肌力训练与神经肌肉电刺激干预髌股关节痛患者下肢功能和生物力学的变化

doi:10.12307/2024.036

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (9): 1365-1371.doi: 10.12307/2024.036

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

肌力训练与神经肌肉电刺激干预髌股关节痛患者下肢功能和生物力学的变化

吴菁1，姚英策1，杨晓巍1，薛博士1，赵建斌1，杨辰2，栾天峰3，周志鹏3

山东体育学院，1研究生教育学院，3运动与健康学院，山东省济南市 250102；2南京体育学院运动健康学院，江苏省南京市 210014

收稿日期:2023-02-15 接受日期:2023-04-07 出版日期:2024-03-28 发布日期:2023-07-25
通讯作者: 周志鹏，博士，教授，山东体育学院运动与健康学院，山东省济南市 250102
作者简介:吴菁，女，1999年生，山东省泰安市人，汉族，山东体育学院在读硕士，主要从事运动损伤生物力学与运动康复方向的研究。
基金资助:
2022年山东省大学生创新训练项目(1341)，项目负责人：周志鹏；山东省社会科学规划研究项目(20CTYJ17)，项目负责人：栾天峰

Intervention of muscle strength training combined with neuromuscular electrical stimulation on lower limb function and biomechanical changes in patients with patellofemoral pain

Wu Jing1, Yao Yingce1, Yang Xiaowei1, Xue Boshi1, Zhao Jianbin1, Yang Chen2, Luan Tianfeng3, Zhou Zhipeng3

1Graduate School, 3College of Sports and Health, Shandong Sport University, Jinan 250102, Shandong Province, China; 2School of Sports and Health, Nanjing Sport Institute, Nanjing 210014, Jiangsu Province, China

Received:2023-02-15 Accepted:2023-04-07 Online:2024-03-28 Published:2023-07-25
Contact: Zhou Zhipeng, PhD, Professor, College of Sports and Health, Shandong Sport University, Jinan 250102, Shandong Province, China
About author:Wu Jing, Master candidate, Graduate School, Shandong Sport University, Jinan 250102, Shandong Province, China
Supported by:
2022 Shandong University Student Innovation Training Project, No. 1341 (to ZZP); Shandong Social Science Planning and Research Project, No. 20CTYJ17 (to LTF)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

髌股关节痛：是一种常见的膝关节过劳性损伤，通常表现在跑、跳等屈膝动作时出现膝前、髌后或者髌周的疼痛。主要好发于运动员和体力活动较多的青年人群。髌股关节痛可导致患者膝关节肿胀、僵硬、本体感觉异常、下肢髋膝周肌力不足、大腿外侧肌紧张等症状，长此以往还会引起膝骨关节炎风险增加。
肌力训练：以提高肌肉收缩力量的运动训练，可广泛应用于改善关节功能障碍和运动控制能力，提高关节稳定性，降低关节内应力达到减轻患者疼痛的一种治疗方式。
神经肌肉电刺激：应用低频脉冲电流刺激损伤的神经与肌肉，使之产生被动收缩，促进肌肉的运动功能及神经再生，以达到治疗目的的方法。

背景：下肢髋膝周肌力训练与神经肌肉电刺激通常是针对髌股关节痛较为安全有效的康复治疗手段，但其所起的干预作用机制目前仍不清楚。

目的：明确肌力训练与神经肌肉电刺激对髌股关节痛患者疼痛、下肢功能和生物力学特征的影响。
方法：招募37例髌股关节痛患者，随机分为2组，肌力训练结合电刺激组(试验组)19例，单纯肌力训练组(对照组)18例，进行为期6周、每周3次的干预训练。干预后采用目测类比评分法和膝前痛量表评估患者膝关节疼痛等级和功能水平，应用红外运动捕捉系统与三维测力台同步采集跑步测试时膝关节运动学和动力学数据，以重复测量的双因素方差分析(组别*时间)进行数据分析。

结果与结论：①试验组和对照组在干预后较干预前目测类比评分均显著减小(P < 0.001)，膝前痛量表评分均显著提高(P试验组 < 0.001，P对照组=0.001)；且试验组膝前痛量表评分在干预后高于对照组(P=0.001)；②试验组和对照组在干预后跑步测试中的膝最大屈曲角度(P=0.011)、膝关节伸展力矩峰值(P < 0.001)、内旋力矩峰值(P=0.008)、髌股关节应力峰值(P < 0.001)、髌股关节反作用力峰值(P < 0.001)等指标均较干预前显著降低；③结果说明，单纯肌力训练和肌力训练结合电刺激干预均有助于改善髌股关节痛患者的主观痛感和下肢功能水平，并有助于改善跑步时的运动模式及降低髌股关节应力；与单纯肌力训练相比，肌力训练结合电刺激干预改善患者下肢功能的效果更为显著。

https://orcid.org/0009-0001-9938-2672 (吴菁)；https://orcid.org/0000-0002-8424-5050 (周志鹏)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 膝前痛, 髌股关节, 电刺激, 运动疗法, 动作模式, 运动学, 动力学, 康复

