膝骨關(guān)節(jié)炎患者登梯活動中下肢肌群肌電特征的研究進展

陳博　王薌斌　熊鳳　楊鳳嬌　傅升星　李鎮(zhèn)輝　喻嬌　陳劍

【摘 要】 膝骨關(guān)節(jié)炎患者在日常登梯活動中會因難度的增加，使下肢肌群出現(xiàn)異常的活化狀態(tài)和激活模式，表面肌電圖能客觀定量反映神經(jīng)肌肉的功能狀態(tài)，對膝骨關(guān)節(jié)炎患者的異常步態(tài)分析具有較高的應(yīng)用價值。從膝骨關(guān)節(jié)炎患者登梯活動中下肢神經(jīng)肌肉的肌電活動、活化狀態(tài)和共激活模式等方面闡述表面肌電在膝骨關(guān)節(jié)炎患者步態(tài)分析中的具體作用與價值。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎，膝;表面肌電圖;肌肉功能;綜述

膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）患者普遍存在肌力下降、肌力不平衡等神經(jīng)肌肉問題，下肢肌力下降是造成KOA患者關(guān)節(jié)負重增加、下肢力線異常、病情進展的危險因素，并且與患者身體功能密切相關(guān)[1-2]。相對于平地行走，KOA患者在登梯活動中需要更大的髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動范圍和肌肉力矩[3]。各種原因?qū)е翶OA患者步態(tài)異常，當面對登梯這種挑戰(zhàn)性更大的日常活動時，異常的步態(tài)模式更加明顯。步態(tài)障礙的病因及病理基礎(chǔ)中除了骨關(guān)節(jié)因素外，另一個就是神經(jīng)肌肉因素，探究KOA患者下肢神經(jīng)肌肉在登梯活動中的活化狀態(tài)和激活程度成為步態(tài)分析中不可或缺的一部分。

表面肌電圖（sEMG）作為非損傷性、多靶點檢測以及肌電信號特征變化與內(nèi)在生理病理改變一致性的手段，是康復(fù)醫(yī)學重要的檢測方法[4]。神經(jīng)肌肉是步行動力的源泉，神經(jīng)肌肉的問題與異常步態(tài)存在內(nèi)在聯(lián)系，sEMG是通過測量肌肉收縮過程中所產(chǎn)生的電信號來反映人體神經(jīng)肌肉活動特征的生物醫(yī)學信號[5]，由于其所攜帶的信息對肌肉協(xié)調(diào)和肌肉激活的解釋與分析十分重要[6]，近年被用來分析肌肉活動的特性。因此，在步態(tài)分析中加入sEMG可以對神經(jīng)肌肉進行量化，如神經(jīng)肌肉的募集程度，肌群的收縮程度與模式等，以實現(xiàn)更加精準的評測。sEMG的多通道測量特性，可以同步檢測主動肌、拮抗肌和協(xié)同肌的功能特性和相互間的貢獻度，使用表面肌電對KOA患者下肢肌群的肌電特征進行分析[7]，可以幫助探尋KOA患者日?；顒又猩窠?jīng)肌肉造成異常步態(tài)的原因。

1 KOA患者下肢肌群活動狀態(tài)

1.1 KOA患者日?；顒訒r下肢肌群的肌電活動 KOA患者有膝關(guān)節(jié)周圍肌肉功能下降和活動異常的現(xiàn)象。林穎等[8]研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者坐-站活動時下肢肌電分析得出股二頭肌與股外側(cè)肌群的收縮肌電振幅高于常人，提示對KOA患者應(yīng)從集中對股四頭肌的訓練轉(zhuǎn)變到對股四頭肌和腘繩肌的協(xié)同性訓練;也提示KOA患者其他日?；顒又锌赡芡瑯哟嬖谙轮∪荷窠?jīng)肌肉的異常情況。有研究發(fā)現(xiàn)，KOA患者患側(cè)股二頭肌和股外側(cè)肌在做最大等長收縮和下蹲時肌電振幅均值小于健側(cè)，腘繩肌激活程度比率高于健側(cè)[9]，多表現(xiàn)為相應(yīng)肌肉積分肌電值（iEMG）和肌電均方根值（RMS）下降，RMS股二頭肌（BF）/股外側(cè)?。╒L）、RMS BF/BFmax比值增高。這可能是由于快收縮纖維運動單位的萎縮和功能下降導致股外側(cè)?。á蛐屠w維所占比利較高）激活下降，而股二頭肌代償性增加伸髖募集活動來穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。SANCHEZ-RAMIREZ等[10]在對KOA患者登梯下肢生物力學和神經(jīng)肌肉的研究中認為，登梯活動中KOA患者神經(jīng)肌肉更多的肌電活動是為了在登梯過程中的承重期穩(wěn)定關(guān)節(jié)，以此對抗KOA患者關(guān)節(jié)松弛的現(xiàn)象，并且隨著KOA的進展，膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩峰值、膝關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值都在不斷增加，這表明關(guān)節(jié)間壓力與肌電活動呈正相關(guān)。

