成年女性髋关节卧位后伸时肌肉激活及运动模式研究

王 娜

成年女性髋关节卧位后伸时肌肉激活及运动模式研究

王 娜

前言

目前,学界普遍认为,卧位髋关节后伸时,对人体肌肉组织的激活和运动模式的评估可以作为检验骨骼肌系统功能障碍的临床工具。例如:在髋关节后伸时,竖脊肌出现过早的激活,或者臀肌激活延迟都被视为肌肉激活错误的表现,同时,过度屈膝现象则被视为腘肌过度激活的信号。因此,腘肌先于臀肌激活被认为是造成髋关节前部疼痛的主要原因,因为这种激活方式增加了关节所受到的力。为了减轻疼痛和髋关节及脊柱的压力,本研究采取两种方式来缓解,一是对激活方式的矫正,二是对特定肌肉活动进行言语提示补充。

语言提示分为主观提示和客观提示。本研究涉及到的是客观提示,客观提示一般分2种:第1种是无意识的客观提示,这类研究较多,研究表明,无意识的提示信息确实影响着人们的认识和情绪。第2种是有意识的客观提示,即主体能够意识到这些提示。有人将这种提示用于疾病治疗,美国病理学专家Ryan Frank使用有意识的客观提示方法改变人的病理状态,结果发现,无论这种语言提示是真实的还是虚假的,只要被试者相信提示的真实性,这种语言提示似乎使被试者产生了一种药物“期待动机”(appetite for satiation)。美国医学界 Stevallovski等人将这种方法用于康复训练,结果发现,积极的目标认同有利于患者完成目标行为,从而产生积极的康复效应。美国Mautone等人研究指出,这种认知提示会引导人们对信息的选择途径,影响人们对问题的理解,从而产生更加便捷、直观的影响效应。本实验主要通过语言提示的方法使被试者形成一种准备状态,根据语言提示对肌肉激活的时间和次序进行差别性研究,最后检验这种语言提示的生理、心理效应。

作者单位:长安大学体育部,陕西西安710064

本次研究目的:首先,要确定那些没有受到髋关节和背部疼痛困扰的成年女性是否在进行卧位髋关节后伸时对臀大肌、腘内侧腱、腘外侧腱的激活采取了固定模式。可以假设成年女性会单独激活臀大肌或者同时激活臀大肌和腘肌群;其次,本研究要观察语言提示是否会影响肌肉激活的时间和幅度,以及相关的运动学指标。假设有收缩臀大肌语言提示的时候,臀大肌在收缩的同时会减弱膝部的弯屈。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

本研究的实验对象来自西安某社区的11名成年女性(年龄:27.7±6.2岁 ,身高:165.2±3.6 cm,体重:62.3±6.9 kg)。在挑选这些被试者时,研究制定了严格的标准,出现以下情况者不能参加测试研究:1)在测试前5年内有过1周以上背部和髋关节疼痛史的;2)目前右下肢损伤的;3)被动髋关节弯屈时伴有内收外旋的;4)有中枢神经病变史和神经肌肉紊乱的。11名被试者均可以满足肌肉启动时间差异测试要求。

1.2 实验器具及方法

1.2.1 实验器具

三维动态捕捉仪来收集运动数据,每个镜头的取样率是60 Hz,系统对体积为1 m3的动态解析时间为1 ms。为了定位,本研究将反光定位设备安置在第2、第3趾骨之间的跟骨和膝关节以及髂前上棘上,然后,将一个末端带有标记的杆抵在骶骨上,并用带子将其固定住,而用另一个相同的杆抵在两侧的小腿和大腿上,也用有弹性的带子固定好,还有一个标记物则放在髂脊上以便标记髂前上棘的位置。

测试用myosystem 1 400A(肌电记录系统)收集皮肤肌电数据并在数据收集时进行滤波处理[5]。为了记录肌肉活动情况,研究使用了直径为1 cm的一次性氯化银双极电极,将电极放置在臀大肌,腘外侧腱以及腘内侧腱的肌腹上,另一个接地电极被放置在髂脊外侧,事先将电极固定好以防止实验中产生位移。

