基于数字化弹性触诊仪分析下肢体位对小腿三头肌硬度的影响

张瑾,张顺喜,彭源,郑嘉璇,袁联雄,华学锋,兰月*

(1.广州市第一人民医院康复医学科,广东 广州 510180；2.汕头市中心医院康复医学科,广东 汕头 515000；3.中山大学附属第三医院科教信息科,广东 广州 510180；4.广州市第一人民医院肝胆外科二科,广东 广州 510180)

小腿三头肌是产生膝、踝关节屈曲及维持站立姿势的重要肌肉,脑卒中、帕金森病、脑瘫等多种神经系统疾病及各种下肢损伤都可能会累及小腿三头肌,引起疼痛、痉挛、步行障碍、代偿性肥大等,因此全面评定小腿三头肌的功能状况是进行精准康复治疗的保障,同时也是评定治疗有效性的依据之一[1]。在评定方法选择上,除肌力、感觉、关节活动度、肌肉围度及步态分析外,肌肉硬度等肌肉本身机械特性的测试也是需要涉及的内容[2-4]。数字化弹性触诊仪MyotonPRO(爱沙尼亚Myoton公司)采用阻尼振荡模型,通过施加短时脉冲在肌肉表面,可以直观、简便和快速地计算出反映肌肉机械特征的生物力学指标,目前已经在康复医学等领域广泛应用[5,6]。本文将采用MyotonPRO测试健康人群不同体位下小腿三头肌硬度的数值,以分析体位对小腿三头肌硬度的影响,同时分析年龄、性别、体质量指数(body mass index,BMI)对小腿三头肌硬度的影响,为肌骨疾病精准康复评定提供新的思路,并挖掘MyotonPRO在人体生物力学评估中的意义。

1 对象与方法

1.1 实验对象

2018年6月-12月间于广州市第一人民医院康复医学科筛选 25例大学本、专科实习生志愿者参加本研究。

1.1.1纳入标准 ①无3月内下肢肌肉等软组织创伤史,无1年内下肢骨折史；②无跟腱炎、足底筋膜炎等足踝疾病史；③无足踝关节畸形；④无脑及脊髓等神经系统病变史；⑤患者能够配合该实验并签署知情同意书。

1.1.2排除标准 ①患有跟腱炎、足底筋膜炎；②测试前3天内有大量运动；③测量过程中不配合。④有3月内下肢肌肉创伤史,有1年内下肢骨折史；⑤有足踝关节畸形；⑥有脑及脊髓神经病变史。

本研究经广州市第一人民医院伦理委员会批准,所有受试者均签署知情同意书。

1.2 MyotonPRO测量及原理

MyotonPRO通过将探头将预压力(0.18 N)施加于被测靶肌的表面,通过机械脉冲快速释放压力 0.40 N (15 ms)于被测靶肌的表面,再由加速度感应器记录靶肌的振荡(400 ms),对该振荡进行记录并进行原始信号处理,可得到检测靶肌阻尼振荡的位移(s)、速度(v)和加速度(a)(见图1)[7]。然后通过对原始信号进行处理计算出参数[1],这些参数包括：①肌张力或肌肉压力的状况,自然阻尼振荡频率(Hz)(natural oscillation frequency,F)描述肌张力或肌肉压力；②生物力学特性,动态硬度 (dynamic stiffness,S)，自然阻尼振荡的对数衰减量 (logarithmic decrement of natural oscillation,D)描述肌肉弹性；③黏弹性,机械压力释放时间(ms) (mechanical stress relaxation time,R)，肌肉达到最大变形所需时间和肌肉内部机械压力释放时间的比率(ratio of deformation and relaxation time,C)，又称为德博拉数。本研究只观察肌肉的硬度[8],代表肌肉抵抗外力发生形变的能力,是客观反映肌肉的功能状态的典型机械特征指标之一。