1.2 KOA患者登梯活動中下肢肌群活化狀態(tài) 上下臺階較平地行走時下肢支撐時相更長，需要更大的肌力和關(guān)節(jié)控制能力，同時登梯活動時需要更大的關(guān)節(jié)屈曲角度，也產(chǎn)生更大的骨間壓力。上下臺階時KOA患者會有不同于常人的下肢肌群收縮模式，故KOA患者在登梯過程中的功能活動異常會更明顯地體現(xiàn)出來，可能會帶來異常的步態(tài)模式。KOA患者普遍感覺上下臺階較平地行走關(guān)節(jié)疼痛更加明顯，行動更加困難。KOA患者登梯時下肢肌群的激活時序可能是異常步態(tài)模式神經(jīng)肌肉的內(nèi)在因素[11]。LEWEK等[12]研究KOA患者的步態(tài)和下肢肌群表面肌電特征發(fā)現(xiàn)，KOA患者不僅存在額狀面上的關(guān)節(jié)不穩(wěn)，而且下肢股直肌-腓腸肌的協(xié)同收縮較正常人明顯增加，提示KOA患者存在特定的下肢肌群活化模式。HUBLEY-KOZEY等[13]研究43例KOA患者在膝關(guān)節(jié)置換前1周和置換后1年下肢步行時肌肉活化情況，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)置換后患者大腿前后肌群的肌電波幅整體降低，支撐相中晚期肌肉激活減少，而腓腸肌在支撐相后期激活明顯增加，從而證實了膝關(guān)節(jié)置換后下肢肌肉的激活模式更加接近正常人在步態(tài)周期中的激活方式。

2 KOA患者下肢肌群共同激活模式

2.1 肌肉共同激活理論 肌肉共同激活（muscle co-activation）指關(guān)節(jié)周圍不同肌肉的同步活動[14]。肌肉共同激活（即同時協(xié)調(diào)主動肌和拮抗肌或關(guān)節(jié)周圍其他肌群如內(nèi)外側(cè)肌群的共同收縮）被認為是維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定、負荷分布和運動控制的主要機

制[15-16]。肌肉激活由兩種主要機制控制：基于認知控制的前饋和對關(guān)節(jié)感受器（機械感受器、本體感受器）的反饋響應(yīng)[17]。在KOA患者中，已經(jīng)確定了兩種肌肉共激活策略。整體肌肉共激活被認為是關(guān)節(jié)周圍所有肌肉組合的高肌肉共激活[18]，即主動肌與拮抗肌、內(nèi)側(cè)肌群和外側(cè)肌群的同時激活。選擇性肌肉共激活涉及特定但不是所有肌肉組合中的高肌肉共激活，如只有主動肌和拮抗肌的共激活或只有內(nèi)側(cè)肌群和外側(cè)肌群的共激活，但不可能兩者同時[19]。肌肉共激活與關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性緊密相關(guān)[20]。在KOA患者中，高水平的肌肉共激活被認為是在缺乏足夠的來自被動約束系統(tǒng)（如韌帶越來越松弛）的穩(wěn)定性情況下穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，整體肌肉共激活是當肢體最不穩(wěn)定時采用的策略，在更脆弱的位置，需要主動肌和拮抗肌、內(nèi)外側(cè)肌群等肌群的同時激活以穩(wěn)定關(guān)節(jié)，該策略中拮抗肌的激活會使關(guān)節(jié)僵硬程度增加，帶來的不利后果就是關(guān)節(jié)之間壓力增大，反而加速對關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的破壞，成為KOA疾病進展的危險因素[21]。在行走過程中，KOA患者在下肢前后、內(nèi)外側(cè)的肌肉組合中肌肉共激活的情況高于對照組[22-23]，所以對于KOA患者下肢肌群共同激活模式的研究才能確定它對患者登梯活動時異常步態(tài)的影響。

