第一节　等速运动肌力测试技术

等速运动（isokinetics）的概念由美国工程师Perrine和Hislop于1967年首先提出，是指某一肢体在固定的条件下，全关节范围内运动过程中肢体速度保持不变的运动方式。在这种运动中，肢体的阻力随肌力的变化而变化。人体本身无法产生等速运动，而是需要借助于运动速度可调整的专用设备方可实现。在预先设定的角速度下记录运动中被测肌肉功能和关节角度的相关数据，从而评估肌肉运动功能的技术称为等速运动肌力测定技术。

等速运动肌力测试专用设备对运动中的肌肉功能进行测试，可准确和全面地提供反映肌肉功能的多项定量指标。除手足小关节周围肌外，四肢关节周围肌和躯干肌均可以进行测试。在临床工作中，膝关节伸屈肌群测试最常用；肩、髋、踝、脊柱周围肌测试次之；肘、腕肌的测试较少。

一、仪器构成及工作原理

（一）仪器构成

等速运动肌力测试设备的基本构成包括：动力头、座椅、监视系统、数据处理系统以及附件等。其中动力头是等速运动肌力测试设备的核心部分，它包括：核心控制系统、动力产生与输出系统、传感检测系统。核心控制系统控制动力产生与输出系统；动力产生与输出系统提供肢体进行等速运动所需阻力并输出；传感系统负责将检测到的动力产生与输出系统的各种数据传送给核心控制系统。利用不同的附件可进行肩、肘、腕、髋、膝、踝关节周围肌力的测试。

（二）工作原理

等速运动设备预设运动速度。在运动过程中，肌肉收缩时传感系统检测到肌肉收缩产生的力量，动力产生系统则根据运动中肌力大小的变化产生相应的外加阻力，从而使关节运动按预先设定的速度进行，即运动过程中不产生加速度，并将任何超过该速度的运动力量转化为对抗阻力的一种主动运动模式。因此，在整个运动过程中产生的阻力与主动用力的程度有关，主动用力越大，产生的阻力也越大，从而使得肌肉在整个运动过程中的任何一个时刻都能产生最大的力量。

二、等速运动肌力测试的特点与优势

等速肌力测试系统评定肌肉功能具有以下突出的特点：

1.运动速度恒定。无论受试者用多大的力量，肢体的运动始终在设定的速度下进行。受试者的主观用力只能使肌肉张力增高。

2.顺应性阻力。在等速运动过程中，等速运动仪器提供一种与肌肉实际收缩力相匹配的顺应性阻力。阻力大小随肌肉收缩力的大小而变化。

3.全程肌力最大化。顺应性阻力使肢体在整个关节活动范围内的每一瞬间或角度均承受相应的最大阻力，从而使肌肉在每一关节角度上均产生最大的张力和力矩输出。

4.精确定量测定肌力。等速运动测力系统不但可以精确测定全关节活动范围内肌肉每一瞬间的最大力量，而且还能够同时测定主动肌和拮抗肌在每一瞬间的最大力量。

5.等速运动依肌力强弱、肌肉长度变化、力臂长短、疼痛、不适、疲惫等状况，提供适合其肌肉本身的最大阻力，且不会超过其负荷的极限，因此等速运动具有相当高的安全性。

6.选择不同的运动速度，可获得肌肉功能的多种信息，如肌力、耐力等。

7.测试范围广泛，四肢大关节周围肌以及腰背肌的肌力均可测试。

8.评价结果具有较好的信度、效度。

三、测试目的

通过评估多种肌肉收缩模式（等速、等长、等张、向心、离心运动）下的肌力状况，精确量化静动态肌力和耐力；分析肌肉收缩过程中的生理、病理情况下的生物力学特征以及关节活动受限的情况，从而对疾病或运动创伤导致的运动系统结构与功能损害进行障碍诊断，为制订康复治疗计划提供客观、量化的依据；通过对各种治疗手段（手术、手法、药物治疗等）进行治疗前后对比，评定疗效；为截肢或肢体畸形患者装配假肢、矫形器（支具）提供指导；通过生物力学特征分析，建立正常人运动模型，可进行运动损伤的预防和预测指导。

四、适应证与禁忌证

（一）适应证

被试身高＞140cm，可以完成独坐，存在下列问题者可进行等速肌力测试。被测髋、膝、踝、肩、肘、腕、躯干肌的肌力需＞3级，方可对抗阻力进行测试；若被测肌群的肌力≤3级，可在去除重力条件下采用等长收缩模式评定肌力。

1.各种病因引起的肌力减弱　包括废用性肌萎缩（如长期卧床或制动、截肢残端）、肌源性肌无力（如慢性腰肌劳损）、神经源性肌无力（如运动神经元病、周围神经系统疾病、脑血管病、脊髓损伤、脑瘫）和关节源性肌无力等均可进行测试。膝关节病变最为常用。例如，前十字韧带损伤、髌骨半脱位、髌骨软化、滑膜皱襞综合征、膝关节疼痛综合征等。