Abstract: BACKGROUND: Lower limb peri-knee muscle strength training and neuromuscular electrical stimulation are generally safe and effective rehabilitation methods for patellofemoral joint pain, but the mechanism of their intervention is still unclear.
OBJECTIVE: To determine the effect of muscle strength training combined with neuromuscular electrical stimulation on pain, lower extremity function and biomechanical characteristics in patients with patellofemoral pain.
METHODS: Thirty-seven patients with patellofemoral pain were randomly divided into muscle strength training combined with electrical stimulation group (trial group, n=19) and muscle strength training group (control group, n=18). Both groups underwent intervention training for 6 weeks, three times a week. The visual analog scale and anterior knee pain scale were used to evaluate the pain level and functional level of the knee. Kinematic and kinetics data during running were collected by using an infrared motion capture system and a three-dimensional force platform simultaneously. A two-way analysis of variance with repeated measures (group*time) was applied to analyze the data.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) After the intervention, the visual analog scale scores of the trial group and the control group were significantly decreased (P < 0.001), and the anterior knee pain scale scores were significantly increased (Ptrial group < 0.001, Pcontrol group=0.001) in the trial group and control group. The anterior knee pain scale scores of the trial group were significantly higher compared to the control group after the intervention (P=0.001). (2) The peak knee flexion angle (P=0.011), peak knee extension moment (P < 0.001), the peak knee internal rotation moment (P=0.008), the peak patellofemoral stress (P < 0.001) and the peak patellofemoral contact force (P < 0.001) were significantly decreased in the trial and control groups during running after the intervention compared with those before the intervention. (3) In conclusion, both muscle strength training and muscle strength training combined with electrical stimulation training are helpful to improve the subjective pain and lower limb function of patellofemoral pain patients, enhance the movement pattern during running and reduce the stress of the patellofemoral joint. Compared with muscle strength training alone, muscle strength training combined with electrical stimulation can improve lower limb function more significantly.

Key words: anterior knee pain, patellofemoral joint, electrical stimulation, exercise therapy, movement pattern, kinematics, kinetics, rehabilitation

中图分类号:

吴菁, 姚英策, 杨晓巍, 薛博士, 赵建斌, 杨辰, 栾天峰, 周志鹏. 肌力训练与神经肌肉电刺激干预髌股关节痛患者下肢功能和生物力学的变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1365-1371.

Wu Jing, Yao Yingce, Yang Xiaowei, Xue Boshi, Zhao Jianbin, Yang Chen, Luan Tianfeng, Zhou Zhipeng. Intervention of muscle strength training combined with neuromuscular electrical stimulation on lower limb function and biomechanical changes in patients with patellofemoral pain[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(9): 1365-1371.

图/表（结果） 8

2.1 参与者数量分析此次研究共招募37例受试者进行试验，整个试验过程中，试验组和对照组因时间冲突、非干预期间意外受伤等原因共流失5例，最终剩余32例计入结果分析，其中试验组18例，对照组14例。见图1。

2.2 基线资料比较两组受试者基线资料比较，差异无统计学意义，具有可比性，见表1。

2.3 受试者主观痛感时间与分组对目测类比评分不存在交互作用(P=0.754)，结果显示，试验组和对照组在干预后均比干预前疼痛程度显著降低(P < 0.001，Cohen’s d试验组=3.39，Cohen’s d对照组=2.99)，而两组之间差异无统计学意义(P=0.253)。见表2。

2.4 受试者膝关节功能时间与分组对AKPS评分存在交互作用(P < 0.001)，经事后检验结果显示，两组在干预后均比干预前膝关节功能水平显著提高(P < 0.001，Cohen’s d试验组=1.46，Cohen’s d对照组=0.59)，且试验组干预后AKPS评分高于对照组(P=0.001，Cohen’s d干预后=1.48)。见表3。

2.5 受试者膝关节运动学与动力学特征膝关节各项运动学指标时间与分组均不存在交互作用(P > 0.05)，结果显示，与干预前相比，干预后膝最大屈曲角度均显著减小(P=0.011，Cohen’s d试验组=0.36，Cohen’s d对照组=0.70)，但组间比较无统计学差异(P=0.358)；其他指标则无统计学差异(P > 0.05)。见表4。

膝关节各项动力学指标时间与分组均不存在交互作用(P > 0.05)，结果显示，与干预前相比，干预后膝伸展力矩峰值(P < 0.001，Cohen’s d试验组=1.68，Cohen’s d对照组=1.77)和内旋力矩峰值(P=0.008，Cohen’s d试验组=0.98，Cohen’s d对照组=0.40)均显著减小，但组间比较无统计学差异(P > 0.05)；两组间、干预前后膝外展力矩峰值均无统计学差异(P > 0.05)。见表5。

2.6 受试者髌股关节生物力学特征时间与分组之间不存在交互作用(P > 0.05)，结果显示，与干预前相比，干预后髌股关节应力(P < 0.001 ，Cohen’s d试验组=1.32，Cohen’s d对照组=0.90)、髌股关节反作用力(P < 0.001，Cohen’s d试验组=1.62，Cohen’s d对照组=1.81)均显著减小，但组间比较无统计学差异 (P > 0.05)。见表6。

