45°靜蹲與75°靠墻靜蹲股四頭肌表面肌電變化及髕股關節受力分析

2015-01-16 05:38:34王博潮史清釗

運動 2015年15期

王博潮，史清釗

（首都體育學院運動科學與健康學院，北京 100191）

髕骨勞損是由髕骨軟骨損傷引起的退行性病變，包括軟骨的腫脹、碎裂、脫落等病變而產生的一種慢性積累性損傷。諸多項目的運動員身上都經常發生髕骨的勞損，如籃球、速滑、羽毛球等項目都很容易發生。而且在普通人群中同樣也有很多人發生，如體重過大的肥胖人群、酷愛體育鍛煉且有得不到專業動作指導的人群，發生髕骨勞損的概率也都很高。目前，髕骨勞損的治療主要分為手術治療和保守治療兩個方面，但由于手術治療會給患者帶來創口，并且術后需要固定患肢臥床靜養，給患者后期的康復和日常生活帶來了諸多不便，所以更多的患者傾向于選擇保守治療。在保守治療的多種方法手段中，靜蹲練習，也就是我們俗稱的“站樁法”，簡單易行，不受患者所處環境因素的制約，是目前運動療法治療髕骨勞損中公認的較為有效的一種。但目前還沒有形成較為統一的練習標準用以指導患者的康復，不同方式的靜蹲和不同的屈膝角度會產生不同的效果。有研究表明，普通靜蹲練習選取30°、45°、60°進行比較時，45°時的股四頭肌表面肌電測試的各項指標（iEMG、MF、MPF）均優于30°和60°，并呈現顯著性差異，即股四頭肌更容易達到疲勞狀態，且45°時髕股關節壓力大于30°小于60°，較為適中，所以在進行普通靜蹲練習時，選取45°更容易達到防治髕骨勞損的效果。而在靠墻靜蹲方面，另有研究顯示，靠墻靜蹲練習選取45°、60°、75°、90°進行比較時，75°時的股四頭肌表面肌電測試的各項指標（iEMG、MF、MPF）僅次于90°但均優于45°、60°，并呈現顯著性差異，即股四頭肌更容易達到疲勞狀態，但90°時髕股關節面壓力最大最易發生磨損，且75°時髕股關節壓力相對較小，大于45°小于60°和90°，所以綜合考慮，在進行靠墻靜蹲練習時，75°是較為科學的適宜角度。但目前并沒有相關研究顯示45°普通靜蹲練習和75°靠墻靜蹲練習之間的優劣。本研究將對45°普通靜蹲練習和75°靠墻靜蹲練習進行比較，試圖尋找防治髕骨勞損效果相對最為顯著的科學靜蹲方式和角度。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取首都體育學院健康男性大學生 30名測試對象，均為非運動訓練專業在校學生并自愿參加本試驗，身體狀況良好，無股四頭肌及膝關節損傷史，在測試之前 24 小時內不從事任何劇烈運動，肌肉沒有處于疲勞狀態。保持實驗場所的室溫在 22℃左右。受試者的年齡、體重等基本情況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗儀器表面肌電信號測試儀：實驗使用MegaWin ME6000 T16（16通道）肌電信號采集系統（實驗儀器產自芬蘭），對受試者雙腿的股四頭肌進行測量表面肌電信號。電極：本實驗使用的是上海勵圖醫療器材有限公司生產的一次性Ag/AgCl 皮膚表面電極片。

1.2.1 實驗流程（1）實驗中只選擇記錄股外肌、股內側肌和股直肌的表面肌電信號，股中肌位于深層所以不做記錄。電極片分別粘于3 塊肌肉肌腹最隆起處。

（2）先刮掉電極片貼處的體毛，隨后用75%的醫用酒精擦拭電極片貼處及周圍的皮膚，將2 個一次性電極片和1 個參考電極分別貼在3 塊肌肉肌腹處，參考電極與兩個引導電極貼處呈等腰三角形，2個引導電極中心距離2cm，參考電極與引導電極之間相距約5cm。為避免干擾，實驗過程中將電極線妥善固定。（3）受試者

自然站立，雙腳分開與肩同寬，緩慢屈膝下蹲過程中保持上半身直立。使用量角器測量膝關節角度，當膝關節角度達到實驗所需角度時，保持靜止不動，開始記錄表面肌電信號，在測試的過程中，每隔30s校準一次膝關節角度，直到受試者力竭時即刻停止。先進行45°普通靜蹲的測試，隔1 周進行75°靠墻靜蹲測試，全程都進行表面肌電信號的采集。

1.2.3 數據處理對整個過程的信號數據進行比對分析，數據指標有iEMG、MF、MPF。所有數據通過軟件處理表，轉化成Excel 形式的文件在Excel 進行處理，并導入 SPSS 18.0 統計軟件，數據全部用均數與標準差（±）表示，采用獨立樣本 t 檢驗進行統計分析；P＜0.05 表示具有顯著性差異，P＜0.01 表示具有非常顯著性差異。

2 實驗結果

2.1 2 組練習股四頭肌表面肌電iEMG 的變化比較

如表2 所示，45°普通靜蹲練習和 75°靠墻靜蹲練習過程中股四頭肌的iEMG 變化股外側肌最為明顯，其次是股內側肌，最后是股直肌。45°普通靜蹲和75°靠墻靜蹲時3 塊肌肉的iEMG 比較，45°靜蹲均大于75°靜蹲，且均呈現非常顯著性差異。

