《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Correlation between quadriceps activation and proprioception in patients with knee osteoarthritis
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本研究通过表面肌电图（sEMG）和关节位置重现（JPR）测试，探讨膝骨关节炎（KOA）患者股四头肌激活状态与膝关节本体感觉精度之间的相关性。研究发现，KOA患者在爬楼梯时股内侧肌（VM）的均方根（RMS）值升高，且JPR绝对误差角与特定sEMG参数存在显著关联，揭示了KOA患者存在任务不变的神经肌肉控制策略和感觉运动整合受损，为从神经肌肉-感觉视角理解KOA发病机制及康复治疗提供了新见解。
引言
膝骨关节炎（KOA）是一种以关节成分降解与再生失衡为特征的进行性病变。膝关节运动功能下降不仅与局部组织损伤和不适相关，还与膝关节周围肌力减弱、肌肉激活模式改变、本体感觉精度受损以及神经肌肉控制减弱有关。关节本体感觉精度受损被认为是影响KOA发生和发展的可能局部因素。此外，KOA患者存在下肢肌力、本体感觉、生物力学和姿势稳定性的失衡，其中本体感觉和肌力被认为是密切相关的变量。
本体感觉和肌肉激活模式与神经调节密切相关。本体感觉反馈回路，通过肌梭、腱器官等感觉受体感知肢体绝对位置及其在空间中的位置变化，为大脑提供关键信息，以实现肌肉活动的持续生物协调和调节，促进快速运动调整。因此，本体感觉精度下降会对肌肉激活速度、程度及肌力产生不利影响。KOA病变改变了不同运动过程中下肢肌肉的激活顺序，导致股四头肌激活延迟以及股外侧肌和股内侧肌交替激活延迟。肌肉激活程度反映了神经肌肉功能的兴奋性。
股四头肌萎缩，尤其是股内侧肌（VM），表现为肌力下降、肌周径减少和肌纤维横截面积减小。在行走和上楼梯过程中出现股四头肌激活延迟，并伴有协同肌共收缩增强，导致肌肉疲劳。膝骨关节炎中异常肌肉激活与本体感觉精度之间的相关性尚不明确。老年人肌肉收缩需要更强的能力和更高频率的神经冲动。膝关节肌肉动员不足或运动角度异常会导致老年人步态异常，显著降低其平衡能力和落地缓冲能力，从而大大增加跌倒风险。阐明股四头肌激活与本体感觉功能障碍之间的关系，可能为探索股四头肌锻炼在KOA中作用的内在机制提供基础。本研究旨在同时评估KOA患者的股四头肌激活状态和膝关节本体感觉精度，并检验肌肉激活与本体感觉精度之间的联系。
方法论
患者纳入
研究纳入了2024年10月至2025年5月期间在广东省中医院骨科门诊就诊的KOA患者。KOA患者的纳入标准包括：① 根据美国风湿病学会修订的标准诊断为KOA；② 年龄在55至75岁之间；③ 患膝Kellgren-Lawrence（KL）分级为Ⅲ至Ⅳ级；④ 单侧KOA；⑤ 自愿参与研究并签署知情同意书。排除标准包括：① 有膝关节外伤、既往手术、肿瘤、结核、骨髓炎等病史者；② 患有类风湿关节炎、痛风性关节炎、感染性关节炎或色素绒毛结节性滑膜炎者；③ 有严重肝肾功能不全、严重心血管疾病、糖尿病、帕金森病、阿尔茨海默病或精神疾病者；④ 因KOA以外的因素导致运动能力严重丧失者。健康对照组由无该疾病的个体组成，他们在年龄、性别和人口统计学背景方面与KOA组相匹配。本研究经广东省中医院临床试验伦理委员会批准。
股四头肌表面肌电图（sEMG）数据
采用8通道分布式无线肌电采集系统进行数据采集，采样频率为2000 Hz。准备受试者时，用75%酒精清洁双下肢皮肤，并剃除电极放置区域的毛发。表面电极贴附于双下肢以下肌肉：股外侧肌（VL），位于连接髌骨外侧缘和髂前上棘的连线下方三分之一处肌腹最高点；股内侧肌（VM），位于连接髌骨内侧缘和髂前上棘连线的中点。电极置于各肌肉肌腹最突出处，与肌纤维方向对齐。要求受试者赤足，并在测试开始前向其详细解释测试过程以确保理解和舒适。
