背部肌肉力量与老年人姿势平衡

医疗保健

Article背部肌肉力量与腰椎退行性变老年人姿势平衡中本体感觉或机械感受器控制策略的关联

1. 引言

姿势控制对于老年人和年轻人进行日常生活活动至关重要。为了检测运动并调整随意性和反射性肌肉反应，姿势控制需区分来自视觉、前庭和本体感觉刺激的感觉信息[1]。健康个体通常通过多节段控制策略来维持姿势控制[2,3]。Bryan等人[4]提出，测量本体感觉的唯一方法是通过传入感觉信号的微神经图。然而，先前对压力中心（COP）位移运动的分析显示，患有脊柱管狭窄和变形性脊椎炎的老年人无法启动或控制一种依赖于机械感受器输入的髋部策略[5]。研究人员报告称，老年人使用涉及踝关节的更僵硬的策略来控制姿势平衡[6,7]。可能的功能障碍包括疼痛、姿势平衡下降和背部肌肉功能减退，以及本体感觉系统的改变[8–10]。因此，患有腰椎脊柱炎的老年人的姿势控制可能会因虚弱的背部肌肉而受到负面影响，这反过来可能导致对本体感觉或机械感受器的过度依赖[8–10]。本体感应在调节用于前馈控制的内部模型中起着关键作用[11]。此外，Bryan等人[12]提出，在前馈过程中，关节负荷之前肌肉活动即会增加。理论上，躯干本体感觉对于肌肉和关节的准确调节与激活至关重要，从而为躯干位置和关节运动提供充分的神经肌肉控制，进而实现姿势控制[12–14]。在本体感觉或机械感受器输入较差的情况下，只有通过足够的肌肉力量来补偿肌肉和关节调节与激活准确性的下降，才能维持姿势控制[12–14]。Butler等人[13]报告指出，与肌肉无力相关的本体感觉在姿势控制中的相对失效，表明感觉与收缩性肌肉过程之间存在功能联系。此外，van der Esch等人[14]表明，缺乏充分的运动控制可能与较差的本体感觉输入有关，且肌肉无力会降低功能能力。这意味着姿势控制可能同时受到肌肉力量减弱和本体感觉或机械感受器不准确的影响。可以合理推测，某些本体感觉和机械感受器信号可能来源于躯干肌肉，并且这些信号可能受背部肌肉力量的影响。此外，背部肌肉无力可能影响躯干本体感觉或机械感受器信号所采用的姿势策略。

背部肌肉力量与适应性本体感觉以及对变化的振动刺激的机械感受器反应之间的关系尚未明确。局部振动作为一种已知对梅克尔触觉小体、肌梭和环层小体具有强烈刺激作用的方法，已被用于评估本体感觉或机械感受器在姿势控制中的作用[5–10,15–22]。研究在刺激期间本体感觉和机械感受器的具体作用，对于了解姿势控制策略的变异性以及受损的本体感觉或机械感受器与背部肌肉力量之间可能存在的关系至关重要。据我们所知，此前尚无研究探讨患有腰椎脊柱炎的老年人中背部肌肉力量与振动刺激之间的关联。因此，本研究旨在探讨患有腰椎脊柱炎的老年人中，背部肌肉力量与用于维持姿势平衡的本体感觉或机械感受器控制策略之间的关系。

2. 材料与方法

2.1. 参与者

本研究纳入了2013年10月至2016年1月期间来自日本的24名男性和24名女性社区居住成人。此外，我们对社区居住成人进行了回顾性分析。所有参与者在纳入前均签署了书面知情同意书，本研究已获得国立老年医学研究中心伦理委员会批准（机构审查委员会批准编号：586）。所有调查均按照赫尔辛基宣言的原则进行。

