健康青年下臺階時股內側肌、股直肌和股外側肌間的表面肌電變化①

史昊楠，桂沛君，徐大衛，郭輝，謝瑛

健康青年下臺階時股內側肌、股直肌和股外側肌間的表面肌電變化①

史昊楠1，桂沛君1，徐大衛1，郭輝2，謝瑛1

目的 探討健康青年下臺階時股內側肌、股直肌及股外側肌的肌肉收縮強度差異。方法 2016年，選取首都醫科大學2015級30名健康在校大學生，將電極貼于優勢側股四頭肌上，采集受試者下臺階過程中的股內側肌、股直肌及股外側肌的肌電信號。結果 在下臺階過程中，股直肌的最大收縮幅值和平均收縮幅值顯著小于股內側肌和股外側肌(P〈0.001)；而股內側肌和股外側肌無顯著性差異(P〉0.05)。結論 健康青年在下臺階過程中股內側肌及股外側肌的活性顯著高于股直肌；股內側肌與股外側肌協同收縮活性相當。

下臺階；股四頭肌；收縮強度；表面肌電圖

股四頭肌是膝關節伸展的動力裝置[1]，具有幾方面的生物力學功能，包括穩定膝關節、減慢跟骨觸地的速度以及在正常行走過程中減少關節面間的沖撞[2-3]。后兩者在減少膝關節面間的撞擊性受力方面非常重要。因此，正常的股四頭肌肌力能夠保護膝關節免受異常負荷。已有研究表明，股內側肌與股外側肌在肌力與激發順序等方面的異常會造成膝關節不穩定[4-5]，在骨關節病患者中也存在內外側肌力的平衡異常，上下臺階困難是影響很多骨關節病患者日常生活自理能力的重要方面[6]，而股四頭肌在此過程中起著至關重要的作用。本實驗分析健康青年群中股內側肌與股外側肌的收縮強度及兩者間的對比。

表面肌電圖(surface electromyography)是將神經肌肉系統活動時的生物電變化在皮膚表面加以引導、放大、顯示和記錄所獲得的時間序列信號。它可用于采集骨骼肌收縮時的電活動，通過波幅和波形特征反映神經沖動產生和肌肉系統的激活特征。表面肌電信號活動的變化在很大程度上能夠定量反映肌肉活動的局部疲勞程度、肌力水平、肌肉激活模式、運動單位興奮傳導速度、多肌群協調性等肌肉活動和中樞控制特征的變化規律[7]，參與收縮的肌纖維數目增多，在肌電圖上表現為振幅增加。振幅均值對于分析周期的持續時間差異不敏感，較適用于比較分析[8]。而且表面肌電圖的振幅均值能夠較好地描述在一個特定運動中特定肌肉的總的神經支配量[9]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取首都醫科大學2015級30名健康在校大學生，其中男性15名，女性15名；平均年齡(23.0±0.5)歲；體質量指數(body mass index,BMI)為(21.42±1.67)kg/m2；采用利足利手檢查量表評定所有受試者的利側[10]，其中右利足18名(男性8名，女性10名)，左利足12名(男性7名，女性5名)。受試者均無膝關節疼痛和運動損傷史。在實驗開始前，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 實驗器材

DelsysMyomonitorⅢEMG system表面肌電圖測試儀系統(美國)、筆記本電腦、Delsys專用電極貼、國際標準木質臺階(共3級臺階，每級臺階90×30×15 cm)、秒表、75%酒精及棉球等去角質層用品。

1.3 測試方法

1.3.1 實驗前準備

①皮膚準備：暴露受試者大腿中下段，用75%酒精擦拭受試區皮膚直至擦紅，以去除皮膚表面角質層，減少電阻，若有毛發應去除。②粘貼電極：將電極順著肌纖維方向依次貼于股直肌、股內側肌、股外側肌肌腹表面，具體的粘貼位置如表1所示[11]。參考電極置于腓骨頭皮膚。③實驗開始前向受試者解釋具體實驗過程并讓其熟悉實驗經過。④調整儀器到初始位置，做好準備。

1.3.2 實驗過程

將電極貼于優勢側指定位置后，受試者在臺階上自然站立，雙腿放松。聽到行走口令后，受試者開始下臺階，先邁優勢側大腿，要求受試者下臺階時軀干保持直立，按口令下臺階(每秒下一級臺階)。設定3個通道分別收集記錄股內側肌、股直肌、股外側肌在下臺階過程中的表面肌電信號。