股四头肌参考自主收缩（RVC）标准化
要求参与者在标准化条件下进行自重深蹲至最大舒适深度。使用三维运动捕捉步态系统确定当股骨纵轴与胫骨纵轴成90度角、身体前倾、重心位于前脚掌拇指根部时，受试者保持蹲姿3秒，然后站直。此过程重复三次以确定RVC sEMG。本研究要求KOA患者进行最大自主收缩（MVC）测试可能会引起疼痛，妨碍其真正发力，且存在二次损伤等重大风险，部分参与者可能难以完成评估，导致结果不准确。因此，RVC提供了一个更安全、更相关且更可行的替代方案。
跑步机行走
参与者静止站立于跑步机上，根据其习惯行走速度将速度调整在1 km/h至3 km/h之间。稳定行走10秒后，收集约15秒（15个步态周期）的双膝关节股四头肌sEMG数据和膝关节速度数据。使用同步器同时采集sEMG数据和运动捕捉步态系统数据。
上下台阶行走
受试者自然站立，双腿放松。听到行走指令后，受试者开始上台阶，先抬右大腿，再抬左大腿，然后再抬右大腿，每次一步，共三步。到达第三级台阶后，静止一秒。再次听到行走指令后，受试者下台阶，先降右大腿，再降左大腿，最后站立于平地。整个过程保持躯干直立。收集上下楼梯数据三次。同样使用同步器同时采集sEMG数据和运动捕捉步态系统数据。
信号处理
采用MATLAB分析软件处理股内侧肌和股外侧肌的原始sEMG信号。原始肌电信号通过20–450 Hz带通巴特沃斯滤波器进行去噪，然后进行整流和平滑预处理。分析的行走阶段为步态周期的支撑相（0%–60%）。该阶段很重要，因为它们对应于步态周期的关键阶段，反映了不同的生物力学需求和运动学行为。在上下楼梯任务中，在楼梯上发起运动的肢体定义为领先相，随后跟随的肢体称为 trailing 相。然后使用MATLAB分析软件导出所有运动周期的幅值，根据原始信号确定每个信号周期的时间范围，并识别支撑相（0%–60%）和领先相中每块肌肉的均方根（RMS）和中位频率（MDF）。此外，使用RVC测试的数据对RMS进行了标准化[RMS（行走或上楼梯）/RMS（RVC）]。
膝关节位置重现（JPR）绝对误差角
评估使用YTK-E持续被动运动（CPM）系统。评估前，患者穿着宽松衣物，暴露患膝，取仰卧位放松。患肢置于CPM设备上，调整设备使CPM屈伸中心与股骨外侧髁对齐。准备就绪后，佩戴遮光眼罩以消除视觉干扰，并进行患侧被动重现测试。告知患者测试程序，膝关节屈曲0°设为起始位置。然后以2°/s的恒定速度将受试者肢体被动移动到目标屈膝角度（30°、45°和60°），保持5秒后返回起始位置。随后，以相同2°/s的速度被动伸展膝关节，受试者闭眼，当肢体到达目标角度时停止运动。每位受试者进行预测试以熟悉程序并减少误差。记录患者自我感知定位角度与目标角度差值的绝对值，三次试验后取平均值。初次测量半小时后，由第二名研究者独立对受试者进行相同评估。计算两组测量的平均值，并评估评估者间相关性以评估实验中重复测量的可靠性和一致性。绝对差值越小，表明受试者对位置恢复的本体感觉意识越准确。选择30°、45°和60°作为JPR测试的目标位置，因为它们涵盖了日常基本活动所需的角度范围，包括行走、站立、上下楼梯以及坐站转换。这些角度也对应于韧带张力发生显著变化和肌肉协调积极参与的关键关节位置。因此，它们能有效挑战本体感觉系统，并可靠区分KOA患者与健康对照。
统计方法
患者基本特征采用均数（标准差）、n（%）或中位数（四分位距）描述。同一测试者重复测试的JPR绝对误差角的重测信度采用Pearson相关系数表示。采用相关分析确定JPR绝对误差角与步态周期支撑相和上楼梯领先相中股内侧肌和股外侧肌sEMG数据之间的关系。采用偏相关分析检验相关性，同时控制性别作为潜在混杂因素的影响。此外，进行了性别分层分析以评估各亚组中研究结果的稳健性和一致性。
结果
基本特征
