健康青少年膝关节力量与肌肉耐力的性别特异性特征

《Journal of Sports Sciences》：Sex-specific knee joint strength and muscular endurance profiles in healthy adolescents

　　

我们研究了健康青少年男性和女性在等长及等动膝关节力量和肌肉耐力方面的性别差异，并建立了基线指标，以更好地为这一人群的ACL康复方案提供参考。100名健康青少年在等速测力计上完成了等长膝关节伸展和屈曲收缩，以及一项耐力任务，该任务包括在90°/s角速度下、85°运动范围内进行40次最大向心-向心膝关节伸展和屈曲收缩。研究人员从每条肢体提取峰值力矩，用于计算腘绳肌-股四头肌力矩比和疲劳指数(FI)。男性在膝关节屈曲方面表现出比女性更低的疲劳指数，而在膝关节伸展方面无差异。男性表现出更高的等长膝关节伸展和屈曲力矩、耐力任务结束时更高的等动膝关节屈曲力矩，以及耐力任务开始和结束时更高的膝关节伸展力矩。与等长测试相比，肢体对称性差异在耐力任务中也更为明显。这些发现表明，青春期男性和女性表现出不同的发力能力，且其性别依赖性耐力特征与成年人不同。在康复方案中加入耐力任务，可能提供等长测试无法体现的额外信息。

健康青少年膝关节力量与肌肉耐力的性别特异性特征：一项横断面研究解读

一、研究背景与目的

下肢力量分析广泛用于膝关节康复领域，用于评估损伤、手术或疾病后功能性限制的成因、持续性与恢复情况。在前交叉韧带(ACL)损伤的背景下，膝伸肌力量不足可导致步态或落地模式改变。ACL康复评估中常测量最大等长及等动力、自主肌肉激活水平和肌肉耐力等指标。然而，康复方案若要有效评估功能性表现，必须了解何谓健康和正常的肌力与耐力输出值。肌肉发力取决于多种因素，如肌肉质量、肌纤维类型分布与组成及肌肉激活特征。既往研究表明，男性通常比女性具有更高的发力能力，这通常被认为反映了男性更大的肌肉质量、更高比例的快缩肌纤维以及性别特异性的肌肉募集模式。此外，女性通常比男性更不易疲劳；然而，疲劳的生理机制及程度具有任务和年龄特异性。常见解释是女性肌纤维具有比男性更大的氧化能力，从而增强收缩肌肉的呼吸能力。股四头肌力量随年龄和训练经历而变化，因此下肢肌肉力量的规范数据应同时具有年龄和性别特异性。鉴于既往下肢力量和肌肉耐力评估多集中于成人群体，针对青少年人群的研究甚少。青少年并非简单的“小成人”，成人的疲劳运动反应不能直接外推至青少年。此外，返回活动评估常依赖肢体对称指数(LSI)，但LSI具有任务依赖性，且即使在健康成年人中也存在一定不对称性。肢体优势进一步使解读复杂化。这些局限性凸显了除LSI之外额外基准值的必要性。本研究旨在探讨性别和肢体优势对健康青少年男性和女性等长力量及耐力输出的影响，为这一人群建立基线指标。

二、研究设计与方法

研究人员采用横断面队列设计，从当地招募46名男性和54名健康青少年受试者。排除标准包括创伤性膝关节损伤、近六个月下肢损伤或可能影响神经肌肉功能的疾病。参与者完成活动暴露评估(HSS Pedi-FABS)和青春期阶段自我评估(Tanner分期)。样本量估算基于先验功效分析(G*Power)，设定大效应量0.8、α=0.05、功效=0.8，每组需要26例。研究程序包括：记录身高和体重以进行数据标准化；完成五分钟功率自行车热身；在等速测力计(Biodex System 4 Pro)上进行等长和等动扭矩评估。等长收缩在髋关节和膝关节分别保持90°和60°下进行，重复三次，每次持续五秒。随后参与者完成40次连续最大向心-向心膝关节伸展和屈曲收缩的耐力方案，角速度为90°/s，运动范围为85°。数据分析方面，扭矩数据经4阶零滞后低通巴特沃斯滤波器(10 Hz)滤波并标准化至体重。对每次等长试验计算峰值扭矩(iPT)和等长腘绳肌-股四头肌力矩比(IHQSR)。耐力任务中提取每次重复的峰值扭矩，取前七次和后七次重复中最高的五个值进行平均，分别定义为耐力任务开始和结束时的峰值动态扭矩(dPT)。疲劳量化采用两种方法：线性回归斜率和疲劳指数(FI)。统计方法采用2×2混合设计ANCOVA，肢体优势为组内因素，性别为组间因素，Tanner分期作为协变量以控制成熟度影响。