1.2.2 研究方法

1.2.2.1 文献资料调研

通过国内运动医学期刊、书籍和互联网搜集相关文献资料,查阅体育学和康复学等相关学科的专著、科研论文;通过外文网站查阅、下载相关的外文文献。

JME患者中失神发作最容易被忽视，较全面性强直阵挛发作少见，对于一些失神发作的儿童或青少年需警惕是否为JME的早期表现，因为失神发作出现的时间往往早于首次肌阵挛或全面性强直阵挛发作 3～5年，此时就需要仔细询问、密切观察是否合并有肌阵挛发作及全面性强直阵挛发作。

1.2.2.2 数理统计法

实验的收集数据在MATLAB(MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供一种全面的解决方案)中编写程序语言[2],采用多元方差分析进行数据分析。因为,研究对象中存在着不止一个因变量,而是两个以上的因变量共同反映了自变量的影响程度。本研究的多元方差分析中,自变量分为时段自变量与提示自变量。

2 实验程序与数据处理方法

2.1 实验程序

首先,由医师对每个被测试者进行整套骨骼肌肉系统检查,该检查包括:在保持腿部平直的条件下,主动弯屈髋关节和在内收、外旋的情况下被动弯屈髋关节检查。在这两项检查中,被测试者要在主试人员的指导下记录在11点里克特量表上所感受到的疼痛数据,数字越大代表的疼痛程度越高。

其次,在测试时被测试者将会被安置在一个由互成150°夹角的可调节平台上,这可以使被测试者的髋关节形成30°角。平台上还有一个活动部件与腿末端相对齐。这样,当被测试者的髋部伸展到中位时,跟腱就会触到这个活动部件。另外,还准备了一根带子,可以将被测试者的骨盆固定在平台上,使其背部和骨盆相对髋关节的运动受到一定限制。研究时,将肌电记录电极和反光定位标志在被测试者身上安装,让被测试者静立收集肌电活动数据。数据收集完成后开始运动测试,让被测试者在进行10 s的完全放松,在这期间,记录其肌电活动情况,所得到的信息将作为参照来确定肌肉激活的数据。接下来,按照要求,被测试者要在保持膝关节伸展时抬腿来接触平台上的活动部件。这时,用一条长带子捆在被测试者侧膝盖处,提醒被测试者不要弯屈膝盖。使用带子而不是口头语言提示,是为了在实验中保持一致性。每个被测试者将重复运动4次,每次间隔2 s。

在测试活动中,研究收集了最大自主等长的收缩测试肌电活动数据。该测试还使用到髋关节伸展运动来测试臀大肌,在测试中,要求被测试者膝关节弯屈至90°,对其大腿后部末端施加阻力。而在测试腘肌时,则是让被测者大腿紧贴在平台上,膝关节弯屈至20°,对小腿后部末端施加阻力。被测试者在测试时要重复一次动作,然后将动作保持至少1 s。30 s周期后,研究测试得到了平均肌电活动值。

本研究还设定了2个条件来检验被测试者是否按照一定次序激活肌肉:1)在被测试者伸展髋部时,不进行任何语言提示;2)为了考察语言提示是否对肌肉活动有作用,使用语言提示激活特定肌肉群。以臀肌为例,被测试者得到的指示为:“放松你的腘肌,同时,用臀部肌肉抬腿”。而在激活腘肌时,被试得到的指示为:“放松你的臀部肌肉,同时,用腘肌抬腿 ”。在有言语提示的情况下,被测试者都是在做出动作前就得到了提示,并且对所涉及的肌肉位置都是明确的。同时,为了确保被测试者真正明确所提示的部位,本研究使用了扪诊作为辅助手段来确保位置正确。

