膝骨关节炎患者登梯活动中下肢肌群肌电特征的研究进展

来源:用户上传      作者:

　　 【摘 要】 膝骨关节炎患者在日常登梯活动中会因难度的增加，使下肢肌群出现异常的活化状态和激活模式，表面肌电图能客观定量反映神经肌肉的功能状态，对膝骨关节炎患者的异常步态分析具有较高的应用价值。从膝骨关节炎患者登梯活动中下肢神经肌肉的肌电活动、活化状态和共激活模式等方面阐述表面肌电在膝骨关节炎患者步态分析中的具体作用与价值。
　　 【关键词】 骨关节炎，膝;表面肌电图;肌肉功能;综述
　　 膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）患者普遍存在肌力下降、肌力不平衡等神经肌肉问题，下肢肌力下降是造成KOA患者关节负重增加、下肢力线异常、病情进展的危险因素，并且与患者身体功能密切相关[1-2]。相对于平地行走，KOA患者在登梯活动中需要更大的髋、膝、踝关节的活动范围和肌肉力矩[3]。各种原因导致KOA患者步态异常，当面对登梯这种挑战性更大的日常活动时，异常的步态模式更加明显。步态障碍的病因及病理基础中除了骨关节因素外，另一个就是神经肌肉因素，探究KOA患者下肢神经肌肉在登梯活动中的活化状态和激活程度成为步态分析中不可或缺的一部分。
　　 表面肌电图（sEMG）作为非损伤性、多靶点检测以及肌电信号特征变化与内在生理病理改变一致性的手段，是康复医学重要的检测方法[4]。神经肌肉是步行动力的源泉，神经肌肉的问题与异常步态存在内在联系，sEMG是通过测量肌肉收缩过程中所产生的电信号来反映人体神经肌肉活动特征的生物医学信号[5]，由于其所携带的信息对肌肉协调和肌肉激活的解释与分析十分重要[6]，近年被用来分析肌肉活动的特性。因此，在步态分析中加入sEMG可以对神经肌肉进行量化，如神经肌肉的募集程度，肌群的收缩程度与模式等，以实现更加精准的评测。sEMG的多通道测量特性，可以同步检测主动肌、拮抗肌和协同肌的功能特性和相互间的贡献度，使用表面肌电对KOA患者下肢肌群的肌电特征进行分析[7]，可以帮助探寻KOA患者日常活动中神经肌肉造成异常步态的原因。
　　1 KOA患者下肢肌群活动状态
　　1.1 KOA患者日常活动时下肢肌群的肌电活动 KOA患者有膝关节周围肌肉功能下降和活动异常的现象。林颖等[8]研究发现，KOA患者坐-站活动时下肢肌电分析得出股二头肌与股外侧肌群的收缩肌电振幅高于常人，提示对KOA患者应从集中对股四头肌的训练转变到对股四头肌和腘绳肌的协同性训练;也提示KOA患者其他日常活动中可能同样存在下肢肌群神经肌肉的异常情况。有研究发现，KOA患者患侧股二头肌和股外侧肌在做最大等长收缩和下蹲时肌电振幅均值小于健侧，腘绳肌激活程度比率高于健侧[9]，多表现为相应肌肉积分肌电值（iEMG）和肌电均方根值（RMS）下降，RMS股二头肌（BF）/股外侧肌（VL）、RMS BF/BFmax比值增高。这可能是由于快收缩纤维运动单位的萎缩和功能下降导致股外侧肌（Ⅱ型纤维所占比利较高）激活下降，而股二头肌代偿性增加伸髋募集活动来稳定膝关节。SANCHEZ-RAMIREZ等[10]在对KOA患者登梯下肢生物力学和神经肌肉的研究中认为，登梯活动中KOA患者神经肌肉更多的肌电活动是为了在登梯过程中的承重期稳定关节，以此对抗KOA患者关节松弛的现象，并且随着KOA的进展，膝关节内收力矩峰值、膝关节屈曲力矩峰值都在不断增加，这表明关节间压力与肌电活动呈正相关。
　　1.2 KOA患者登梯活动中下肢肌群活化状态 上下台阶较平地行走时下肢支撑时相更长，需要更大的肌力和关节控制能力，同时登梯活动时需要更大的关节屈曲角度，也产生更大的骨间压力。上下台阶时KOA患者会有不同于常人的下肢肌群收缩模式，故KOA患者在登梯过程中的功能活动异常会更明显地体现出来，可能会带来异常的步态模式。KOA患者普遍感觉上下台阶较平地行走关节疼痛更加明显，行动更加困难。KOA患者登梯时下肢肌群的激活时序可能是异常步态模式神经肌肉的内在因素[11]。LEWEK等[12]研究KOA患者的步态和下肢肌群表面肌电特征发现，KOA患者不仅存在额状面上的关节不稳，而且下肢股直肌-腓肠肌的协同收缩较正常人明显增加，提示KOA患者存在特定的下肢肌群活化模式。HUBLEY-KOZEY等[13]研究43例KOA患者在膝关节置换前1周和置换后1年下肢步行时肌肉活化情况，发现膝关节置换后患者大腿前后肌群的肌电波幅整体降低，支撑相中晚期肌肉激活减少，而腓肠肌在支撑相后期激活明显增加，从而证实了膝关节置换后下肢肌肉的激活模式更加接近正常人在步态周期中的激活方式。