2.7 不良事件两组治疗过程中未发生任何不良事件。

参考文献

[1] ASHNAGAR Z, HADIAN MR, SAJJADI E, et al. Quadriceps architecture in individuals with patellofemoral pain: A systematic review. J Bodyw Mov Ther. 2021;25:248-254.
[2] 杨辰,曲峰,刘卉,等.髌股关节痛业余跑者性别特异的下肢生物力学特征[J].医用生物力学,2020,35(6):672-678.
[3] 陈一言,陆阿明.髌股疼痛综合征下肢动作模式特征与康复治疗研究进展[J].医用生物力学,2022,37(3):555-561.
[4] CROSSLEY KM, STEFANIK JJ, SELFE J, et al. 2016 Patellofemoral pain consensus statement from the 4th International Patellofemoral Pain Research Retreat, Manchester. Part 1: Terminology, definitions, clinical examination, natural history, patellofemoral osteoarthritis and patient-reported outcome measures. Br J Sports Med. 2016;50(14):839-843.
[5] LANKHORST NE, BIERMA-ZEINSTRA SM, VAN MIDDELKOOP M. Factors associated with patellofemoral pain syndrome: a systematic review. Br J Sports Med. 2013;47(4):193-206.
[6] 杨辰,曲峰.髌股关节痛病因、治疗和分组的生物力学研究进展[J].中国运动医学杂志,2017,36(10):927-932.
[7] SAKAI N, LUO ZP, RAND JA, et al. The influence of weakness in the vastus medialis oblique muscle on the patellofemoral joint: an in vitro biomechanical study. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2000;15(5):335-339.
[8] FINNOFF JT, HALL MM, KYLE K, et al. Hip strength and knee pain in high school runners: a prospective study. PM R. 2011;3(9):792-801.
[9] FUKUDA TY, ROSSETTO FM, MAGALHAES E, et al. Short-term effects of hip abductors and lateral rotators strengthening in females with patellofemoral pain syndrome: a randomized controlled clinical trial. J Orthop Sports Phys Ther. 2010;40(11): 736-742.
[10] MARTIMBIANCO ALC, TORLONI MR, ANDRIOLO BN, et al. Neuromuscular electrical stimulation (NMES) for patellofemoral pain syndrome. Cochrane Database Syst Rev. 2017;12(12):CD011289.
[11] SAFRAN EE, MUTLUAY F, UZAY A. Effects of neuromuscular electrical stimulation combined with resistance exercises on muscle strength in adult hematological cancer patients: A randomized controlled study. Leuk Res. 2022;121:106932.
[12] MATSUSE H, SEGAL NA, RABE KG, et al. The Effect of Neuromuscular Electrical Stimulation During Walking on Muscle Strength and Knee Pain in Obese Women With Knee Pain: A Randomized Controlled Trial. Am J Phys Med Rehabil. 2020;99(1):56-64.
[13] GLAVIANO NR, MARSHALL AN, MANGUM LC, et al. Improvements in Lower-Extremity Function Following a Rehabilitation Program With Patterned Electrical Neuromuscular Stimulation in Females With Patellofemoral Pain: A Randomized Controlled Trial. J Sport Rehabil. 2020;29(8):1075-1085.
[14] RULAND JR, III MMH, DIDUCH DR. Patellofemoral Pain: Current Concepts. Ann Sports Med Res. 2017;5(4):1118-1121.
[15] RABELO ND, LIMA B, REIS AC, et al. Neuromuscular training and muscle strengthening in patients with patellofemoral pain syndrome: a protocol of randomized controlled trial. BMC Musculoskelet Disord. 2014;15:157.
[16] GLAVIANO NR, HUNTSMAN S, DEMBECK A, et al. Improvements in kinematics, muscle activity and pain during functional tasks in females with patellofemoral pain following a single patterned electrical stimulation treatment. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2016;32:20-27.
[17] VAN DER HEIJDEN RA, LANKHORST NE, VAN LINSCHOTEN R, et al. Exercise for treating patellofemoral pain syndrome. Cochrane Database Syst Rev. 2015;1:CD010387.
[18] GLAVIANO NR, MARSHALL AN, MANGUM LC, et al. Impairment-Based Rehabilitation With Patterned Electrical Neuromuscular Stimulation and Lower Extremity Function in Individuals With Patellofemoral Pain: A Preliminary Study. J Athl Train. 2019;54(3):255-269.
[19] KOLLE T, ALT W, WAGNER D. Effects of a 12-week home exercise therapy program on pain and neuromuscular activity in patients with patellofemoral pain syndrome. Arch Orthop Trauma Surg. 2020; 140(12):1985-1992.
[20] NUSSBAUM EL, HOUGHTON P, ANTHONY J, et al. Neuromuscular Electrical Stimulation for Treatment of Muscle Impairment: Critical Review and Recommendations for Clinical Practice. Physiother Can. 2017;69(5):1-76.
[21] 万丽,赵晴,陈军,等.疼痛评估量表应用的中国专家共识(2020版)[J].中华疼痛学杂志,2020,16(3):177-187.
[22] HOTT A, LIAVAAG S, JUEL NG, et al. The reliability, validity, interpretability, and responsiveness of the Norwegian version of the Anterior Knee Pain Scale in patellofemoral pain. Disabil Rehabil. 2021;43(11):1605-1614.
[23] WU G, SIEGLER S, ALLARD P, et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion--part I: ankle, hip, and spine. International Society of Biomechanics. J Biomech. 2002;35(4):543-548.
[24] DRAPER CE, BESIER TF, SANTOS JM, et al. Using real-time MRI to quantify altered joint kinematics in subjects with patellofemoral pain and to evaluate the effects of a patellar brace or sleeve on joint motion. J Orthop Res. 2009;27(5):571-577.