2.2 2 組練習股四頭肌表面肌電MF 的變化比較

如表3 所示，45°普通靜蹲和75°靠墻靜蹲時3 塊肌肉的MF 比較，除股外側肌外75°靠墻靜蹲的股內側肌和股直肌MF 值大于45°靜蹲，且均不呈現顯著性差異。

2.3 2 組練習股四頭肌表面肌電MPF 的變化比較

如表4 所示，45°普通靜蹲和75°靠墻靜蹲時3 塊肌肉的MPF 比較，除股外側肌外75°靠墻靜蹲的股內側肌和股直肌MPF 值大于45°靜蹲，且均不呈現顯著性差異。

3 分析與討論

膝關節是人體所有關節中結構最為復雜的一個關節，膝關節在機體進行運動的過程當中承受了很大的負重，所以極容易出現運動性損傷，而髕骨勞損就是一種十分常見的膝關節損傷，占據了膝關節損傷中較大的比例。由于膝關節長期受到微細損傷而導致，也有可能因為急性損傷導致關節軟骨發生纖維化、軟化等退行性的改變。研究表明，膝關節穩定性會在處于半蹲姿勢時明顯下降，因為此時膝兩側副韌帶和前后十字交叉韌帶都處于松弛狀態，這時就主要由股四頭肌和髕骨來維持膝關節的穩定。靜蹲練習主要是通過鍛煉股四頭肌提高股四頭肌力量，增強膝關節穩定性來達到防治髕骨勞損的效果的。這樣能有效加快膝關節局部血液循環，即加速了新陳代謝，從而達到緩解髕骨勞損疼痛感的效果，促進傷后的康復。

表面肌電圖（surface electromyography， sEMG），是從肌肉表面通過電極引導、記錄下來的神經肌肉系統活動時的生物電信號。肌肉參與活動的運動單位數量、放電頻率、同步化程度等等信息都能被表面肌電信號所準確體現出來，所以常被用于評價肌肉的功能狀態。sEMG 信號具有實時性、敏感性和靈活性等特點，同時具有無創、簡單易行、容易被受試者接受等優點，廣泛應用在評定康復訓練中肌肉的機能狀態和運動訓練中肌肉疲勞程度等方面。分析和處理sEMG 信號時，最主要從時閾和頻閾兩個方面著手。時域分析中最常用的指標有積分肌電值（IEMG）、均方根值（RMS）、平均振幅（MA）等。頻域分析中最常用兩種指標是平均功率頻率（Mean Power Frequency，MPF）和中位頻率（Median Frequency，MF）。而在本實驗中我們為了達到預期的最佳效果，選取的3 個指標為積分肌電值（iEMG）、平均功率頻率（Mean Power Frequency，MPF）和中位頻率（Median Frequency，MF）。因為積分肌電（iEMG）是指所得肌電信號經整流濾波后單位時間內曲線下面積的總和，它反映了肌電信號隨時間進行的強弱變化，即能夠幫助我們分析肌肉在單位時間內的收縮特性。MF 斜率能夠反映一個在肌肉進行維持的等長收縮練習過程中的疲勞程度，這一點符合靜蹲練習過程中股四頭肌收縮特點和鍛煉肌力的運動學特點。MPF 一般被用于反映肌肉的活動和功能狀態，雖然在統計學中，sEMG 的FFT 頻譜曲線并非呈典型的正態分布，在表現sEMG 的頻譜特征變化上MF 較之MPF 更加有效，但在實際操作中研究者們發現，MPF 在反映肌肉的活動和功能狀態上敏感性更高。

髕股關節的壓力，也稱作髕股間的壓應力，是由股四頭肌與髕韌帶的合力所組成的大小相等、方向相反的力。國外學者Hayes 通過尸體實驗的研究發現，當膝關節角度為20°～30°時，壓應力從（2.0±0.4）MPa 提升到（2.4±0.6）MPa，膝關節角度為60°～90°時，壓應力從（4.1±0.8）MPa 增加到（4.4±1.0）MPa，而膝關節角度至120°時壓應力非但沒有隨之而上升，反之又逐漸減小到了（2.0±0.3）MPa。從這樣的研究結果中我們不難得出，髕股關節壓應力在屈膝角度成 20°～30°和 60°～90°時變化均不明顯，而從 30°～60°時發生了明顯的提升，在屈膝60°和90°時基本上達到最大，即在60°和90°時髕股關節承受了最大的應壓力。更大的髕股關節應壓力也就意味著導致髕骨與股骨滑車之間出現磨損發生纖維化、軟化等退行性病變等情況的風險更高，從而誘發髕骨勞損。也有研究顯示，髕股關節之間最容易發生磨損的角度是40°～80°。由上述理論研究可以看出，髕股關節在屈膝成75°時髕股關節面所承受的壓力大于45°。綜合考慮表面肌電指標結果，45°普通靜蹲的iEMG 均大于75°靠墻靜蹲，且呈現非常顯著性差異，這表明股四頭肌受到了更強烈的刺激，發生了更強烈的收縮，有更加顯著的鍛煉效果。而MF 和MPF 兩項指標的比較上，兩組練習并沒有顯著性差異，效果相差無幾，即股四頭肌的疲勞程度和功能活動情況基本一致。所以本研究認為，45°的普通靜蹲練習比75°靠墻靜蹲練習效果更加顯著。