股四頭肌常用康復(fù)訓(xùn)練動作的表面肌電分析

白雪樺,楊賢罡

（1.河北師范大學(xué) 體育學(xué)院,河北 石家莊050024；2.河北省體育科學(xué)研究所,河北 石家莊050011）

膝關(guān)節(jié)是運(yùn)動損傷的好發(fā)關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)損傷后局部出現(xiàn)疼痛、腫脹等癥狀,產(chǎn)生保護(hù)性肌肉抑制,進(jìn)而造成肌肉的廢用性萎縮,肌力下降,膝關(guān)節(jié)功能障礙等,嚴(yán)重影響患者的日常生活?？祻?fù)訓(xùn)練是膝關(guān)節(jié)損傷后的常用治療方式之一,可促進(jìn)下肢血液循環(huán),防止肌肉萎縮,提高患者膝關(guān)節(jié)力量,增加膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性等,在骨關(guān)節(jié)炎、髕股關(guān)節(jié)疼痛、半月板損傷的治療或膝關(guān)節(jié)術(shù)后康復(fù)中均取得良好效果[1-3]。股四頭肌是膝關(guān)節(jié)的唯一伸膝肌,對膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用,因此被認(rèn)為是康復(fù)訓(xùn)練的重點(diǎn)。股四頭肌由股內(nèi)側(cè)?。╲astus medialis obliquus,VMO）、股外側(cè)?。╒astus lateralis,VL）、股中間?。╲astus internus,VI）和股直?。╮ectus femoris,RF）4部分組成。當(dāng)膝關(guān)節(jié)發(fā)生不同損傷時(shí),患者在運(yùn)動過程中可能會出現(xiàn)股四頭肌不同部分差異性激活的現(xiàn)象[4],如有研究發(fā)現(xiàn)髕股關(guān)節(jié)疼痛患者相比健康人群在進(jìn)行下樓梯、下蹲等活動時(shí)會出現(xiàn)股內(nèi)側(cè)肌激活程度減小,股外側(cè)肌發(fā)力增加的現(xiàn)象；同樣的現(xiàn)象也存在于髕腱末端病患者當(dāng)中[5]。同時(shí),股四頭肌差異性激活也可能是引起膝關(guān)節(jié)疼痛的主要原因[6]。因此對不同膝關(guān)節(jié)疾病患者應(yīng)選擇適合的康復(fù)訓(xùn)練動作進(jìn)行針對性干預(yù)[7]。

表面肌電測試（surface electromyography,sEMG）廣泛應(yīng)用于人體肌肉活動情況的研究中。表面肌電信號是神經(jīng)沖動傳導(dǎo)至肌肉導(dǎo)致肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的可傳導(dǎo)至皮膚表面的生物電信號,當(dāng)神經(jīng)肌肉活動導(dǎo)致肌肉收縮時(shí),信號可通過表面肌電測試系統(tǒng)在皮膚表面收集并進(jìn)行分析,可一定程度上反應(yīng)局部肌肉激活水平、疲勞程度與收縮形式等[8]。在目前將表面肌電應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練動作的研究中,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)閉鏈運(yùn)動比開鏈運(yùn)動能更好地促進(jìn)股四頭肌的平衡發(fā)力[9]。而國內(nèi)目前尚無針對臨床上常用的康復(fù)訓(xùn)練動作的肌肉發(fā)力情況進(jìn)行綜合對比的研究。因此,本實(shí)驗(yàn)采用表面肌電測試技術(shù),對目前臨床常用的5種股四頭肌康復(fù)訓(xùn)練動作中肌肉發(fā)力情況進(jìn)行對比分析,旨在為膝關(guān)節(jié)不同損傷類型患者的康復(fù)訓(xùn)練中選擇適合的訓(xùn)練動作提供一定的可參考依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

