18～22歲女性Y平衡測試的下肢表面肌電和姿勢穩(wěn)定性特征

黃兆欣，李磊，鐘嘉敏，郭存洋，張利強(qiáng)，程宗申，肖曉飛

濱州醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)院，山東煙臺(tái)市 264003

0 引言

姿勢控制是指身體在任何姿勢或活動(dòng)中保持、達(dá)到或恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力[1]。機(jī)體穩(wěn)定、有序地運(yùn)動(dòng)依賴于下肢姿勢穩(wěn)定性。Y 平衡測試(Y-balance test,YBT)是從星型偏移平衡測試(Star Excursion Balance Test,SEBT)中簡化出一種有效的下肢動(dòng)態(tài)平衡測試方法[2]。Hertel 等[3]通過因子分析法發(fā)現(xiàn)，SEBT 中前、后內(nèi)和后外3 個(gè)方向上的測試成績敏感性高于其他5個(gè)方向，建議使用前、后內(nèi)和后外3 個(gè)方向的測試代替冗長的8個(gè)方向測試。這3個(gè)方向代表機(jī)體在3個(gè)不同平面，額狀面、矢狀面和水平面的運(yùn)動(dòng)能力[4]，與肌肉力量[5-6]和神經(jīng)肌肉控制[7]等相關(guān)。該評(píng)估方法具有較高的組間(0.99～1.00)和組內(nèi)(0.85～0.91)信度[8]，還具有低成本、易操作、便捷高效等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用來評(píng)估下肢動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，預(yù)測損傷風(fēng)險(xiǎn)[9]，檢測康復(fù)效果，進(jìn)行臨床康復(fù)訓(xùn)練[10]。

表面肌電圖通過引導(dǎo)、放大、顯示和記錄皮膚表面神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)活動(dòng)過程中的生物電信號(hào)，說明肌肉的活動(dòng)與功能間的聯(lián)系[11]。YBT 每個(gè)方向的距離分?jǐn)?shù)能反映神經(jīng)肌肉控制情況，距離分?jǐn)?shù)越高，神經(jīng)肌肉控制能力越強(qiáng)[12]；伸展距離分?jǐn)?shù)與下肢屈伸膝關(guān)節(jié)肌肉等速肌力正相關(guān)[13]。

神經(jīng)肌肉控制是神經(jīng)系統(tǒng)識(shí)別傳入的關(guān)節(jié)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位置和運(yùn)動(dòng)信息，調(diào)節(jié)肌肉激活，改變肌肉募集順序和運(yùn)動(dòng)單位量，以維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定和協(xié)調(diào)的過程[14]。已有學(xué)者對(duì)SEBT 下肢肌電特征進(jìn)行研究[7,12,15]，但僅采用均方根(root mean square,RMS)這一指標(biāo)。Earl 等[7]對(duì)下肢腘繩肌、脛前肌和腓腸肌的研究發(fā)現(xiàn)，不同方向上肌肉激活模式不同。對(duì)軀干肌、臀肌和大腿肌肉的肌電特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)[12,15]，軀干肌和臀肌的激活與SEBT 各方向伸展距離分?jǐn)?shù)有關(guān)。上述研究對(duì)下肢屈伸膝和踝關(guān)節(jié)肌肉的描述不全面。

本研究增加積分肌電值(integral electromyography,iEMG)和肌肉貢獻(xiàn)率指標(biāo)，探究YBT 時(shí)下肢屈伸膝關(guān)節(jié)(股二頭肌、股直肌)和踝關(guān)節(jié)肌肉(腓腸肌、脛前肌)的肌電特征，探討YBT 時(shí)姿勢穩(wěn)定性，及兩者之間的相關(guān)性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2021年10月至11月，于濱州醫(yī)學(xué)院共招募18～22歲女性大學(xué)生26 例。平均年齡(19.46±0.86)歲，身高(1.62±0.05) m，體質(zhì)量(59.21±8.92) kg，體質(zhì)量指數(shù)(22.42±2.91)kg/m2，下肢長(81.82±5.24)cm。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①測試前1 個(gè)月內(nèi)無軀干和肢體關(guān)節(jié)等損傷情況，能正常參加測試；②自愿簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：有肌肉骨骼功能異常、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、嚴(yán)重內(nèi)臟病變、嚴(yán)重代謝性疾病或骨腫瘤。

本研究已經(jīng)濱州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)科研項(xiàng)目倫理審查(No.2021-233)。

