躯干等速旋转运动中核心肌力学特征的研究

[研究背景]
　　 躯干担负着机体的平衡负重等重要功能，核心肌在维持脊柱稳定性方面起着举足轻重的作用。脊柱的稳定系统分为被动稳定系统、主动稳定系统和神经控制系统三个部分。被动稳定系统包括椎体、椎间关节、关节囊、韧带、椎间盘等，维持着脊柱的内在平衡;主动稳定系统包括所有直接或间接作用于脊柱的肌群，维持着脊柱的外在平衡;神经控制系统对脊柱各结构发出的信号作出反应，通过核心肌的协同收缩来维持脊柱的稳定。这三个系统的功能相辅相成，为脊柱完成复杂、准确的运动提供保障，尤其是主动稳定系统在维持腰椎生理曲度前凸和脊柱运动中的稳定起到了非常重要的作用。躯干旋转运动是日常生活中常见的一种运动方式，超过60％的躯干损伤和腰背疼痛与旋转运动有关，因此，研究躯干旋转运动中的力学变化以及核心肌在躯干稳定性中的作用有助于综合评价其功能，对于预防躯干的运动损伤和慢性腰背痛的评估治疗，以及为不同阶段的科学化康复训练提供理论参考都具有非常重要的意义。
　　 核心稳定性，指人体在运动中控制骨盆和躯干部位肌肉的稳定，使力量的产生、传递和控制达到最佳化的一种能力。核心肌这一概念的提出最早源于对核心稳定性的研究。依其功能和属性可分为两大群。第一群为深层核心肌，也称为局部稳定肌群，包括多裂肌、腹横肌、膈肌和盆底肌等，它们中有的直接与椎体连接通过肌肉的收缩直接固定相邻椎体，有的则是通过各肌肉的协同收缩调节腹内压来维持各椎体间的稳定，并使腰椎维持在正中区域，加上神经系统精密的运动控制，故此肌群为维持腰椎稳定的第一道防线。第二群为表浅核心肌，又称为整体稳定肌群，包括腹直肌、腹内斜肌、腹外斜肌、竖脊肌、腰方肌及臀部肌群等，其收缩时主要在于控制躯干的运动方向，并产生较大的动作力矩，因此可对抗施加在躯干上的外来负荷，维持整个脊柱的姿势，此为维持脊柱稳定的第二道防线。
　　 等速（isokinetic，国内亦译为等动）肌力测试技术是目前公认的最权威的评价肌肉功能的方法。该技术是利用专门的限速装置和附件，使肌肉在全力收缩时相应关节产生等速（等角速度）运动，通过计算机处理，实时记录运动中力矩的变化，得到力矩曲线及多项反映肌肉功能的参数，如力矩、峰力矩角度、功率、做功、力矩比等，作为评定肌肉运动功能指标，用于核心肌肌力和躯干稳定性的评定。等速技术的应用为核心肌功能的评估提供了一个全新的技术手段。肌电信号(EMG)是产生肌力的电信号根源，是肌肉中许多运动单位在空间和时间上的叠加，包含了基本的肌电活动信息，反映了神经肌肉的功能状态，有着广泛的应用。表面肌电(surface EMG)则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号，由于该方法在评价肌肉功能状态方面具有无创性、特异性、灵敏性等特点，可以在受试者的实际运动中进行遥测，有着广泛的应用前景，因而越来越受到关注;sEMG直接提供靶肌肉的电学信息，根据信号活动的变化在很大程度上能够定量反映肌肉收缩过程中的肌力变化、协调性、肌肉激活模式、局部疲劳程度等肌肉活动的变化规律。因此，表面肌电信号分析技术是近年来日渐完善的评估核心肌功能的方法之一。随着科学技术的发展，已开始将等速技术和sEMG技术联合应用，以更加全面的了解关于肌肉收缩的神经肌肉特征。
