股四頭肌常用康復訓練動作的表面肌電分析

白雪樺,楊賢罡

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

膝關節是運動損傷的好發關節。膝關節損傷后局部出現疼痛、腫脹等癥狀,產生保護性肌肉抑制,進而造成肌肉的廢用性萎縮,肌力下降,膝關節功能障礙等,嚴重影響患者的日常生活。康復訓練是膝關節損傷后的常用治療方式之一,可促進下肢血液循環,防止肌肉萎縮,提高患者膝關節力量,增加膝關節穩定性等,在骨關節炎、髕股關節疼痛、半月板損傷的治療或膝關節術后康復中均取得良好效果[1-3]。股四頭肌是膝關節的唯一伸膝肌,對膝關節的穩定性起著至關重要的作用,因此被認為是康復訓練的重點。股四頭肌由股內側肌（vastus medialis obliquus,VMO）、股外側肌（Vastus lateralis,VL）、股中間?。╲astus internus,VI）和股直肌（rectus femoris,RF）4部分組成。當膝關節發生不同損傷時,患者在運動過程中可能會出現股四頭肌不同部分差異性激活的現象[4],如有研究發現髕股關節疼痛患者相比健康人群在進行下樓梯、下蹲等活動時會出現股內側肌激活程度減小,股外側肌發力增加的現象；同樣的現象也存在于髕腱末端病患者當中[5]。同時,股四頭肌差異性激活也可能是引起膝關節疼痛的主要原因[6]。因此對不同膝關節疾病患者應選擇適合的康復訓練動作進行針對性干預[7]。

表面肌電測試（surface electromyography,sEMG）廣泛應用于人體肌肉活動情況的研究中。表面肌電信號是神經沖動傳導至肌肉導致肌肉收縮時產生的可傳導至皮膚表面的生物電信號,當神經肌肉活動導致肌肉收縮時,信號可通過表面肌電測試系統在皮膚表面收集并進行分析,可一定程度上反應局部肌肉激活水平、疲勞程度與收縮形式等[8]。在目前將表面肌電應用于康復訓練動作的研究中,有學者發現閉鏈運動比開鏈運動能更好地促進股四頭肌的平衡發力[9]。而國內目前尚無針對臨床上常用的康復訓練動作的肌肉發力情況進行綜合對比的研究。因此,本實驗采用表面肌電測試技術,對目前臨床常用的5種股四頭肌康復訓練動作中肌肉發力情況進行對比分析,旨在為膝關節不同損傷類型患者的康復訓練中選擇適合的訓練動作提供一定的可參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

2020年5 月于石家莊德瑞運動康復醫療中心進行實驗,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,實驗前24h內,未參加劇烈運動,不存在肌肉疲勞狀況。受試者均自愿參與本次實驗,并對實驗內容均完全知情。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 測試準備

本研究采用Trigno型無線遙測表面肌電測試系統（Delsys,美國）對表面肌電信號進行采集。選擇受試者優勢腿進行測試,選取股四頭肌中股內側肌、股外側肌、股直肌為肌電主要測試肌肉。測試前首先對受試者皮膚進行處理,剔除汗毛,使用75%醫用酒精擦拭皮膚,用棉球擦拭各肌肉電極位點及其周圍的液體。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）股內側肌：電極片置于從膝關節內側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：電極片置于大腿前側,髕骨上緣與髂前上棘連線的中點。3）股外側肌：電極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

正式實驗前,由實驗組織者告知測試者實驗目的及步驟,對5種康復運動方式進行充分的熟悉,能正確完成動作,要求動作連貫自然。受試者在測試前進行2min準備活動。

受試者首先進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肌電數據。

受試者休息30min后進行康復動作測試,康復動作依據發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,膝關節伸直,進行股四頭肌靜力收縮。

2）直腿抬高：仰臥位,膝關節伸直,抬離床面至30°,而后緩慢下落。

3）短弧伸膝：仰臥位,在測試腿膝關節下方放置訓練板,使膝關節呈60°,固定大腿不動,緩慢伸膝抬起小腿至膝關節完全伸直,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,膝關節呈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節呈45°,做半蹲狀。

5個動作的先后順序采用抽簽方式生成。為保證肌電測試時間統一,所有動作每次均以5s完成。其中靜力性動作持續5s,動力性動作采取發力2s,還原3s的方式進行測試。每個動作重復3次。受試者完成一個動作的測試后,經過2min的休息后接著進行下一種動作測試。