2.2 KOA患者登梯活動時肌肉共同激活模式 肌肉共同激活在步態(tài)分析中已有相關(guān)研究報道[24]。MILLS等[25]在其系統(tǒng)性評價中指出，選擇性的肌肉共激活是在分擔膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室的負荷。在相同的活動中，KOA患者在所有肌肉組合中表現(xiàn)出高或低的肌肉共同活動。隨著年齡的增加和與KOA相關(guān)的關(guān)節(jié)間隙變窄的增加，被動約束（例如韌帶）變得越來越松弛。內(nèi)側(cè)間隙狹窄的KOA患者則需要再進行功能活動時股內(nèi)側(cè)肌提供更大的肌力，更高的拮抗劑肌肉激活被認為會增加關(guān)節(jié)僵硬度，然而，采用保持正常運動策略的能力會因肌肉無力而喪失。因此，肌肉共激活策略的改變可以嘗試并適應(yīng)這種缺乏關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。在步態(tài)行走過程中，健康人主動肌和拮抗肌的肌肉共同激活被認為是提高運動效率的激活模式，但在有神經(jīng)肌肉問題的情況下這是一種異常的策略，雖能提高穩(wěn)定性和精確度，但是運動效率無法進一步提高[26]。所以，對KOA患者特定的肌肉共激活模式的研究是十分必要的。在步態(tài)周期中，不同時相肌肉的共激活都有所不同，可能是為了穩(wěn)定關(guān)節(jié)，也可能是為了驅(qū)動身體前進，但無論是哪種激活模式都是為了關(guān)節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)達到最佳。韓新祚等[7]研究關(guān)于KOA患者上臺階時膝關(guān)節(jié)周圍神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)性與骨關(guān)節(jié)功能的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)KOA患者股外側(cè)肌最大振幅及最大振幅均值較股內(nèi)側(cè)肌明顯增大，并認為股四頭肌和腘繩肌的共同激活是為了協(xié)調(diào)運動以穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。MOKHTARZADEH等[27]在一項研究中發(fā)現(xiàn)，當做著陸動作時，膝關(guān)節(jié)周圍肌肉的共同激活是為了通過提升內(nèi)力來減小過量的地面反作用力。SMITH等[21]認為，KOA患者在更具挑戰(zhàn)性的活動如登梯活動中，肌肉的共同激活率更高，特別是當關(guān)節(jié)接受負荷時，下肢內(nèi)側(cè)與下肢外側(cè)肌肉協(xié)同活動高于腘繩肌與股四頭肌，因此下肢內(nèi)側(cè)與下肢外側(cè)肌肉協(xié)同活動被認為是一種穩(wěn)定機制，而腘繩肌與股四頭肌協(xié)同活動對膝關(guān)節(jié)屈曲力矩有反應(yīng)，這表明不同的肌肉組合可能在響應(yīng)關(guān)節(jié)需求方面有不同的作用。CHILDS等[28]在研究下梯的過程中發(fā)現(xiàn)，KOA患者的脛前肌和腘繩肌的共激活比正常人高。但是HORTOB?GYI等[29]做的研究中并沒有發(fā)現(xiàn)KOA患者與正常人在登梯活動時腘繩肌和股四頭肌肌肉共同收縮有所不同，只有在活動的進一步分組時才表現(xiàn)出肌肉共激活的情況。