　　 近年来，国内外学者将等速技术和表面肌电技术同时应用于多种领域，更加全面的了解关于肌肉收缩中的神经肌肉特征。虽然有等速运动模式下肌肉收缩过程中相关参数变化特征的报道，但目前仍主要集中于对膝关节损伤后肌力改变及其康复训练方面的研究，关于躯干屈伸运动时等速肌力的研究已见少量报道，但是躯干旋转运动中核心肌的等速肌力与表面肌电变化的同步研究国内尚未见报道。因此，本研究旨在通过使用等速技术结合表面肌电技术评定核心肌的功能状态，研究比较不同速度运动下肌肉全力最大收缩过程中相关参数的差异以及不同运动速度下肌肉的做功效率，比较躯干在相同关节活动范围内不同速度负荷对左、右旋转肌力与肌电参数水平的影响;了解躯干不同运动速度下的神经肌肉特征，探索相关肌肉在不同运动速度下的做功效率，为进行有效的肌肉康复训练提供理论参考。
　　 [目的]
　　 1、探讨躯干旋转运动过程中等长与等速测试结果的相关性;
　　 2、研究比较不同运动速度下肌肉收缩过程中相关参数的差异以及肌肉的做功效率;
　　 3、研究躯干在相同关节活动范围内不同速度负荷对左、右旋转肌力与肌电参数水平的影响，进一步探讨躯干不同运动速度下的神经肌肉特征;
　　 4、为等速技术和表面肌电技术的联合应用提供理论基础和临床依据。
　　 [资料与方法]
　　 1、研究对象:本课题的研究对象系研究期间随机抽取的健康人群。
　　 样本来源:2011年3月～2012年12月来南方医科大学南方医院康复医学科见习、实习的部分学生，来门诊就诊或住院患者的家属及部分本院的工作人员。
　　 入组标准:①年龄20～50岁，男性;②体重50-80kg;③无脊柱、下肢手术及外伤病史;④无等速肌力测试的禁忌症（如严重的高血压、心脏疾病、外周血管疾病、呼吸系统疾病等）。
　　 排除标准:①既往有慢性下腰痛，尤其是有腰椎间盘突出症的患者，无论是否发作期:②测试中出现腰背部不适或下肢放射性疼痛者，或在测试后2天内出现上述症状者。
　　 共入组36例受试者，记录其一般资料:年龄、性别、身高、体重、职业、BMI等。
　　 2、实验方法:
　　 2.1环境:
　　 所有受试者的测试均在南方医院康复科运动功能评定室进行，室温22～26℃。受试者被要求坐在IsoMed2000等速腰背旋转附件的座椅上，固定骨盆、下肢和双肩，双足水平置于踏板上，双手置于手柄上;腰背旋转运动轴心即腰背旋转附件的旋转轴沿正中矢状面，与人脊柱的长轴平行，位于脊柱正后方5cm处左右。测试前，让受试者熟悉等长收缩和等速向心收缩的运动方式，充分了解测试过程和要求，并进行相应测试肌群5次次大收缩的热身运动。
　　 2.2实验设备:
　　 采用IsoMed2000等速肌力测试训练系统及腰背旋转测试附件(D&RFerstlGmbH，德国)、ME6000-T8表面肌电仪(Mega，芬兰)以及同步耦合系统（Isolation Unit，ME4ISO，Mega Electronics LTD，Kuopio，芬兰）。一次性使用Ag/AgCl心电监护电极片;惠普笔记本电脑显示所收集到的图像。
　　 2.3记录方法:
　　 皮肤准备:仔细处理肌肉表面，剃去皮肤表面体毛、砂纸打磨、75％酒精擦拭等处理;
　　 电极放置:表面电极所贴位置为所测肌肉（背阔肌、腹外斜肌、腹内斜肌）肌腹部分的最隆起处;
　　 测试:测试模式为等长运动、等速运动，躯干旋转运动模式为左旋/右旋，肌肉收缩模式均为向心/向心收缩，等长收缩最大力量持续收缩5s;角速度及相应肌肉收缩次数分别为30°/s×5次、60°/s×10次、120°/s×15次;测试结束后系统自动记录。
