18～22歲女性Y平衡測試的下肢表面肌電和姿勢穩定性特征

黃兆欣，李磊，鐘嘉敏，郭存洋，張利強，程宗申，肖曉飛

濱州醫學院康復醫學院，山東煙臺市 264003

0 引言

姿勢控制是指身體在任何姿勢或活動中保持、達到或恢復平衡狀態的能力[1]。機體穩定、有序地運動依賴于下肢姿勢穩定性。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態平衡測試方法[2]。Hertel 等[3]通過因子分析法發現，SEBT 中前、后內和后外3 個方向上的測試成績敏感性高于其他5個方向，建議使用前、后內和后外3 個方向的測試代替冗長的8個方向測試。這3個方向代表機體在3個不同平面，額狀面、矢狀面和水平面的運動能力[4]，與肌肉力量[5-6]和神經肌肉控制[7]等相關。該評估方法具有較高的組間(0.99～1.00)和組內(0.85～0.91)信度[8]，還具有低成本、易操作、便捷高效等優點，已被廣泛用來評估下肢動態穩定性，預測損傷風險[9]，檢測康復效果，進行臨床康復訓練[10]。

表面肌電圖通過引導、放大、顯示和記錄皮膚表面神經-肌肉系統活動過程中的生物電信號，說明肌肉的活動與功能間的聯系[11]。YBT 每個方向的距離分數能反映神經肌肉控制情況，距離分數越高，神經肌肉控制能力越強[12]；伸展距離分數與下肢屈伸膝關節肌肉等速肌力正相關[13]。

神經肌肉控制是神經系統識別傳入的關節靜態或動態位置和運動信息，調節肌肉激活，改變肌肉募集順序和運動單位量，以維持關節穩定和協調的過程[14]。已有學者對SEBT 下肢肌電特征進行研究[7,12,15]，但僅采用均方根(root mean square,RMS)這一指標。Earl 等[7]對下肢腘繩肌、脛前肌和腓腸肌的研究發現，不同方向上肌肉激活模式不同。對軀干肌、臀肌和大腿肌肉的肌電特征進行研究發現[12,15]，軀干肌和臀肌的激活與SEBT 各方向伸展距離分數有關。上述研究對下肢屈伸膝和踝關節肌肉的描述不全面。

本研究增加積分肌電值(integral electromyography,iEMG)和肌肉貢獻率指標，探究YBT 時下肢屈伸膝關節(股二頭肌、股直肌)和踝關節肌肉(腓腸肌、脛前肌)的肌電特征，探討YBT 時姿勢穩定性，及兩者之間的相關性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

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

納入標準：①測試前1 個月內無軀干和肢體關節等損傷情況，能正常參加測試；②自愿簽署知情同意書。

排除標準：有肌肉骨骼功能異常、神經系統疾病、嚴重內臟病變、嚴重代謝性疾病或骨腫瘤。

本研究已經濱州醫學院醫學倫理委員會科研項目倫理審查(No.2021-233)。

1.2 方法

受試者測試前熱身。確定優勢腿(優先選擇踢球的腿[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勢腿股直肌、股二頭肌、脛前肌和外側腓腸肌肌腹正中，連接和固定傳感器。

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

將YBT 運動套件(美國FUNCTIONAL MOVE‐MENT SCREEN)貼置于三維測力平臺(美國BERTEC公司)中心位置。測力平臺采集頻率1000 Hz；YBT 運動套件前側管與后內側和后外側管之間的夾角均為135°，后內側與后外側管之間的夾角為90°，三個方向的中間區域為支撐腿站立區[18]。三維測力平臺和表面肌電儀使用Vicon 三維運動分析系統的數據轉換盒同步器進行同步。

受試者赤足，優勢腿支撐站立于貼有YBT運動套件的測力臺上，拇趾在中心橫線后，對準正前方，雙手叉腰；非優勢腿按前側、后外側和后內側順序依次伸展，每個方向伸展3 次后換下一個方向；測量伸展的最大距離，精確到0.5 cm[19]。

