膝骨關節炎患者股內側肌、股直肌和股外側肌間的協調性

師東良,王寧華,謝斌

流行病學調查表明,原發性骨關節炎患者最突出的流行病學特點是隨年齡增加,發病率不斷增高,好發于50歲以上[1]。55歲以上骨關節炎的發病率高達44%～70%,其中10%表現為各種功能障礙或殘疾[2],從而加重了社會負擔[3]。原發性骨關節炎以膝關節最為好發[4],因此迫切需要對膝骨關節炎展開深入研究。以往研究多關注肌肉力量,其實肌肉收縮不協調也可能是膝關節骨關節炎的發病機制之一。膝關節的穩定性依賴于股四頭肌肌力和腘繩肌肌力的恰當比例[5]。膝骨關節炎患者的患肢存在屈伸肌快收縮纖維萎縮和機能下降、肌力平衡改變、腘繩肌協同活動增強和膝關節穩定性的異常[6]。不僅主動肌和拮抗肌的協調與膝骨關節炎有關,股四頭肌內不同肌肉的協調收縮也可能與膝骨關節炎有關。有關股四頭肌股內側肌、股直肌、股外側肌啟動順序的研究,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名膝骨關節炎患者參與膝骨關節炎組(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Q角相匹配。OA組招募于天津醫院骨科門診或本地報紙的廣告宣傳;CON組招募于社區志愿者。一名具有骨科主治醫師資格的醫師根據《骨關節炎診治指南(2007年版)》中膝骨關節炎的診斷標準確定診斷,并分別納入試驗組和對照組。由于OA的影像學改變和膝關節功能的相關性不好,該診治指南也沒有把影像學改變作為診斷OA的必備指標,因此本研究僅是根據該指南的診斷標準進行分組,并未特別關注其影像學變化。

排除標準:(1)關節間骨橋形成已呈強直者;(2)膝關節活動度小于 125°;(3)Q 角＜13°或＞23°;(4)貼表面電極部位有過多體毛者;(5)體質過敏及膝部有皮損者;(6)膝關節置換者;(7)繼發性膝骨性關節炎如結核、腫瘤、骨髓炎、痛風等患者;(8)并發癥影響到膝關節者;(9)嚴重心血管、肺、肝、腎和造血系統疾病,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動練習者;(11)正在參與其他臨床或運動訓練試驗者。

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

1.2 方法 本研究應用Cybex肌力測試系統完成規定模式下的力量測試。由于在膝關節的不同角度下、不同運動速度下伸膝時,股四頭肌的不同肌肉發揮作用的主次地位不同,所以為了全面評估股四頭肌的協調性,本研究設計的力量測試模式包括:膝關節屈曲10°、60°、100°位等長伸膝測試和等速 60°/s、180°/s 伸膝力量測試。同時應用Noraxon表面肌電圖遙測系統記錄股內側肌、股直肌和股外側肌的電生理特性。測試流程的每個環節均由不知道分組情況的同一實驗人員完成。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,設定坐椅90°。所有受試者上體正直,雙手緊握椅子兩側的扶手,尼龍帶固定軀干和受試側大腿;動力儀的旋轉軸與受試側股骨外髁相一致,連接動力儀的阻力墊固定在受試側內踝上3 cm處,關節活動范圍設為0°～110°。重力校準時,先讓受試側小腿最接近水平位,記錄小腿重量,用于校準后續數據;每次測試前,解釋目的、步驟和發力技巧。為保證獲得受試者真實、客觀的數據結果,實驗測試中需要調整顯示器的位置,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;隨機測試左側或右側,間隔30 min。

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

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(軟件版本:MyoResearchXP Master-Package 1.03.05)。設定3個通道分別記錄股內側肌、股直肌和股外側肌的肌電信號。參數設置為前置放大,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。肌電信號數據采集頻率為1500 Hz,通過無線接收器將原始數據儲存在電腦中。

電極位置: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:電極片置于大腿前面、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以上從膝關節外側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,用細砂紙和75%醫用酒精擦拭皮膚,用繃帶擦拭電極位點及其周圍的汗液。

