膝關(guān)節(jié)水下康復(fù)訓(xùn)練法過程中下肢肌肉肌電活動的研究

膝關(guān)節(jié)水下康復(fù)訓(xùn)練法過程中下肢肌肉肌電活動的研究

水上訓(xùn)練法被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)肌肉恢復(fù)中，因為水的浮力效應(yīng)可以減少身體自身重力的影響，使身體關(guān)節(jié)受到影響。根據(jù)水流動力學(xué)原理,在水中運動的肢體會受到阻力和浮力的作用,阻力與肢體運動方向相反,這個阻力主要是由于肢體前面的渦流產(chǎn)生的,稱為渦流阻力。而且水中阻力與肢體運動速度之間呈非線性關(guān)系,與速度的平方呈反比關(guān)系。浮力總是與物體的運動速度方向垂直,當(dāng)肢體在水中向下快速運動時,產(chǎn)生的阻力會變大為了觀察不同水流條件和不同運動模式對神經(jīng)肌肉功能的影響,本研究以健康的男性和女性為研究對象,觀察其膝關(guān)節(jié)在水中進行單次屈伸運動和多次重復(fù)屈伸運動下股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌的肌電活動以及膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)特征。從水流力學(xué)角度來說,單次膝關(guān)節(jié)屈伸運動的啟動相當(dāng)于在靜水中運動,而多次重復(fù)膝關(guān)節(jié)屈伸運動相當(dāng)于在流動水流中運動。1研究對象和方法1.1體重、體重、體重、年齡分布本研究以20名健康的大學(xué)生為研究對象,其中男10名,身高(175.8±2.3)cm,體重(68.6±7.1)kg,年齡(21.3±0.6)歲。女10名,身高(164.2±3.8)cm,體重(56.3±5.3)kg,年齡(20.7±2.1)歲。受試者下肢沒有肌肉損傷病癥。1.2學(xué)習(xí)方法1防水電極、防水電極的制備ME6000表面肌電儀、防水套件、防水電極采用廠家推薦的AmbuR-00-S電極、Sony常速攝像機1臺、自制不銹鋼坐椅1把、膠布。2術(shù)后發(fā)展和單次屈伸運動時膝關(guān)節(jié)持續(xù)屈曲測試試驗在正式實驗前,讓受試者熟悉實驗過程,包括令受試者在陸地上進行肌肉最大等長收縮,在水中進行最大隨意動力性收縮。開始正式實驗,選取受試者的左腿進行測試,記錄左腿的股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、股二頭肌和半腱肌表面肌電信號。首先在陸地上進行各塊肌肉的最大等長收縮測試,記錄到的肌電數(shù)據(jù)主要用于肌電信號標(biāo)準(zhǔn)化處理,受試者坐在測力器上,髖關(guān)節(jié)90°、膝關(guān)節(jié)90°;令受試者進行膝關(guān)節(jié)伸肌(股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌)的最大等長收縮,共測試3次,每次持續(xù)3s,每次之間休息1min;做完伸肌后休息5min測試屈肌最大收縮,受試者換為俯臥位,用同樣的方法測量股二頭肌和半腱肌的最大等長收縮值。陸上等長收縮測量完成后,休息15min后進行水下測試,水溫為30℃,測量在游泳池邊完成,將普通鋼制椅固定在游泳池邊,椅子浸在水面以下,受試者坐在椅子上時胸部以下浸在水中,用固定帶將受試者的髖關(guān)節(jié)和大腿固定防止產(chǎn)生額外運動,髖關(guān)節(jié)90°,每名受試者調(diào)整前后位置使得膝關(guān)節(jié)中心點與椅子沿的距離為3cm,這樣當(dāng)小腿屈曲到與椅子沿接觸時基本保證右腿膝關(guān)節(jié)運動范圍0°~120°,膝關(guān)節(jié)完全伸直時膝關(guān)節(jié)屈曲角度為0°,而當(dāng)下肢小腿與椅子沿接觸時為屈曲120°,受試者的動作從膝關(guān)節(jié)屈曲120°位置開始,然后進行膝關(guān)節(jié)伸展運動,完成伸展運動后再進行屈膝運動。受試者熟悉水下環(huán)境后開始進行運動,首先進行4~6次的次最大隨意動力性收縮的熱身活動,然后受試者進行2次單一的膝關(guān)節(jié)屈伸運動,盡最大努力進行對抗靜水阻力,膝關(guān)節(jié)做屈曲動作之后等待水面平靜后再做伸膝動作。單一屈伸運動后休息15min,進行連續(xù)重復(fù)多次屈伸實驗,盡最大努力完成6~8次連續(xù)的屈伸運動。