正式測試前，受試者每側腿每個方向嘗試6 次，以熟悉測試動作，休息5 min 后進行正式測試；如果受試者嘗試6次伸出都失敗，則該方向記為0 cm。

測試者伸展時不能用擋板作為前伸腿的支撐點。以下情況認為失敗，不納入數據分析：單腿站立時失去平衡、站立腳發生明顯移動、伸展腳落地支撐、伸展腿未回到初始位置。

記錄3 個方向的伸展距離原始值及標準值；肌電信號RMS、iEMG 和肌肉貢獻率；壓力中心(center of pressure,COP)總軌跡長、前后方向(antero-posterior,A/P)和內外側方向(medio-lateral,M/L)軌跡長。RMS 用RMSMVC標準化：

肌電信號采用Noraxon MR3 軟件平滑過濾，整流和帶通濾波(10～500 Hz)[20]，導出到Excel，數據做時間歸一化處理，采用MatLab 2020 軟件和Excel 2016軟件進行數據計算；COP 數據經時間歸一化后采用MatLab 2020軟件進行數據處理。

1.3 統計學分析

采用SPSS 22.0 軟件處理數據。計量資料符合正態分布，以()表示，采用單因素方差分析、配對樣本t檢驗；不符合正態分布，以M(QL,QU)表示，采用Kruskal-Wallis 檢驗、Wilcoxon 符號秩和檢驗。肌電信號特征與姿勢穩定性的相關性采用Pearson 相關性分析[13]。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 RMS

在YBT 3 個方向上，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 在三個方向上無顯著性差異(P＞0.05)，股二頭肌RMS 后內側小于后外側，脛前肌RMS前側小于后外側。見表1。

表1 YBT不同方向各肌肉RMS比較 單位：%

2.2 iEMG

在三個方向上，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 個方向無顯著性差異，股二頭肌iEMG 后內側小于后外側，脛前肌iEMG 前側小于后外側，腓腸肌iEMG 前側大于后內側和后外側。見表2。

表2 YBT不同方向各肌肉iEMG比較 單位：μV·s

2.3 肌肉貢獻率

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

股直肌肌肉貢獻率3 個方向無顯著性差異，股二頭肌肌肉貢獻率前側大于后內側，脛前肌肌肉貢獻率前側小于后外側，和腓腸肌肌肉貢獻率前側大于后內側和后外側。見表3。

表3 YBT不同方向各肌肉肌肉貢獻率比較 單位：%

2.4 姿勢穩定性

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

表4 YBT伸展距離分數和COP軌跡長度

2.5 肌電特征與姿勢穩定性的相關性

前側時，COP 總軌跡長與股二頭肌和腓腸肌iEMG 正相關(P＜0.05)；后內側時，COP 總軌跡長與腓腸肌iEMG 正相關(P＜0.05)；后外側時，COP 總軌跡長與脛前肌iEMG 正相關(P＜0.05)；RMS 和肌肉貢獻率與COP總軌跡長無相關性(P＞0.05)。見表5。

表5 下肢肌肉肌電特征與COP總軌跡長的相關性

3 討論

本研究顯示，YBT 時，股直肌有效放電量最高，脛前肌放電總量和貢獻水平最高；后外側方向，YBT的伸展距離分數和COP軌跡長優于其他兩個方向，動態姿勢穩定性最好。YBT運動時，部分關節伸肌或屈肌肌力與姿勢穩定性存在一定相關性，關節伸肌或屈肌對保持動態姿勢穩定性有著重要作用。

Ortega 等[21]發現，COP 軌跡長度與SEBT 伸展距離呈正相關性。在描述動態姿勢任務時，COP 指標越大，代表姿勢穩定性越好[22-23]。本研究顯示，后外側動態姿勢穩定性更好，與Karagiannakis 等[24]的研究結果基本一致。

RMS代表有效放電，反映肌肉活動時運動單位激活數量、參與活動運動單位的類型和同步化程度[25]。本研究發現，股二頭肌在3 個方向上肌肉激活、有效放電量均最小，股直肌最大，腓腸肌低于脛前肌，這可能由于踝關節背伸、腳跟著地狀態下，腓腸肌通過離心收縮控制脛骨前傾，腓腸肌運動單位激活較小；為維持踝關節穩定，脛前肌激活增加。

