方法

1.1 對象 共有68名受試者參與本研究,其中34名膝骨關(guān)節(jié)炎患者參與膝骨關(guān)節(jié)炎組(OA組),34名健康人納入對照組(CON組)。兩組人群的選擇要求在年齡、身高、體重、性別、左右側(cè)Q角相匹配。OA組招募于天津醫(yī)院骨科門診或本地報(bào)紙的廣告宣傳;CON組招募于社區(qū)志愿者。一名具有骨科主治醫(yī)師資格的醫(yī)師根據(jù)《骨關(guān)節(jié)炎診治指南(2007年版)》中膝骨關(guān)節(jié)炎的診斷標(biāo)準(zhǔn)確定診斷,并分別納入試驗(yàn)組和對照組。由于OA的影像學(xué)改變和膝關(guān)節(jié)功能的相關(guān)性不好,該診治指南也沒有把影像學(xué)改變作為診斷OA的必備指標(biāo),因此本研究僅是根據(jù)該指南的診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分組,并未特別關(guān)注其影像學(xué)變化。

排除標(biāo)準(zhǔn):(1)關(guān)節(jié)間骨橋形成已呈強(qiáng)直者;(2)膝關(guān)節(jié)活動度小于 125°;(3)Q 角＜13°或＞23°;(4)貼表面電極部位有過多體毛者;(5)體質(zhì)過敏及膝部有皮損者;(6)膝關(guān)節(jié)置換者;(7)繼發(fā)性膝骨性關(guān)節(jié)炎如結(jié)核、腫瘤、骨髓炎、痛風(fēng)等患者;(8)并發(fā)癥影響到膝關(guān)節(jié)者;(9)嚴(yán)重心血管、肺、肝、腎和造血系統(tǒng)疾病,精神病,孕期和哺乳期婦女,自制力差、語言或智力障礙者;(10)伴其他疾病可能禁忌運(yùn)動練習(xí)者;(11)正在參與其他臨床或運(yùn)動訓(xùn)練試驗(yàn)者。

兩組均完成年齡、身高、體重、Q角的測量。根據(jù)李心天編制的利手、利足檢查量表對所有受試者進(jìn)行身體利側(cè)的評定。采用100 mm視覺模擬量表(visual analog scale,VAS)評定受試者持續(xù)處于負(fù)重站立位置5 min后疼痛的嚴(yán)重程度。兩組一般情況比較見表1。

1.2 方法 本研究應(yīng)用Cybex肌力測試系統(tǒng)完成規(guī)定模式下的力量測試。由于在膝關(guān)節(jié)的不同角度下、不同運(yùn)動速度下伸膝時(shí),股四頭肌的不同肌肉發(fā)揮作用的主次地位不同,所以為了全面評估股四頭肌的協(xié)調(diào)性,本研究設(shè)計(jì)的力量測試模式包括:膝關(guān)節(jié)屈曲10°、60°、100°位等長伸膝測試和等速 60°/s、180°/s 伸膝力量測試。同時(shí)應(yīng)用Noraxon表面肌電圖遙測系統(tǒng)記錄股內(nèi)側(cè)肌、股直肌和股外側(cè)肌的電生理特性。測試流程的每個環(huán)節(jié)均由不知道分組情況的同一實(shí)驗(yàn)人員完成。室溫控制在24℃。

表1 兩組一般資料比較

1.2.1 肌肉力量測試 采用Cybex(美國CSMI公司)肌力測試系統(tǒng),設(shè)定坐椅90°。所有受試者上體正直,雙手緊握椅子兩側(cè)的扶手,尼龍帶固定軀干和受試側(cè)大腿;動力儀的旋轉(zhuǎn)軸與受試側(cè)股骨外髁相一致,連接動力儀的阻力墊固定在受試側(cè)內(nèi)踝上3 cm處,關(guān)節(jié)活動范圍設(shè)為0°～110°。重力校準(zhǔn)時(shí),先讓受試側(cè)小腿最接近水平位,記錄小腿重量,用于校準(zhǔn)后續(xù)數(shù)據(jù);每次測試前,解釋目的、步驟和發(fā)力技巧。為保證獲得受試者真實(shí)、客觀的數(shù)據(jù)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)測試中需要調(diào)整顯示器的位置,以便受試者獲得良好視覺反饋;予口令“加油”來鼓勵受試者。