此處的單一屈伸運動的關(guān)鍵指的是一次膝關(guān)節(jié)屈曲完成后,等待一段時間后水流平穩(wěn)再進行膝關(guān)節(jié)的伸展運動;而連續(xù)重復(fù)多次屈伸運動中,動作關(guān)鍵是膝關(guān)節(jié)一次盡力伸展后隨即就進行屈曲運動。3膝關(guān)節(jié)運動過程測量實驗前將AmbuR-00-S表面電極貼在受試者待測肌肉的肌腹處,同時用膠布把電極加固,兩個記錄電極的距離為2cm,參考電極置于附近的骨性突起處,4個參考電極位置分別為股骨內(nèi)外側(cè)髁和脛骨內(nèi)外側(cè)髁,電極線使用防水、透明的膠帶和薄膜包裹與水相隔,采用遙測測量方式。為了獲得運動下肢的運動學(xué)參數(shù),將一臺Sony攝像機置于專門拍攝運動員水下技術(shù)的游泳池觀測窗內(nèi),攝像機拍攝頻率為25Hz,調(diào)節(jié)攝像機的主光軸使其與膝關(guān)節(jié)運動平面垂直,保證膝關(guān)節(jié)的運動過程能夠全部被收錄進去,攝像機距離受試者2.5m。將拍攝到動作范圍圖像進行數(shù)字解析,獲取受試者膝關(guān)節(jié)運動過程中的角速度、加速度指標(biāo)進行分析。攝像與肌電的同步化過程通過儀器自身的內(nèi)觸發(fā)同步功能來完成,肌電采樣頻率1000Hz,攝像采樣頻率25Hz。因此,在膝關(guān)節(jié)的運動范圍內(nèi)能夠找到對應(yīng)的肌電活動。4膝關(guān)節(jié)水下運動時的肌電特征在陸地上進行最大等長收縮期間,以峰值力出現(xiàn)為中心點,其左右1000ms為窗口,對表面肌電信號求平均值,將其作為肌電標(biāo)準(zhǔn)化處理的基準(zhǔn)值。在水中測量的肌電信號進行全波整流,然后進行肌電平均化(AveragesEMG,aEMG),窗口長度為20ms,也就是將每0.02s內(nèi)的肌電值取平均,然后進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即將這個肌電平均值與該塊肌肉對應(yīng)的最大肌電幅值相除,最后將數(shù)據(jù)表示為aEMG的百分?jǐn)?shù)。由于本次試驗預(yù)觀察膝關(guān)節(jié)水下運動時股前肌群和股后肌群肌電的總體變化情況,所以在進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,再將股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌的aEMG百分?jǐn)?shù)取平均值,以代表股前肌群的肌電情況,將股二頭肌和半腱肌的aEMG百分?jǐn)?shù)取平均值代表股后肌群的肌電情況。在6~8次的連續(xù)多次重復(fù)實驗中,選擇膝關(guān)節(jié)峰值角速度最大的一次作為進一步的分析。由于將受試者膝關(guān)節(jié)的屈伸運動范圍控制在120°,為了便于研究將其10等分,即將膝關(guān)節(jié)的運動分為10個時相,每個時相相當(dāng)于經(jīng)歷了12°。2結(jié)果與分析2.1虛線與虛線的比較圖1為男女受試者膝關(guān)節(jié)單次水下屈伸運動時,不同關(guān)節(jié)角度下對應(yīng)的肌電特征(本文中所有圖的實線為平均值,虛線為所對應(yīng)的1倍標(biāo)準(zhǔn)誤)從圖1中可以看出,在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動前股前肌群和股后肌群就已經(jīng)出現(xiàn)了峰值電位,在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動前的200ms內(nèi),肌電就出現(xiàn)了峰值,隨后肌電幅值逐漸降低。膝關(guān)節(jié)屈曲和伸展動作時肌電模式相近,無論是股前肌群還是股后肌群當(dāng)作為拮抗肌時電活動都很低。2.2膝關(guān)節(jié)屈曲位下的肌電幅值變化圖2是受試者連續(xù)多次屈伸運動時,股前肌群和股后肌群的肌電活動隨膝關(guān)節(jié)角度變化的關(guān)系圖。本研究中以最初的膝關(guān)節(jié)屈曲120°為初始位,以完全伸直時為運動末,運動末膝關(guān)節(jié)屈曲角度為0°。在膝關(guān)節(jié)伸的階段,不管是男性還是女性的主動肌電活動最大值都出現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)屈曲120°時,也就是伸展運動剛開始的時刻,然后隨著膝關(guān)節(jié)逐漸伸展的進行,股前肌群的肌電幅值逐漸降低,對于男性受試者來說,這種肌電幅值下降現(xiàn)象一直持續(xù)到膝關(guān)節(jié)屈曲角度為24°,而對于女性來說,一直持續(xù)到36°左右,之后肌電幅值維持不變。