[25] 权朝鲁.效果量的意义及测定方法[J].心理学探新,2003(2):39-44.
[26] 祁钰杰,王琳.跑步再训练对髌股疼痛综合征跑者髌股关节压力的影响[J].浙江体育科学,2021,43(2):105-112.
[27] LABANCA L, ROCCHI JE, CARTA N, et al. NMES superimposed on movement is equally effective as heavy slow resistance training in patellar tendinopathy. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2022;22(4): 474-485.
[28] CROSSLEY KM, BENNELL KL, COWAN SM, et al. Analysis of outcome measures for persons with patellofemoral pain: which are reliable and valid? Arch Phys Med Rehabil. 2004 ;85(5):815-822.
[29] BILY W, TRIMMEL L, MODLIN M, et al. Training program and additional electric muscle stimulation for patellofemoral pain syndrome: a pilot study. Arch Phys Med Rehabil. 2008;89(7):1230-1236.
[30] HU H, ZHENG Y, LIU X, et al. Effects of neuromuscular training on pain intensity and self-reported functionality for patellofemoral pain syndrome in runners: study protocol for a randomized controlled clinical trial. Trials. 2019;20(1):409.
[31] CLAYTON EB, FORSTER A, PALASTANGA N. Clayton’s Electrotherapy: Theory and Practice. Bailliere Tindall Limited, United Kingdom, 1985.
[32] ROBERTSON VJ, WARD AR. Vastus medialis electrical stimulation to improve lower extremity function following a lateral patellar retinacular release. J Orthop Sports Phys Ther. 2002;32(9):437-443.
[33] JOHNSON M, MARTINSON M. Efficacy of electrical nerve stimulation for chronic musculoskeletal pain: a meta-analysis of randomized controlled trials. Pain. 2007;130(1-2):157-165.
[34] KUJAWA M, GOERLITZ A, RUTHERFORD D, et al. Patellofemoral Joint Stress during Running with Added Load in Females. Int J Sports Med. 2020;41(6):412-418.
[35] LABANCA L, ROCCHI JE, LAUDANI L, et al. Neuromuscular Electrical Stimulation Superimposed on Movement Early after ACL Surgery. Med Sci Sports Exerc. 2018;50(3):407-416.
[36] TOTH MJ, TOURVILLE TW, VOIGT TB, et al. Utility of Neuromuscular Electrical Stimulation to Preserve Quadriceps Muscle Fiber Size and Contractility After Anterior Cruciate Ligament Injuries and Reconstruction: A Randomized, Sham-Controlled, Blinded Trial. Am J Sports Med. 2020;48(10):2429-2437.
[37] BORZUOLA R, LABANCA L, MACALUSO A, et al. Modulation of spinal excitability following neuromuscular electrical stimulation superimposed to voluntary contraction. Eur J Appl Physiol. 2020;120(9): 2105-2113.
[38] COLLINS NJ, BARTON CJ, VAN MIDDELKOOP M, et al. 2018 Consensus statement on exercise therapy and physical interventions (orthoses, taping and manual therapy) to treat patellofemoral pain: recommendations from the 5th International Patellofemoral Pain Research Retreat, Gold Coast, Australia, 2017. Br J Sports Med. 2018; 52(18):1170-1178.
[39] HAGHIGHAT F, EBRAHIMI S, REZAIE M, et al. Trunk, pelvis, and knee kinematics during running in females with and without patellofemoral pain. Gait Posture. 2021;89:80-85.
[40] TAKABAYASHI T, EDAMA M, INAI T, et al. A mathematical modelling study investigating the influence of knee joint flexion angle and extension moment on patellofemoral joint reaction force and stress. Knee. 2019;26(6):1323-1329.
[41] CHIU JK, WONG YM, YUNG PS, et al. The effects of quadriceps strengthening on pain, function, and patellofemoral joint contact area in persons with patellofemoral pain. Am J Phys Med Rehabil. 2012;91(2):98-106.
[42] WANG B, YANG Y, ZhANG X, et al. Twelve-Week Gait Retraining Reduced Patellofemoral Joint Stress during Running in Male Recreational Runners. Biomed Res Int. 2020;2020:9723563.
[43] SHERMAN SL, PLACKIS AC, NUELLE CW. Patellofemoral anatomy and biomechanics. Clin Sports Med. 2014;33(3):389-401.
[44] CELIK D, ARGUT SK, TURKER N, et al. The effectiveness of superimposed neuromuscular electrical stimulation combined with strengthening exercises on patellofemoral pain: A randomized controlled pilot trial. J Back Musculoskelet Rehabil. 2020;33(4):693-699.
[45] AKARCALI I, TUGAY N, KAYA D, et al. The role of high voltage electrical stimulation in the rehabilitation of patellofemoral pain. Pain Clin. 2013;14(3): 207-212.
[46] ALMONROEDER TG, BENSON LC. Sex differences in lower extremity kinematics and patellofemoral kinetics during running. J Sports Sci. 2017;35(16):1575-1581.
[47] SINAEI E, FOROOZANTABAR V, YOOSEFINEJAD AK, et al. Electromyographic comparison of vastus medialis obliquus facilitatory versus vastus lateralis inhibitory kinesio taping in athletes with patellofemoral pain: A randomized clinical trial. J Bodyw Mov Ther. 2021;28:157-163.