1.2 方法

受試者測試前熱身。確定優(yōu)勢腿(優(yōu)先選擇踢球的腿[16])。去除體毛，75%酒精脫脂。采用表面肌電儀(美國NORAXON 公司)，采集頻率1500 Hz。待皮膚干燥后，將電極片沿肌纖維走向貼于優(yōu)勢腿股直肌、股二頭肌、脛前肌和外側(cè)腓腸肌肌腹正中，連接和固定傳感器。

手動(dòng)抗阻方法[17]測試優(yōu)勢腿4 塊肌肉最大等長收縮(maximum voluntary contraction,MVC)，持續(xù)5 s，計(jì)算中間3 s RMS 的平均值(RMSMVC)。測試3 次，休息1 min，取均值。

將YBT 運(yùn)動(dòng)套件(美國FUNCTIONAL MOVE‐MENT SCREEN)貼置于三維測力平臺(tái)(美國BERTEC公司)中心位置。測力平臺(tái)采集頻率1000 Hz；YBT 運(yùn)動(dòng)套件前側(cè)管與后內(nèi)側(cè)和后外側(cè)管之間的夾角均為135°，后內(nèi)側(cè)與后外側(cè)管之間的夾角為90°，三個(gè)方向的中間區(qū)域?yàn)橹瓮日玖^(qū)[18]。三維測力平臺(tái)和表面肌電儀使用Vicon 三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒同步器進(jìn)行同步。

受試者赤足，優(yōu)勢腿支撐站立于貼有YBT運(yùn)動(dòng)套件的測力臺(tái)上，拇趾在中心橫線后，對(duì)準(zhǔn)正前方，雙手叉腰；非優(yōu)勢腿按前側(cè)、后外側(cè)和后內(nèi)側(cè)順序依次伸展，每個(gè)方向伸展3 次后換下一個(gè)方向；測量伸展的最大距離，精確到0.5 cm[19]。

正式測試前，受試者每側(cè)腿每個(gè)方向嘗試6 次，以熟悉測試動(dòng)作，休息5 min 后進(jìn)行正式測試；如果受試者嘗試6次伸出都失敗，則該方向記為0 cm。

測試者伸展時(shí)不能用擋板作為前伸腿的支撐點(diǎn)。以下情況認(rèn)為失敗，不納入數(shù)據(jù)分析：單腿站立時(shí)失去平衡、站立腳發(fā)生明顯移動(dòng)、伸展腳落地支撐、伸展腿未回到初始位置。

記錄3 個(gè)方向的伸展距離原始值及標(biāo)準(zhǔn)值；肌電信號(hào)RMS、iEMG 和肌肉貢獻(xiàn)率；壓力中心(center of pressure,COP)總軌跡長、前后方向(antero-posterior,A/P)和內(nèi)外側(cè)方向(medio-lateral,M/L)軌跡長。RMS 用RMSMVC標(biāo)準(zhǔn)化：

肌電信號(hào)采用Noraxon MR3 軟件平滑過濾，整流和帶通濾波(10～500 Hz)[20]，導(dǎo)出到Excel，數(shù)據(jù)做時(shí)間歸一化處理，采用MatLab 2020 軟件和Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；COP 數(shù)據(jù)經(jīng)時(shí)間歸一化后采用MatLab 2020軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 軟件處理數(shù)據(jù)。計(jì)量資料符合正態(tài)分布，以()表示，采用單因素方差分析、配對(duì)樣本t檢驗(yàn)；不符合正態(tài)分布，以M(QL,QU)表示，采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)、Wilcoxon 符號(hào)秩和檢驗(yàn)。肌電信號(hào)特征與姿勢穩(wěn)定性的相關(guān)性采用Pearson 相關(guān)性分析[13]。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 RMS

在YBT 3 個(gè)方向上，RMS 由大到小排序大致為：股直肌、脛前肌、腓腸肌和股二頭肌(P＜0.001)。見表1。

股直肌和腓腸肌RMS 在三個(gè)方向上無顯著性差異(P＞0.05)，股二頭肌RMS 后內(nèi)側(cè)小于后外側(cè)，脛前肌RMS前側(cè)小于后外側(cè)。見表1。

表1 YBT不同方向各肌肉RMS比較 單位：%

2.2 iEMG

在三個(gè)方向上，股二頭肌iEMG 最小，脛前肌最大(P＜0.001)，其他兩肌居中。見表2。

股直肌iEMG 3 個(gè)方向無顯著性差異，股二頭肌iEMG 后內(nèi)側(cè)小于后外側(cè)，脛前肌iEMG 前側(cè)小于后外側(cè)，腓腸肌iEMG 前側(cè)大于后內(nèi)側(cè)和后外側(cè)。見表2。