在膝關(guān)節(jié)伸展過程中,作為拮抗肌的股后肌群其電活動逐漸增加,對于男性受試者來說從膝關(guān)節(jié)處于屈曲位120°時就開始增加,一直持續(xù)到膝關(guān)節(jié)為屈曲角度為24°時。對于女性受試者來說從膝關(guān)節(jié)屈曲角度為96°時開始明顯增加。股后肌群在伸展動作中,屈曲角度為36°以后的角度下男性受試者的肌電活動要高于女性,以及在屈曲動作的初始階段,男性股后肌群電活動要高于女性受試者。在膝關(guān)節(jié)屈曲階段,主動肌股前肌群肌電活動逐漸增加,直到膝關(guān)節(jié)運動末屈曲為120°時,達到最大。而作為拮抗肌的股后肌群電活動在膝關(guān)節(jié)完全伸直狀態(tài)時最大,然后電活動逐漸降低,直到膝關(guān)節(jié)達到96°時降到最低。2.3膝關(guān)節(jié)角速度特征圖3是受試者膝關(guān)節(jié)水下單次屈伸運動時角速度特征,從圖3中可以看出,男女受試者的膝關(guān)節(jié)角速度無論在伸膝還是屈膝動作下都比較接近,在伸膝動作中男性受試者膝關(guān)節(jié)峰值角速度為(485.6±55.3圖4為受試者膝關(guān)節(jié)水下連續(xù)多次屈伸運動時角速度特征,在伸膝階段,男性受試者峰值角速度為(495.3±92.2)3多次屈伸運動中兩組受試者的肌電特征本研究的數(shù)據(jù)表明兩種相對不同的水流狀態(tài)對男性和女性受試者下肢膝關(guān)節(jié)的神經(jīng)肌肉功能有特殊的效應(yīng)。在連續(xù)多次的屈伸運動中,兩組受試者的主動肌都突然激活到最大,然后激活程度逐漸下降,而相對應(yīng)的拮抗肌激活程度逐漸上升,直到最大(見圖2)。相反,在單次屈伸運動的整個運動范圍內(nèi),兩組受試者拮抗肌的肌電活動一直處于較低水平(見圖1)。從運動學(xué)數(shù)據(jù)來看,在兩種運動方式下,膝關(guān)節(jié)角速度變化的趨勢是相近的(見圖3和圖4)。3.1多次多次屈伸運動時的肌電特征及影響因素在圖1和圖2中可以看出在兩種不同運動方式下肌電模式的主要差別。在連續(xù)多次屈伸運動中,主動肌肌電活動一開始最大然后逐漸減弱,主要是由于在連續(xù)多次運動中會引起膝關(guān)節(jié)周圍大量的水流速度增大,這樣增大的水流在運動方向上可以協(xié)助肢體的運動,因而導(dǎo)致了主動肌肌電活動降低。而在運動范圍的終末階段,為了突然制動改變運動方向需要克服水流的推動力,拮抗肌需強烈收縮,因此在多次連續(xù)收縮時的運動終末階段拮抗肌的肌電活動達到最大。由圖2中可以看出股前肌群和股后肌群分別作為拮抗肌時,在離心收縮條件下,表現(xiàn)出很高的肌電活動。在膝關(guān)節(jié)單次屈伸運動中,膝關(guān)節(jié)是純粹的向心運動。在膝關(guān)節(jié)運動最后的20°~30°時,拮抗肌的肌電活動非常低,這說明在運動范圍終末僅需要最小的制動效應(yīng)。在靜水中對運動腿產(chǎn)生的阻力主要是由腿后面的渦流產(chǎn)生的阻力。另外,由于水的黏滯性和高密度性,使得水阻止下肢的運動。因此,水團(watermasses)加速運動被耽擱了,也就不能像連續(xù)多次屈伸運動中那樣在運動范圍終末由于水團的加速運動而引起下肢運動速度的顯著增大,從而使拮抗肌不必產(chǎn)生更加強烈的電活動。膝關(guān)節(jié)在產(chǎn)生運動前,主動肌就提前產(chǎn)生了較高水平的電活動,這可能提示靜水壓通過作用于皮膚上的各種感受器使神經(jīng)肌肉功能更加高效,另外還有一種解釋就是下肢為了加速運動,需要克服水團的慣性以及浮力等作用力,因此主動肌提前激活,從而能獲得最佳的加速效果。相反,在最大連續(xù)多次膝關(guān)節(jié)屈伸運動中,肌肉離心收縮之后馬上進入向心收縮狀態(tài),就好比在牽張收縮循環(huán)中肌肉的工作情況一樣3.2運動分析單次屈伸運動與連續(xù)多次屈伸運動時,膝關(guān)節(jié)峰值角速度以及角速度變化的模式相近。在膝關(guān)節(jié)水下屈伸運動中,最大伸膝角速度為5103.3水中康復(fù)訓(xùn)練本研究中,膝關(guān)節(jié)水下連續(xù)多次最大力量的伸-屈運動中,股四頭肌(股前肌群)的活動水平逐漸下降,同時伴隨著腘繩肌(股后肌群)的活動水平逐漸提高,這種訓(xùn)練模式是膝關(guān)