測試順序:先等長測試,后等速測試,間隔2 min;先等速 60°/s測試,后等速 180°/s測試,間隔 2 min;隨機(jī)測試左側(cè)或右側(cè),間隔30 min。

測試模式 :①等長運(yùn)動 :屈膝 10°、60°和 100°,以最大力量伸膝,每次持續(xù)10 s,間歇60 s,重復(fù)3次;選最大峰力矩的肌力圖和相應(yīng)肌電圖進(jìn)行分析;②等速運(yùn)動 :向心收縮模式等速 60°/s,重復(fù) 3次 ;等速 180°/s,重復(fù)15次,分別選取等速60°/s和等速 180°/s最大的峰力矩及相應(yīng)的肌電圖分析相關(guān)指標(biāo)。在每次正式測試前,練習(xí) 2 次 60°/s和 5 次 180°/s伸膝 ,強(qiáng)化動作要領(lǐng)。

1.2.2 表面肌電圖測試 采用Noraxon Tele-Myo2400T表面肌電圖(surface electromyogram,sEMG)遙測系統(tǒng)(軟件版本:MyoResearchXP Master-Package 1.03.05)。設(shè)定3個通道分別記錄股內(nèi)側(cè)肌、股直肌和股外側(cè)肌的肌電信號。參數(shù)設(shè)置為前置放大,增益1000,輸入阻抗大于100 MΩ,共模抑制比＞100 dB,通道采樣頻寬為10～500 Hz,靈敏度 1 μ V。肌電信號數(shù)據(jù)采集頻率為1500 Hz,通過無線接收器將原始數(shù)據(jù)儲存在電腦中。

電極位置:①股內(nèi)側(cè)肌:電極片置于從膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙到髂前上棘距離的20%處,兩電極片連線與股骨長軸成55°夾角;②股直肌:電極片置于大腿前面、髕骨上緣與髂前上棘連線的中點(diǎn);③股外側(cè)肌:電極片置于髕骨外上角以上從膝關(guān)節(jié)外側(cè)間隙到髂前上棘距離的1/10的位置,兩電極片連線與股骨長軸成15°夾角;④參考電極置于腓骨頭皮膚。兩電極片中心間距為2 cm。

皮膚處理:剔除汗毛,用細(xì)砂紙和75%醫(yī)用酒精擦拭皮膚,用繃帶擦拭電極位點(diǎn)及其周圍的汗液。

檢查電信號:用防過敏膠布將電極固定在皮膚上;電極導(dǎo)線固定在大腿及腰間;編織導(dǎo)線;檢查電極的粘貼牢固性和相應(yīng)通道;讓股四頭肌緊張,檢查是否有電信號。

sEMG的描記:等長運(yùn)動測試時(shí),當(dāng)受試肢體處于設(shè)置的測試模式后,肌肉放松,記錄2 s,代表該測試模式的基線水平;等速運(yùn)動測試時(shí),以膝關(guān)節(jié)周圍肌肉放松、小腿自然下垂的位置為準(zhǔn),記錄2 s,代表等速測試模式的基線水平。練習(xí)時(shí),不記錄sEMG。在正式測試開始前2 s開始描記sEMG,即刻開始肌力測試,直到該測試模式完成后2 s停止記錄。

sEMG的常規(guī)處理:用儀器自帶的信號處理軟件MyoResearch軟件分析。將所記錄到的sEMG做全正波化處理和平滑處理,平滑采用均方根公式計(jì)算,時(shí)間窗設(shè)置為50 ms。在分析最大力量對應(yīng)的sEMG的平均振幅時(shí)需要標(biāo)準(zhǔn)化:將等長60°時(shí)的平均振幅作為基準(zhǔn),將非等長60°的測試模式下的平均振幅和等長60°時(shí)的平均振幅作比率。

1.3 評定指標(biāo) 包括2項(xiàng)指標(biāo),分別是股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌肌肉收縮啟動順序和股內(nèi)側(cè)肌/股外側(cè)肌神經(jīng)肌電比率(VM/VL)。