招募了24名老年人（年龄 >65岁（范围65–85岁，平均73.7 ± 4.4岁）；女性 = 12，男性 = 12）。研究参与者为患有脊柱管狭窄和变形性脊椎炎并因症状接受保守治疗的患者。腰椎退行性变的诊断由脊柱外科医生通过L1/2至L4/5区域的磁共振成像确认。参与者无致残性下背痛（LBP）超过3个月或关节痛病史，且在维持站立姿势时不需要协助。LBP的诊断由脊柱外科医生确认。此外，纳入24名健康的年轻人作为对照组（年龄 >18岁（年龄范围19–24岁，平均21.7 ± 1.2岁）；女性= 12，男性 = 12）（表 1）。

所有参与者均无需日常生活活动协助。具有以下特征的参与者被排除：平衡障碍、前庭功能障碍、脊柱压缩性骨折、脊髓肿瘤、脊柱感染、瘫痪、共济失调、神经系统疾病和/或脊柱手术史。

变量	患有腰椎的老年人 脊柱关节炎（n= 24）	健康的年轻人 成年人（n= 24）	P
年龄（年）	73.5（65–85）	22 (19–24)	0.001
性别（男性）	12 (50)	12 (50)	1.000
身高（厘米）	158.6± 9.6	165.6± 6.3	0.004
体重（千克）	59.6± 10.6	55.6± 8.0	0.151
体重指数 (kg/m²)	23.7 (16.5–30.9)	20.3 (17.1–26.7)	0.001
视觉模拟评分法（cm）	0.5 (0–5)	0 (0–0)	0.001
背部肌肉力量（牛顿/千克）	2.9± 0.6	3.2± 0.6	0.110

数据以均值 ± 标准差或中位数值（最小值和最大值）或例数（百分比）表示。年龄的P值采用Mann‐Whitney U检验计算，其他P值采用独立样本t检验或卡方检验生成。BMI，体重指数；VAS，视觉模拟评分法。

2.2. 背部肌肉力量评估

背部肌肉力量通过坐位下使用数字手持式测力计（Isoforce GT‐300, 310；OG GIKEN有限公司，日本冈山）测量躯干肌肉的最大等长伸展力量来确定，0◦进行躯干伸展时测量。两次测试的平均背部肌肉力量值被计算，并根据体重进行校正（背部肌肉力量/体重：N/kg）（图 1）。

2.3. 肌肉振动

使用平衡板（Wii；任天堂有限公司，日本京都）记录重心摆动[5,16–18,23–25]。平衡板数据以100赫兹的采样频率采集，并使用MATLAB（MathWorks公司，美国马萨诸塞州纳提克）进行计算。平衡板数据通过截止频率为20赫兹的低通滤波器进行滤波。振动刺激通过将振动装置的四个振动器交替固定在参与者的腓肠肌（GS）和腰多裂肌（LM）肌肉上来施加。参与者赤脚站在平衡板上，双脚并拢，闭眼。他们被要求保持静止并放松，双臂自然下垂（图2）。先前的研究关于局部振动刺激报道了梅克尔细胞、肌梭和环层小体对5–40赫兹、60赫兹和200–250赫兹振动频率的最佳反应[8,26,27]。每位参与者的重心摆动在六种条件下进行测量，即两种肌肉×三种振动频率：（1）腓肠肌施加30赫兹，（2）腰多裂肌施加30赫兹，（3）腓肠肌施加60赫兹，（4）腰多裂肌施加60赫兹，（5）腓肠肌施加240赫兹，（6）腰多裂肌施加240赫兹。测量时间为30秒，分为两个15秒的时间段[5,16–18]。振动刺激在最后15秒期间施加给参与者。我们将前15秒标记为“Pre”，最后15秒标记为“During”。每次测量之间参与者坐在椅子上休息60秒。