Eliassen 等[26]發現，股二頭肌在下蹲動作中運動單位激活量小于股直肌。Lee 等[27]證明，自身體重下深蹲動作不足以刺激腘繩肌激活。YBT下蹲達不到深蹲程度，股二頭肌有效激活較少。下蹲動作屈肌激活相對較小，主要由股直肌離心收縮控制膝關節屈曲角度和速度，同時對抗重力作用。

iEMG 是指一定時間內肌肉中參與活動的運動單位的放電總量，是評價肌纖維參與量的重要指標。為維持關節穩定和協調，神經肌肉控制系統會改變肌肉的募集順序和運動單位量[28]。踝背屈時，脛前肌參與活動的運動單位增加，放電總量最大。隨著踝關節背屈角度增加，脛前肌由于能量代謝失衡、局部酸性代謝產物增多或肌氧含量下降[29]，導致肌纖維收縮力降低，為維持動作進行，神經系統募集新的運動單位開始放電。

肌肉貢獻率是指該肌肉在動作周期內的iEMG 占參與該動作所有肌肉iEMG 和的比值，反映該肌肉在完成動作時的重要性[30]。從肌肉貢獻率來看，脛前肌和股直肌在YBT運動中占主導地位。在YBT 3個方向中，脛前肌肌肉貢獻率均高于其他肌肉，且在后內側和后外側大于前側，腓腸肌的肌肉貢獻率前側大于后內側和后外側。當主動肌收縮時，中樞神經系統會控制拮抗肌協調性放松或適當性離心收縮，即神經肌肉控制系統調節脛前肌和腓腸肌協調性地收縮或放松，促進踝關節背伸動作穩定完成[31]。

綜合RMS 和iEMG 可知，股直肌在3 個方向上的運動單位激活量、放電總量和貢獻率起著相似作用，對保持膝關節穩定起重要作用。股二頭肌的肌肉貢獻率最小，與股直肌共同維持膝關節穩定性。

本研究發現，部分關節伸肌或屈肌與姿勢穩定性存在一定相關性。在前側時，股二頭肌和腓腸肌與姿勢穩定性相關；后內側時，腓腸肌與姿勢穩定性相關。Kang等[32]發現，踝關節背伸角度與伸展距離正相關；COP 軌跡長與伸展距離間正相關[21]，隨著伸展距離增加，踝關節背伸角度增大，COP 軌跡長變長，需要腓腸肌募集更多的運動單位放電。后外側時，脛前肌與姿勢穩定性相關。伸展腿向后側伸展，支撐腿脛前肌需募集較多運動單位放電，引起踝關節背伸，使得伸展腿伸展更遠。唐橋等[13]發現，綜合性項目運動員支撐腿膝關節伸肌和屈肌的等速肌力與YBT 3 個方向的伸展分數相關。本研究對象為18～22 歲女性，肌力相對較弱，只發現部分肌肉與姿勢穩定性相關。有研究發現[6]，中老年人等速肌力與伸展分數普遍不具有相關性。此外，RMS和肌肉貢獻率與姿勢穩定性間不存在相關性，這可能是由于進行YBT時個體運動速度不一致，各肌肉收縮的角速度、激活程度等存在偏差。

閉鏈運動是指肢體遠端固定而近端肢體活動的運動。閉鏈運動訓練在前交叉韌帶重建術后[33]和膝關節半月板損傷[34]等疾病的康復中尤為重要，可以減輕關節剪切力，增強關節周圍肌肉神經控制能力等。髕骨疼痛綜合征的主要病因是股四頭肌失衡[35]，YBT 運動不僅是一種典型的下蹲型閉鏈運動，且股直肌激活較明顯，可以作為一種康復訓練方法應用于臨床。

在SEBT 時，優勢腿和非優勢腿對伸展距離沒有影響[36]，所以本研究僅分析優勢側下肢肌肉肌電信號和姿勢穩定性。由于進行YBT 時個體運動速度不一致，各肌肉收縮角速度、激活程度等有偏差，后續可通過擴大樣本量，探究不同運動速度下肌電信號特征與姿勢穩定性間的相關關系。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。