1.2.3 表面肌電信號處理

獲得的表面肌電數據使用EMG server分析軟件進行處理。將原始肌電信號經過濾波（20～400Hz）、整流處理后,計算每塊肌肉的積分肌電值（integrated electromyogram,iEMG）,使用MVC測試數據對各康復動作肌電信號進行標準化（%MVC）,使用重復3次動作的iEMG相對值的平均值進行數據分析[11]。

1.3 數據分析

采用SPSS24.0統計軟件進行數據分析,正態分布數據用平均值±標準差（±SD）表示。由于5種康復訓練方式肌肉收縮形式不同,因此僅將VMO∶VL指標進行所有康復動作比較,而后分別比較動力性動作與靜力性動作中不同肌肉的發力程度。VMO∶VL值與3種動力性動作采用重復測量方差分析；2種靜力性動作采用配對樣本T檢驗,分析不同康復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 結果

2.1 康復訓練的發力平衡

表2與圖1顯示5種膝關節康復動作中股內側肌與股外側肌肌肉發力程度比值的變化。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練VMO∶VL值小于1。

結果顯示,Wilks’Lambda=0.268,F（4,10）=6.82,p＜0.01,表明5種康復動作中的發力平衡存在非常顯著性差異。事后檢驗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 不同康復訓練的發力平衡比較

圖1 不同康復訓練的發力平衡圖

2.2 動力性動作股四頭肌發力程度

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

表3 動力性康復訓練相對iEMG值

圖2 動力性動作股四頭肌發力程度

2.3 靜力性動作股四頭肌發力程度

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

表4 靜力性康復訓練相對iEMG值

圖3 靜力性動作股四頭肌發力程度

3 討論

膝關節是人體下肢的主要負重關節,在運動中其穩定性有賴于膝關節周圍肌肉,股四頭肌作為膝關節唯一的伸膝肌,在膝關節的動態穩定性方面具有至關重要的作用。骨骼肌具有快速適應外界環境變化的特點,在較強機械力的作用下表現為相應的肥大,而在制動、固定及失重狀態下則表現為相應的肌肉萎縮,導致肌力、耐力減退等功能性變化[4]。膝關節損傷后,由于活動減少,患者股四頭肌存在不同程度的肌力下降。當股四頭肌力量下降時,會造成關節穩定性降低,在運動過程中極易出現膝關節新的急性損傷,惡性循環。不僅如此,因無法維持膝關節各組織間的相對穩定,組織間長期產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、骨性關節炎等。因此恢復膝關節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訓練中,依據肌肉收縮形式的不同,可分為動力性訓練與靜力性訓練。靜力性訓練為通過長時間的等長收縮以刺激肌肉,常見訓練包括股四頭肌靜力收縮、靜蹲等,多用于康復初期或膝關節屈伸會引起癥狀加重的患者。動力性訓練中肌肉通過向心與離心收縮的方式進行訓練,常見訓練包括短弧伸膝、坐位伸膝、直腿抬高等,多用于需要提高膝關節主動伸膝能力患者。

表面肌電指標可分為時域指標與頻域指標[13]。時域分析指標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,反映運動單位募集數量的變化[8]。iEMG值是目前常用的時域指標之一,指表面肌電圖單位時間內整流波的面積,可以反映單位時間內骨骼肌放電總量和肌力的變化,在運動系統傷病評定過程中有非常重要的價值[5]。本研究通過對股四頭肌,重點對股內側肌、股直肌、股外側肌在進行靜蹲、靜力收縮、短弧伸膝、直腿抬高以及坐位伸膝等5種不同運動形式的康復訓練的iEMG信號進行采集與分析,研究結果發現在發力平衡方面,靜蹲、靜力收縮與坐位伸膝動作發力平衡值大于1,短弧伸膝與直腿抬高訓練發力平衡值小于1,但5種康復訓練動作中靜蹲訓練發力平衡明顯優于短弧伸膝與直腿抬高,靜力性收縮優于短弧伸膝,顯示坐位伸膝與兩種靜力性訓練對于股四頭肌平衡發力更好；3種動力性動作中,直腿抬高動作股直肌發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肌發力程度高于45°靜蹲,對肌肉刺激效果更佳。

康復訓練的目的是以增加膝關節力量為主。不同康復訓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種訓練動作,發現靜蹲訓練刺激股內側肌效果優于坐位伸膝與弓步蹲,坐位伸膝和靜蹲訓練刺激股外側肌效果優于弓步蹲。本研究結果顯示,短弧收縮、直腿抬高以及坐位伸膝3項動力性動作中,對于股內側肌與股外側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。不同于股內側肌與股外側肌,股直肌起自髂前下棘和髖臼上方,跨過髖關節與膝關節,屬于雙關節肌,在伸膝的同時還具有屈髖的功能。而直腿抬高是在股四頭肌發力維持伸膝的同時進行屈髖運動,因此對股直肌有更好的刺激作用。在兩項靜力性動作中,結果顯示在進行靜力收縮時股直肌與股外側肌的肌肉發力程度高于靜蹲,而股內側肌發力不存在差異。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,患者膝關節僅需要使用維持身體的姿勢,因此發力較小。