2.2 数据处理

2.2.1 运动学指标变量

本研究采用了美国MAC公司研发的ORTHOTRAK(该软件是一套用于临床自动化、三维步态测量、评估和数据库管理系统)软件获得运动的三维轨迹,得到的运动学数据用一套6 Hz的滤波仪器进行了处理。同时,通过使用该记录软件记录下关节的位置,以及髋部和膝部所构成的夹角。将所有记录结果经过编码输入MATLAB程序作进一步的分析和估算,以此得到运动学指标。

本研究中,运动学变量最重要部分就是髋部伸展运动的开始部分。本研究将其定义为髋关节开始伸展超过0.04°并持续100 ms以上。这个位移的速度相当于2.4°/s,通过确定运动起始变量,得到了一个参照点。由于在卧位髋关节伸展时膝关节角度增大被看作是腘肌过度激活的表现,研究也充分考虑了这种情况下运动学指标的变化以及言语提示对其影响。

2.2.2 肌电图的使用与肌电变量

研究使用C++语言编写程序提取肌电仪测得的原始数据,并对原始数据值在肌电通道内出现的偏移情况进行修正,任何偏移值都会被修正至0.1%的范围内。修正后的数据被输入MATLAB程序,用来解释抽样率之间的差异[6]。

检验被测试者是否按照一定的次序来激活肌肉,本研究记录了运动开始后,臀大肌、腘肌外侧部、腘肌中部的启动时间,并使用10 Hz的滤波器处理所获得的肌电数据。在研究中,使用MATLAB编程对符合该标准的启动时间点进行确认,进一步确定启动时间,并通过将肌电数据和肌肉启动时间画图呈现可视化证明。为了准确,本研究还测量了肌肉启动前后以及肌肉活动整个过程中肌肉激活的幅度。在8个时长为50 ms的时段内,将运动幅度进行平均,并对肌电结果进行了修正,标示为最大自主等长收缩的百分比。其中,有4个时段在运动开始前就已经发生了,另外4个时段在运动开始后即刻发生。通过这种方法,本研究不但准确把握了每种肌肉的启动时间和髋部伸展时肌肉激活的数量。而且还通过估算从运动开始到运动结束的肌电活动平均值,得到了整个运动过程中肌肉激活的数量。

图1 髋部伸展运动开始阶段示意图

图2 对所获得的肌电原始数据进行整流(细黑线)并在10 H z滤(粗黑线)过处理示意图

3 研究结果分析

为了获得准确的数据进行分析,本研究让每个被测试者在不同条件下至少进行4组髋部伸展测试,将测试结果作为每个被测试者在不同条件下得出的变量值。

3.1 肌肉激活次序

本研究使用弗里德曼双侧方差分析(以下简称方差分析)[4]:在无提示条件下,臀大肌、腘肌外侧部、腘肌中部的启动无固定次序。同时,用双侧 t检验考察了肌肉启动时间。分析结果显示:在没有语言提示的条件下,实验者在髋关节伸展时肌肉的激活都有固定的次序(P=0.002)。腘肌中部首先被激活(运动开始前199.5±74.9 ms),紧接着是腘肌外侧部(100.2±70.3 ms),最后是臀大肌(11.5±81.9 ms)。腘肌中部的激活时间与其他二者有显著差异。臀大肌的激活与腘肌外侧不同,无显著差异(表1)。

3.2 语言提示对肌肉激活次序的影响

在无提示条件下,研究使用方差分析方法检验了肌肉是否按照一定次序启动的问题。还用双侧t检验了肌肉启动时间是否有差异的问题。在臀肌提示条件下,被测试者肌肉的激活保持了一个固定次序(P=0.035),但是她们调整了相对肌肉激活次序,所以,3种肌肉的启动时间没有变化(P＞0.59)。在适中提示下,被测试者继续按照先腘肌中部、后臀大肌、最后腘肌外侧部的顺序激活肌肉。但是,每种肌肉的相对激活时间发生了变化。此刻,臀大肌的激活时间与其他二者有了显著差异(P＜0.015),腘肌中部和腘外侧部的激活时间无显著变化(P=0.09,图3)。