表2 YBT不同方向各肌肉iEMG比較 單位：μV·s

2.3 肌肉貢獻(xiàn)率

在三個(gè)方向上，股二頭肌肌肉貢獻(xiàn)率最小，脛前肌最大(P＜0.001)，其他兩肌居中。見表3。

股直肌肌肉貢獻(xiàn)率3 個(gè)方向無顯著性差異，股二頭肌肌肉貢獻(xiàn)率前側(cè)大于后內(nèi)側(cè)，脛前肌肌肉貢獻(xiàn)率前側(cè)小于后外側(cè)，和腓腸肌肌肉貢獻(xiàn)率前側(cè)大于后內(nèi)側(cè)和后外側(cè)。見表3。

表3 YBT不同方向各肌肉肌肉貢獻(xiàn)率比較 單位：%

2.4 姿勢穩(wěn)定性

總體來看，COP 總軌跡長和各方向軌跡長以后外側(cè)最大，前側(cè)最小(P＜0.05)。見表4。

表4 YBT伸展距離分?jǐn)?shù)和COP軌跡長度

2.5 肌電特征與姿勢穩(wěn)定性的相關(guān)性

前側(cè)時(shí)，COP 總軌跡長與股二頭肌和腓腸肌iEMG 正相關(guān)(P＜0.05)；后內(nèi)側(cè)時(shí)，COP 總軌跡長與腓腸肌iEMG 正相關(guān)(P＜0.05)；后外側(cè)時(shí)，COP 總軌跡長與脛前肌iEMG 正相關(guān)(P＜0.05)；RMS 和肌肉貢獻(xiàn)率與COP總軌跡長無相關(guān)性(P＞0.05)。見表5。

表5 下肢肌肉肌電特征與COP總軌跡長的相關(guān)性

3 討論

本研究顯示，YBT 時(shí)，股直肌有效放電量最高，脛前肌放電總量和貢獻(xiàn)水平最高；后外側(cè)方向，YBT的伸展距離分?jǐn)?shù)和COP軌跡長優(yōu)于其他兩個(gè)方向，動(dòng)態(tài)姿勢穩(wěn)定性最好。YBT運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分關(guān)節(jié)伸肌或屈肌肌力與姿勢穩(wěn)定性存在一定相關(guān)性，關(guān)節(jié)伸肌或屈肌對(duì)保持動(dòng)態(tài)姿勢穩(wěn)定性有著重要作用。

Ortega 等[21]發(fā)現(xiàn)，COP 軌跡長度與SEBT 伸展距離呈正相關(guān)性。在描述動(dòng)態(tài)姿勢任務(wù)時(shí)，COP 指標(biāo)越大，代表姿勢穩(wěn)定性越好[22-23]。本研究顯示，后外側(cè)動(dòng)態(tài)姿勢穩(wěn)定性更好，與Karagiannakis 等[24]的研究結(jié)果基本一致。

RMS代表有效放電，反映肌肉活動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)單位激活數(shù)量、參與活動(dòng)運(yùn)動(dòng)單位的類型和同步化程度[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，股二頭肌在3 個(gè)方向上肌肉激活、有效放電量均最小，股直肌最大，腓腸肌低于脛前肌，這可能由于踝關(guān)節(jié)背伸、腳跟著地狀態(tài)下，腓腸肌通過離心收縮控制脛骨前傾，腓腸肌運(yùn)動(dòng)單位激活較小；為維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定，脛前肌激活增加。

Eliassen 等[26]發(fā)現(xiàn)，股二頭肌在下蹲動(dòng)作中運(yùn)動(dòng)單位激活量小于股直肌。Lee 等[27]證明，自身體重下深蹲動(dòng)作不足以刺激腘繩肌激活。YBT下蹲達(dá)不到深蹲程度，股二頭肌有效激活較少。下蹲動(dòng)作屈肌激活相對(duì)較小，主要由股直肌離心收縮控制膝關(guān)節(jié)屈曲角度和速度，同時(shí)對(duì)抗重力作用。

iEMG 是指一定時(shí)間內(nèi)肌肉中參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位的放電總量，是評(píng)價(jià)肌纖維參與量的重要指標(biāo)。為維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定和協(xié)調(diào)，神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)會(huì)改變肌肉的募集順序和運(yùn)動(dòng)單位量[28]。踝背屈時(shí)，脛前肌參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位增加，放電總量最大。隨著踝關(guān)節(jié)背屈角度增加，脛前肌由于能量代謝失衡、局部酸性代謝產(chǎn)物增多或肌氧含量下降[29]，導(dǎo)致肌纖維收縮力降低，為維持動(dòng)作進(jìn)行，神經(jīng)系統(tǒng)募集新的運(yùn)動(dòng)單位開始放電。