引言

髌股关节痛(patellofemoral pain，PFP)是一种常见的膝关节过劳性损伤，在所有膝关节损伤中可达25%-40%[1]。PFP尤其影响年轻人或经常参与体育锻炼的人群，其中业余跑步者发病率为4%-21%[2]。PFP起病较为隐匿，通常在跑步或膝关节深度屈曲等运动时诱发疼痛。此外，PFP还会导致患者膝关节肿胀、僵硬、本体感觉异常、下肢髋膝周肌力不足、大腿外侧肌紧张等症状[3]，长此以往还会引起膝骨关节炎风险增加[4]。
PFP发病机制目前尚不明确，普遍认为可能是髌股关节所受异常负荷和应力升高所致[5]。研究认为，髌股关节应力增大可能与髋膝肌力不足及肌力不均衡等神经肌肉因素相关[3，6]。如Sakai等[7]研究发现，PFP患者较健康人群相比其股四头肌力量相对较低，且股内斜肌与股外斜肌之间力量不均衡更为显著。此外，髋外旋肌无力也可能减弱股骨的运动控制，易使跑步时胫骨相对于股骨产生过度外展外旋，从而增大髌股关节应力及损伤风险[8]。因此，强化髋膝关节肌力及纠正不平衡的股四头肌功能可能有助于降低髌股关节应力及损伤风险。
运动疗法是一种针对PFP较为安全有效的康复治疗手段。研究指出，提高髋膝肌群力量对改善患者疼痛、姿势控制和骨盆稳定性以及降低跑步时关节负荷具有一定的效果[6，9]。
然而，传统肌力训练虽可提高髋膝肌群肌力水平，但在改善股内外斜肌肌力失衡方面仍不理想，使得无法有效纠正运动时髌股关节异常的活动轨迹，无法有效降低髌股关节应力，导致患者疼痛症状易反复发生，这可能是现有康复方案效果仍不理想的原因之一。
神经肌肉电刺激常作为一种肌肉骨骼疾病的辅助治疗手段[10]，不仅有助于缓解疼痛，还可用于强化特定肌群的功能[10-12]。由于传统股四头肌强化训练可能存在无法有效激活股内斜肌，从而易使训练时可能无法针对性改善股内外斜肌力失衡的问题。因此，在肌力强化训练的同时如能采用神经肌肉电刺激来激活股内斜肌，可能有助于更好地平衡股内外斜肌肌力失衡的问题，从而可能有助于改善运动时髌股关节异常的活动轨迹及降低髌股关节应力，达到有效缓解患者疼痛及改善下肢功能的作用。
因而，此次研究旨在对PFP患者开展为期6周的肌力训练结合电刺激综合训练与单纯肌力训练，对比这两种干预训练对改善患者疼痛症状、功能水平及跑步时髌股关节运动生物力学指标之间的差异。此次研究假设：①肌力训练结合电刺激训练和单纯肌力训练在改善PFP疼痛症状、功能水平和降低跑步时髌股关节应力等指标上均有积极作用；②肌力训练结合电刺激训练较单纯肌力训练具有更好的康复效果。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照试验，采用2×2的混合设计方差分析对所有指标进行统计分析。
1.2 时间及地点试验于2022年4-5月在山东体育学院生物力学实验室完成。
1.3 对象样本量确定基于以往研究，GLAVIANO等[13]在对16例PFP患者进行为期4周的神经肌肉电刺激治疗，其中试验组主要指标目测类比评分干预前为(2.20±2.15)分，干预后为(0.71±0.61)分，将检验水准α设为0.05，检验效能(1-β)设为0.80，计算出最小样本量n=15，考虑到20%流失率，n≈18人，分配比为1∶1。
当前对于PFP缺乏明确的诊断标准，临床检查和影像学评估的证据相对有限，因此多以排除式诊断为主[14]。
纳入标准[15]：为在跑步、跳跃、久坐、上/下楼梯、抗阻伸膝和单腿下蹲中，至少有2个动作出现过髌后或髌周疼痛；且以往疼痛症状至少存在3个月以上，并与直接创伤无关。
排除标准[16]：其他膝关节病变和膝关节手术患者、低频电治疗禁忌证者、电刺激不能耐受者。
此次研究于2022年3-5月通过网络社交平台以及张贴海报的方式在山东体育学院招募PFP综合征患者，采用分配隐藏的方式，按随机数字表法将其随机分成2组，肌力训练结合电刺激组(试验组)19例，单纯肌力训练组(对照组)18例。此次研究通过山东体育学院运动科学伦理委员会批准(批准号：2022012)，所有受试者均在试验前签署知情同意书。
1.4 方法
1.4.1 测试方案要求受试者穿着统一配备的紧身上衣、紧身短裤和慢跑鞋，先进行10 min的热身活动，再做充分的肌肉自主拉伸活动。热身结束后向受试者讲解测试动作要点，要求受试者熟悉测试流程并充分练习测试动作。
跑步测试要求受试者采用“足跟着地”的方式[2]，以自选最舒适速度进行，并以患侧腿在测力台上完成支撑，且整个跑步过程无任何步伐调整，动作自然流畅。每名受试者均需采集3次成功数据。
1.4.2 干预方案试验组与对照组均进行为期6周、每周3次的干预训练，每次训练间隔不超过48 h。试验组进行肌力训练结合电刺激，对照组只进行肌力训练。两组患者的干预均由同一组人员完成。
(1)肌力训练：在正式训练前，先进行5 min热身活动。正式训练以股四头肌、臀大肌、臀中肌自重或抗阻力量训练为主，每次选取四五个动作，每个动作做4组，每组20个，组间休息30 s，每周3次，每次时长40 min[17]。训练动作包括：静态臀桥、靠墙静蹲、杠铃臀推、蚌式开合、夹球伸膝、弓箭步蹲、股四头肌抗阻伸膝训练等[18-19]。训练期间负荷强度为1次最大重复负荷的70%[9]，每2周调整一次负荷强度。
(2)神经肌肉电刺激：试验组需在肌力训练前将电极片贴放在患侧腿股内斜肌上，在肌肉收缩发力的同时叠加电刺激以激活和强化股内斜肌。电极片沿肌纤维走向，阴极置于髌骨上4 cm及内侧3 cm处，阳极置于髌骨上方10 cm及大腿中线内侧。使用恒流电刺激发放器(Digitimer DS7A，UK)给予受试者个体最大容许强度[20](以目测类比评分=8分为标准)，电刺激波形为方波，波宽为400 μs，频率为50 Hz，电流控制在100 mA以下[20]。为了适应参与者耐受性的逐渐增加，电刺激强度每隔2周进行调整，以最大限度地调动运动单元[12]。在电刺激训练过程中，全程关注受试者的状态，及时处理不良事件的发生。训练结束后，由专人指导受试者进行至少15 min的肌肉拉伸与泡沫轴按压放松。
1.4.3 数据采集使用采集频率100 Hz的12镜头红外运动捕捉系统(Vicon，Oxford Metrics，UK)与采集频率1 000 Hz的三维测力系统(AMTI，Watertown，MA，USA)同步采集跑步测试时下肢膝关节运动学和动力学参数。
1.5 主要观察指标所有评估均在治疗前和治疗6周结束时进行，均选择患侧进行测试，若双侧膝关节均有症状，则选择较严重的一侧。
1.5.1 目测类比评分采用目测类比评分评估患者“过去1周内进行活动时的最高疼痛程度”。目测类比评分评估时要求患者在10 cm直线上画一个标记，表示其疼痛程度，0表示无痛，10表示疼痛最严重[21]。
1.5.2 膝前痛量表(anterior knee pain scale，AKPS) AKPS用于评估患者活动时的功能障碍程度和疼痛强度，由13个项目组成，最高分是100分，相当于完全没有疼痛和功能障碍，评分越低，表示疼痛和功能障碍越大[22]。
1.5.3 下肢运动学与动力学参数运动学与动力学数据采用Vicon系统进行同步，所有标志点的三维坐标采用Butterworth低通滤波进行平滑(截断频率为10 Hz)，根据标志点坐标建立人体环节坐标系[23]，采用欧拉角的方法计算膝关节角度，关节净力矩计算采用逆动力学方法[23]，并采用体质量进行标准化(N·m/kg)。
髌股关节应力(SPFI)计算通过膝屈角度(αknee)推算髌股关节接触面积(CAPFI)和膝关节力臂(Lα)，再以膝伸展力矩(Mknee)计算股四头肌肌力(Fα)，然后计算髌股关节反作用力(FPFI)最终获得髌股关节应力。具体公式为[24]：