表1 髋关节伸展时肌肉启动时间与肌肉振幅一览表

图3 臀肌提示、无提示、腘肌提示3种情况下,肌肉的相对启动时间示意图

3.3 语言提示对肌肉活动时间的影响

本研究在测试中检验不同条件下肌肉活动时程的变化。之所以进行单独测试,是因为不同的肌肉和语言提示条件都是测试的重要因素,而肌肉启动时间也是重要的变量。肌肉在激活次序相同的条件下,不同的肌肉激活时间是有差别的[3]。与无语言提示条件相比,在有语言提示的情况下,被测试者肌肉激活的时间发生了变化。在有臀肌提示语言的情况下:腘肌外侧部的激活时间少了61.4 ms(P=0.04,图4)。而腘肌中部和臀大肌在2种条件下激活时间没有显著变化(P＞0.16)。在适中的语言提示条件下,这3种肌肉与无语言条件相比无显著差异。

图4 腘肌中部、腘肌外侧和臀大肌不同条件下启动时间的评估结果示意图

3.4 语言提示对肌肉活动幅度的影响

为了测试提示对幅度的影响,本研究分析了起始时和整个活动过程中肌肉激活的幅度。在起始时,两个因素分别在不同的时段和提示条件,变量为每个时段的最大自主等长收缩百分比平均活动幅度。在有提示条件的情况下,被测试者运动起始时,就对肌肉激活的幅度做出了调整(表2)。研究发现,对每种肌肉而言,都存在时段的主效应(P＜0.001),对腘肌来说,在不同提示上也存在主效应(P＜0.018),并且,时段因素和条件因素存在交互作用(P＜0.001)。在臀肌提示条件下,在4个时段中,腘肌外侧部的激活都相对较低(P＜0.024,图5)。同样,腘肌中部的激活与腘肌外侧部相近,在3个时段中相对较低(P＜0.03)。腘肌中部的激活在腘肌提示条件下比在无提示条件下要低(P＜0.028)。在听到语言提示后,被测试者对运动过程中肌肉平均激活水平也进行了调整(表1),发现肌肉有主效应存在,同时,肌肉和语言提示条件存在交互作用。在臀肌提示条件下,臀大肌的平均激活达到最大自主等长收缩的21%;在无提示条件下,臀大肌的平均激活达到最大自主等长收缩的9.7%(P＜0.001,图6);在腘肌提示条件下,腘肌中部的平均激活降至最大自主等长收缩的28.8%,在无提示条件下,腘肌中部的平均激活则为最大自主等长收缩的31.2%(P＜0.034)。腘肌外侧部的平均激活在语言提示条件下没有明显变化。

表2 不同条件下不同肌肉在8个时段的活动一览表

图5 动作起始前、后8个时段的平均肌肉活动幅度示意图

图6 在髋部伸展过程中,语言提示对肌肉激活幅度的影响示意图

3.5 语言提示对膝部运动的影响

为了检测提示对膝部运动的影响,本研究采用方差分析做了检验,因素为不同的提示条件,变量为整个膝关节偏移的角度。与无提示条件相比,被测试者在臀肌提示下,膝关节伸展角度减少了6.8°(P=0.002,图7);在腘肌提示下,膝关节伸展角度减少了2.9°(P=0.003)。

图7 运动中不同提示条件下膝关节的角度变化比较示意图

4 讨论

4.1 肌肉激活的次序

在进行卧姿髋关节伸展时,被测试者在无提示下,肌肉会按照固定次序激活。该次序为先激活腘肌中部,然后是腘肌外侧部,最后臀大肌。受到语言提示的影响,肌肉激活的时间,幅度以及膝关节角度的偏移会发生改变,以便能够在保持腘肌放松的同时,依靠臀肌抬起腿。在臀肌提示条件下,肌肉激活的相对时间改变了,这使得3种肌肉激活的顺序可以分辨。在无语言提示的条件下,腘肌外侧部延迟了激活,在激活的起始阶段,腘肌外侧部和腘肌中部的激活程度减弱,与之相反,臀大肌的激活程度相应增加了。与无语言提示相比,臀肌提示使得整个膝关节伸展的偏移降低。在保持臀大肌放松,用腘肌抬腿时,只有腘肌中部的激活幅度受到语言提示影响。腘肌中部的激活程度在第8个时段明显减弱,整个膝关节的伸展偏移在腘肌提示条件下比无语言提示条件下要小。

