單側前交叉韌帶重建患者步行雙側下肢肌肉協同模式差異

魏夢力，鐘亞平，周易文，桂輝賢，關燁明，于婷婷

1.武漢體育學院體育大數據研究中心，湖北武漢市 430070；2.湖北省運動與健康創新發展研究中心，湖北武漢市430070

0 引言

單側前交叉韌帶重建術后，因患側腿肌肉萎縮，患者會出現步態不對稱現象[1]，導致步行中患側膝關節持續受到額外關節負荷，誘發膝骨關節炎等問題，需及時進行糾正訓練[2‐4]。Neal 等[5]發現，患側腿支撐相膝關節伸展肌力下降。Mantashloo 等[6]發現，患側腿股直肌肌電振幅更小。

步行是多關節活動，在不同步行階段，中樞系統需調動多塊肌肉，構成不同的肌肉活動組合，需充分考慮到各肌肉的協同關系，以實施更為系統的糾正訓練。現有研究多為傳統的線性分析方法，難以明確各肌肉間協同收縮過程，且較少討論性別差異。

肌肉協同理論認為，動作的實現是中樞系統事先編碼一組肌肉協同元并根據目標任務對其進行排列組合，使肌肉產生協同收縮的過程[7]。基于該理論，學者嘗試采用非線性分析手段非負矩陣分解解構人體活動時表面肌電矩陣，提取參與的肌肉協同元，以分析肌肉協同過程。本研究基于上述理論，分析男、女患者步行下肢肌電數據，總結雙側下肢肌肉協同模式差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2023 年4 月至6 月，于武漢體育學院附屬醫院招募單側前交叉韌帶重建術后患者20 例，其中男性12例，女性8例。患者基線資料見表1。

表1 患者基線資料Table 1 Baseline data of the patients

納入標準：①重建術后6 個月左右[8‐9]；②無膝骨關節炎等術后并發癥[10]；③無其他下肢手術史[11]；④術后未經過規范康復訓練干預。

排除標準：①雙膝手術；②前交叉韌帶二次斷裂。

剔除與脫落標準：①中途退出測試；②數據采集不完整。

本研究已經武漢體育學院醫學倫理委員會審查通過(No.2023029)，并在中國臨床試驗注冊中心注冊(No.ChiCTR2302023029)。

1.2 方法

以下測試均在武漢體育學院體育大數據研究中心完成。

1.2.1 試驗設備

采用動作捕捉系統(德國SⅠMⅠ公司)解析關節在矢狀面、冠狀面、水平面的運動學數據，計算患者步態周期，拍攝頻率60 Hz[12]。采用Butterworth 濾波器低通濾波，濾波截止頻率10 Hz[13]。

采用無線表面肌電系統(美國DELSYS 公司)，8塊傳感單元分別貼于患者下肢的股內側肌(髕骨內側緣上方2 cm)、股直肌(髂骨與膝關節中點)、股外側肌(髕骨外側緣上方5 cm)、股二頭肌(坐骨結節與腓骨小頭連線中點)、半腱肌(坐骨結節與脛骨粗隆內側連線中點)、脛骨前肌(脛骨粗隆外側旁開2 cm)、腓腸肌內側頭(膝關節遠端，中線旁開內側2 cm)、腓腸肌外側頭(膝關節遠端，中線旁開外側2 cm)[14‐15]。采樣頻率2 000 Hz。帶通濾波器濾波，截止頻率10～500 Hz[16]。采用測試中各肌肉最大肌電值進行標準化[17]。

采用2 塊三維測力臺(瑞士KⅠSTLER 公司)采集動力學數據，采樣頻率1 000 Hz。采用Butterworth 濾波器低通濾波，截止頻率50 Hz[18]。

1.2.2 測試方案

患者著緊身上衣和短褲，赤腳站于長約12 m的測試步道。測試閃光信號發出后，患者以正常速度開始行走。測試過程中患者正視前方，不可低頭或左右看。患者同一只腳一次觸地至下次觸地之間的時間為步態周期[19]，成功采集患者健側腿與患側腿各6 次步態周期數據，取均值[20]。參照Rancho Los Amigos 國家康復中心的標準[21]將步態周期分為承重反應期、支撐相中期、支撐相末期、擺動相前期、擺動相初期、擺動相中期和擺動相末期7個階段。

1.2.3 分析指標提取

肌電包絡曲線按股內側肌、股直肌、股外側肌、股二頭肌、半腱肌、脛骨前肌、腓腸肌內側頭、腓腸肌外側頭的順序自上而下排列為8×101 的特征矩陣Em×n(m為被測肌肉數量，n為樣本的時間序列長度)；對特征矩陣E進行非負矩陣分解，分解為協同元矩陣W和激活系數矩陣H，W與H相乘，得到重構特征矩陣E?[22]。