　　2 KOA患者下肢肌群共同激活模式
　　2.1 肌肉共同激活理论 肌肉共同激活（muscle co-activation）指关节周围不同肌肉的同步活动[14]。肌肉共同激活（即同时协调主动肌和拮抗肌或关节周围其他肌群如内外侧肌群的共同收缩）被认为是维持关节稳定、负荷分布和运动控制的主要机
　　制[15-16]。肌肉激活由两种主要机制控制：基于认知控制的前馈和对关节感受器（机械感受器、本体感受器）的反馈响应[17]。在KOA患者中，已经确定了两种肌肉共激活策略。整体肌肉共激活被认为是关节周围所有肌肉组合的高肌肉共激活[18]，即主动肌与拮抗肌、内侧肌群和外侧肌群的同时激活。选择性肌肉共激活涉及特定但不是所有肌肉组合中的高肌肉共激活，如只有主动肌和拮抗肌的共激活或只有内侧肌群和外侧肌群的共激活，但不可能两者同时[19]。肌肉共激活与关节的稳定性紧密相关[20]。在KOA患者中，高水平的肌肉共激活被认为是在缺乏足够的来自被动约束系统（如韧带越来越松弛）的稳定性情况下稳定膝关节，整体肌肉共激活是当肢体最不稳定时采用的策略，在更脆弱的位置，需要主动肌和拮抗肌、内外侧肌群等肌群的同时激活以稳定关节，该策略中拮抗肌的激活会使关节僵硬程度增加，带来的不利后果就是关节之间压力增大，反而加速对关节软骨结构的破坏，成为KOA疾病进展的危险因素[21]。在行走过程中，KOA患者在下肢前后、内外侧的肌肉组合中肌肉共激活的情况高于对照组[22-23]，所以對于KOA患者下肢肌群共同激活模式的研究才能确定它对患者登梯活动时异常步态的影响。 　　2.2 KOA患者登梯活动时肌肉共同激活模式 肌肉共同激活在步态分析中已有相关研究报道[24]。MILLS等[25]在其系统性评价中指出，选择性的肌肉共激活是在分担膝关节内侧间室的负荷。在相同的活动中，KOA患者在所有肌肉组合中表现出高或低的肌肉共同活动。随着年龄的增加和与KOA相关的关节间隙变窄的增加，被动约束（例如韧带）变得越来越松弛。内侧间隙狭窄的KOA患者则需要再进行功能活动时股内侧肌提供更大的肌力，更高的拮抗剂肌肉激活被认为会增加关节僵硬度，然而，采用保持正常运动策略的能力会因肌肉无力而丧失。因此，肌肉共激活策略的改变可以尝试并适应这种缺乏关节稳定性。在步态行走过程中，健康人主动肌和拮抗肌的肌肉共同激活被认为是提高运动效率的激活模式，但在有神经肌肉问题的情况下这是一种异常的策略，虽能提高稳定性和精确度，但是运动效率无法进一步提高[26]。所以，对KOA患者特定的肌肉共激活模式的研究是十分必要的。在步态周期中，不同时相肌肉的共激活都有所不同，可能是为了稳定关节，也可能是为了驱动身体前进，但无论是哪种激活模式都是为了关节的稳定状态达到最佳。韩新祚等[7]研究关于KOA患者上台阶时膝关节周围神经肌肉协调性与骨关节功能的关系研究，发现KOA患者股外侧肌最大振幅及最大振幅均值较股内侧肌明显增大，并认为股四头肌和腘绳肌的共同激活是为了协调运动以稳定膝关节。MOKHTARZADEH等[27]在一项研究中发现，当做着陆动作时，膝关节周围肌肉的共同激活是为了通过提升内力来减小过量的地面反作用力。SMITH等[21]认为，KOA患者在更具挑战性的活动如登梯活动中，肌肉的共同激活率更高，特别是当关节接受负荷时，下肢内侧与下肢外侧肌肉协同活动高于腘绳肌与股四头肌，因此下肢内侧与下肢外侧肌肉协同活动被认为是一种稳定机制，而腘绳肌与股四头肌协同活动对膝关节屈曲力矩有反应，这表明不同的肌肉组合可能在响应关节需求方面有不同的作用。CHILDS等[28]在研究下梯的过程中发现，KOA患者的胫前肌和腘繩肌的共激活比正常人高。但是HORTOB?GYI等[29]做的研究中并没有发现KOA患者与正常人在登梯活动时腘绳肌和股四头肌肌肉共同收缩有所不同，只有在活动的进一步分组时才表现出肌肉共激活的情况。
　　3 康复训练指导与疗效评价