跑步缓冲期定义为患侧足首次接触测力台到同侧膝关节屈曲最大时刻[2]，测试动作分析从接触测力台瞬间垂直地面反作用力大于10 N开始，至力值减小为零前一时刻终止，每人3次有效数据均用于最后的数据分析(取平均值)。

1.6 统计学分析采用Shapiro-Wilk检验对所有结果变量进行正态性检验；若符合正态分布，则对所有因变量的均值和标准差(x±s)进行描述性分析。采用独立样本t检验比较两组人群的年龄、身高和体质量；采用卡方检验比较两组人群性别、健患侧之间的差异；采用2×2混合设计方差分析确定时间(干预前vs.干预后)和分组(试验组vs.对照组)对PFP患者的目测类比评分、AKPS和跑步时下肢生物力学测试指标的影响。若时间与组别存在交互作用，应用Bonferroni进行事后检验，并使用Cohen’s d表示事后比较的效果量大小，其评价标准为[25]：d < 0.20为效果微小，0.20≤d≤0.50为效果小，0.51≤d≤0.80为效果中，d > 0.80为效果大。显著性水平α设为0.05，数据分析应用SPSS (Version 26.0，IBM，USA) 完成。该文统计学方法已经山东体育学院生物统计学专家审核。

讨论

此次研究发现，6周肌力训练结合电刺激与单纯肌力训练在降低PFP患者疼痛症状、改善膝关节功能水平及降低膝关节力矩和髌股关节应力方面具有一定的效果，且电刺激联合肌力训练对于改善膝关节功能水平上效果更好，上述结果部分支持此次研究的两个假设。
虽然PFP发病机制仍不清楚，但与无疼痛的个体相比，患者表现出了更大的髌股关节应力[26]。过大的髌股关节应力可能会破坏关节的稳态，从而刺激关节周围的神经结构，如软骨、内外侧支持带以及髌下脂肪垫，进而诱发疼痛。关节疼痛会影响身体活动，而身体活动的减少反过来又会导致肌肉力量的进一步下降，如此形成恶性循环，疼痛将会继续加重，下肢功能水平则持续降低[27-28]。此次研究发现，6周肌力训练结合电刺激训练与单纯肌力训练均可有效降低患者目测类比评分及改善AKPS评分，且电刺激结合肌力训练对于改善AKPS评分的效果更好，这一结果也与以往研究较为一致[10，13，29-30]。如MARTIMBIANCO等[10]研究发现，与单独使用电刺激治疗或肌力训练相比，电刺激叠加肌力训练的康复方案不仅能增强下肢肌力及减少运动时髋关节内收活动，还能针对性地提高股内斜肌肌力，改善股内外斜肌肌力失衡的状况，进而有助于减小膝关节过度外翻，从而降低患者疼痛及运动时髌股关节应力及损伤风险。GLAVIANO等[13]和BILY等[29]研究中也指出，肌力训练结合电刺激的康复方案对PFP患者主观痛感和膝关节功能改善效果更好。研究认为，肌肉电刺激缓解疼痛的机制可能与它能够促进软组织血管化和通过刺激不传递痛觉的A-α和A-β纤维[31]、抑制传递痛觉的A-δ和C纤维、从而减轻膝关节疼痛有关[32]。肌力训练缓解疼痛可能机制与训练时肌肉有节律地收缩，通过刺激A-δ纤维调节脑下垂体释放β-促脂素，进一步将其分解为β内啡肽，从而使疼痛症状减轻[33]。综上所述，电刺激结合肌力训练在改善膝关节功能方面可能较单纯肌力训练具有更为积极的作用。
此次研究结果部分支持6周肌力训练结合电刺激和单纯肌力训练可降低PFP患者髌股关节应力指标的研究假设。有研究指出，PFP患者疼痛通常源于反复异常的髌股应力刺激髌股软骨或髌下脂肪垫的痛觉神经，而股内外斜肌侧肌力的不平衡易引起髌骨内外两侧压力不均衡，进一步牵制髌骨向外侧移位，导致髌股关节排列不齐，使得应力升高，疼痛加剧[34]。神经肌肉电刺激通过提供有效的定向刺激股内斜肌来优化其运动单元的募集，从而获得力量的提高，改善了运动单位的选择性抑制和功能性运动中肌肉激活的自主控制[35-36]。这可能涉及到由于Ia型反射通路的可塑性改变而导致皮质脊髓兴奋性增加，进而允许运动单位更全面地募集提高肌肉力量[37-38]，从而纠正异常的神经肌肉控制及动作模式，这也可能是电刺激结合肌力训练可有效降低髌股关节应力及缓解疼痛的机制之一。