2020年5 月于石家莊德瑞運(yùn)動康復(fù)醫(yī)療中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),共招募14名受試者參與本次研究,其中男性8例,女性6例,年齡18至37歲,平均年齡（26.64±6.01）歲。所有受試者均身體健康,實(shí)驗(yàn)前24h內(nèi),未參加劇烈運(yùn)動,不存在肌肉疲勞狀況。受試者均自愿參與本次實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均完全知情。受試者基本信息見表1。

表1 受試者基本情況表

1.2 研究方法

1.2.1 測試準(zhǔn)備

本研究采用Trigno型無線遙測表面肌電測試系統(tǒng)（Delsys,美國）對表面肌電信號進(jìn)行采集。選擇受試者優(yōu)勢腿進(jìn)行測試,選取股四頭肌中股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股直肌為肌電主要測試肌肉。測試前首先對受試者皮膚進(jìn)行處理,剔除汗毛,使用75%醫(yī)用酒精擦拭皮膚,用棉球擦拭各肌肉電極位點(diǎn)及其周圍的液體。將電極延肌肉方向貼于各肌肉肌腹處。具體電極位置如下[10]:1）股內(nèi)側(cè)?。弘姌O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?。弘姌O片置于大腿前側(cè),髕骨上緣與髂前上棘連線的中點(diǎn)。3）股外側(cè)?。弘姌O片置于髕骨外上角到髂前上棘距離的1/10的位置,兩電極片連線與股骨長軸成15°夾角。

1.2.2 測試步驟

正式實(shí)驗(yàn)前,由實(shí)驗(yàn)組織者告知測試者實(shí)驗(yàn)?zāi)康募安襟E,對5種康復(fù)運(yùn)動方式進(jìn)行充分的熟悉,能正確完成動作,要求動作連貫自然。受試者在測試前進(jìn)行2min準(zhǔn)備活動。

受試者首先進(jìn)行最大自主等長收縮測試（Maximum Voluntary Contraction,MVC）[11]。受試者取坐位,保持屈髖屈膝60°,測試過程中以非彈性綁帶固定骨盆與小腿處,所有受試者進(jìn)行3次全力伸膝,每次維持5s的最大自主等長收縮,確定MVC肌電數(shù)據(jù)。

受試者休息30min后進(jìn)行康復(fù)動作測試,康復(fù)動作依據(jù)發(fā)力形式不同可分為動力性動作與靜力性動作,動力性動作包括直腿抬高、短弧伸膝、坐位伸膝；靜力性動作包括股四頭肌靜力收縮和靜蹲[12]。測試動作說明如下：

1）股四頭肌靜力收縮：仰臥位,膝關(guān)節(jié)伸直,進(jìn)行股四頭肌靜力收縮。

2）直腿抬高：仰臥位,膝關(guān)節(jié)伸直,抬離床面至30°,而后緩慢下落。

3）短弧伸膝：仰臥位,在測試腿膝關(guān)節(jié)下方放置訓(xùn)練板,使膝關(guān)節(jié)呈60°,固定大腿不動,緩慢伸膝抬起小腿至膝關(guān)節(jié)完全伸直,而后緩慢下落。

4）坐位伸膝：坐位,將腘窩貼住椅子以固定大腿,膝關(guān)節(jié)呈90°,緩慢抬起小腿至完全伸膝,而后緩慢下落。

5）靜蹲：站立位背靠墻,緩慢下蹲屈膝至膝關(guān)節(jié)呈45°,做半蹲狀。

5個動作的先后順序采用抽簽方式生成。為保證肌電測試時(shí)間統(tǒng)一,所有動作每次均以5s完成。其中靜力性動作持續(xù)5s,動力性動作采取發(fā)力2s,還原3s的方式進(jìn)行測試。每個動作重復(fù)3次。受試者完成一個動作的測試后,經(jīng)過2min的休息后接著進(jìn)行下一種動作測試。