3 康復(fù)訓練指導與療效評價

sEMG的客觀數(shù)據(jù)提示，康復(fù)干預(yù)不僅應(yīng)重視相關(guān)肌肉肌力的增強訓練，而且還應(yīng)該重視改善膝關(guān)節(jié)前后、內(nèi)外側(cè)肌肉平衡協(xié)調(diào)功能的訓練，這對緩解膝關(guān)節(jié)疼痛和減少患者功能限制非常有意義[30]。有學者利用sEMG實時記錄KOA患者不同活動狀態(tài)下的股內(nèi)側(cè)?。╒M）和VL活動情況，結(jié)合年齡等基礎(chǔ)信息，制定更合理、更個性化的適宜運動處方[31]。KOA患者在登梯活動中，由于挑戰(zhàn)難度的增加導致的關(guān)節(jié)疼痛可以通過肌電振幅更加具體地展示出來，康復(fù)干預(yù)后肌電的再次評估對訓練方案的合理性具有指導意義。肌電信號客觀準確地給予雙側(cè)下肢主動肌與拮抗肌協(xié)同收縮率的變化，對個性化康復(fù)訓練制定有很大幫助。KOA患者在登梯活動時異常的激活模式本質(zhì)上是人體的自我調(diào)整以應(yīng)對挑戰(zhàn)，不論是激活不足還是高激活狀態(tài)都可以具體到相應(yīng)的肌肉并通過sEMG呈現(xiàn)出來，康復(fù)訓練方案的制定則更加科學、客觀。另外，在登梯活動中加入肌電信號頻域指標則可以檢測登梯活動中相應(yīng)肌肉的疲勞度，可針對性地進行肌肉耐力的訓練，而肌電時域相關(guān)指標則可以根據(jù)登梯活動中下肢肌群的募集和放電程度針對性地進行肌肉力量訓練?？傊?，KOA患者登梯的肌電特征就是最客觀、真實的康復(fù)指導報告。

4 展 望

綜上所述，sEMG對于KOA患者登梯活動中下肢肌群肌電特征分析的作用是值得肯定的，但是目前全面分析KOA患者下肢肌群登梯活動中肌肉活化狀態(tài)和共同激活模式分析的研究較少。KOA患者在登梯活動中，下肢神經(jīng)肌肉在步態(tài)周期中可能有區(qū)別于正常人的激活時間、活化狀態(tài)，不僅表現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)周圍的肌群，也可能涉及髖、踝關(guān)節(jié)周圍相關(guān)肌群。KOA患者在完成登梯活動時，可能會有不同的肌肉活動狀態(tài)，通過對登梯活動中KOA患者下肢異常肌肉功能狀態(tài)和激活模式進行肌電評估分析，對KOA患者下肢神經(jīng)肌肉狀態(tài)提供科學依據(jù)，可以為KOA患者的康復(fù)臨床設(shè)計與肌群相關(guān)的治療方案提供客觀依據(jù)。

5 參考文獻

[1] WOOD LRJ，BLAGOJEVIC-BUCKNALL M，STYNES S，et al.Impairment-targeted exercises for older adults with knee pain：a proof-of-principle study（TargET-Knee-Pain）[J].BMC Musculoskeletal Disorders，2016，17（1）：47.

[2] 謝秋蓉，江征，羅慶祿.正常人群中股四頭肌肌電圖的均方根和肌肉等長收縮力矩的關(guān)系[J].康復(fù)學報，2016，26（3）：25-28.

[3] NOVAK AC，BROUWER B.Sagittal and frontal lower limb joint moments during stair ascent and descent in young and older adults[J].Gait Posture，2011，33（1）：54-60.

[4] 勵建安，孟殿懷.步態(tài)分析的臨床應(yīng)用[J].中華物理醫(yī)學與康復(fù)雜志，2006，32（7）：500-503.

[5] REAZ MB，HUSSAIN MS，MOHD-YASIN F.Techniques of EMG signal analysis： detection，processing，classification and applications[J].Biol Proced Online，2006，8（1）：11-35.

[6] CARIUS D，KUGLER P，KUHWALD HM，et al.Absolute and relative intrasession reliability of surface EMG variables for voluntary precise forearm movements[J].J Electromyogr Kinesiol，2015，25（6）：860-869.

[7] 韓新祚，劉克敏.膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者上臺階時膝伸屈肌的表面肌電信號研究[C]//第五屆北京國際康復(fù)論壇，2010：997-1004.

[8] 林穎，王薌斌，陳菁華，等.膝骨性關(guān)節(jié)炎患者坐-站活動時的表面肌電圖研究[J].按摩與康復(fù)醫(yī)學，2015，6（6）：13-16.

[9] SHARMA L，DUNLOP DD，CAHUE S，et al.Quadriceps Strength and Osteoarthritis Progression in Malaligned and Lax Knees[J].Ann Intern Med，2003，138（8）：613-619.

[10] SANCHEZ-RAMIREZ DC，MALFAIT B，BAERT I，et al.Biomechanical and neuromuscular adaptations during the landing phase of a stepping-down task in patients with early or established knee osteoarthritis[J].Knee，2016，23（3）：367-375.