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1.3 比目鱼肌,腓肠肌内侧头及外侧头硬度测量

参与研究的一名康复医师和两名康复治疗师,在试验前接受MyotonPRO(爱沙尼亚Myoton公司)操作培训并通过培训测试。测试前向受试者说明测试程序,取得受测人员配合。受试者以俯卧位、站立位、踮足位三种体位顺序进行测试。俯卧位令受试者俯卧于治疗床,下肢自然伸直,双脚悬于床外。站立位时令受试者赤足站立在平地上,无负重。应力位时受试者垫脚足部长轴与地面呈45°,双手可轻微扶持椅背,无其他负重。测试前用记号笔标记靶肌测量点,腓肠肌内外侧头测量点位于腘窝横纹两侧至内、外踝距离的30%处,此处肌肉横截面积最大[9],比目鱼肌的测量点位于腓肠肌内侧头测试点以远及腓肠肌中线内侧2.0 cm[1],每种体位测试前令受试者先休息放松5 min,之后由测试人员用MyotonPRO测量俯卧位、站立位及踮足位右下肢比目鱼肌、腓肠肌内侧头及外侧头的硬度。每一体位各靶肌分别测量3次,每次测量间隔1分钟,每次按预设工作模式冲击靶肌10次,取3次测量的平均值。

1.4 统计学分析

本研究采用SAS统计软件9.2对数据进行统计学分析。所有计量资料均以均数±标准差表示。由于每位受试者均接受了3种体位的测量,同一受试者不同体位间存在相关性,因此采用线性混合效应模型[10]分析体位对小腿三头肌硬度的影响,进一步将年龄、性别、体重指数纳入模型作为校正因素。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

25例健康人群参加本研究,其中男性13例,女性12例；平均( 22.0±3.39)岁；平均体重指数(20.29±2.11 ) kg/m2,差异无统计学意义(P>0.05)。

2.2 不同体位下小腿三头肌硬度

俯卧位、站立位、踮足位三种体位下比目鱼肌、腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头局部的硬度见表1。

2.3 体位对比目鱼肌硬度的影响

2.3.1不考虑年龄、性别等因素,只考虑不同体位对比目鱼肌硬度的影响 结果显示不同体位下的肌肉硬度有统计学差异(F=74,P<0.0001),以踮足位为参照组,其它两种体位与踮足位相比,差异均有统计学意义(P<0.0001),偏回归系数为负(站立位为-59.0556,俯卧位为-300.56),结合偏回归系数可知俯卧位<站立位<踮足位,见表2。

表1 俯卧位、站立位、踮足位三种体位下比目鱼肌、腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头局部的硬度。(单位N/m)

表2 不考虑年龄、性别等因素,体位对比目鱼肌的影响

2.3.2进一步考虑年龄,性别,BMI的影响,提示在考虑了上述三个因素的影响下,体位仍然是一个独立的影响因素(F=73.11,P<0.0001)。年龄、性别和BMI均无统计学意义。(P>0.05),见表3。

表3 考虑年龄,性别,BMI的影响,体位对比目鱼肌的影响

2.4 体位对腓肠肌内侧头硬度的影响

2.4.1不考虑年龄、性别等因素,只考虑体位对腓肠肌内侧头硬度的影响 结果显示不同体位下的肌肉硬度差异有统计学差异(F=52.68,P<.0001),以踮足位为参照组,其它两种体位与踮足位相比差异均有统计学意义(P<0.05),偏回归系数为负(站立位为-183.94,俯卧位为-297.56),结合回归系数大小可知俯卧位<站立位<踮足位,见表4。

表4 不考虑年龄,性别,BMI的影响,体位对腓肠肌内侧头的影响

2.4.2进一步考虑年龄,性别,体重指数的影响 结果提示在考虑了上述三个因素的影响下,体位仍然是一个独立影响因素(F=50.59,P<0.0001)。性别(1：男,2：女)因素有统计学意义(偏回归系数=-157.75,P=0.0082),提示女性平均比男性肌肉硬度低157.75。年龄和BMI均无统计学意义(P>0.05),见表5。

表5 考虑年龄,性别,BMI的影响,体位对腓肠肌内侧头的影响

2.5 体位对腓肠肌外侧头硬度的影响

2.5.1不考虑年龄、性别、体重指数,只考虑体位对腓肠肌外侧头肌肉硬度的影响 结果显示不同体位下的肌肉硬度差异有统计学意义(F=38.6,P<0.05),以踮足位为参照组,其它两种体位与踮足位相比差异均有统计学意义(P<0.05),偏回归系数为负(站立位为-118.33,俯卧位为-229.94),结合回归系数大小可知俯卧位<站立位<踮足位。见表6。

