髌股疼痛患者膝关节伸肌力矩稳定性下降与运动单位放电变异性增加：一项单关节与多关节运动对比研究

《European Journal of Applied Physiology》：Reduced knee extensor torque steadiness and increased motor unit discharge rate variability in young people with patellofemoral pain: a pilot study

为解决髌股疼痛(PFP)患者膝关节伸肌神经肌肉控制机制不清的问题，研究人员开展了一项关于股四头肌运动单位(MU)放电特性的研究。结果发现，PFP患者在单关节运动中表现出力矩稳定性下降，并伴有股外侧肌(VL)在较高负荷(70% MVIC)下放电变异性(CoViSi)增加。该研究揭示了PFP患者在高负荷单关节任务中存在的特定神经肌肉控制缺陷，为康复训练方案的选择提供了神经生理学依据。

　　

你是否曾在下蹲、上下楼梯或久坐后感到膝盖前方隐隐作痛？这很可能是髌股疼痛(Patellofemoral Pain, PFP)在作祟。这是一种非常常见的膝关节问题，尤其在年轻人和运动爱好者中高发。尽管其普遍存在，但科学家们对其背后的根本原因仍存在争议。目前，一个主流的理论认为，股四头肌的神经肌肉功能紊乱是关键因素。具体来说，负责稳定髌骨的股内侧肌(Vastus Medialis, VM)和产生主要力量的股外侧肌(Vastus Lateralis, VL)之间若出现激活不平衡，就可能导致髌骨在股骨滑车中“跑偏”，即髌骨轨迹异常，从而引发疼痛。

然而，以往的研究大多停留在观察肌肉表面电信号(EMG)的幅度和激活时机上，这就像只看到了冰山一角，无法深入揭示大脑是如何通过控制成千上万个运动单位(Motor Unit, MU)来精确调节肌肉力量的。此外，在康复训练中，物理治疗师常常面临一个选择：是让患者进行单关节的膝关节伸展(如坐姿伸膝)，还是多关节的闭链运动(如腿举)？这两种运动模式对膝关节的负荷和肌肉的激活模式有何不同？哪种对PFP患者更友好？这些问题都缺乏来自神经肌肉控制层面的直接证据。

为了回答这些疑问，来自英国伯明翰大学等机构的研究团队在《European Journal of Applied Physiology》上发表了一项研究。他们利用高密度表面肌电(High-Density Surface EMG, HDsEMG)技术，深入探究了PFP患者与健康对照者在进行单关节和多关节等长收缩时，股四头肌运动单位的放电特性有何不同。

研究人员招募了10名患有PFP的年轻活跃个体和10名年龄、性别匹配的无症状对照者。所有参与者分别进行了单关节(坐姿膝关节伸展)和多关节(仰卧腿举)两种模式的等长收缩测试，目标强度覆盖了从10%到70%最大自主等长收缩(Maximum Voluntary Isometric Contraction, MVIC)的广泛范围。在测试过程中，研究人员不仅记录了膝关节伸肌的力矩输出，还通过高密度表面肌电技术采集了股内侧肌和股外侧肌的肌电信号，并利用先进的信号分解算法，成功分离出单个运动单位的放电活动。通过分析这些数据，他们能够精确评估神经驱动(放电率)、放电稳定性(放电率变异性)以及运动单位放电与力矩输出之间的神经力学关系。

主要技术方法

本研究采用横断面病例对照设计，纳入10名PFP患者与10名健康对照者。利用高密度表面肌电(HDsEMG)技术，结合等速测力计，同步采集受试者在单关节(膝关节伸展)和多关节(腿举)等长收缩(10-70% MVIC)过程中的力矩信号及股内侧肌(VM)和股外侧肌(VL)的肌电信号。通过盲源分离算法对HDsEMG信号进行运动单位(MU)分解，量化其放电率、放电率变异性(CoViSi)及放电-力矩关系(交叉相关分析)，以评估神经肌肉控制策略。

研究结果

1. 力矩稳定性下降

研究结果显示，PFP患者在单关节膝关节伸展运动中，其膝关节伸肌的力矩稳定性显著低于多关节腿举运动。这表明，当任务要求股四头肌独立承担负荷时，PFP患者维持稳定力量输出的能力受到了损害。

2. 运动单位放电变异性增加

尽管两组受试者的运动单位平均放电率(神经驱动)没有显著差异，但PFP患者表现出更高的放电率变异性(CoViSi)。这种差异在较高的负荷水平(50%和70% MVIC)下尤为明显，尤其是在股外侧肌(VL)中。这意味着PFP患者运动单位的放电模式更不稳定，这可能是导致其力矩输出不平稳的直接原因。

3. 神经肌肉控制策略的调整

交叉相关分析揭示了PFP患者独特的神经肌肉控制策略。在单关节运动中，PFP患者股内侧肌(VM)的放电与力矩输出的相关性显著增加，表明他们可能过度依赖股内侧肌来完成任务。此外，PFP患者在单关节运动中的神经力学延迟(Neuromechanical Delay, NMD)更短，这反映了其神经肌肉系统为应对任务需求而进行的快速调整。

4. 疼痛与功能障碍的关联

PFP患者在单关节运动中报告了更高的疼痛强度，尤其是在高负荷(50%和70% MVIC)下。相关性分析进一步发现，疼痛强度与力矩变异性呈正相关，即疼痛越严重，力量控制能力越差。同时，功能评分(Kujala评分)越低(即功能障碍越严重)的患者，其运动单位放电变异性越高。

结论与讨论

这项研究为理解髌股疼痛(PFP)的神经肌肉机制提供了新的、深入的视角。它首次在单关节与多关节运动对比的框架下，揭示了PFP患者在高负荷任务中存在的特定神经肌肉控制缺陷。

研究结果表明，PFP患者并非简单地“力量不足”，而是存在“控制不稳”的问题。他们的大脑无法像健康人那样稳定地驱动运动单位，尤其是在需要股四头肌独立发力的单关节运动中。这种不稳定的神经驱动直接导致了力量输出的波动(力矩稳定性下降)，并可能进一步加剧髌股关节的异常负荷，从而引发或加重疼痛。

此外，PFP患者表现出的神经肌肉控制策略调整(如过度依赖股内侧肌、缩短神经力学延迟)可以被视为一种代偿机制。他们的大脑为了在疼痛和功能障碍的情况下完成任务，不得不采取“非常规”的控制策略。虽然这些策略在短期内可能有助于维持力量输出，但从长远来看，它们可能并非最优解，甚至可能加重肌肉不平衡和关节负荷。

这项研究对临床康复具有重要的指导意义。它支持在PFP康复的早期阶段优先选择多关节运动(如腿举)，因为这类运动能够以更低的疼痛强度有效激活股四头肌，并允许身体利用其他肌肉群进行代偿，从而为膝关节提供一个更稳定的环境。然而，研究也提示，单关节运动不应被完全摒弃。由于它能更敏感地暴露PFP患者存在的神经肌肉控制缺陷，因此可以作为评估康复进展和进行针对性训练的有效工具。未来的康复方案应致力于通过训练来改善患者的力矩稳定性和运动单位放电的稳定性，从而从根本上恢复其正常的神经肌肉控制功能。