KOA患者组纳入43例患者，其中女性38例，男性5例，平均年龄65.83 ± 7.58岁，体重指数（BMI）23.49 ± 3.21 kg/m2。患者中左膝受累25例，右膝受累18例。根据Kellgren-Lawrence（K-L）分级系统，Ⅲ级13例，Ⅳ级30例，平均VAS评分2.32 ± 1.73，平均WOMAC评分10.41 ± 8.90。健康受试者组纳入45例受试者，其中女性40例，男性4例，平均年龄64.87 ± 4.09岁，BMI为23.37 ± 3.50 kg/m2。
JPR绝对误差角
两组膝关节JPR绝对误差角的分布详见表1。膝屈曲30°、45°和60°时重复测试的组内相关系数分别为0.696、0.794和0.772，显示出显著相关性（P < 0.05）。KOA患者45°的JPR显著高于健康受试者（P < 0.05）。两组间30°和60°的JRP无显著差异。
行走和上下台阶时股四头肌sEMG
收集并处理了行走和上下台阶过程中左股内侧肌（LVM）、左股外侧肌（LVL）、右股内侧肌（RVM）和右股外侧肌（RVL）的信号。如表1所示，行走时，两组的sEMG数据无显著差异。上楼梯时，KOA组的LVM和RVM的RMS激活程度较健康受试者增加。
股四头肌sEMG与JPR绝对误差角的相关性分析
KOA组股四头肌表面肌电图与JPR绝对误差角的相关性详见图1。在上楼梯过程中，30° JPR绝对误差角与RVL的MDF呈负相关（r = -0.365, P < 0.05, 95% CI [-0.552, 0.002]），45° JPR绝对误差角与RVM的RMS呈正相关（r = 0.348, P < 0.05, 95% CI [0.060, 0.582]），60° JPR绝对误差角与LVM（r = 0.362, P < 0.05, 95% CI [0.078, 0.593]）和RVM（r = 0.387, P < 0.05, 95% CI [0.105, 0.611]）的RMS呈正相关。行走时及健康对照组中，JPR绝对误差角与股四头肌表面肌电图无显著相关性。对上述相关指标进行以性别为控制变量的偏相关分析，结果显示，在女性组中，60° JPR绝对误差角与LVM（r = 0.301, P < 0.01, 95% CI [0.084, 0.491]）和RVM（r = 0.279, P < 0.05, 95% CI [0.060, 0.472]）的RMS呈正相关。
行走与上下台阶时股四头肌表面sEMG的相关性分析
如图2所示，在KOA组中，行走时LVL、RVL和RVM的RMS与上下楼梯时LVL、RVL和RVM的RMS呈正相关（r分别为0.485、0.698和0.626，P < 0.01），行走时LVL、RVL和RVM的MDF与上下楼梯时LVL、RVL和RVM的MDF呈正相关（r分别为0.570、0.837和0.725，P < 0.01）。在健康对照组中，行走时LVL、RVL和RVM的MDF与上下楼梯时LVL、RVL和RVM的MDF呈正相关（r分别为0.495、0.548和0.554，P < 0.01）。
讨论
本研究揭示，在上楼梯过程中，KOA患者表现出股四头肌激活模式的显著改变，其特征是VM的RMS幅度增高和VL的MDF降低。这些发现证实了公认的观点，即KOA患者利用代偿性神经肌肉程序，动员额外的运动单位并维持肌肉活动以对抗关节不稳和无力，从而提升RMS。VL MDF的同时降低表明肌肉疲劳的易感性增加，强调了KOA组内肌肉耐力的特定缺陷。显著的是，我们的研究结果表明，在上楼梯期间，JPR绝对误差角（本体感觉受损的标志）与股四头肌的sEMG参数之间存在任务特异性的关系，而这种关联在健康对照中不存在。在较大的膝关节屈曲角度下，JPR误差的增加与VM RMS呈正相关，与VM MDF呈负相关。这表明膝关节屈曲角度的增加可能导致本体感觉敏锐度下降，这可能需要增强股内侧肌的激活来稳定关节。这种代偿机制可能无意中导致肌肉疲劳增加，可能形成一个有害的循环。对KOA患者而言，上下楼梯不仅是一项机械挑战，也凸显了感觉运动系统内本体感觉输入与肌肉输出整合的显著受损。本研究同时使用时域指标RMS和频域指标MDF进行分析。RMS用于评估股四头肌激活水平。考虑到本研究中的任务持续时间不足以引起明显的肌肉疲劳，选择MDF作为指标基于以下标准：MDF不仅对疲劳敏感，还反映了肌纤维类型和动作电位传导速度。有证据表明膝骨关节炎患者存在股四头肌快肌纤维萎缩和神经肌肉控制技术改变，这可能导致MDF基线值的差异。因此，评估MDF可以从肌肉功能"质量"方面补充RMS提供的激活"数量"信息，揭示KOA患者股四头肌的异常功能状态。