肌肉貢獻(xiàn)率是指該肌肉在動(dòng)作周期內(nèi)的iEMG 占參與該動(dòng)作所有肌肉iEMG 和的比值，反映該肌肉在完成動(dòng)作時(shí)的重要性[30]。從肌肉貢獻(xiàn)率來看，脛前肌和股直肌在YBT運(yùn)動(dòng)中占主導(dǎo)地位。在YBT 3個(gè)方向中，脛前肌肌肉貢獻(xiàn)率均高于其他肌肉，且在后內(nèi)側(cè)和后外側(cè)大于前側(cè)，腓腸肌的肌肉貢獻(xiàn)率前側(cè)大于后內(nèi)側(cè)和后外側(cè)。當(dāng)主動(dòng)肌收縮時(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)控制拮抗肌協(xié)調(diào)性放松或適當(dāng)性離心收縮，即神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)脛前肌和腓腸肌協(xié)調(diào)性地收縮或放松，促進(jìn)踝關(guān)節(jié)背伸動(dòng)作穩(wěn)定完成[31]。

綜合RMS 和iEMG 可知，股直肌在3 個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)單位激活量、放電總量和貢獻(xiàn)率起著相似作用，對(duì)保持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定起重要作用。股二頭肌的肌肉貢獻(xiàn)率最小，與股直肌共同維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

本研究發(fā)現(xiàn)，部分關(guān)節(jié)伸肌或屈肌與姿勢穩(wěn)定性存在一定相關(guān)性。在前側(cè)時(shí)，股二頭肌和腓腸肌與姿勢穩(wěn)定性相關(guān)；后內(nèi)側(cè)時(shí)，腓腸肌與姿勢穩(wěn)定性相關(guān)。Kang等[32]發(fā)現(xiàn)，踝關(guān)節(jié)背伸角度與伸展距離正相關(guān)；COP 軌跡長與伸展距離間正相關(guān)[21]，隨著伸展距離增加，踝關(guān)節(jié)背伸角度增大，COP 軌跡長變長，需要腓腸肌募集更多的運(yùn)動(dòng)單位放電。后外側(cè)時(shí)，脛前肌與姿勢穩(wěn)定性相關(guān)。伸展腿向后側(cè)伸展，支撐腿脛前肌需募集較多運(yùn)動(dòng)單位放電，引起踝關(guān)節(jié)背伸，使得伸展腿伸展更遠(yuǎn)。唐橋等[13]發(fā)現(xiàn)，綜合性項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員支撐腿膝關(guān)節(jié)伸肌和屈肌的等速肌力與YBT 3 個(gè)方向的伸展分?jǐn)?shù)相關(guān)。本研究對(duì)象為18～22 歲女性，肌力相對(duì)較弱，只發(fā)現(xiàn)部分肌肉與姿勢穩(wěn)定性相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)[6]，中老年人等速肌力與伸展分?jǐn)?shù)普遍不具有相關(guān)性。此外，RMS和肌肉貢獻(xiàn)率與姿勢穩(wěn)定性間不存在相關(guān)性，這可能是由于進(jìn)行YBT時(shí)個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度不一致，各肌肉收縮的角速度、激活程度等存在偏差。

閉鏈運(yùn)動(dòng)是指肢體遠(yuǎn)端固定而近端肢體活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。閉鏈運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練在前交叉韌帶重建術(shù)后[33]和膝關(guān)節(jié)半月板損傷[34]等疾病的康復(fù)中尤為重要，可以減輕關(guān)節(jié)剪切力，增強(qiáng)關(guān)節(jié)周圍肌肉神經(jīng)控制能力等。髕骨疼痛綜合征的主要病因是股四頭肌失衡[35]，YBT 運(yùn)動(dòng)不僅是一種典型的下蹲型閉鏈運(yùn)動(dòng)，且股直肌激活較明顯，可以作為一種康復(fù)訓(xùn)練方法應(yīng)用于臨床。

在SEBT 時(shí)，優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿對(duì)伸展距離沒有影響[36]，所以本研究僅分析優(yōu)勢側(cè)下肢肌肉肌電信號(hào)和姿勢穩(wěn)定性。由于進(jìn)行YBT 時(shí)個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度不一致，各肌肉收縮角速度、激活程度等有偏差，后續(xù)可通過擴(kuò)大樣本量，探究不同運(yùn)動(dòng)速度下肌電信號(hào)特征與姿勢穩(wěn)定性間的相關(guān)關(guān)系。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。