平均COP移动位移定义如下：∆Y= Y（期间） − Y（前）。此外，姿势稳定性试验中Y坐标数据的重心摆动通过COP移动位移的均方根值计算得出。

2.4. 下背痛评估

使用视觉模拟量表（VAS）(0–10) 评估疼痛 [5]。

2.5. 统计分析

使用Shapiro‐Wilk检验确认正态分布。老年人与健康年轻人的数据比较采用Mann‐Whitney U检验或独立样本t检验。为比较老年人与年轻人在不同振动刺激频率下GS的COP摆动，采用Bonferroni校正，显著性阈值设为0.016（0.05/3）。此外，在LM振动刺激期间，对患有腰椎退行性变的老年人与健康年轻人之间姿势策略的比较，也采用Bonferroni校正，显著性水平设为0.016（0.05/3）。进一步采用Spearman秩相关分析确定背部肌肉力量与显著的COP摆动之间的关系。参与者被分为以下两组：老年人和健康年轻人。Spearman秩相关分析的统计显著性预先设定为P< 0.05。所有分析均使用商用软件（IBM SPSS Statistics软件版本23；SPSS公司，芝加哥，伊利诺伊州，美国）进行。

3. 结果

当对GS和LM肌肉施加30和60 Hz的肌肉振动时，两组之间的重心摆动无显著差异。两组之间的背部肌肉力量无显著差异。然而，与健康年轻人相比，老年人在对GS和LM肌肉施加240赫兹肌肉振动时明显摇晃（表1和 2）。老年人的视觉模拟评分法评分高于健康年轻人（表 1）。Spearman秩相关分析结果显示，在老年人中，GS对240赫兹振动的反应与背部肌肉力量无显著相关性（r= −0.226；P= 0.288），而LM（240赫兹）与背部肌肉力量呈中等程度的负相关（r = −0.425；P= 0.038）。在健康年轻人中，未观察到背部肌肉力量与GS和LM在240赫兹肌肉振动期间的重心摆动位移之间的相关性（GS：r = −0.078；P= 0.716；LM：r = −0.034；P= 0.875）。

变量	患有腰椎的老年人 脊柱关节炎 (n= 24)	健康年轻组 成人（n= 24）	P
30赫兹下的GS（厘米）	0.82（0.43–1.73）	0.67（0.27–1.3）	0.030
60赫兹下的GS（厘米）	0.84（0.43–1.67）	0.69（0.18–1.57）	0.274
240赫兹下的GS（厘米）	0.87（0.45–1.62）	0.52（0.28–1.57）	0.002
30 Hz下的腰椎多裂肌（厘米）	0.63（0.44–1.2）	0.61（0.28–1.28）	0.578
60 Hz下的腰椎多裂肌（厘米）	0.70（0.46–1.43）	0.64（0.32–1.13）	0.080
240 Hz下的腰椎多裂肌（厘米）	0.74± 0.21	0.56± 0.15	0.001

数据以均值 ± 标准差或中位数值（最小值和最大值）表示。LM在240赫兹时的P值采用独立样本t检验生成，其他P值采用Mann‐Whitney U检验计算。GS，腓肠肌；LM，腰椎多裂肌。

4. 讨论

我们的主要发现是，在轻微不稳定的表面上站立时，由于背部肌肉无力，腰肌（240赫兹刺激）的机械感受器输入存在过度依赖的倾向，这可能会增加患有腰椎退行性变的老年人姿势不稳的风险。Shakoor 等人[28]报道称，本体感觉下降与髋部肢体肌肉力量下降显著相关。此外，他们报告指出，本体感觉不良可能导致在运动期间以及动态关节负荷增加时肢体的感觉控制受损。先前的研究表明，患有腰痛的老年患者依赖于环层小体的本体感觉输入[5,17]，这可能意味着患有腰椎退行性变的老年人所采用的姿势策略依赖于竖脊肌和腓肠肌中环层小体的机械感受器。其他研究报道，在患有腰痛的年轻和老年成人中，躯干的本体感觉和肌梭功能均有所下降[6–10,15,16,19–21]。然而，在本研究中，患有腰椎退行性变的老年患者与健康年轻人在接受腓肠肌或竖脊肌的30或60赫兹刺激时，重心摆动方面未发现显著差异。此外，尽管在健康年轻人中，梅克尔触觉小体、肌梭、环层小体与背部肌肉之间的直接关系较弱，但在患有腰椎退行性变的老年人中，背部肌肉在竖脊肌刺激期间与环层小体存在间接关系。由于频率刺激的变化导致的本体感觉和机械感受器输入的差异，可能有助于理解姿势控制与背部肌肉力量之间的关联。因此，有必要进一步研究本体感觉和机械感受器输入。