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

sEMG的描記:等長運動測試時,當受試肢體處于設置的測試模式后,肌肉放松,記錄2 s,代表該測試模式的基線水平;等速運動測試時,以膝關節周圍肌肉放松、小腿自然下垂的位置為準,記錄2 s,代表等速測試模式的基線水平。練習時,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算,時間窗設置為50 ms。在分析最大力量對應的sEMG的平均振幅時需要標準化:將等長60°時的平均振幅作為基準,將非等長60°的測試模式下的平均振幅和等長60°時的平均振幅作比率。

1.3 評定指標 包括2項指標,分別是股內側肌、股直肌、股外側肌肌肉收縮啟動順序和股內側肌/股外側肌神經肌電比率(VM/VL)。

1.3.1 啟動順序 啟動順序指股內側肌、股直肌、股外側肌在同一運動中啟動的時間,被看作是觀察3組肌群協調收縮模式的一個指標。根據等速180°/s時基線肌電圖的平均振幅,求出平均振幅的平均值和標準差。基線平均振幅的平均值加上3倍標準差的和即肌電圖的起始振幅。當肌電圖的振幅達到其起始振幅且能夠持續＞25 ms時為肌電圖的啟動時間點[7]。通過比較肌肉間的啟動時間點的差異,明確肌肉收縮的啟動順序。

1.3.2 VM/VL 首先計算出股內側肌和股外側肌的平均振幅。在肌力圖上,肉眼識別肌力開始點;找出最大峰力矩,計算出從開始點到達最大峰力矩所耗時間,作為在肌電圖上確定分析平均振幅時截取肌電圖的根據。在肌電圖上,用股內側肌的啟動時間加上到達最大峰力矩的耗時,即最大肌力對應的肌電圖上的時間點。等長測試模式時,截取此點前0.5 s至后0.5 s,共計1 s的肌電圖;等速 60°/s時,截取此點前 0.25 s至后 0.25 s,共計 0.5 s的肌電圖 ;等速 180°/s 時,截取此點前0.1 s至后0.1 s,共計 0.2 s的肌電圖,將選取的肌電圖利用軟件自帶的標準表面肌電圖報告進行平均振幅數據的處理及導出。以等長60°最大隨意收縮的sEMG的平均振幅作為基準,其他測試模式時的平均振幅均除以此基準值,完成肌電圖的標準化。VM/VL即是經過標準化后的肌電圖的股內側肌的平均振幅除以股外側肌的平均振幅所得的比率。

1.4 統計學方法 應用SPSS 11.0軟件進行統計分析。計數資料采用χ2檢驗;計量資料采用獨立樣本t檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 啟動順序 當股四頭肌協調性減退時,很有可能在速度較快的運動中表現明顯。因此,本研究首先觀察了等速180°/s伸膝測試時的情況。其他測試模式時的情況有待深入研究。等速180°/s伸膝測試中發現:OA組(N=34)以股內側肌、股直肌、股外側肌優先啟動分別為8例 、13例 、13例;而CON 組(N=34)中,以股內側肌、股直肌、股外側肌優先啟動的分別為9例、15例、10例(χ2=11.05489,P＜0.05)。

2.2 VM/VL OA組VM/VL在膝屈10°等長伸膝測試時小于CON組(P＜0.05);在其他測試時無顯著性差異(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°)的相關性 將 VAS與等長10°時的VM/VL結果進行Pearson相關分析,r=0.128,P＞0.05,不具有顯著性意義。