1.3.1 啟動順序 啟動順序指股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌在同一運(yùn)動中啟動的時(shí)間,被看作是觀察3組肌群協(xié)調(diào)收縮模式的一個指標(biāo)。根據(jù)等速180°/s時(shí)基線肌電圖的平均振幅,求出平均振幅的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差?；€平均振幅的平均值加上3倍標(biāo)準(zhǔn)差的和即肌電圖的起始振幅。當(dāng)肌電圖的振幅達(dá)到其起始振幅且能夠持續(xù)＞25 ms時(shí)為肌電圖的啟動時(shí)間點(diǎn)[7]。通過比較肌肉間的啟動時(shí)間點(diǎn)的差異,明確肌肉收縮的啟動順序。

1.3.2 VM/VL 首先計(jì)算出股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌的平均振幅。在肌力圖上,肉眼識別肌力開始點(diǎn);找出最大峰力矩,計(jì)算出從開始點(diǎn)到達(dá)最大峰力矩所耗時(shí)間,作為在肌電圖上確定分析平均振幅時(shí)截取肌電圖的根據(jù)。在肌電圖上,用股內(nèi)側(cè)肌的啟動時(shí)間加上到達(dá)最大峰力矩的耗時(shí),即最大肌力對應(yīng)的肌電圖上的時(shí)間點(diǎn)。等長測試模式時(shí),截取此點(diǎn)前0.5 s至后0.5 s,共計(jì)1 s的肌電圖;等速 60°/s時(shí),截取此點(diǎn)前 0.25 s至后 0.25 s,共計(jì) 0.5 s的肌電圖 ;等速 180°/s 時(shí),截取此點(diǎn)前0.1 s至后0.1 s,共計(jì) 0.2 s的肌電圖,將選取的肌電圖利用軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)表面肌電圖報(bào)告進(jìn)行平均振幅數(shù)據(jù)的處理及導(dǎo)出。以等長60°最大隨意收縮的sEMG的平均振幅作為基準(zhǔn),其他測試模式時(shí)的平均振幅均除以此基準(zhǔn)值,完成肌電圖的標(biāo)準(zhǔn)化。VM/VL即是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的肌電圖的股內(nèi)側(cè)肌的平均振幅除以股外側(cè)肌的平均振幅所得的比率。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn);計(jì)量資料采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 啟動順序 當(dāng)股四頭肌協(xié)調(diào)性減退時(shí),很有可能在速度較快的運(yùn)動中表現(xiàn)明顯。因此,本研究首先觀察了等速180°/s伸膝測試時(shí)的情況。其他測試模式時(shí)的情況有待深入研究。等速180°/s伸膝測試中發(fā)現(xiàn):OA組(N=34)以股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌優(yōu)先啟動分別為8例 、13例 、13例;而CON 組(N=34)中,以股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌優(yōu)先啟動的分別為9例、15例、10例(χ2=11.05489,P＜0.05)。

2.2 VM/VL OA組VM/VL在膝屈10°等長伸膝測試時(shí)小于CON組(P＜0.05);在其他測試時(shí)無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 各組不同測試模式下VM/VL

2.3 VAS與 VM/VL(10°)的相關(guān)性 將 VAS與等長10°時(shí)的VM/VL結(jié)果進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,r=0.128,P＞0.05,不具有顯著性意義。

3 討論

3.1 啟動順序 在主動運(yùn)動時(shí),中樞神經(jīng)系統(tǒng)一般選擇最為恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動策略來執(zhí)行任務(wù)。導(dǎo)致運(yùn)動受限的一些因素,如肌力減退、因疼痛害怕活動等將會使肌肉協(xié)同與運(yùn)動模式發(fā)生適應(yīng)性改變。因此,在功能性運(yùn)動模式中,這種運(yùn)動反應(yīng)的差異就會明顯,也就是說股四頭肌的啟動順序可能存在任務(wù)特異性。因此,本研究選擇等速180°/s來測試股四頭肌3個肌群的啟動順序。

Akima等運(yùn)用功能核磁共振研究了健康人膝關(guān)節(jié)等速向心伸膝測試時(shí)股直肌、股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌的運(yùn)動單位募集特點(diǎn)和神經(jīng)肌肉代謝的關(guān)系,認(rèn)為:①股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌同時(shí)激活;②股直肌存在兩種不同的神經(jīng)肌肉代謝區(qū)[9]。推測股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌的啟動順序可能無明顯差異,也許股直肌可能會與股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌的啟動順序有分別。與上述結(jié)果相一致的一項(xiàng)研究顯示,健康人下樓時(shí)在老年組和青年組之間股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌啟動時(shí)間無顯著性差異(P＞0.05)。兩年齡組中股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌基本同時(shí)啟動,與其他學(xué)者在青年對照組[10]取得的結(jié)果一致。股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌共同啟動的原因可能是股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌對髕骨內(nèi)、外側(cè)有相互拮抗的作用,協(xié)調(diào)的收縮能夠確保股四頭肌收縮時(shí)髕骨在股骨滑車槽內(nèi)處于良好的位置。

