45°靜蹲與75°靠墻靜蹲股四頭肌表面肌電變化及髕股關(guān)節(jié)受力分析

王博潮，史清釗

（首都體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)與健康學(xué)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(chǎn)生的一種慢性積累性損傷。諸多項(xiàng)目的運(yùn)動員身上都經(jīng)常發(fā)生髕骨的勞損，如籃球、速滑、羽毛球等項(xiàng)目都很容易發(fā)生。而且在普通人群中同樣也有很多人發(fā)生，如體重過大的肥胖人群、酷愛體育鍛煉且有得不到專業(yè)動作指導(dǎo)的人群，發(fā)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(shù)治療和保守治療兩個方面，但由于手術(shù)治療會給患者帶來創(chuàng)口，并且術(shù)后需要固定患肢臥床靜養(yǎng)，給患者后期的康復(fù)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(xí)，也就是我們俗稱的“站樁法”，簡單易行，不受患者所處環(huán)境因素的制約，是目前運(yùn)動療法治療髕骨勞損中公認(rèn)的較為有效的一種。但目前還沒有形成較為統(tǒng)一的練習(xí)標(biāo)準(zhǔn)用以指導(dǎo)患者的康復(fù)，不同方式的靜蹲和不同的屈膝角度會產(chǎn)生不同的效果。有研究表明，普通靜蹲練習(xí)選取30°、45°、60°進(jìn)行比較時，45°時的股四頭肌表面肌電測試的各項(xiàng)指標(biāo)（iEMG、MF、MPF）均優(yōu)于30°和60°，并呈現(xiàn)顯著性差異，即股四頭肌更容易達(dá)到疲勞狀態(tài)，且45°時髕股關(guān)節(jié)壓力大于30°小于60°，較為適中，所以在進(jìn)行普通靜蹲練習(xí)時，選取45°更容易達(dá)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(xí)選取45°、60°、75°、90°進(jìn)行比較時，75°時的股四頭肌表面肌電測試的各項(xiàng)指標(biāo)（iEMG、MF、MPF）僅次于90°但均優(yōu)于45°、60°，并呈現(xiàn)顯著性差異，即股四頭肌更容易達(dá)到疲勞狀態(tài)，但90°時髕股關(guān)節(jié)面壓力最大最易發(fā)生磨損，且75°時髕股關(guān)節(jié)壓力相對較小，大于45°小于60°和90°，所以綜合考慮，在進(jìn)行靠墻靜蹲練習(xí)時，75°是較為科學(xué)的適宜角度。但目前并沒有相關(guān)研究顯示45°普通靜蹲練習(xí)和75°靠墻靜蹲練習(xí)之間的優(yōu)劣。本研究將對45°普通靜蹲練習(xí)和75°靠墻靜蹲練習(xí)進(jìn)行比較，試圖尋找防治髕骨勞損效果相對最為顯著的科學(xué)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(xué)院健康男性大學(xué)生 30名測試對象，均為非運(yùn)動訓(xùn)練專業(yè)在校學(xué)生并自愿參加本試驗(yàn)，身體狀況良好，無股四頭肌及膝關(guān)節(jié)損傷史，在測試之前 24 小時內(nèi)不從事任何劇烈運(yùn)動，肌肉沒有處于疲勞狀態(tài)。保持實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器 表面肌電信號測試 儀：實(shí)驗(yàn)使用MegaWin ME6000 T16（16通道）肌電信號采集系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)自芬蘭），對受試者雙腿的股四頭肌進(jìn)行測量表面肌電信號。電極：本實(shí)驗(yàn)使用的是上海勵圖醫(yī)療器材有限公司生產(chǎn)的一次性Ag/AgCl 皮膚表面電極片。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程 （1）實(shí)驗(yàn)中只選擇記錄股外肌、股內(nèi)側(cè)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(yī)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(dǎo)電極貼處呈等腰三角形，2個引導(dǎo)電極中心距離2cm，參考電極與引導(dǎo)電極之間相距約5cm。為避免干擾，實(shí)驗(yàn)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(guān)節(jié)角度，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角度達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)一次膝關(guān)節(jié)角度，直到受試者力竭時即刻停止。先進(jìn)行45°普通靜蹲的測試，隔1 周進(jìn)行75°靠墻靜蹲測試，全程都進(jìn)行表面肌電信號的采集。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 對整個過程的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，數(shù)據(jù)指標(biāo)有iEMG、MF、MPF。所有數(shù)據(jù)通過軟件處理表，轉(zhuǎn)化成Excel 形式的文件在Excel 進(jìn)行處理，并導(dǎo)入 SPSS 18.0 統(tǒng)計(jì)軟件，數(shù)據(jù)全部用均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差（±）表示，采用獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 2 組練習(xí)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(xí)和 75°靠墻靜蹲練習(xí)過程中股四頭肌的iEMG 變化股外側(cè)肌最為明顯，其次是股內(nèi)側(cè) 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(xiàn)非常顯著性差異。

2.2 2 組練習(xí)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(cè)肌外75°靠墻靜蹲的股內(nèi)側(cè)肌和股直肌MF 值大于45°靜蹲，且均不呈現(xiàn)顯著性差異。

2.3 2 組練習(xí)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(cè)肌外75°靠墻靜蹲的股內(nèi)側(cè)肌和股直肌MPF 值大于45°靜蹲，且均不呈現(xiàn)顯著性差異。