此次研究结果显示，两种干预训练后PFP患者在跑步时的最大屈膝角度、膝伸展力矩和膝内旋力矩峰值均有所减小，髌股关节反作用力和髌股关节应力峰值也显著下降，这一结果也与以往研究相一致[39-40]。研究指出，股四头肌和髋关节周围肌力的强化训练有助于运动时维持骨盆及膝关节动态稳定性，并可减小跑步落地时股骨内收内旋及膝关节外展角度，从而减小股外斜肌对髌骨产生的外向拉力，进而减小髌股关节的外移及降低髌股关节应力[26，41-42]。此外，干预训练后PFP患者跑步时髌股关节反作用力及髌股关节应力降低的原因也可能与跑步时最大膝屈曲角度减小有关。如SHERMAN等[43]的研究中指出，膝关节屈曲角度的减小可增大股四头肌肌腱与髌腱在矢状面上的夹角，有助于降低髌股关节矢状面应力及缓解疼痛的症状。综上所述，电刺激结合肌力训练或单纯肌力训练均可能有助于减小PFP患者跑步时的膝关节负荷，达到降低髌股关节应力及损伤风险的康复效果。
此次研究结果仅发现AKPS评分在干预后存在组间差异，而其他指标两组之间差异均无显著性意义，这一结果与以往研究并不完全一致[16，44-45]。以往研究表明，电刺激作为一种有效激活特定肌群肌力训练的辅助手段，对于强化肌力增长方面具有较好的效果[11]。然而，也有研究发现，电刺激结合肌力训练可较单纯肌力训练更快地缓解PFP的疼痛症状，但持续6周的干预后两种训练方案在股四头肌肌力增强中却未表现出显著差异[45]。此外，在BILY等[29]的研究中也认为，电刺激结合肌力训练与单纯肌力训练相比，在改善PFP患者疼痛症状和膝关节功能水平等指标上并无显著差异。电刺激结合肌力训练对于PFP患者无法产生额外康复效应的原因可能与肌力强化训练本身产生的“天花板效应”有关[29]。此次研究采用的肌力训练动作包含了股四头肌抗阻伸膝、弓箭步蹲及伸髋和外展肌群等动作，且训练时采用70%负荷的较大强度，并采用进阶的训练模式，这可能使此次训练中两种干预方案在6周训练后对PFP患者的康复效果达到了“天花板效应”，从而使两组训练干预在降低目测类比评分及跑步时膝关节生物力学指标上并无明显区别。
此次研究也存在一定局限性。首先，此次研究收集的数据量相对有限，对照组在干预中流失4人，使得整体人数少于试验组。且试验组男性比例(77.8%)也大于对照组(64.3%)，虽然男女性别比例在两组之间并无显著差异，但这种差异可能也不容忽视。以往研究表明，女性较男性存在股四头肌和臀肌的无力，且女性在跑步或跳跃落地等动作中的神经肌肉控制策略和男性也有所不同，往往落地时存在较大的髋关节内收和膝外翻活动，这也可能是女性PFP发病率是男性2倍的可能原因之一[46]。后续研究应该增加样本量，并区分不同性别PFP患者，以进一步确定性别因素对PFP干预治疗效果的影响。此外，年龄、损伤程度及原因的差异也可能对研究结果产生影响[4]，而此次研究由于招募的受试者数量较少且存在流失情况，若进一步亚组分析则每组的纳入数量更有限，因此未针对年龄、损伤程度及损伤原因等影响指标进行多变量分析来验证结论。建议在今后研究中应考虑纳入不同年龄及不同损伤情况的患者来做进一步分析，从而更全面地了解电刺激及肌力训练对PFP康复治疗效果的影响。其次，此次研究未对跑步时下肢各肌群的肌肉活动特征进行分析，而以往研究认为股内斜肌激活延迟及激活程度不足可能是诱发PFP的风险因素[7，47]，因此建议在后续的研究中还应加上肌电学指标来更全面地探讨训练干预对髌股关节神经肌肉活动及损伤机制的影响。
综上所述，单纯肌力训练和肌力训练结合电刺激干预均有助于改善PFP患者的主观痛感和下肢功能水平，并可助于改善跑步时的运动模式及降低髌股关节的受力。与单纯肌力训练相比，肌力训练结合电刺激干预改善患者下肢功能的效果更为显著。因此，在进行体格检查时，必须全面评估整个下肢，包括下肢肌肉力量、跑跳等动作时的下肢运动模式及髌股关节冠状面的对齐情况，因为在许多情况下，PFP患者由于膝关节对齐不良、Q角增加往往会出现摩擦细碎感和积液，髌骨研磨试验阳性。当评估关节活动度时，检查者应重点关注疼痛部位及其膝关节屈曲程度的相关性，把握髌骨运动轨迹是否有异常，再根据患者的个体情况去制定运动处方，同时建议将神经肌肉电刺激作为康复训练干预的辅助手段。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