3 討論

3.1 啟動順序 在主動運動時,中樞神經系統一般選擇最為恰當的運動策略來執行任務。導致運動受限的一些因素,如肌力減退、因疼痛害怕活動等將會使肌肉協同與運動模式發生適應性改變。因此,在功能性運動模式中,這種運動反應的差異就會明顯,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等運用功能核磁共振研究了健康人膝關節等速向心伸膝測試時股直肌、股內側肌和股外側肌的運動單位募集特點和神經肌肉代謝的關系,認為:①股內側肌和股外側肌同時激活;②股直肌存在兩種不同的神經肌肉代謝區[9]。推測股內側肌和股外側肌的啟動順序可能無明顯差異,也許股直肌可能會與股內側肌、股外側肌的啟動順序有分別。與上述結果相一致的一項研究顯示,健康人下樓時在老年組和青年組之間股內側肌、股外側肌啟動時間無顯著性差異(P＞0.05)。兩年齡組中股內側肌和股外側肌基本同時啟動,與其他學者在青年對照組[10]取得的結果一致。股內側肌和股外側肌共同啟動的原因可能是股內側肌和股外側肌對髕骨內、外側有相互拮抗的作用,協調的收縮能夠確保股四頭肌收縮時髕骨在股骨滑車槽內處于良好的位置。

與健康人結果不同,本研究顯示,等速180°/s伸膝測試中,膝骨關節炎患者的股內側肌多數比股外側肌延遲啟動。Hinman[8]等發現,膝骨關節炎患者在下樓梯過程中存在股外側肌活動開始的延遲(P＜0.05),而上樓梯時沒有顯著差異。上述兩研究結果相反可能與測試模式不同有關。本研究采用等速180°/s向心、開鏈運動模式;而在Hinman研究中,下樓對于股四頭肌來說,更多是離心運動。在離心運動中,肌肉可能優先募集Ⅱ型肌纖維[11],而向心運動更多地優先募集Ⅰ型纖維。健康人股內側肌Ⅰ型纖維所占比例較高(52.1%),股外側肌Ⅰ型纖維所占比例較少(42.3%)[12]。膝骨關節炎患者由于選擇性Ⅱ型肌纖維萎縮,股內側肌中的Ⅰ型纖維比例會更大,這樣,股內側肌中Ⅰ型纖維更加占據主導地位;而股外側肌中也許有相對多的Ⅱ型肌纖維發揮作用。Ⅰ型纖維是慢肌纖維,Ⅱ型肌纖維是快肌,Ⅰ型纖維占主導地位的股內側肌有可能延遲啟動。當然,這還有待進一步研究。

肌肉Ⅱ型纖維能夠更好地完成快速運動的工作。雖然健康人股直肌的Ⅱ型肌纖維比例最高,股外側肌次之,股內側肌最少[13],但仍能保持三者的平衡和協調收縮。然而,對于膝骨關節炎者,由于各種原因導致的肌纖維萎縮和功能障礙,股內側肌中的Ⅱ型纖維比例可能顯著少于股直肌和股外側肌,導致三個肌群之間收縮平衡的破壞,使股內側肌在快速運動中的啟動顯著延遲。

此外,疼痛也可能導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致股內側肌啟動的延遲(相對于股外側肌)[14]。但本研究顯示,VAS與等長10°時的VM/VL無關。

3.2 神經肌電比率 膝骨關節炎中,髕股關節炎的發病率較高。一項針對膝痛人群的放射學研究表明:脛股關節炎合并髕股關節炎最常見(40%,314/777),其次是單純髕股關節炎(24%,186/777),單純脛股關節炎僅占4%(31/777),其余32%影像學顯示正常(P＜0.001)[15]。在損傷、制動或手術等因素的影響下,股內側肌是首先發生廢用性萎縮的肌肉[16]。在膝骨關節炎的患者中發現,關節源性肌肉抑制和廢用性肌萎縮[17]常導致肌肉力量的減弱[18]。股內側肌明顯萎縮是造成髕骨內外側拉力不平衡的主要原因[19],也是股四頭肌在伸膝時會產生肌群間收縮不協調的主要原因。如果肌肉收縮不協調,關節將可能超過其正常的移動極限,并且加大軟骨的負荷[20],從而加速膝骨關節炎的發病和進程。

股內側肌和股外側肌的動力平衡對維持髕骨的最佳對線起重要作用[21]。VM/VL被認為是作用在髕骨上內側方和外側方的一個指標,也是募集改變和肌肉機能障礙的一個指標,能夠反映膝關節肌肉的協同作用,對了解日常活動中膝部肌肉活動模式非常重要。使用VM/VL能夠減少個體差異對結果的影響,較低的VM/VL被認為是引起髕股疼痛綜合征的前提因素[22]。