表6 考虑年龄,性别,BMI的影响,体位对腓肠肌内侧头的影响

2.5.2进一步考虑年龄,性别,BMI的影响 结果提示在考虑了上述三个因素的影响下,体位仍然是一个独立影响因素(F=40.63,P<0.0001)。性别(1：男,2：女)有统计学意义(偏回归系数=-122.77,P=0.027 7),提示女性平均比男性肌肉硬度低122.77。年龄和BMI均无统计学意义(P>0.05),见表7。

表7

3 讨论

小腿三头肌主要的机能为近端固定小腿三头肌收缩,使足在踝关节处跖屈；腓肠肌收缩使小腿在膝关节处屈曲。远端固定小腿三头肌使股骨下端和胫骨和腓骨上端向后方,使膝关节伸展,协同维持人体直立[11][12]。作为膝踝关节重要的屈曲主动肌及维持站立姿势的重要肌肉,脑卒中、脊髓损伤及跟腱断裂等多种疾病均会累及小腿三头肌,产生肌肉机械特征的改变,从而影响步态[13-15]。因此小腿三头肌是多种疾病康复治疗的主要靶肌之一,正确及便利的评定小腿三头肌的机械特征,对疾病的康复及步态的改善具有重要的意义。同时考虑到小腿三头肌支持、保护及运动的功能需要,除静止状态外,在不同负荷状态下及在不同下肢关节角度下肌肉机械特征的测定显得更为有意义[15-17]。

肌肉硬度是肌肉机械特性的重要参数之一,代表肌肉抵抗外力发生形变的能力,单位N/m,数值越大,硬度越高,是能够客观反映肌肉的功能状态,是反映肌肉机械特征的典型指标之一[2]。研究证明,肌肉在疲劳[18]、痉挛[19-20,13]和筋膜疼痛综合征[21-22]等状态下硬度发生显著变化,因此,及时准确地测量肌肉硬度对早期病变的监测及康复治疗效果的评定有重要意义。目前临床中对肌肉硬度的检查往往通过双手触诊来评估,然而触诊有很大的主观性,不能对肌肉机械特征进行量化[23],同时大部分研究关注于生理或病理情况中非负荷状态下的肌肉机械特征,而对功能活动中负荷状态下的肌肉机械特怔未予以充分重视,导致了康复评定的局限性。本研究不但应用定量化的数字化弹性触诊仪MyotonPRO于靶肌进行肌肉机械特征的测试,更对靶肌施加不同体位的干预,测定更接近于功能状态下的肌肉机械特征,具有一定的先进性。

目前,临床上对肌肉硬度的评估有磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography,MRE)[24]和超声弹性成像(ultrasound elastography)[25]。但这两种方式花费较高,操作复杂,需要耗费较长的培训时间,均未在临床大量开展。客观上需要一种较为简便,方便操作且信度和效度都较高的方法来对肌肉硬度进行精准测试。MyotonPRO[26-28]由爱莎尼亚Vain博士发明的,原理是测试软组织或肌肉在受到压力后产生的位移,并对这一位移进行数学计算,从而得出肌肉机械特性的参数。目前这一测试已广泛应用于软组织或肌肉机械特征的评定,其在不同时间及不同测试者之间的测量信度已经得到广泛验证[13][4],且因为该测试方式与超声弹性测试有非常高的相关性,可以替代弹性超声进行肌肉机械特性的检查[9],在Joseph P. Kelly的研究中研究者甚至发现在软组织负荷状态下,MyotonPRO的敏感性优于弹性超声[16]。既往的大量研究证明,MyotonPRO在康复医学中,可以用来评定肌肉机械特怔,为各种疾病诊断提供补充信息,并检测各种治疗方法的预后及效果[22-23,29]；MyotonPRO在运动医学中可以检测肌肉训练的效果,检测肌肉疲劳,优化训练方案,避免运动损伤[30]；MyotonPRO在职业病防治中可用于检测由于不良姿势导致的肌肉机械特征异常,并对职业预防做出指导[31],同时因为MyotonPRO的测量不受重力影响,可以失重或微重力情况下工作,该测试在航天医学中也有着重要的应用前景[32]。