一个重要的观察是不同活动间肌肉活动模式关联的组间差异。在KOA组中，水平行走和上下楼梯期间，VL和VM的RMS和MDF均显示出显著的正相关。这表明KOA患者使用了一种相对僵化的、任务不变的神经肌肉控制技术。受损的本体感觉反馈和降低的关节稳定性可能阻碍了中枢神经系统根据特定任务需求精确调节肌肉激活模式的能力。因此，可能采用了一种泛化的、可能效率较低的肌肉共激活模式来维持基本功能。健康对照组主要在下肢肌肉的MDF上表现出任务间的一致性，这反映了内在的肌肉生理特性，但其RMS（代表即时动员水平）则不然。这种区别强调了一个健康的神经肌肉系统能够在响应任务需求的同时调整肌肉募集，并保持稳定的肌肉生理学。KOA患者RMS和MDF在任务间的持续相关性突显了运动控制灵活性的降低，为感觉运动整合受损（即无法将精确的关节位置觉转化为优化的、任务特异性的肌肉激活指令）提供了直接证据。
我们的数据共同证实了以下假设：KOA超越了局部关节软骨退变，标志着一个包含本体感觉、神经肌肉控制和肌肉功能的系统性病理生理过程。JPR误差与sEMG参数之间已确立的关联，以及肌肉激活模式的非典型任务不变性，为理解KOA的功能障碍提供了一个连贯的框架。本体感觉失真（表现为JPR误差增加）损害了关节稳定性反馈的基础，导致来自中枢神经系统的运动指令不准确。肌肉系统，特别是股四头肌，通过表现出增强的激活幅度和降低的效率来进行代偿。这种适应不良的神经肌肉技术，通常用于各种负重活动，直接阻碍了如上楼梯等任务，并可能随着时间的推移，通过增加异常关节应力而加剧关节退变。因此，将KOA定义为一种"神经肌肉性关节炎"可能更为恰当，其中肌肉、神经和关节在一个致病三联体中相互作用。
目前的发现可能具有临床意义。对KOA患者的评估不应仅限于疼痛和结构评估，还应包括日常活动中的sEMG参数和特定角度的JPR，因为这些指标可以更有效地识别神经肌肉控制缺陷。其次，康复方法必须旨在打破本体感觉缺陷和异常肌肉激活之间的恶性循环。我们的研究结果表明，针对性的干预措施，例如将专注于本体感觉的训练与旨在改善股四头肌激活模式和延缓疲劳的练习相结合，可能比传统的肌力训练在改善功能表现和可能延缓疾病进展方面更有效。未来的研究应集中于多个方向：利用纵向设计验证sEMG和JPR参数作为KOA进展和康复效果的生物标志物的可行性；探索将本体感觉训练与任务导向实践相结合的先进神经肌肉再教育技术；以及采用更复杂的分析，如肌肉共收缩指数，以增强对KOA中多肌肉协调策略变化的理解。
局限性
本研究的主要局限性如下：受试者性别比例失衡，导致研究结果的普适性不足。这种差异可能源于KOA组性别比例不平衡，中老年女性对其运动关节健康表现出更多关注，并且参与研究计划的意愿更高。其次，采用深蹲动作作为RVC测试动作，与传统的MVC测量动作不同，可能导致sEMG数据标准化程度存在差异。本研究采用横断面方法，只能证明异常肌肉活动与本体感觉异常之间的相关性，无法确定因果关系或时间顺序。
结论
本研究通过分析KOA患者与健康对照在爬楼梯和行走过程中的sEMG信号和JPR误差，揭示了KOA患者神经肌肉控制和本体感觉的显著变化。结果表明，在爬楼梯过程中，KOA患者表现出VM的RMS升高和VL的MDF降低的独特模式。在JPR绝对误差角与VM的sEMG参数之间发现了显著的相关性。行走与上下楼梯活动之间肌肉激活模式的显著正相关表明KOA患者存在一种固定的、任务不变的神经肌肉方法，这可能是由于本体感觉受损导致的感觉运动整合受损所致。这些发现从神经肌肉-感觉视角为KOA的发病机制提供了新的见解，强调了未来康复治疗需要同时针对本体感觉精度和肌肉激活模式的增强。
