IEEE trans:步态中肌肉协同分析在膝骨关节炎患者中的应用
2021-04-26 MedSci原创 MedSci原创
随着年龄的增长，神经肌肉系统的异常包括肌肉力量的丧失。这些异常的进展会导致骨关节炎等病理状况。特别是，膝关节是人体中最复杂的结构之一，它经历了巨大的运动。因此，膝关节骨性膝关节炎（KOA）的发展与演变
随着年龄的增长，神经肌肉系统的异常包括肌肉力量的丧失。这些异常的进展会导致骨关节炎等病理状况。特别是，膝关节是人体中最复杂的结构之一，它经历了巨大的运动。因此，膝关节骨性膝关节炎（KOA）的发展与演变与正常关节运动的偏离有关。为了防止这种异常，重要的是全面验证神经肌肉系统之间的差异健康和老年人和那些与膝关节炎。膝关节炎可通过症状或病理学发现，尤其是以关节间隙狭窄、软骨下硬化和边缘骨赘等影像学特征为特征的病理评估。这些改变的膝关节结构和力学导致关节不稳定和功能障碍。为了稳定步态中的膝关节，膝关节炎涉及更大的肌肉共同收缩。虽然这些改变被认为是为了减轻疼痛和保护膝盖不进一步退化，但从长远来看，它们可能对膝关节产生不利影响。
此外，一些研究报告了衰老与肌肉共同收缩增加之间的关系。与衰老相关的肌无力需要多次肌肉活动来施加适当的力矩。然而，年龄并不一定导致膝关节炎。因此，膝关节炎的神经肌肉系统的变化是非常重要的，这是基于老年人和膝关节炎患者的肌肉活动模式。肌肉协同分析被用作阐明神经肌肉系统改变的方法。肌肉协同作用描述了一种潜在的机制，通过这种机制，神经系统可以简化对大量肌肉的控制。在该方法中，多通道肌电图用于评估多个肌肉的定量活动模式。许多研究人员已经研究了与步态相关的肌肉协同效应，从16块肌肉中定义了3到5块协同效应。肌肉协同分析可能对影响肢体生物力学的肌肉骨骼疾病有用。
本文提出两个目的：（1）阐明老年人和膝关节炎患者在步态中是否存在较低的肌肉协同效应；（2）通过肌肉协同成分的详细分析，阐明膝关节炎的特征性肌肉协同作用。描述与肌肉骨骼退行性变相关的多种肌肉控制的变化可以作为关节疾病的基本生物标志物。
实验中年轻对照组11例，老年对照组10例，膝关节炎10例，自愿参加本研究。膝关节炎患者从当地骨科诊所招募，并由骨科医生诊断。膝关节炎的严重程度采用Kelgern和劳伦斯分级（K-L级）根据放射学分级。本研究纳入双侧和单侧膝关节炎。 步态评估是在跑步机上进行的（Bertec，哥伦布，俄亥俄州，美国）。为了确定步态速度，所有受试者在1公里/小时至5公里/小时（1公里/小时，2公里/小时，3公里/小时，4公里/小时，5公里/小时）的步态下进行，但是，对于许多受试者，尤其是在许多膝关节炎病例中，难以达到4公里/小时。采用Delsys-Trigno无线肌电图系统，在1000hz频率下采集躯干和同侧腿部16块肌肉的表面肌电图（EMG）数据。摄像机运动捕捉系统（英国牛津维康运动系统公司）用于确定人体各节段的空间位置，以及计算步态期间的每个关节角度。肌电信号使用非负矩阵分解。
EC组（2-3）和KOA（2-3）组的肌肉模块数显著低于YC组（3-4），这反映了晚期摆动和早期站立模块的融合。EC和膝关节炎组也表现出较大的膝关节屈曲角度在早期的立场阶段。相反，通过对模块结构的关注， 发现膝关节炎早期和晚期姿势模块的合并是KOA的特征。 本研究中，YC组的四个模块被定义为早期站姿、晚期站姿、早期摆动和晚期摆动的步态阶段，因为它们与这些步态周期一致。YC、EC和膝关节炎组中的三个模块被提取出来：在站立阶段（早和晚）和摆动阶段的一个模块中的两个模块。EC和膝关节炎组中的两个模块在站立阶段进一步被提取为一个模块。肌肉协同分析可能是有用的肌肉骨骼疾病的重点是在空间组件的特征模块结构，而不是比较模块的数量。
肌肉协同模块
肌肉协同分析可能有助于在未来的研究中探索其他肌肉骨骼疾病的特点，侧重于异常的组成部分在肌肉活动。因此，描述与肌肉骨骼退行性变相关的多种肌肉控制的变化可以作为关节疾病的基本生物标志物。
K. Kubota et al., "Usefulness of Muscle Synergy Analysis in Individuals With Knee Osteoarthritis During Gait," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 29, pp. 239-248, 2021, doi: 10.1109/TNSRE.2020.3043831.
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