1.2.3 表面肌電信號處理

獲得的表面肌電數(shù)據(jù)使用EMG server分析軟件進(jìn)行處理。將原始肌電信號經(jīng)過濾波（20～400Hz）、整流處理后,計(jì)算每塊肌肉的積分肌電值（integrated electromyogram,iEMG）,使用MVC測試數(shù)據(jù)對各康復(fù)動作肌電信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（%MVC）,使用重復(fù)3次動作的iEMG相對值的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[11]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,正態(tài)分布數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±SD）表示。由于5種康復(fù)訓(xùn)練方式肌肉收縮形式不同,因此僅將VMO∶VL指標(biāo)進(jìn)行所有康復(fù)動作比較,而后分別比較動力性動作與靜力性動作中不同肌肉的發(fā)力程度。VMO∶VL值與3種動力性動作采用重復(fù)測量方差分析；2種靜力性動作采用配對樣本T檢驗(yàn),分析不同康復(fù)動作對受試者股四頭肌肌肉活動的影響。以p＜0.05為顯著性差異,p＜0.01為非常顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 康復(fù)訓(xùn)練的發(fā)力平衡

表2與圖1顯示5種膝關(guān)節(jié)康復(fù)動作中股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌肌肉發(fā)力程度比值的變化。靜蹲股四頭肌VMO∶VL值最高,直腿抬高最低。靜蹲、靜力收縮與坐位伸膝動作VMO∶VL值大于1；短弧伸膝與直腿抬高訓(xùn)練VMO∶VL值小于1。

結(jié)果顯示,Wilks’Lambda=0.268,F（4,10）=6.82,p＜0.01,表明5種康復(fù)動作中的發(fā)力平衡存在非常顯著性差異。事后檢驗(yàn)顯示靜蹲與直腿抬高、短弧伸膝存在顯著性差異（p＜0.05,p＜0.05）；靜力性收縮與短弧訓(xùn)練存在顯著性差異（p＜0.05）,其他動作間無顯著差異（p＞0.05）。

表2 不同康復(fù)訓(xùn)練的發(fā)力平衡比較

圖1 不同康復(fù)訓(xùn)練的發(fā)力平衡圖

2.2 動力性動作股四頭肌發(fā)力程度

表3與圖2顯示不同動力性康復(fù)動作所有測試肌肉的iEMG值的變化。結(jié)果顯示3種動力性動作中股直肌發(fā)力程度存在顯著性差異,F（2,12）=13.23,p＜0.01；而股內(nèi)側(cè)肌F（2,12）=1.91,p＞0.05,股外側(cè)肌F（2,12）=6.24,p＞0.05,顯示3種訓(xùn)練中股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌不存在顯著性差異。事后檢驗(yàn)結(jié)果顯示直腿抬高訓(xùn)練股直肌發(fā)力與其他兩動作存在非常顯著差異性（p＜0.01,p＜0.01）。

表3 動力性康復(fù)訓(xùn)練相對iEMG值

圖2 動力性動作股四頭肌發(fā)力程度

2.3 靜力性動作股四頭肌發(fā)力程度

表4顯示兩種靜力性康復(fù)動作所有測試肌肉的iEMG值的變化。本研究結(jié)果顯示,靜力性動作中,股直肌與股外側(cè)肌肌肉發(fā)力情況存在顯著性差異（p＜0.05）,而股內(nèi)側(cè)肌不存在顯著性差異（p＞0.05）。