1.3.3 信號處理

將股直肌、股內側肌以及股外側肌的原始肌電信號經過整合、平滑化等處理后，采用DelSysEMG-works Analysis分析軟件導出所有運動周期內的振幅值，根據原始信號確定每一個信號周期的時間范圍，找出該時間段內的最大收縮幅值。同一周期內的信號經整合、平滑化處理后，計算平均收縮幅值。

采用表面肌電圖記錄受試者下臺階時股四頭肌的肌電變化，由于本次試驗設定臺階為3階，所以共采集到3個周期肌電信號，用軟件分析得到各周期中所測肌肉的最大收縮幅值及平均收縮幅值，計算三個周期各肌肉的最大收縮幅值及平均收縮幅值。

1.4 統計學分析

應用SPSS 17.0統計分析軟件進行統計學分析，所得數據符合正態分布，以(xˉ±s)表示。股直肌、股內側肌、股外側肌三者間最大收縮幅值及平均收縮幅值數據的比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用Bonferroni法。顯著性水平α=0.05。

2 結果

在下臺階過程中，股直肌、股內側肌、股外側肌三者間的最大收縮幅值和平均收縮幅值均有非常高度顯著性差異(P〈0.001)。股直肌最大收縮幅值和平均收縮幅值顯著小于股內側肌和股外側肌(P〈0.001)。而股內側肌與股外側肌比較無顯著性差異(P〉0.05)。見表2。

表1 股直肌、股內側肌、股外側肌的粘貼位置

表2 股直肌、股內側肌、股外側肌最大收縮幅值、平均收縮幅值的比較(μV)

3 討論

股四頭肌是伸膝裝置中唯一的動力性結構，可分為股內側肌、股外側肌、股中間肌和股直肌，股內側肌又分為股內斜肌和股內直肌，分別起到將髕骨向內后側牽拉和向上牽拉的作用。各肌肉的合力是保持運動中髕股關節正常對位、保持髕骨穩定的動力因素，從而維持膝關節的正常功能[12]。在伸膝過程中，股內斜肌和股外側肌在冠狀面的橫軸上起相互協同作用，兩者在肌力及激發順序等方面的異常都會導致兩者的不平衡，進而導致伸膝裝置功能異常[13]。已有研究表明，在骨關節炎患者中，下臺階時存在股外側肌活性高于股內側肌，且病情越嚴重，兩者的活性差距越大[8]。因此股內側肌和股外側肌狀態的平衡是維持股四頭肌正常功能狀態的重要因素。下樓時，支撐腿股四頭肌做離心收縮，離心性的收縮較向心性收縮具有更高的效率[14]，因此下樓梯時也需要具有比較高的綜合能力。

此次試驗選取在校大學生30名，用表面肌電圖記錄在下臺階過程中股直肌、股內側肌以及股外側肌的肌電信號。表面肌電圖又稱動態肌電圖，是利用放置于表面皮膚的記錄電極采集肌肉收縮時的電流，并通過一系列的技術處理獲得肌電信號，進而分析數據，了解相關肌肉功能狀況的一種無創、簡便、價廉的體表肌肉功能無創檢查手段[15-16]。原始肌電信號經過不同的分析轉換方法得出的指標可以一定程度上反映運動單位活動同步化、肌纖維募集、肌肉疲勞程度、肌肉激活順序和激活時間等情況，可通過檢測某一肌肉的肌電狀況，對單塊肌肉的功能作出評價[17-19]。

本次實驗共采集到3個周期的肌電信號，利用肌電圖分析軟件得到在一個下臺階的過程中優勢側腿股直肌、股內側肌和股外側肌肌肉的最大收縮幅值。本次實驗結果顯示，股直肌收縮強度明顯小于股內側肌。目前，無論國內或國外肌皮瓣的移植一直是熱門的研究課題，股直肌的肌皮瓣移植也不例外[20-21]。有研究表明股直肌對伸膝功能作用較小，切除后對伸膝功能影響不大[22]，同時又由于其有豐富的血供，在臨床經常被用作皮瓣。結合本次實驗結果，可知健康青年股直肌在伸膝過程中收縮幅度較小，所起作用最小。