與健康人結(jié)果不同,本研究顯示,等速180°/s伸膝測試中,膝骨關(guān)節(jié)炎患者的股內(nèi)側(cè)肌多數(shù)比股外側(cè)肌延遲啟動。Hinman[8]等發(fā)現(xiàn),膝骨關(guān)節(jié)炎患者在下樓梯過程中存在股外側(cè)肌活動開始的延遲(P＜0.05),而上樓梯時(shí)沒有顯著差異。上述兩研究結(jié)果相反可能與測試模式不同有關(guān)。本研究采用等速180°/s向心、開鏈運(yùn)動模式;而在Hinman研究中,下樓對于股四頭肌來說,更多是離心運(yùn)動。在離心運(yùn)動中,肌肉可能優(yōu)先募集Ⅱ型肌纖維[11],而向心運(yùn)動更多地優(yōu)先募集Ⅰ型纖維。健康人股內(nèi)側(cè)?、裥屠w維所占比例較高(52.1%),股外側(cè)肌Ⅰ型纖維所占比例較少(42.3%)[12]。膝骨關(guān)節(jié)炎患者由于選擇性Ⅱ型肌纖維萎縮,股內(nèi)側(cè)肌中的Ⅰ型纖維比例會更大,這樣,股內(nèi)側(cè)肌中Ⅰ型纖維更加占據(jù)主導(dǎo)地位;而股外側(cè)肌中也許有相對多的Ⅱ型肌纖維發(fā)揮作用。Ⅰ型纖維是慢肌纖維,Ⅱ型肌纖維是快肌,Ⅰ型纖維占主導(dǎo)地位的股內(nèi)側(cè)肌有可能延遲啟動。當(dāng)然,這還有待進(jìn)一步研究。

肌肉Ⅱ型纖維能夠更好地完成快速運(yùn)動的工作。雖然健康人股直肌的Ⅱ型肌纖維比例最高,股外側(cè)肌次之,股內(nèi)側(cè)肌最少[13],但仍能保持三者的平衡和協(xié)調(diào)收縮。然而,對于膝骨關(guān)節(jié)炎者,由于各種原因?qū)е碌募±w維萎縮和功能障礙,股內(nèi)側(cè)肌中的Ⅱ型纖維比例可能顯著少于股直肌和股外側(cè)肌,導(dǎo)致三個肌群之間收縮平衡的破壞,使股內(nèi)側(cè)肌在快速運(yùn)動中的啟動顯著延遲。

此外,疼痛也可能導(dǎo)致股四頭肌啟動順序的改變。髕下脂肪墊注射高滲鹽水所致的疼痛導(dǎo)致股內(nèi)側(cè)肌啟動的延遲(相對于股外側(cè)肌)[14]。但本研究顯示,VAS與等長10°時(shí)的VM/VL無關(guān)。

3.2 神經(jīng)肌電比率 膝骨關(guān)節(jié)炎中,髕股關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率較高。一項(xiàng)針對膝痛人群的放射學(xué)研究表明:脛股關(guān)節(jié)炎合并髕股關(guān)節(jié)炎最常見(40%,314/777),其次是單純髕股關(guān)節(jié)炎(24%,186/777),單純脛股關(guān)節(jié)炎僅占4%(31/777),其余32%影像學(xué)顯示正常(P＜0.001)[15]。在損傷、制動或手術(shù)等因素的影響下,股內(nèi)側(cè)肌是首先發(fā)生廢用性萎縮的肌肉[16]。在膝骨關(guān)節(jié)炎的患者中發(fā)現(xiàn),關(guān)節(jié)源性肌肉抑制和廢用性肌萎縮[17]常導(dǎo)致肌肉力量的減弱[18]。股內(nèi)側(cè)肌明顯萎縮是造成髕骨內(nèi)外側(cè)拉力不平衡的主要原因[19],也是股四頭肌在伸膝時(shí)會產(chǎn)生肌群間收縮不協(xié)調(diào)的主要原因。如果肌肉收縮不協(xié)調(diào),關(guān)節(jié)將可能超過其正常的移動極限,并且加大軟骨的負(fù)荷[20],從而加速膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病和進(jìn)程。