表4 靜力性康復(fù)訓(xùn)練相對iEMG值

圖3 靜力性動作股四頭肌發(fā)力程度

3 討論

膝關(guān)節(jié)是人體下肢的主要負(fù)重關(guān)節(jié),在運(yùn)動中其穩(wěn)定性有賴于膝關(guān)節(jié)周圍肌肉,股四頭肌作為膝關(guān)節(jié)唯一的伸膝肌,在膝關(guān)節(jié)的動態(tài)穩(wěn)定性方面具有至關(guān)重要的作用。骨骼肌具有快速適應(yīng)外界環(huán)境變化的特點(diǎn),在較強(qiáng)機(jī)械力的作用下表現(xiàn)為相應(yīng)的肥大,而在制動、固定及失重狀態(tài)下則表現(xiàn)為相應(yīng)的肌肉萎縮,導(dǎo)致肌力、耐力減退等功能性變化[4]。膝關(guān)節(jié)損傷后,由于活動減少,患者股四頭肌存在不同程度的肌力下降。當(dāng)股四頭肌力量下降時(shí),會造成關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低,在運(yùn)動過程中極易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)新的急性損傷,惡性循環(huán)。不僅如此,因無法維持膝關(guān)節(jié)各組織間的相對穩(wěn)定,組織間長期產(chǎn)生異常摩擦也容易引起一些慢性的勞損,如滑膜炎、髕骨軟化、骨性關(guān)節(jié)炎等。因此恢復(fù)膝關(guān)節(jié)損傷患者股四頭肌的力量十分重要。目前常用于臨床的股四頭肌康復(fù)訓(xùn)練中,依據(jù)肌肉收縮形式的不同,可分為動力性訓(xùn)練與靜力性訓(xùn)練。靜力性訓(xùn)練為通過長時(shí)間的等長收縮以刺激肌肉,常見訓(xùn)練包括股四頭肌靜力收縮、靜蹲等,多用于康復(fù)初期或膝關(guān)節(jié)屈伸會引起癥狀加重的患者。動力性訓(xùn)練中肌肉通過向心與離心收縮的方式進(jìn)行訓(xùn)練,常見訓(xùn)練包括短弧伸膝、坐位伸膝、直腿抬高等,多用于需要提高膝關(guān)節(jié)主動伸膝能力患者。

表面肌電指標(biāo)可分為時(shí)域指標(biāo)與頻域指標(biāo)[13]。時(shí)域分析指標(biāo)主要觀察肌肉收縮過程中募集的肌電程度的大小,即肌電信號的振幅特征,反映運(yùn)動單位募集數(shù)量的變化[8]。iEMG值是目前常用的時(shí)域指標(biāo)之一,指表面肌電圖單位時(shí)間內(nèi)整流波的面積,可以反映單位時(shí)間內(nèi)骨骼肌放電總量和肌力的變化,在運(yùn)動系統(tǒng)傷病評定過程中有非常重要的價(jià)值[5]。本研究通過對股四頭肌,重點(diǎn)對股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股外側(cè)肌在進(jìn)行靜蹲、靜力收縮、短弧伸膝、直腿抬高以及坐位伸膝等5種不同運(yùn)動形式的康復(fù)訓(xùn)練的iEMG信號進(jìn)行采集與分析,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)力平衡方面,靜蹲、靜力收縮與坐位伸膝動作發(fā)力平衡值大于1,短弧伸膝與直腿抬高訓(xùn)練發(fā)力平衡值小于1,但5種康復(fù)訓(xùn)練動作中靜蹲訓(xùn)練發(fā)力平衡明顯優(yōu)于短弧伸膝與直腿抬高,靜力性收縮優(yōu)于短弧伸膝,顯示坐位伸膝與兩種靜力性訓(xùn)練對于股四頭肌平衡發(fā)力更好；3種動力性動作中,直腿抬高動作股直肌發(fā)力高于短弧伸膝與坐位伸膝,在刺激股直肌方面效果更好；2種靜力性動作中股四頭肌靜力性收縮股直肌與股外側(cè)肌發(fā)力程度高于45°靜蹲,對肌肉刺激效果更佳。