在本研究中,无论有无年龄、性别、体重指数等影响,均显示不同体位下的肌肉硬度差别较大,以踮足位肌肉硬度为参照组(偏回归系数为0),站立位组、俯卧位组两种体位与之相比,差异均有统计学意义,结合偏回归系数可知小腿三头肌肌肉硬度俯卧位<站立位<踮足位。KocurP[33]在卧位及坐位测量上斜方肌肌肉硬度,证明两者有明显差别,坐位大于仰卧位。Liu C L[3]的研究中表明上肢抬高后上斜方肌硬度较上肢下垂位有明显差异。Morgan G E[15]在俯卧位及站立位下测量跟腱复合体的硬度得到了完全不同的测量曲线。这些研究虽然靶组织不同,但结果与本研究有类似性,证明了本研究结果的合理性。在关于这一结果的解释上,我们通过既往文献的检索,发现肌肉硬度等机械特征与肌肉负荷有着相关性,且MyotonPRO可以定量化地反映这一规律[16],我们认为不同体位的差异本质上就是肌肉负荷的差异,因此造成不同体位下肌肉硬度的变化,而肌肉处于负荷状态是肌肉发挥日常功能的常见功能状态,如站立、行走、跳跃。这个发现提示无论在还是生理情况还是病理情况下进行肌肉硬度等机械特征的测试时,都需考虑体位的影响,方能实现全面评定功能状态下的肌肉机械特征[15]。此外,本研究证明MyotonPRO可以明显区分健康人群不同体位下小腿三头肌的硬度,也从另一方面说明了数字化弹性触诊仪能够将不同功能状态下肌肉的硬度区分出来,体现了其应用价值。Joseph P. Kelly应用MyotonPRO与弹性超声测量不同负荷肌肉的硬度,得出MyotonPRO在靶肌负荷状态下,肌肉机械特征测试的区分度甚至优于弹性超声[16]。

进一步将年龄、性别、体重指数纳入模型作为校正因素,我们发现性别对腓肠肌内侧头及外侧头肌肉硬度有影响(P<0.05,偏回归系数分别为-157.75、-122.77)。女性相对与男性肌硬度较低。Wang等[34]对放松和收缩状态下肌肉硬度进行性别对比,结果表明女性比男性硬度低。Dietsch等[35]用MyotonPRO的前代产品Myoton-3 测量不同年龄、性别受试者的肌肉硬度,发现其与性别显著性相关。Nair K[36]应用该方式进行腰肌筋膜的特征测定,证明男性组织硬度大于女性。以上研究与本研究结果相一致,可能与男性肌肉有更大的横截面积、质量,有更多的肌肉纤维横桥和肌联蛋白有关。说明测试肌肉硬度时,性别也是需要考虑的方面之一。年龄对比目鱼肌、腓肠肌内外侧头硬度无影响。Agyapong-Badu等[37]用MyotonPRO研究年龄对股直肌、肱二头肌张力的影响,结果发现随着年龄的增加,肌肉硬度和张力增加。PiotrKocur[33]对斜方肌的研究证明年龄增加,上斜方肌硬度增加。Eby等[38]应用弹性超声研究肌肉机械特征,证明年龄增加,肌硬度增加。这种趋势,可能与不同年龄皮下脂肪厚度相关。本次实验结果与之前的研究不一致,可能与本实验受试者年轻,且无明显肥胖者及体型消瘦者有关,这也是我们在今后的测试中需要进一步验证的。最后我们发现体重指数对比目鱼肌、腓肠肌内侧头及外侧头硬度无影响,PiotrKocur对斜方肌的研究证明上斜方肌硬度的变化,与体重指数无明显相关[33],Gafin Ericson Morgan研究中证明体重指数与正常跟腱硬度无相关性[15]。本研究结果与以往研究相一致,提示BMI对小腿三头肌的硬度无影响。

综上所述,本研究中体位对小腿三头肌硬度有很大的影响,是决定小腿三头肌硬度的独立影响因素。性别对腓肠肌内外侧头的硬度也有影响,而年龄、体重指数则未发现这一现象。提示在临床检查小腿三头肌肌肉硬度时,要考虑到体位、性别所带来的个体差异。需在不同体位下对肌肉硬度进行全面评估,而不应只进行非负荷状态下的肌肉测试。同时MyotonPRO可以有效区分出不同体位下小腿三头肌的硬度,且测量结果精准,重测信度高,方便携带,是一个非常有应用前景的肌肉软组织生物力学测试工具。