[11] 肇剛.膝骨關(guān)節(jié)炎的影像學和階梯治療的系列研究[D].北京：中國人民解放軍醫(yī)學院，2015.

[12] LEWEK MD，RUDOLPH KS，SNYDER-MACKLER L.Control of frontal plane knee laxity during gait in patients with medial compartment knee osteoarthritis[J].Osteoarthritis Cartilage，2004，12（9）：745-751.

[13] HUBLEY-KOZEY CL，HATFIELD GL，ASTEPHEN WJ，et al.Alterations in neuromuscular patterns between pre and one-year post-total knee arthroplasty[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2010，25（10）：995-1002.

[14] KELLIS E，ARABATZI F，PAPADOPOULOS C.Muscle co-activation around the knee in drop jumping using the co-contraction index[J].J Electromyogr Kinesiol，2003，13（3）：229-238.

[15] CHILDS JD，SPARTO PJ，F(xiàn)ITZGERALD GK，et al.Alterations in lower extremity movement and muscle activation patterns in individuals with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2004，19（1）：44-49.

[16] WINBY CR，GERUS P，KIRK TB，et al.Correlation between EMG-based co-activation measures and medial and lateral compartment loads of the knee during gait[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2013，28（9-10）：1014-1019.

[17] HOPKINS JT，INGERSOLL CD.Arthrogenic Muscle inhibition：A Limiting Factor in Joint Rehabilitation[J].Journal of Sport Rehabilitation，2000，9（2）：135-159.

[18] LLOYD DG，BUCHANAN TS.Strategies of muscular support of varus and valgus isometric loads at the human knee[J].J Biomech，2001，34（10）：1257-1267.

[19] TENNANT LM，MALY MR，CALLAGHAN JP，et al.Analysis of muscle activation patterns during transitions into and out of high knee flexion postures[J].J Electromyogr Kinesiol，2014，24（5）：711-717.

[20] 賈誼，薛瑞婷，魏亮.人體快速起跳動作的下肢表面肌電信號特征研究[J].中國體育科技，2017，53（2）：64-70.

[21] SMITH SL，ALLAN R，MARREIROS SP，et al.Muscle Co-Activation Across Activities of Daily Living in Individuals With Knee Osteoarthritis[J].Arthritis Care Res（Hoboken），2019，71（5）：651-660.

[22] HORTOBAGYI T，WESTERKAMP L，BEAM S，et al.Altered hamstring-quadriceps muscle balance in patients with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2005，20（1）：97-104.

[23] METCALFE AJ，STEWART C，POSTANS N，et al.The effect of osteoarthritis of the knee on the biomechanics of other joints in the lower limbs[J].Bone Joint J，2013，95-B（3）：348-353.

[24] SOUISSI H，ZORY R，BREDIN J，et al.Comparison of methodologies to assess muscle co-contraction during gait[J].J Biomech，2017，57（1）：141-145.

[25] MILLS K，HUNT MA，LEIGH R，et al.A systematic review and meta-analysis of lower limb neuromuscular alterations associated with knee osteoarthritis during level walking[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2013，28（7）：713-724.

[26] BUSSE ME，WILES CM，DEURSEN RWMV.Muscle co-activation in neurological conditions[J].Physical Therapy Reviews，2005，10（4）：247-253.

[27] MOKHTARZADEH H，YEOW CH，GOH J，et al.Antagonist muscle co-contraction during a double-leg landing maneuver at two heights[J].Comput Methods Biomech Biomed Engin，2017，20（13）：1382-1393.

[28] CHILDS JD，SPARTO PJ，F(xiàn)ITZGERALD GK，et al.Alterations in lower extremity movement and muscle activation patterns in individuals with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2004，19（1）：44-49.

[29] HORTOB?GYI T，WESTERKAMP L，BEAM S，et al.Altered hamstring-quadriceps muscle balance in patients with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2005，20（1）：97-104.

[30] AL-JOHANI AH，KACHANATHU SJ，RAMADAN HA，et al.Comparative study of hamstring and quadriceps strengthening treatments in the management of knee osteoarthritis[J].J Phys Ther Sci，2014，26（6）：817-820.

[31] HOWE TE，RAFFERTY D.Quadriceps activity and physical activity profiles over long durations in patients with osteoarthritis of the knee and controls[J].J Electromyogr Kinesiol，2009，19（2）：e78-e83.

收稿日期：2019-03-23;修回日期：2019-05-05