康復(fù)訓(xùn)練的目的是以增加膝關(guān)節(jié)力量為主。不同康復(fù)訓(xùn)練動作對肌肉的刺激作用也存在差異。Irish[11]通過對比靜蹲、坐位伸膝與弓步蹲等3種訓(xùn)練動作,發(fā)現(xiàn)靜蹲訓(xùn)練刺激股內(nèi)側(cè)肌效果優(yōu)于坐位伸膝與弓步蹲,坐位伸膝和靜蹲訓(xùn)練刺激股外側(cè)肌效果優(yōu)于弓步蹲。本研究結(jié)果顯示,短弧收縮、直腿抬高以及坐位伸膝3項(xiàng)動力性動作中,對于股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌的刺激程度基本相同。而直腿抬高對股直肌的激活程度顯著高于其他兩項(xiàng)。不同于股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌,股直肌起自髂前下棘和髖臼上方,跨過髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié),屬于雙關(guān)節(jié)肌,在伸膝的同時(shí)還具有屈髖的功能。而直腿抬高是在股四頭肌發(fā)力維持伸膝的同時(shí)進(jìn)行屈髖運(yùn)動,因此對股直肌有更好的刺激作用。在兩項(xiàng)靜力性動作中,結(jié)果顯示在進(jìn)行靜力收縮時(shí)股直肌與股外側(cè)肌的肌肉發(fā)力程度高于靜蹲,而股內(nèi)側(cè)肌發(fā)力不存在差異。這是由于在股四頭肌靜力收縮過程中,患者采用全力的方式進(jìn)行股四頭肌收縮,肌纖維得到了更高的動員。而在靜蹲過程中,患者膝關(guān)節(jié)僅需要使用維持身體的姿勢,因此發(fā)力較小。

肌纖維的活動依賴于神經(jīng)信息的驅(qū)動,在膝關(guān)節(jié)損傷后,股四頭肌不僅出現(xiàn)肌力下降,肌肉的激活也會發(fā)生障礙,即肌肉不能啟動所有的運(yùn)動單位或從啟動的運(yùn)動單位中不能獲得最大放電率?？赡苁且蛳リP(guān)節(jié)損傷后異常的傳入信息改變了γ神經(jīng)對肌肉紡錘體的驅(qū)動[14],影響了脊髓或更高水平中樞對股四頭肌的運(yùn)動神經(jīng)元池的興奮驅(qū)動,引起了肌肉的抑制[15]。就股四頭肌而言,具體表現(xiàn)為VMO與VL的差異性激活。在股四頭肌的肌群中,VMO和VL是相互協(xié)同又互為拮抗的兩塊肌肉,股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌的肌力平衡,對髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力分布和髕骨運(yùn)動軌跡有非常大的影響。股內(nèi)斜肌和股外側(cè)肌在肌力、激發(fā)順序等方面的異常均可能導(dǎo)致兩者的不平衡狀態(tài),影響髕骨活動軌跡,進(jìn)而導(dǎo)致伸膝裝置的功能異常[16]。如Mirzaie等[17]通過對比健康人群與髕骨關(guān)節(jié)疼痛患者在進(jìn)行功能性動作時(shí)的下肢表面肌電情況,結(jié)果表明髕股關(guān)節(jié)綜合征患者在運(yùn)動中股內(nèi)側(cè)肌激活程度小于股外側(cè)肌。VMO和VL的iEMG比值（VMO∶VL）是衡量股內(nèi)斜肌/股外側(cè)肌之間肌力平衡狀況的重要指標(biāo)[11]。當(dāng)VMO∶VL值等于或大于1時(shí)有利于髕骨關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定[18]。因此有學(xué)者提出在康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)重視訓(xùn)練動作肌肉發(fā)力平衡情況,而針對不同損傷后出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的股四頭肌各部分萎縮與激活差異進(jìn)行針對性訓(xùn)練[7]?？娖嫉萚19]對下肢開鏈運(yùn)動與閉鏈運(yùn)動對股四頭肌中股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌的練習(xí)平衡性的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示坐位伸膝中股外側(cè)肌與股內(nèi)側(cè)肌比值大于雙足下蹲,且大于1,雙足半蹲動作更接近膝關(guān)節(jié)的發(fā)力平衡,認(rèn)為屈膝時(shí)的閉鏈運(yùn)動能夠更有選擇性地激發(fā)股內(nèi)側(cè)肌。而在本研究的訓(xùn)練動作中,靜蹲屬于閉鏈訓(xùn)練,其余4種訓(xùn)練動作屬于開鏈訓(xùn)練。5種康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果同樣顯示靜蹲訓(xùn)練中VMO∶VL比值大于1,發(fā)力平衡比值最高,且與短弧伸膝、直腿抬高等開鏈運(yùn)動存在差異,與其研究結(jié)果一致。而在本研究的開鏈訓(xùn)練中,坐位伸膝與靜力收縮肌肉發(fā)力比值同樣大于1,結(jié)果與其研究不同,這可能與實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行的坐位伸膝的規(guī)定動作時(shí)間、發(fā)力時(shí)是否存在負(fù)荷、發(fā)力角度存在一定關(guān)系,應(yīng)進(jìn)一步分析在進(jìn)行同一康復(fù)訓(xùn)練動作時(shí),患者不同條件（如時(shí)間、頻率、角度等）對肌肉發(fā)力情況的影響。