N為肌肉協同元數量，e為殘差。

基于E?與E，提取肌肉協同模式特征指標。

①肌肉協同元參與數量：基于E?與E的變異度(variance accounted for,VAF)，確定肌肉協同元參與數量[23]。確定標準：VAF ＞ 95%[24‐25]；VAF 變化率 ＜1%[26]。最后，采用Pearson相關系數r判斷肌肉協同元矩陣向量的相似性，當r＞ 0.6 時，則判定為同一類肌肉協同元[22,27]，將對其進行合并。

Eij為E中第i行、j列對應元素，E?ij為E?中第i行、j列對應元素。

②肌肉協同元激活峰值用時：每個肌肉協同元的激活系數達到峰值的時間[28]。

③肌肉相對權重：肌肉協同元中各肌肉的相對激活值[28]。

④肌肉協同元主要參與肌肉：肌肉相對權重＞ 0.3時，即判定為協同元內的主要參與肌肉[29]。

1.3 統計學分析

采用SPSS 21.0 進行統計學分析。計量資料符合正態分布，采用配對樣本t檢驗；不符合正態分布，采用Wilcoxon符號秩和檢驗[30]。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 肌肉協同元參與數量

男性健側腿E?在肌肉協同元參與數量為6 時，VAF=99.182%，變化率=0.353%，解析出6 個肌肉協同元；患側腿E?在肌肉協同元參與數量為5 時，VAF=98.833%，變化率=0.754%，解析出5 個肌肉協同元。患側腿主要缺乏以脛骨前肌為主要參與肌肉的協同元2。

女性健側腿E?在肌肉協同元參與數量為6 時，VAF=99.444%，變化率=0.529%，共解析出6 個肌肉協同元；患側腿E?在肌肉協同元參與數量為6 時，VAF=99.294%，變化率=0.437%，共解析出6 個肌肉協同元。

見圖1和圖2。

圖1 患者步行時雙側下肢肌電矩陣VAF變化率Figure 1 Variance accounted for change rate of electromyog‐raphy matrix of both lower limbs during walking

圖2 患者步行時雙側下肢肌電矩陣VAF曲線Figure 2 Variance accounted for curve of electromyography matrix of both lower limbs during walking

各肌肉協同元主要參與肌肉見圖3，主導步態階段見圖4。

圖3 患者雙側下肢各肌肉協同元主要參與肌肉Figure 3 Muscles participate in synergies of both lower limbs during walking

圖4 患者雙側下肢各肌肉協同元主導的步態階段Figure 4 Synergies mainly in gait phases of both lower limbs during walking

2.2 肌肉協同元峰值激活用時

男性患側腿各肌肉協同元峰值激活用時與健側腿無顯著性差異(P＞0.05)。女性患側腿協同元3 峰值激活用時比健側腿增加(P＜ 0.05)，增長幅度為(46.500±36.300)%，協同元5 峰值激活用時增加(P＜ 0.05)，增長幅度為(17.375±14.730)%。見圖5。

圖5 男性患者步行時雙側下肢肌肉協同元峰值激活用時Figure 5 Time to peak activation of muscle synergies of both lower limbs during walking in males

圖6 女性患者步行時雙側下肢肌肉協同元峰值激活用時Figure 6 Time to peak activation of muscle synergies of both lower limbs during walking in females

2.3 肌肉相對權重

男性患側腿協同元1 股直肌相對權重低于健側腿(P＜ 0.05)，下降幅度為(0.324±0.415)，其余肌肉相對權重無明顯變化。女性患側腿協同元2 股外側肌相對權重高于健側腿(P＜ 0.05)，增長幅度為(0.159±0.285)，股二頭肌相對權重低于健側腿(P＜ 0.05)，下降幅度為(0.237±0.243)；協同元3 股直肌相對權重低于健側腿(P＜ 0.05)，下降幅度為(0.250±0.317)；協同元6 股二頭肌相對權重低于健側腿(P＜ 0.05)，下降幅度為(0.180±0.234)。見圖7、圖8。

圖7 男性患者步行時雙側下肢各協同元肌肉相對權重Figure 7 Relative weight of muscles in synergies of both lower limbs during walking in males

圖8 女性患者步行時雙側下肢各協同元肌肉相對權重Figure 8 Relative weight of muscles in synergies of both lower limbs during walking in females

3 討論

肌肉協同理論認為，人在做各類動作時，中樞系統會依據動作任務要求，按照特定的時序，線性地組合若干不同功能的肌肉協同元，在時空層面調節各參與肌群的控制信號，完成目標動作任務。本研究解析單側前交叉韌帶重建術后患者步行時雙側下肢肌肉協同元參與數量與類型，結果顯示，女性健側腿和患側腿均解析出6 個協同元，而男性健側腿解析出6 個協同元，患側腿僅解析出5 個協同元，缺少以脛骨前肌為主要參與肌肉的協同元2，提示前交叉韌帶重建術后，男性步行時，踝關節背屈或有所受限。Wahlstedt等[31]發現，前交叉韌帶重建術后，患者步行時，患側腿踝關節背屈功率下降。Ansa等[32]發現，前交叉韌帶重建術后，患者步行時，患側踝關節背屈與跖屈幅度均下降。本研究結果與之相符。