Sakai的動物實驗提示膝關節屈曲0°～15°范圍內,股內側肌力弱可能引起了髕骨向外側滑動[23]。許多研究表明,股內側肌和股外側肌的平衡減退是導致髕骨異常牽拉的危險因素之一[24-27]。Boucher發現,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,OA組的VM/VL低于CON組。這在一定程度上能解釋膝骨關節炎者合并髕股關節炎比率較高的現象,可能對膝骨關節炎者康復處方,尤其是肌力訓練方案有意義。股四頭肌的力量訓練是膝骨關節炎者的主要康復手段,有必要選擇性加強股四頭肌的力量以恢復髕骨的動力性穩定。Laprade等證明,伸膝等長訓練結合脛骨內旋練習可以改善VM/VL[29]。Tang發現,膝關節屈曲0°～60°范圍內的閉鏈訓練可以誘導出最大的股內側肌激活[25]。這些康復方案的臨床效果仍需更大樣本研究來證實。

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

目前,用sEMG判斷肌纖維類型的某些細節尚存爭議[31]。另外,年齡因素可能會對肌肉本身和神經肌肉調控造成影響,從而影響肌肉的協調性,但是尚未見明確的研究報告。因此,本研究設計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,希望課題結束后,能夠對該問題有更為深入的理解。本研究所發現的特點還有待于更大樣本量、多中心、隨機前瞻研究進一步證實。

膝骨性關節炎的炎癥、腫脹、疼痛、本體感覺減退等因素,可能引起神經肌肉系統對股四頭肌的控制策略的變化,也許誘導了肌纖維類型的轉化,造成股內側肌、股直肌、股外側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,最終導致膝骨關節炎側股內側肌、股直肌、股外側肌的協調性減退。

[1]吳孟超,吳在德.黃家駟外科學[M].7版.北京:人民衛生出版社,2008:3025-3027.

[2]吳毅,胡永善,李放,等.骨關節炎的功能評定與康復治療[J].中國康復醫學雜志,2002,17:361-363.

[3]Baker K,Mcalindon T.Exercise for knee osteoarthritis[J].Curr Opin Rheumatol,2000,12:456-463.

[4]Kuettner KE,Goldberg VM.Osteoarthritic Disorders[M].Rosemont,IL:American Academy of Orthopaedic Sugeons,1995.

[5]俞曉杰,吳毅,王穎,等.膝關節骨性關節炎等速離心收縮肌力的研究[J].中國康復醫學雜志,2006,21(7):423-426.

[6]俞曉杰,吳毅,胡永善,等.膝關節骨關節炎患者膝屈伸肌的表面肌電信號研究[J].中華物理醫學與康復雜志,2006,28(6):402-405.

[7]Hinman RS,Cowan SM,Crossley KM,et al.Age-related changes in electromyographic quadriceps activity during stair descent[J].J Orthop Res,2005,23(2):322-326.

[8]Hinman RS,Bennell KL,Metcalf BR,et al.Delayed onset of quadriceps activity and altered kee joint kinematics during stair stepping in individuals with knee osteoarthritis[J].A rch Phys Med Rehabil,2002,83(8):1080-1086.

[9]Akima H,Takahashi H,Kuno SY,et al.Coactivation pattern in human quadriceps during isokinetic knee-ex tension by muscle functional MRI[J].Eur J Appl Physiol,2004,91(1):7-14.

[10]Powers CM,Landel R,Perry J.Timing and intensity of vastus muscle activity during functional activities in subjects with and without patellofemo ral pain[J].Phy s Ther,1996,76(9):946-955.

[11]Nardone A,Romanò C,Schieppati M.Selective recruitment of hish-threshold human motor units during voluntary isotonic leng thening of active muscles[J].J Physiol,1989,409:451-471.

[12]Colling R.Brief review:distribution of human muscle fibre ty pe[J].Exercise Physiol,1997,8:552.