股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌的動力平衡對維持髕骨的最佳對線起重要作用[21]。VM/VL被認(rèn)為是作用在髕骨上內(nèi)側(cè)方和外側(cè)方的一個指標(biāo),也是募集改變和肌肉機(jī)能障礙的一個指標(biāo),能夠反映膝關(guān)節(jié)肌肉的協(xié)同作用,對了解日?；顒又邢ゲ考∪饣顒幽Ｊ椒浅Ｖ匾Ｊ褂肰M/VL能夠減少個體差異對結(jié)果的影響,較低的VM/VL被認(rèn)為是引起髕股疼痛綜合征的前提因素[22]。

Sakai的動物實(shí)驗(yàn)提示膝關(guān)節(jié)屈曲0°～15°范圍內(nèi),股內(nèi)側(cè)肌力弱可能引起了髕骨向外側(cè)滑動[23]。許多研究表明,股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌的平衡減退是導(dǎo)致髕骨異常牽拉的危險(xiǎn)因素之一[24-27]。Boucher發(fā)現(xiàn),Q角大于22°的髕前疼痛綜合癥患者VM/VL減小[28]。

本研究顯示,在等長10°伸膝時(shí),OA組的VM/VL低于CON組。這在一定程度上能解釋膝骨關(guān)節(jié)炎者合并髕股關(guān)節(jié)炎比率較高的現(xiàn)象,可能對膝骨關(guān)節(jié)炎者康復(fù)處方,尤其是肌力訓(xùn)練方案有意義。股四頭肌的力量訓(xùn)練是膝骨關(guān)節(jié)炎者的主要康復(fù)手段,有必要選擇性加強(qiáng)股四頭肌的力量以恢復(fù)髕骨的動力性穩(wěn)定。Laprade等證明,伸膝等長訓(xùn)練結(jié)合脛骨內(nèi)旋練習(xí)可以改善VM/VL[29]。Tang發(fā)現(xiàn),膝關(guān)節(jié)屈曲0°～60°范圍內(nèi)的閉鏈訓(xùn)練可以誘導(dǎo)出最大的股內(nèi)側(cè)肌激活[25]。這些康復(fù)方案的臨床效果仍需更大樣本研究來證實(shí)。

不過,本研究也顯示,等長 10°伸膝時(shí)的 VM/VL與疼痛無顯著相關(guān)。也許在一定程度上說明疼痛不一定是導(dǎo)致股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌動員失調(diào)的主要原因。但是,表面肌電信號會受到以下因素的影響:運(yùn)動方式、運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動性質(zhì)(靜力性、動力性)、肌肉收縮方式(離心收縮、向心收縮)、運(yùn)動時(shí)間、年齡、性別、所選肌肉和受試者自身?xiàng)l件等因素影響[30],有其本身不可避免的隨機(jī)性和局限性,尚難下定論。

目前,用sEMG判斷肌纖維類型的某些細(xì)節(jié)尚存爭議[31]。另外,年齡因素可能會對肌肉本身和神經(jīng)肌肉調(diào)控造成影響,從而影響肌肉的協(xié)調(diào)性,但是尚未見明確的研究報(bào)告。因此,本研究設(shè)計(jì)僅是橫斷面觀察相同年齡段的OA患者和健康人的差異。本研究小組也做了不同年齡段之間的健康人群的比較,希望課題結(jié)束后,能夠?qū)υ搯栴}有更為深入的理解。本研究所發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)還有待于更大樣本量、多中心、隨機(jī)前瞻研究進(jìn)一步證實(shí)。

膝骨性關(guān)節(jié)炎的炎癥、腫脹、疼痛、本體感覺減退等因素,可能引起神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對股四頭肌的控制策略的變化,也許誘導(dǎo)了肌纖維類型的轉(zhuǎn)化,造成股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌之間不同肌纖維類型的分布差異和選擇性Ⅱ型肌纖維萎縮等,最終導(dǎo)致膝骨關(guān)節(jié)炎側(cè)股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌的協(xié)調(diào)性減退。

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