協同元2 主導步態的承重反應階段動作，該階段下肢關節承接足部落地產生的反作用力，限制踝關節背屈，減少踝關節變化幅度，可能提升膝關節脛骨端穩定性，以應對膝關節肌力不足、關節運動控制差的問題[33‐34]。

肌肉協同元峰值激活用時是評估各肌肉組合發力順序的重要指標。當人體受外界干擾時，參與肌肉協同元的峰值激活用時發生變化，以調控各肌肉協同元參與順序，改善動作結構，以適應外部干擾[35‐36]。本研究顯示，男性健、患側腿肌肉協同元的峰值激活用時無明顯變化；而女性患側腿主導承重反應期動作的協同元3 和主導支撐相中期動作的協同元5 的峰值激活均延遲，其中協同元3 的峰值激活時刻由承重反應期延遲至擺動相初期，協同元5 的峰值激活時刻由支撐相中期延遲至擺動相前期。

協同元3 主要參與肌肉為股外側肌、股直肌、股內側肌，為膝伸展肌群，延遲至擺動相初期激活將限制股二頭肌和半腱肌收縮，限制擺動階段膝關節的屈曲，使膝關節保持伸展狀態，可能與前交叉韌帶重建術后患者股四頭肌回避步態有關。股四頭肌回避步態指前交叉韌帶受傷后，由于其股四頭肌萎縮、收縮力下降，步行時會主動超伸膝關節，并減少膝關節屈曲，以減少股四頭肌發力，以應對膝關節離心和伸展肌力不足的問題[37]。協同元3 激活延遲符合股四頭肌回避步態的特征。

協同元5主要參與肌肉有腓腸肌內側頭和外側頭。協同元5激活延遲可能與患者維持踝關節穩定性有關。腓腸肌內側頭和腓腸肌外側頭主要功能為使踝關節跖屈，踝關節跖屈時，踝關節穩定性下降。步態支撐相中期，下肢處于單腿支撐，對踝關節穩定性要求較高；而步態擺動相前期，下肢處于雙支撐狀態，對踝關節穩定性要求較低。延遲協同元5 峰值激活時間，延遲腓腸肌活動，可提升患側腿踝關節穩定性。

肌肉協同理論認為，不同類型肌肉協同元主導不同動作階段，可依肌肉協同元內部各肌肉的相對權重，分析各動作階段各參與肌肉的相對收縮強度變化[38]。本研究顯示，男性患側腿協同元1 股直肌相對權重低于健側腿；女性患側腿協同元3 股直肌相對權重下降，可能與股四頭肌回避步態有關。協同元1、3均主導承重反應期，該階段膝關節微屈，以緩沖落地負荷，需要股直肌離心收縮控制膝關節活動；股四頭肌回避步態的突出特點是維持膝關節超伸狀態，從而保證股四頭肌無需離心收縮，以克服股四頭肌無力狀態。

此外，女性患側腿協同元2 股外側肌相對權重高于健側腿，股二頭肌相對權重低于健側腿。人體大腿前側伸肌群力量下降后，下肢著地時膝關節出現外翻現象[39]。協同元2 股外側肌相對權重上升，可一定程度緩解膝關節外翻；而股二頭肌相對權重下降，有助于減少膝關節承重反應期屈曲，保持關節伸展，符合股四頭肌回避步態的特征。女性患側協同元6 股二頭肌相對權重低于健側腿。協同元6 主導步態支撐中期動作，并銜接擺動前期，股二頭肌相對權重下降，將限制膝關節屈曲，維持膝關節伸展，限制足部擺動，也符合股四頭肌回避步態的特征。

本研究樣本量較小，僅從肌電層面分析單側前交叉韌帶重建術后患者步行時雙下肢肌肉協同模式差異。后期可加大樣本量，結合腦成像分析腦部活動與下肢肌肉協同的關系，以明晰前交叉韌帶重建術后患者步行時下肢功能非對稱現象背后的中樞‐外周控制機制。

4 結論

本研究依據肌肉協同理論，采用非負矩陣分解方法，從肌肉協同元參與數、肌肉協同元峰值激活用時、肌肉相對權重3 個方面觀察單側前交叉韌帶重建術后患者步行時雙側下肢肌肉協同模式的差異，發現男性患側腿凍結主導踝關節背屈功能的肌肉協同元參與，以增強踝關節穩定性；減少承重反應期股直肌相對權重，以弱化膝關節落地緩沖功能；女性患側腿主導承重反應期、支撐相中期動作的協同元激活延遲，增強承重反應期股外側肌的相對權重，降低承重反應期股直肌、股二頭肌和支撐相中期股二頭肌的相對權重，以限制膝關節屈曲。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。