　　 2.4记录指标及数据处理:
　　 峰力矩（N*m）、达到峰力矩的时间(ms)、达到峰力矩时的关节角度(°)、峰力矩/体重百分比、做功(J)、功率(W)等;表面肌电的原始信号采用MegaWin2.4软件进一步分析得到所对应的RMS值。
　　 3、统计学处理
　　 实验数据计量资料以均数±标准差（(x)±s）表示。采用SPSS13.0软件进行统计分析。肌电RMS值比较采用两重复测量因素(3×6)的方差分析，当不满足球形检验时采用Geisser-Greenhouseε校正系数来校正自由度;附加亚组检验(Post-hoc)法比较组内差异。肌力参数比较采用单因素方差分析（one-wayANOVA）检验，若差异有显著性，任意两组间比较当满足方差齐性时用SNK法，不满足方差齐性要求时用Tamhane's T2法进行检验。检验标准α定为0.05，置信区间95％，P＜0.05表示差异有显著性意义。
　　 [结果]
　　 1、躯干旋转肌群等长和等速测试中的PT值呈显著正相关(P＜0.01)，等长和等速肌力测试所获得的PT值建立的回归方程式为y左=22.330+0.937x和y右=32.752+0.847x，经检验成立并有统计学意义(P＜0.05);等长肌力介于30°/s与120°/s之间;中立位等长旋转运动时左右旋力矩比接近1∶1，比值随着运动速度的增大而减小，在120°/s时为0.9618。躯干等速向心旋转运动时，不同速度间的最大做功差异不明显;功率随运动速度的增大而有显著性增大;不同运动速度下有不同的峰力矩角度，左旋30°/s在-24.81°，左旋60°/s在-31.12°，左旋120°/s在-17.69°;右旋30°/s在24.85°，右旋60°/s在31.88°，右旋30°/s在19.00°。
　　 2、在等速向心旋转运动中，30°/s时对侧腹外斜肌的RMS值最大，RMS值随着运动速度的增大而减小，经分析发现不同运动速度间差异有显著性意义(P＜0.01);不同肌肉间差异有显著性意义(P＜0.01);速度与肌肉间存在交互效应，差异有显著性意义(P＜0.01)。拮抗肌与主动肌比值随着速度的增大而增加，差异无统计学意义。
　　 [结论]
　　 1、躯干等速向心旋转运动时，核心肌肌力随角速度的增加而减小，等长测试与等速测试具有良好的相关性，等长肌力介于30°/s与120°/s之间;中立位等长旋转运动时左右旋力矩比接近1∶1，比值随着运动速度的增大而减小。躯干等速向心旋转运动时，不同速度间的最大做功差异不明显;功率随运动速度的增大而有显著性增大;不同运动速度下有不同的峰力矩角度。
　　 2、肌电结果表明躯干旋转运动中，负责产生旋转动作的肌肉主要是对侧腹外斜肌、同侧背阔肌和腹内斜肌，尤以腹外斜肌为主;背阔肌、腹外斜肌、腹内斜肌的RMS均随速度的增大而减少。不同速度的旋转运动过程中核心肌存在共激活现象，在快速运动中更明显，以此来对抗主动肌对躯干的过度旋转，从而起到维持躯干稳定的作用。
　　 3、等速运动作为提高和改善肌肉力量和性能的抗阻训练方法，在康复训练早期阶段，可选择快速的等速训练来提高相关肌肉的做功效率，在强化肌力阶段，可选择慢速的等速运动进行等速训练以及阶段评估。
　　 4、将等速肌力与表面肌电技术联合使用，可以更加全面评价受试者相关肌肉的功能，能够提供基础数据，将这一理论成果更好地应用于临床康复中。