　　 sEMG的客观数据提示，康复干预不仅应重视相关肌肉肌力的增强训练，而且还应该重视改善膝关节前后、内外侧肌肉平衡协调功能的训练，这对缓解膝关节疼痛和减少患者功能限制非常有意义[30]。有学者利用sEMG实时记录KOA患者不同活动状态下的股内侧肌（VM）和VL活动情况，结合年龄等基础信息，制定更合理、更个性化的适宜运动处方[31]。KOA患者在登梯活动中，由于挑战难度的增加导致的关节疼痛可以通过肌电振幅更加具体地展示出来，康复干预后肌电的再次评估对训练方案的合理性具有指导意义。肌电信号客观准确地给予双侧下肢主动肌与拮抗肌协同收缩率的变化，对个性化康复训练制定有很大帮助。KOA患者在登梯活动时异常的激活模式本质上是人体的自我调整以应对挑战，不论是激活不足还是高激活状态都可以具体到相应的肌肉并通过sEMG呈现出来，康复训练方案的制定则更加科学、客观。另外，在登梯活动中加入肌电信号频域指标则可以检测登梯活动中相应肌肉的疲劳度，可针对性地进行肌肉耐力的训练，而肌电时域相关指标则可以根据登梯活动中下肢肌群的募集和放电程度针对性地进行肌肉力量训练。总之，KOA患者登梯的肌电特征就是最客观、真实的康复指导报告。
　　4 展 望
　　 综上所述，sEMG对于KOA患者登梯活动中下肢肌群肌电特征分析的作用是值得肯定的，但是目前全面分析KOA患者下肢肌群登梯活动中肌肉活化状态和共同激活模式分析的研究较少。KOA患者在登梯活动中，下肢神经肌肉在步态周期中可能有区别于正常人的激活时间、活化状态，不仅表现在膝关节周围的肌群，也可能涉及髋、踝关节周围相关肌群。KOA患者在完成登梯活动时，可能会有不同的肌肉活动状态，通过对登梯活动中KOA患者下肢异常肌肉功能状态和激活模式进行肌电评估分析，对KOA患者下肢神经肌肉状态提供科学依据，可以为KOA患者的康复临床设计与肌群相关的治疗方案提供客观依据。
　　5 参考文献
　　[1] WOOD LRJ，BLAGOJEVIC-BUCKNALL M，STYNES S，et al.Impairment-targeted exercises for older adults with knee pain：a proof-of-principle study（TargET-Knee-Pain）[J].BMC Musculoskeletal Disorders，2016，17（1）：47.
　　[2] 谢秋蓉，江征，罗庆禄.正常人群中股四头肌肌电图的均方根和肌肉等长收缩力矩的关系[J].康复学报，2016，26（3）：25-28.
　　[3] NOVAK AC，BROUWER B.Sagittal and frontal lower limb joint moments during stair ascent and descent in young and older adults[J].Gait Posture，2011，33（1）：54-60.
　　[4] 励建安，孟殿怀.步态分析的临床应用[J].中华物理医学与康复杂志，2006，32（7）：500-503.
　　[5] REAZ MB，HUSSAIN MS，MOHD-YASIN F.Techniques of EMG signal analysis： detection，processing，classification and applications[J].Biol Proced Online，2006，8（1）：11-35. 　　[6] CARIUS D，KUGLER P，KUHWALD HM，et al.Absolute and relative intrasession reliability of surface EMG variables for voluntary precise forearm movements[J].J Electromyogr Kinesiol，2015，25（6）：860-869.
　　[7] 韩新祚，刘克敏.膝关节骨关节炎患者上台阶时膝伸屈肌的表面肌电信号研究[C]//第五届北京国际康复论坛，2010：997-1004.
　　[8] 林颖，王芗斌，陈菁华，等.膝骨性关节炎患者坐-站活动时的表面肌电图研究[J].按摩与康复医学，2015，6（6）：13-16.
　　[9] SHARMA L，DUNLOP DD，CAHUE S，et al.Quadriceps Strength and Osteoarthritis Progression in Malaligned and Lax Knees[J].Ann Intern Med，2003，138（8）：613-619.