本研究存在一定局限性。1）本研究中采用的動力性訓(xùn)練采用非負(fù)重方式進(jìn)行,而在臨床應(yīng)用過程中如坐位伸膝訓(xùn)練會在患者有一定力量以后增加負(fù)重。2）在測試過程中,對不同康復(fù)動作采集5s肌肉收縮的肌電信號進(jìn)行對比,僅說明在單位時(shí)間內(nèi)的訓(xùn)練效果。而患者實(shí)際進(jìn)行康復(fù)治療的過程中,靜力性收縮一般應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練早期,采用收縮Ns+放松Ns的方式進(jìn)行訓(xùn)練；靜蹲應(yīng)用于患者膝關(guān)節(jié)可適當(dāng)負(fù)重后,一般采用維持至力竭或Nmin的方式進(jìn)行訓(xùn)練。兩種訓(xùn)練方式在實(shí)際應(yīng)用過程中訓(xùn)練時(shí)間上存在差異,在肌肉出現(xiàn)疲勞后肌肉激活情況可能發(fā)生改變。3）本研究在靜蹲動作中采用目前常用的45°作為靜蹲角度,而不同角度下靜蹲肌肉激活情況也存在差異[20]。因此在未來的研究中,應(yīng)將患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的實(shí)際應(yīng)用方式與環(huán)境考慮在內(nèi),對不同康復(fù)訓(xùn)練動作從實(shí)踐角度出發(fā)進(jìn)行研究與分析。

4 結(jié)論

不同股四頭肌康復(fù)訓(xùn)練動作表面肌電存在差異。本項(xiàng)研究顯示,動力性康復(fù)訓(xùn)練中直腿抬高可以更有效刺激股四頭肌中股直肌,靜力性收縮中單位時(shí)間內(nèi)股四頭肌靜力收縮刺激股直肌和股外側(cè)肌優(yōu)于靜蹲；5項(xiàng)康復(fù)訓(xùn)練中股四頭肌發(fā)力平衡情況靜蹲訓(xùn)練發(fā)力最佳,可更有效地刺激股內(nèi)側(cè)肌,其效果優(yōu)于短弧伸膝與直腿抬高,而靜力收縮訓(xùn)練發(fā)力平衡優(yōu)于短弧伸膝?？祻?fù)訓(xùn)練中應(yīng)根據(jù)患者股四頭肌發(fā)力障礙特點(diǎn)選擇適合的康復(fù)動作。未來研究應(yīng)注意結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練實(shí)踐,進(jìn)一步研究康復(fù)訓(xùn)練過程中持續(xù)時(shí)間、關(guān)節(jié)角度對訓(xùn)練效果的影響。