[13]Ebersole KT,O'Connor KM,Wier AP.Mechanomyographic and electromyographic responses to repeated concentric muscle actions of the quadriceps femoris[J].J Electromyogr Kinesiol,2006,16(2):149-157.

[14]Hodges PW,Mellor R,Crossley K,et al.Pain induced by injection of hypertonic saline into the infrapatellar fat pad and effect on coordination of the quadriceps muscles[J].A rthritis Rheum,2009,61(1):70-77.

[15]Duncan R,Hay E,Saklatvala J,et al.Prevalence of radiographic osteoarthritis:it all depends on your point of view[J].Rheumatology,2006,45(6):757-760.

[16]董啟榮,鄭祖根,王以進.髕股關節排列異常的生物力學特性變化的實驗研究[J].醫用生物力學,1999,14(1):41-44.

[17]Hsieh LF,Didenko B,Schumacher HR Jr,et al.Isokinetic and isometric testing of knee musculature in patients with rheumatoid arthritis with mild knee involvement[J].A rch Phys M ed Rehabil,1987,68(5 Pt 1):294-297.

[18]Hurley MV,Newham DJ.The influence of arthrogenous muscle inhibition on quadriceps rehabilitation of patients with early,unilateral osteoarthritic knees[J].Br J Rheumatol,1993,32(2):127-131.

[19]董啟榮,鄭祖根,龔建平,等.股四頭肌對髕股關節影響的臨床和實驗觀察[J].骨與關節損傷雜志,2000,15(2):106-108.

[20]Shakespeare DT,Stokes M,Sherman KP,et al.Reflex inhibition of the quadriceps after meniscectomy:lack of association with pain[J].Clin Physiol,1985,5(2):137-144.

[21]Lieb FJ,Perry J.Quadriceps function.An anatomical and mechanical study[J].JBJS,1968,50A:1535-1548.

[22]McConnell J.T he management of chondromalacia patellae:a long term solution[J].Aust J Phy siother,1986,32:215-223.

[23]Sakai N,Luo ZP,Rand JA,et al.The influence of weakness in the vastus medialis oblique muscle on the patellofemoral joint:an in vitro biomechanical study[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2000,15(5):335-339.

[24]Souaz DR,G ross M T.Comparison of vastus medialis obliquus:vastus lateralis muscle integrated electromy og raphic ratios between healthy subjects and patients with patellofemoral pain[J].Phys T-her,1991,71(4):310-316.

[25]Tang SF,Chen CK,Hsu R,et al.Vastus medialis obliquus and vastus lateralis activity in open and closed kinetic chain exercises in patients with patellofemoral pain sy ndrome:an electromyographic study[J].Arch Phy s Med Rehabil,2001,82(10):1441-1445.

[26]Miller JP,Sedory D,Croce RV.Vastus medialis obliquus and vastus lateralis activity in patients with and without patellofemroal pain syndrome[J].J Sports Rehabil,1997,6(1):1-10.

[27]張琦,吳賢發.表面肌電儀對髕股疼痛綜合征患者膝關節肌電活動的分析[J].中國康復理論與實踐,2006,12(12):1041-1042.

[28]Boucher JP,King MA,Lefebvre R,et al.Quadriceps femoris muscle activity in patellofemoral pain syndrome[J].Am J Sports Med,1992,20(5):527-532.

[29]Laprade J,Culham E,Brouwer B.Comparison of five isometric exercise in the recruitment of the vastus medialis oblique in persons with and without patellofemoral pain syndrome[J].J Orthop Sports Phys T her,1998,27(3):197-204.

[30]王銀銀,羅旋,李子軍.表面肌電圖技術在體育科研中的應用[J].浙江體育科學,2007,29(5):103-105.

[31]Enoka RM,Bawa P,Wakeling JM,et al.Comments on points,counterpoints,spectral properties of the surface EMG can characterize/do not provide information about motor unit recruitment strategies and muscle fiber type[J].J Appl Physiol,2008,105:1676-1681.