此外，本研究的一项新发现是，在患有腰椎脊柱炎的老年人中，竖脊肌在240赫兹下的姿势控制与背部肌肉力量之间存在显著关系。先前的研究报告了本体感觉功能障碍可能导致肌肉力量下降，并强调了影响本体感觉控制的各种决定因素之间的关联[29–31]。我们的数据表明，随着背部肌肉力量的增加，竖脊肌在环层小体处的重心摆动减少。因此，患有腰椎脊柱炎的老年人躯干的姿势稳定性可能与强健的背部肌肉有关，而不依赖于机械感受器输入的姿势控制。姿势控制的改变可能由神经肌肉因素解释，包括皮肤敏感性降低或产生和控制肌肉力量的能力下降[32,33]。在另一项研究中，van der Esch等人[14]报告称，本体感觉不良与肌肉无力相结合比单纯的本体感觉不良导致更多的功能受限。因此，尽管本研究的结果可能与躯干环层小体的位置觉和肌肉力量的变化有关，但我们的发现提示虚弱的背部肌肉可能依赖于来自皮肤感受器的传入反馈，而这反过来可能导致对躯干环层小体位置觉的依赖。

本研究存在一些局限性。首先，尽管已识别出背部肌肉力量与机械感受器系统（通过肌肉振动确定）之间的关联，但基于机械感受器感知的单关节运动的机械感受器控制变化是否与背部肌肉无力或肌肉活动期间的感觉处理变化，或两者兼有相关，仍不明确。其次，缺乏运动学数据来进一步支持本研究的结果；我们没有臀大肌或腓肠肌‐比目鱼肌的肌肉活动记录。为了更好地反映姿势控制，用于评估本体感觉或机械感受器输入的姿势任务应包括对臀大肌和腓肠肌‐比目鱼肌肌肉活动的电解记录。此外，臀大肌活动可能有助于理解在意外或更困难的扰动条件下所观察到的姿势策略。而且，臀大肌和腓肠肌‐比目鱼肌的肌肉活动均可提供关键信息，有助于维持姿势稳定性。最后，本研究仅考察了无下腰痛的老年人和健康年轻人的静态站立姿势控制。具有更多非特异性、复发性、急性及青少年下腰痛个体的本体感觉数据，可能有助于阐明本体感觉和机械感受器输入在姿势策略中的作用。此外，进一步评估振动刺激期间的本体感觉和机械感受器输入可能有助于患有姿势困难的老年人的康复。需要进一步的纵向研究来验证我们的发现。

5. 结论

本研究的结果表明，在姿势扰动期间，背部肌肉无力对患有腰椎退行性变的老年人涉及机械感受器输入的姿势策略产生了负面影响。此外，本研究发现，患有腰椎退行性变的老年人小腿和躯干的本体感觉及机械感受器输入主要依赖于环层小体，而非梅克尔触觉小体和肌梭。在轻微不稳定的表面上站立时，过度依赖LM姿势策略的机械感受器输入以及较弱的背部肌肉力量，可能会增加患有腰椎退行性变的老年人姿势不稳的风险。我们的研究结果表明，通过躯干240赫兹机械感受器刺激进行姿势控制评估，可作为因过度依赖机械感受器和背部肌肉力量减弱而导致姿势不稳的一个良好指标。