肌力训练与神经肌肉电刺激干预髌股关节痛患者下肢功能和生物力学的变化

Intervention of muscle strength training combined with neuromuscular electrical stimulation on lower limb function and biomechanical changes in patients with patellofemoral pain

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 8

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	齐浩东, 鲁超, 徐韩博, 王孟飞, 郝阳泉. 糖尿病对初次全膝关节置换围术期失血量和疼痛的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1383-1387.
[2]	张熙辉, 李峥嵘, 李仕能, 邢增宇, 王蛟. 前交叉韧带重建后Pro-kin平衡系统训练患膝本体感觉和平衡功能的评价[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1259-1264.
[3]	张明, 王斌, 贾凡, 陈杰, 唐玮. 基于脑电图的脑机接口技术在脑卒中患者上肢运动功能康复中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(4): 581-586.
[4]	闫海龙, 霍江涛, 周五成, 白雪桦, 梁媛媛. 筋膜加压带在运动与康复领域的应用与机制[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(3): 464-471.
[5]	吕默然, 许文鑫, 王迪, 李明. 功能性训练在医疗健康领域研究的新趋势与新动态[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 302-307.
[6]	常万鹏, 张钟文, 杨钰琳, 訾阳, 杨梦琦, 杜冰玉, 王楠, 于少泓. 康复外骨骼机器人对脑卒中下肢运动功能障碍疗效的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 321-328.
[7]	谢恩礼, 陶慧敏. 血流限制训练在临床康复医学中的应用趋势[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 258-262.
[8]	刘鑫玥, 邢新阳, 霍洪峰. 不同认知负荷行走时人体动态稳定性的差异[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1335-1339.
[9]	刘金玉, 张晗硕, 崔洪鹏, 潘灵之, 赵博然, 李菲, 丁宇. 脊柱微创治疗脊髓型颈椎病的有限元生物力学分析及精准化运动康复方案[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1359-1364.
[10]	张立创, 高华利, 王竞超, 林惠君, 吴崇桂, 马迎辉, 黄云霏, 方雪, 翟伟韬. 筋骨并重理筋手法干预全膝关节置换后患者股四头肌功能的加速康复[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1383-1389.
[11]	于文强, 任富超, 石国宏, 许苑晶, 刘同有, 谢幼专, 王金武. 脑卒中后下肢步态分析的方法与应用[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1257-1263.
[12]	毕耕超, 张彦龙, 李秋月, 胡龙威, 张愉. 不同高度和间距下跳深动作中膝关节力学和周围肌肉的激活特征[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1211-1218.
[13]	游国鹏, 王健清, 刘飞, 袁强, 柳皓严, 吴瑛. 基于机器学习的速度攀岩关键技术动作指标筛选[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(5): 738-744.
[14]	熊波涵, 余洋, 卢晓君, 王旭, 杨腾云, 张瑶璋, 廖欣宇, 周晓翔, 何璐, 李彦林. 促进前交叉韧带重建腱骨愈合的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(5): 779-786.
[15]	郭颖奇, 宫先旭, 张岩, 肖寒, 王野, 谷文光. 半月板外突与髌股关节软骨损伤及骨髓病变：MRI半定量评分的评价[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(4): 600-605.