Bennell等[9]通過實驗發現股四頭肌的感覺運動功能與膝關節的屈曲程度僅有微弱的相關性，故而骨關節炎的患者由于股四頭肌功能減退，不能很好地控制其離心收縮，使運動過程中膝關節負荷增大。Hubley-Kozey等[23]也證明骨關節炎患者大都表現為外側肌肉活性升高，內側肌肉活性降低，以減輕內側膝關節的負荷。股內、外側肌的不平衡會造成膝關節疾病，引起膝關節的不穩定。繆萍等[24]也通過實驗證明，髕股疼痛綜合征患者在雙足半蹲以及坐位伸膝動作時，股內斜肌和股外側肌的肌電活動都表現為失衡狀態，股內斜肌的運動單位募集和活化程度明顯低于股外側肌；而正常人在雙足半蹲時，股內斜肌和股外側肌的肌電活動表現為平衡狀態。本研究也發現，在健康青年中，股內側肌與股外側肌最大收縮幅值與平均收縮幅值之間無很大差異，說明在下臺階過程中，股內側肌與股外側肌協同收縮，收縮強度平衡。

本次實驗為了最大限度避免串擾現象，統一電極的放置位置，并使每個電極的間距大于2.5 cm[25]。此外，受試者的年齡、體質量指數、性別及心理因素等個體特征會影響到實驗結果。本實驗選取在校大學生，并對身高進行篩選，性別隨機，以降低個體差異的影響。皮膚表面的清潔程度如毛發、汗液、角質層等都會對肌電信號產生影響，因此在實驗開始前我們通過去除受試者體表的毛發，用75%酒精棉擦拭需暴露的部分，以降低皮膚阻抗。

綜上所述，本研究結果表明健康青年股內側肌與股外側肌協同收縮強度相當，均大于股直肌。這也提示我們對于膝關節不穩及膝關節骨關節炎的患者而言，物理治療師在進行康復治療時應加強股內側肌與股外側肌的肌力訓練，特別是股內側肌的肌力訓練，縮小膝關節骨關節炎患者股內外側肌活性差異，從而增強膝關節穩定性。

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Surface Electromyography Changes of Vastus Medialis,Rectus Femoris and Vastus Lateralis during Stair Descent in Healthy Youth

SHI Hao-nan1,GUI Pei-jun1,XU Da-wei1,GUO Hui2,XIE Ying1
1.Beijing Friendship Hospital,Capital Medcial University,Beijing 100050,China;2.Beijing Bo'ai Hospital,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

Objective To evaluate the activities of vastus medialis,rectus femoris and vastus lateralis during stair descent in healthy youth.Methods Thirty healthy college students were recruited from the Capital Medical University 2015 admissions in 2016.The electrode was put on the dominant side of the quadriceps.Surface electromyography was used to record muscle activity during stair descent.Results During stair descent,the maximum amplitude and mean amplitude were significantly lower in rectus femoris than in vastus medialis and vastus lateralis(P〈0.001).No significant difference was found between vastus medialis and vastus lateralis(P〉0.05).Conclusion The activation of both vastus medialis and vastus lateralis during stair descent is significantly higher than that of rectus femoris.The coactivation of vastus medialis and vastus lateralis is equal in healthy youth.

stair descent;quadriceps;contraction intensity;surface electromyography

XIE Ying.E-mail：13691446412@126.com

R322.7

A

1006-9771(2017)10-1162-04

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.10.008

[本文著錄格式] 史昊楠，桂沛君，徐大衛，等.健康青年下臺階時股內側肌、股直肌和股外側肌間的表面肌電變化[J].中國康復理論與實踐,2017,23(10)：1162-1165.

CITED AS：Shi HN,Gui PJ,Xu DW,et al.Surface electromyography changes of vastus medialis,rectus femoris and vastus lateralis during stair descent in healthy youth[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(10)：1162-1165.

1.首都醫科大學附屬北京友誼醫院，北京市100050；2.中國康復研究中心北京博愛醫院PT3科，北京市100068。作者簡介：史昊楠(1987-)，女，漢族，北京市人，技師，主要研究方向：神經系統疾病的康復。通訊作者：謝瑛。E-mail：13691446412@126.com。

2017-03-03

2017-05-02)