研究发现了成年女性在卧姿髋部伸展时,肌肉激活依照一定的次序,这一结论在临床上有着重要的意义。因为,肌肉激活顺序的改变和髋部及背部疼痛有关。对激活顺序的校正已成为临床治愈髋前棘疼痛患者的焦点。在无语言提示条件下,也发现了类似的固定次序,即腘肌的激活是发生在运动之前的。同时,也发现臀大肌的激活是在腘肌的激活之后,这与文献研究结果一致。

由于最受关注的是那些受到髋部疼痛困扰的成年女性,所以,本研究对象也限定为成年女性。在单性别研究中容易发现固定的激活次序,而部分测试者以不同性别的人群作为研究对象,研究结果会与之相反。在预研究中,本研究使用了2种不同的伸展练习方法,一种是让被测试者没有间歇地重复测验任务,而另外一种是在测验任务的中间插入2 s的间歇。结果发现,在重复测验任务时,由于肌电活动是连续的,使确认肌肉启动时间变得更加困难。在置信水平为0.05时,进行双侧 t检验,发现第一次测验任务的激活时程与后续的任一激活时程有明显差别。这种不同结果可能是由于在重测阶段肌肉活动水平不同造成的。而后续的重复测验中,肌肉激活都发生在一个相对不活跃的水平上。

在一些研究中,被测试者在动作起始前是身体成平直卧姿,而本研究是让被测试者在动作起始前髋部成30°。之所以使用这种姿势,是为了确认被测试者能够在1 s内将髋部伸展30°,这样,可以使所有被测试者完成同一动作的速度和时间一致。

4.2 语言提示对肌肉活动模式的影响

测试中,使用语言提示对肌肉激活顺序和肌肉活动幅度造成了一定的影响:临床实践中,医师会经常使用到语言提示,但在文献中尚未发现语言提示作用对肌肉激活模式的报告。现在,语言提示和肌电反馈两种手段被结合起来治疗神经紊乱的病例。本研究发现,在使用语言提示时,腘肌活动减弱,而与此同时,臀肌活动显著增强。这一发现支持了研究结论:使用语言提示可以在运动初始阶段使腘肌活动的减弱,臀肌活动显著增强。当然,使用语言提示时,让被测试者在保持臀大肌放松的同时用腘肌抬腿,则不能产生明显的效果。其中,出现比较明显的变化是,运动开始后 150～200 ms,腘肌中部活动减弱,同样,腘肌外侧在整个活动中也会有轻微的减弱。而医生在对髋部疼痛的患者干预治疗时,常常采取指导放松腘肌,用臀肌抬腿的方法。本研究中,被测试者按照指导进行运动时,能够在延迟激活腘肌的同时激活臀大肌。

语言提示对膝部运动的影响:语言提示会导致肌肉活动的变化,但是,这种变化单纯依靠触摸和目视检查是很难轻易发现的。在臀肌提示条件下,腘肌外侧部的激活启动时间要比在无提示条件下晚61.4 ms。这样微小的变化是触摸很难察觉的。肌肉活动的变化往往伴随着膝盖弯屈角度的显著变化。例如,在腘肌提示和臀肌提示两种条件下,分别出现了2.9°和6.9°的变化。这种弯屈角度的变化比肌肉激活的时程变化更易被察觉,可以作为一个观察卧姿髋部伸展的辅助工具。