肌纖維的活動依賴于神經信息的驅動,在膝關節損傷后,股四頭肌不僅出現肌力下降,肌肉的激活也會發生障礙,即肌肉不能啟動所有的運動單位或從啟動的運動單位中不能獲得最大放電率。可能是因膝關節損傷后異常的傳入信息改變了γ神經對肌肉紡錘體的驅動[14],影響了脊髓或更高水平中樞對股四頭肌的運動神經元池的興奮驅動,引起了肌肉的抑制[15]。就股四頭肌而言,具體表現為VMO與VL的差異性激活。在股四頭肌的肌群中,VMO和VL是相互協同又互為拮抗的兩塊肌肉,股內側肌與股外側肌的肌力平衡,對髕股關節接觸應力分布和髕骨運動軌跡有非常大的影響。股內斜肌和股外側肌在肌力、激發順序等方面的異常均可能導致兩者的不平衡狀態,影響髕骨活動軌跡,進而導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節疼痛患者在進行功能性動作時的下肢表面肌電情況,結果表明髕股關節綜合征患者在運動中股內側肌激活程度小于股外側肌。VMO和VL的iEMG比值（VMO∶VL）是衡量股內斜肌/股外側肌之間肌力平衡狀況的重要指標[11]。當VMO∶VL值等于或大于1時有利于髕骨關節在運動過程中的穩定[18]。因此有學者提出在康復訓練中應重視訓練動作肌肉發力平衡情況,而針對不同損傷后出現膝關節的股四頭肌各部分萎縮與激活差異進行針對性訓練[7]?？娖嫉萚19]對下肢開鏈運動與閉鏈運動對股四頭肌中股內側肌與股外側肌的練習平衡性的影響進行了研究,結果顯示坐位伸膝中股外側肌與股內側肌比值大于雙足下蹲,且大于1,雙足半蹲動作更接近膝關節的發力平衡,認為屈膝時的閉鏈運動能夠更有選擇性地激發股內側肌。而在本研究的訓練動作中,靜蹲屬于閉鏈訓練,其余4種訓練動作屬于開鏈訓練。5種康復訓練結果同樣顯示靜蹲訓練中VMO∶VL比值大于1,發力平衡比值最高,且與短弧伸膝、直腿抬高等開鏈運動存在差異,與其研究結果一致。而在本研究的開鏈訓練中,坐位伸膝與靜力收縮肌肉發力比值同樣大于1,結果與其研究不同,這可能與實驗過程中進行的坐位伸膝的規定動作時間、發力時是否存在負荷、發力角度存在一定關系,應進一步分析在進行同一康復訓練動作時,患者不同條件（如時間、頻率、角度等）對肌肉發力情況的影響。

本研究存在一定局限性。1）本研究中采用的動力性訓練采用非負重方式進行,而在臨床應用過程中如坐位伸膝訓練會在患者有一定力量以后增加負重。2）在測試過程中,對不同康復動作采集5s肌肉收縮的肌電信號進行對比,僅說明在單位時間內的訓練效果。而患者實際進行康復治療的過程中,靜力性收縮一般應用于康復訓練早期,采用收縮Ns+放松Ns的方式進行訓練；靜蹲應用于患者膝關節可適當負重后,一般采用維持至力竭或Nmin的方式進行訓練。兩種訓練方式在實際應用過程中訓練時間上存在差異,在肌肉出現疲勞后肌肉激活情況可能發生改變。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,應將患者在進行康復訓練時的實際應用方式與環境考慮在內,對不同康復訓練動作從實踐角度出發進行研究與分析。

4 結論

不同股四頭肌康復訓練動作表面肌電存在差異。本項研究顯示,動力性康復訓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間內股四頭肌靜力收縮刺激股直肌和股外側肌優于靜蹲；5項康復訓練中股四頭肌發力平衡情況靜蹲訓練發力最佳,可更有效地刺激股內側肌,其效果優于短弧伸膝與直腿抬高,而靜力收縮訓練發力平衡優于短弧伸膝。康復訓練中應根據患者股四頭肌發力障礙特點選擇適合的康復動作。未來研究應注意結合康復訓練實踐,進一步研究康復訓練過程中持續時間、關節角度對訓練效果的影響。