　　[10] SANCHEZ-RAMIREZ DC，MALFAIT B，BAERT I，et al.Biomechanical and neuromuscular adaptations during the landing phase of a stepping-down task in patients with early or established knee osteoarthritis[J].Knee，2016，23（3）：367-375.
　　[11] 肇刚.膝骨关节炎的影像学和阶梯治疗的系列研究[D].北京：中国人民解放军医学院，2015.
　　[12] LEWEK MD，RUDOLPH KS，SNYDER-MACKLER L.Control of frontal plane knee laxity during gait in patients with medial compartment knee osteoarthritis[J].Osteoarthritis Cartilage，2004，12（9）：745-751.
　　[13] HUBLEY-KOZEY CL，HATFIELD GL，ASTEPHEN WJ，et al.Alterations in neuromuscular patterns between pre and one-year post-total knee arthroplasty[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2010，25（10）：995-1002.
　　[14] KELLIS E，ARABATZI F，PAPADOPOULOS C.Muscle co-activation around the knee in drop jumping using the co-contraction index[J].J Electromyogr Kinesiol，2003，13（3）：229-238.
　　[15] CHILDS JD，SPARTO PJ，FITZGERALD GK，et al.Alterations in lower extremity movement and muscle activation patterns in individuals with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2004，19（1）：44-49.
　　[16] WINBY CR，GERUS P，KIRK TB，et al.Correlation between EMG-based co-activation measures and medial and lateral compartment loads of the knee during gait[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2013，28（9-10）：1014-1019.
　　[17] HOPKINS JT，INGERSOLL CD.Arthrogenic Muscle inhibition：A Limiting Factor in Joint Rehabilitation[J].Journal of Sport Rehabilitation，2000，9（2）：135-159.
　　[18] LLOYD DG，BUCHANAN TS.Strategies of muscular support of varus and valgus isometric loads at the human knee[J].J Biomech，2001，34（10）：1257-1267.
　　[19] TENNANT LM，MALY MR，CALLAGHAN JP，et al.Analysis of muscle activation patterns during transitions into and out of high knee flexion postures[J].J Electromyogr Kinesiol，2014，24（5）：711-717.
　　[20] 賈谊，薛瑞婷，魏亮.人体快速起跳动作的下肢表面肌电信号特征研究[J].中国体育科技，2017，53（2）：64-70.
　　[21] SMITH SL，ALLAN R，MARREIROS SP，et al.Muscle Co-Activation Across Activities of Daily Living in Individuals With Knee Osteoarthritis[J].Arthritis Care Res（Hoboken），2019，71（5）：651-660. 　　[22] HORTOBAGYI T，WESTERKAMP L，BEAM S，et al.Altered hamstring-quadriceps muscle balance in patients with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2005，20（1）：97-104.
　　[23] METCALFE AJ，STEWART C，POSTANS N，et al.The effect of osteoarthritis of the knee on the biomechanics of other joints in the lower limbs[J].Bone Joint J，2013，95-B（3）：348-353.
　　[24] SOUISSI H，ZORY R，BREDIN J，et al.Comparison of methodologies to assess muscle co-contraction during gait[J].J Biomech，2017，57（1）：141-145.
　　[25] MILLS K，HUNT MA，LEIGH R，et al.A systematic review and meta-analysis of lower limb neuromuscular alterations associated with knee osteoarthritis during level walking[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2013，28（7）：713-724.
　　[26] BUSSE ME，WILES CM，DEURSEN RWMV.Muscle co-activation in neurological conditions[J].Physical Therapy Reviews，2005，10（4）：247-253.
　　[27] MOKHTARZADEH H，YEOW CH，GOH J，et al.Antagonist muscle co-contraction during a double-leg landing maneuver at two heights[J].Comput Methods Biomech Biomed Engin，2017，20（13）：1382-1393.
　　[28] CHILDS JD，SPARTO PJ，FITZGERALD GK，et al.Alterations in lower extremity movement and muscle activation patterns in individuals with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2004，19（1）：44-49.
　　[29] HORTOB?GYI T，WESTERKAMP L，BEAM S，et al.Altered hamstring-quadriceps muscle balance in patients with knee osteoarthritis[J].Clin Biomech（Bristol，Avon），2005，20（1）：97-104.
　　[30] AL-JOHANI AH，KACHANATHU SJ，RAMADAN HA，et al.Comparative study of hamstring and quadriceps strengthening treatments in the management of knee osteoarthritis[J].J Phys Ther Sci，2014，26（6）：817-820.
　　[31] HOWE TE，RAFFERTY D.Quadriceps activity and physical activity profiles over long durations in patients with osteoarthritis of the knee and controls[J].J Electromyogr Kinesiol，2009，19（2）：e78-e83.
　　收稿日期：2019-03-23;修回日期：2019-05-05
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14939281.htm