3 分析與討論

膝關(guān)節(jié)是人體所有關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一個關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)在機(jī)體進(jìn)行運(yùn)動的過程當(dāng)中承受了很大的負(fù)重，所以極容易出現(xiàn)運(yùn)動性損傷，而髕骨勞損就是一種十分常見的膝關(guān)節(jié)損傷，占據(jù)了膝關(guān)節(jié)損傷中較大的比例。由于膝關(guān)節(jié)長期受到微細(xì)損傷而導(dǎo)致，也有可能因?yàn)榧毙該p傷導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生纖維化、軟化等退行性的改變。研究表明，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性會在處于半蹲姿勢時明顯下降，因?yàn)榇藭r膝兩側(cè)副韌帶和前后十字交叉韌帶都處于松弛狀態(tài)，這時就主要由股四頭肌和髕骨來維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。靜蹲練習(xí)主要是通過鍛煉股四頭肌提高股四頭肌力量，增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性來達(dá)到防治髕骨勞損的效果的。這樣能有效加快膝關(guān)節(jié)局部血液循環(huán)，即加速了新陳代謝，從而達(dá)到緩解髕骨勞損疼痛感的效果，促進(jìn)傷后的康復(fù)。

表面肌電圖（surface electromyography， sEMG），是從肌肉表面通過電極引導(dǎo)、記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號。肌肉參與活動的運(yùn)動單位數(shù)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(zhǔn)確體現(xiàn)出來，所以常被用于評價肌肉的功能狀態(tài)。sEMG 信號具有實(shí)時性、敏感性和靈活性等特點(diǎn)，同時具有無創(chuàng)、簡單易行、容易被受試者接受等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在評定康復(fù)訓(xùn)練中肌肉的機(jī)能狀態(tài)和運(yùn)動訓(xùn)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(biāo)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(biāo)是平均功率頻率（Mean Power Frequency，MPF）和中位頻率（Median Frequency，MF）。而在本實(shí)驗(yàn)中我們?yōu)榱诉_(dá)到預(yù)期的最佳效果，選取的3 個指標(biāo)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?yàn)榉e分肌電（iEMG）是指所得肌電信號經(jīng)整流濾波后單位時間內(nèi)曲線下面積的總和，它反映了肌電信號隨時間進(jìn)行的強(qiáng)弱變化，即能夠幫助我們分析肌肉在單位時間內(nèi)的收縮特性。MF 斜率能夠反映一個在肌肉進(jìn)行維持的等長收縮練習(xí)過程中的疲勞程度，這一點(diǎn)符合靜蹲練習(xí)過程中股四頭肌收縮特點(diǎn)和鍛煉肌力的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)。MPF 一般被用于反映肌肉的活動和功能狀態(tài)，雖然在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，sEMG 的FFT 頻譜曲線并非呈典型的正態(tài)分布，在表現(xiàn)sEMG 的頻譜特征變化上MF 較之MPF 更加有效，但在實(shí)際操作中研究者們發(fā)現(xiàn)，MPF 在反映肌肉的活動和功能狀態(tài)上敏感性更高。

髕股關(guān)節(jié)的壓力，也稱作髕股間的壓應(yīng)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(xué)者Hayes 通過尸體實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角度為20°～30°時，壓應(yīng)力從（2.0±0.4）MPa 提升到（2.4±0.6）MPa，膝關(guān)節(jié)角度為60°～90°時，壓應(yīng)力從 （4.1±0.8）MPa 增加到 （4.4±1.0）MPa，而膝關(guān)節(jié)角度至120°時壓應(yīng)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(jié)果中我們不難得出，髕股關(guān)節(jié)壓應(yīng)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(fā)生了明顯的提升，在屈膝60°和90°時基本上達(dá)到最大，即在60°和90°時髕股關(guān)節(jié)承受了最大的應(yīng)壓力。更大的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)壓力也就意味著導(dǎo)致髕骨與股骨滑車之間出現(xiàn)磨損發(fā)生纖維化、軟化等退行性病變等情況的風(fēng)險更高，從而誘發(fā)髕骨勞損。也有研究顯示，髕股關(guān)節(jié)之間最容易發(fā)生磨損的角度是40°～80°。由上述理論研究可以看出，髕股關(guān)節(jié)在屈膝成75°時髕股關(guān)節(jié)面所承受的壓力大于45°。綜合考慮表面肌電指標(biāo)結(jié)果，45°普通靜蹲的iEMG 均大于75°靠墻靜蹲，且呈現(xiàn)非常顯著性差異，這表明股四頭肌受到了更強(qiáng)烈的刺激，發(fā)生了更強(qiáng)烈的收 縮，有更加顯著的鍛煉效果。而MF 和MPF 兩項(xiàng)指標(biāo)的比較上，兩組練習(xí)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(rèn)為，45°的普通靜蹲練習(xí)比75°靠墻靜蹲練習(xí)效果更加顯著。

表1 實(shí)驗(yàn)對象的基本情況

表2 2 組練習(xí)股四頭肌iEMG 的變化mv.s

表3 2 組練習(xí)股四頭肌MF 的變化Hz

表4 2 組練習(xí)股四頭肌MPF 的變化Hz

4 結(jié) 論

在選擇進(jìn)行靜蹲練習(xí)對髕骨勞損進(jìn)行康復(fù)時，45°普通靜蹲效果優(yōu)于75°靠墻靜蹲，是更為科學(xué)合理的防治與康復(fù)髕骨勞損的靜蹲練習(xí)方式和角度，建議大家選擇45°普通靜蹲練習(xí)。

[ 1 ] 嚴(yán)廣斌.髕骨軟化癥[ J ].中華關(guān)節(jié)外科，2011，12（5）：831.

[ 2 ] 趙倩.不同角度靜蹲股四頭肌表面肌電變化及髕股關(guān)節(jié)受力分析[D]. 北京：首都體育學(xué)院，2013.

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