5 结论与后期研究展望

5.1 结论

研究发现,在无提示条件下,受试者做卧姿髋部伸展时,没有受到背部和髋部疼痛困扰的成年女性,会按照先腘肌中部,后腘肌外侧,最后臀大肌的次序激活肌肉。在臀肌语言提示时,被试者的臀肌和腘肌几乎同时被激活,在运动的初始阶段腘肌中部和腘肌外侧激活呈减弱趋势,臀大肌激活在整个运动过程中呈增加趋势;在腘肌语言提示时,腘肌中部肌肉激活在运动的初始阶段和整个运动过程中呈减弱趋势,同时,膝关节的弯屈在减少。这一发现在临床应用卧姿髋部伸展作为检测手段或者康复练习时是至关重要的。特别是当临床对一个髋部疼痛的病人进行评估时,医师应当注意其肌肉激活模式的异常。进一步来看,在进行卧姿髋部伸展时,膝部弯屈的变化可能表明病人改变了其肌肉的激活模式,导致这种现象的原因是多样的,有可能是疲劳所致,所以,在进行康复练习前需先进行适当休息。医师在诊断不同病人的症状时,要充分考虑到性别的具体影响。在背部和髋部出现疼痛时,要明晰肌肉激活的次序和幅度是否会因此而发生改变。

5.2 不足与后期展望

在实验测量中,重复动作测量之间有2 s间隙。在分析其他研究的结果时,很多功能性活动中,动作都是连续的,而无须间歇的,笔者认为,一个间歇期有助于观察肌肉激活的固定次序,髋部肌群在髋部弯屈和伸展时持续兴奋是卧姿髋部伸展任务的特性。因此,间歇期的引入会导致肌肉活动阶段性变化。在方法上,本研究也受到一定的制约,因为在卧姿髋部伸展结束后,使用最大自主等长收缩的数据来评估肌肉活动,而就惯例而言,最大自主等长收缩都在练习前进行,以避免产生疲劳效应。但是,由于对卧姿髋部伸展的重复次数进行了控制,使得最大自主等长收缩不会受到明显的疲劳影响。

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Research on Muscle Activation and Movement Patterns of Adult Female Supine Hip Extension

WANG Na

目的:研究成年女性在卧位臀部肌肉伸展时,是否存在一致的、可以区别的肌肉激活顺序。同时,探讨语言提示对髋部肌肉激活和运动的影响;方法:让受试者按照无语言提示、语言提示特定肌肉的条件进行测试。当受试者处于卧位髋部伸展时,测量髋部和膝部的角度,测试臀大肌、腘肌中部、腘肌外侧的肌电数据;结果:在无语言提示条件下,受试者的髋肌激活按照腘肌中部、腘肌外侧、臀大肌的顺序进行。与之相比,3块肌肉在语言提示条件下,在不同的运动阶段,呈现出不同的肌肉激活和运动状态;结论:健康成年女性在卧位髋部伸展时,肌肉激活存在一致的顺序,而语言提示可以改变激活时间、幅度及运动状态。该研究可以为腰部、髋部肌肉疼痛女性患者的康复提供理论与方法。

成年女性;肌肉激活;语言提示;活动顺序

Objective:To study the muscle activation and movement patterns during prone hip extension exercise in women and explore the effects of verbal cues on muscle activation order.Method:When given verbal cues,participants are expected to use muscle activation order of medial hamstrings,followed by lateral hamstrings,then gluteus maximum;when without cues,these three pieces are almost simultaneously activated by gluteus.But,the activation of hamstrings decreases in the initiation of movement,moreover,the activation of medial hamstrings decreases throughout the movement.Conclusion:The muscle activation order during prone hip extension is consistent in healthy women and muscle activation timing and amplitude can be modified with verbal cues.This study can provide the theoretical basis and recovery method of muscle soreness in waist and hip of female sufferer.

women;muscle activation;verbal cues;movement order

G804.2

A

1000-677X(2011)03-0074-07

2010-12-19;

2011-02-18

王娜(1979-),女,陕西西安人,讲师,在读硕士研究生,主要研究方向为运动医学。

Chang’an University,Xi’an 710064,China.