三、主要研究结果

（一）性别差异
男性在等长膝关节伸展(p=0.03, d=0.25)和屈曲(p=0.002, d=0.44)方面具有比女性更高的标准化iPT。男性在耐力任务结束时的膝伸展dPT更高(p=0.008, d=0.41)，且在耐力任务开始时(p<0.001, d=0.51)和结束时(p=0.003, d=0.48)具有更高的膝屈曲dPT。女性在膝屈曲方面表现出比男性更高的FI(p=0.001, d=0.51)。

（二）肢体对称性差异
优势腿在耐力任务开始时(p<0.001, d=0.75)和结束时(p<0.001, d=1.07)具有更高的动态伸展力量。然而，非优势腿在耐力任务开始时(p<0.001, d=0.63)和结束时(p<0.001, d=0.98)表现出比优势腿更高的动态屈曲力量。值得注意的是，等长测试中未发现类似的不对称模式，表明耐力任务比等长测试更能揭示肢体间差异。

（三）等长与等动扭矩比较
研究发现混合结果：(1)峰值等长伸展扭矩大于峰值等动伸展扭矩；(2)但峰值等长屈曲扭矩小于峰值等动屈曲扭矩。进一步分析显示，峰值膝屈曲扭矩通常出现在70-100度膝关节屈曲位置，而等长测试在60度屈曲位置进行。

（四）主观用力程度
在完成耐力任务后填写Borg量表的58名参与者中，男性和女性报告了相似的主观用力程度(男性=18.67±1.76，女性=18.35±1.79，p=0.51)，表明疲劳差异并非由努力程度不同所致。

四、讨论与结论

研究假设部分得到支持：男性产生更高的等长和等动扭矩，但女性在膝屈曲时表现出更高的FI，与成人研究结果相反。尽管既往成人研究普遍认为女性比男性更不易疲劳，但本研究发现青少年女性在膝屈曲耐力任务中比男性更容易疲劳，这与对青少年的既往研究部分一致。肌肉发力能力受肌肉质量、纤维类型分布和募集模式影响，本研究在控制Tanner分期后仍观察到显著性别差异，表明这些差异并非成熟度不同所致。在疲劳机制方面，神经肌肉疲劳通过中枢和外周两种主要机制产生；鉴于两组参与者的Borg评分和起始扭矩输出相似，研究人员确信耐力任务中的疲劳差异源于生理性别差异，而非努力程度不同。肢体优势方面，优势腿表现出更高的动态伸展力量和等长屈曲力量，但非优势腿在动态屈曲任务中力量更高。该发现与成人研究形成对比，并强调了在青少年功能评估中纳入等动耐力测试的重要性——等长测试可能无法揭示这些动态任务中的差异。本研究存在一定局限性：疫情导致样本量小于计划；部分参与者的Borg和耐力数据缺失；年龄范围较宽(10-18岁)且样本量不足以进行年龄分层。总体结论认为：青春期男性和女性表现出不同的发力能力，在解读力量资料时应分别考虑。与成人研究相反，青春期女性在耐力方案中经历更高的疲劳，表明成人中确定的性别特异性耐力特征不应外推至青少年人群。此外，评估肢体对称性时纳入耐力任务可提供标准测试无法体现的额外膝关节功能信息。研究建议将性别特异性的力量和耐力测试纳入青少年功能评估、康复和返回活动测试组合中，并分别解读男女结果；在健康或受伤人群中对比肢体时应考虑肢体优势的影响。本研究结果为健康青少年人群及下肢损伤恢复者的未来研究提供了参考值基础。