2.职业运动员及亚健康人群　运动员及老年人的肌力评估。

（二）禁忌证

在疾病的急性期或较严重的损伤时，不宜进行等速运动肌力测试或训练，如：被测肢体新发骨折或骨折未完全愈合、关节不稳、局部严重的骨质疏松、骨关节恶性肿瘤、术后早期、关节活动度严重受限、软组织瘢痕挛缩、关节急性炎症、急性拉伤或扭伤、剧烈疼痛、严重的关节积液或滑膜炎、急性炎症或感染（红肿）以及严重心肺功能不全。

严重认知功能障碍不能配合者以及孕妇等也不适合进行等速运动肌力测试或训练。

五、测试方案

等速运动肌力测试方案包括等速运动测试模式、测试速度和测试次数的选择。

（一）等速运动测试模式

等速运动测试/训练模式包括向心/向心（con/con）、向心/离心（con/ecc）、离心/离心（ecc/ecc）收缩模式。

1.肌肉收缩模式　根据肌肉收缩时肌纤维长度的变化，人体骨骼肌表现为三种收缩模式，即向心性收缩、离心性收缩和等长收缩。

向心性收缩指肌肉收缩所产生的张力大于外加阻力时，肌肉缩短；缩短收缩时肌肉起止点靠近，关节角度发生改变如屈肘、高抬腿跑等。因此，向心性收缩旨在产生人体的运动。

离心性收缩指当肌肉本身力量不足以克服外在阻力时，肌肉收缩但肌纤维被拉长；拉长收缩时肌肉起止点逐渐远离，但是有控制地伸展肌肉。离心性收缩旨在控制肢体的动作，具有制动、减速和克服重力等作用。涉及离心收缩的日常活动有下楼梯、下坡跑、放下重物、半蹲的向下阶段、俯卧撑或引体向上等。

在日常功能活动中，向心和离心收缩常伴随发生。向心收缩肌力主要使躯干或肢体产生动作；离心收缩肌力则主要是控制躯干或肢体动作。因此，两种收缩模式在功能活动中具有推动和制动的重要作用，是人体各种功能活动的基础。

2.等速肌力测试模式的选择　肌肉在开始收缩时所遇到的阻力或负荷（称为后负荷）的作用下表现出的特征由经典的力－速度曲线所描绘（图8－1）。该曲线表明，在一定范围内，肌肉收缩产生的张力和速度大致呈反比关系，离心收缩的力－速度曲线走形与向心性收缩时正好相反：离心收缩时能够产生最大肌力，但收缩速度较慢；向心性收缩时随速度增加，肌力反而逐渐减小。当收缩速度为零，肌肉做等长收缩；当后负荷为零时，肌力在理论上为零，肌肉收缩速度达最大。

在等速运动模式中，选择向心/向心（con/con）或离心/离心（ecc/ecc）模式，前者为评定或训练主动肌与拮抗肌的向心性肌力；后者为评定或训练主动肌与拮抗肌的离心性肌力状况。如上所述，同一组肌肉（如关节伸肌或屈肌），其向心肌力与离心肌力在不同收缩速度或相同负荷（阻力）的条件下存在差异。例如，对膝关节骨性关节炎患者股四头肌和腘绳肌的向心和离心收缩肌力的测试结果显示，健患侧股四头肌和健侧腘绳肌向心肌力（峰力矩）随运动速度增加而显著降低，而离心收缩时则未见肌力下降。因此，临床工作中有必要对主动肌和拮抗肌的向心肌力（con/con）和离心肌力（ecc/ecc）分别进行评定，以期深入、全面了解和分析同侧肌群功能的变化情况，从而为制订针对性康复治疗计划提供客观依据。

选择向心/离心（con/ecc）或离心/向心（ecc/con）模式旨在选择性地单独评估或训练某一组屈肌或伸肌，多用于针对某一组肌肉肌力的强化训练。例如，肱二头肌肌力训练采用向心和离心收缩（con/ecc）组合模式，此时。屈肘动作通过肱二头肌向心收缩完成动作；而伸肘动作则通过肱二头肌的离心收缩完成，从而使肘关节屈伸运动均对肱二头肌肌力进行强化。

（二）测试速度及其选择原则

设定的速度（角速度）分为慢速（30°～120°/s）、中速（150°～210°/s）、快速（240°～500°/s）。速度对等速测试具有显著影响，峰值力矩随速度增加而下降，提示测试肌力应选择慢速。临床工作中，慢速（临床中多采用60°/s）主要用于肌力的测试；中速（常用180°/s）主要用于测试肌力状况；高速测试结果反映肌肉耐力，非运动员多采用240°/s进行测试。当运动速度设置为0°时，性质属于等长肌力测试。

关节力矩大小随速度变化而变化。作用于关节的力分为平移力（translational forces）和压力（compressive forces）。速度越慢，作用于膝关节的平移力越大，如膝关节在慢速运动时胫骨前移；速度越快，平移力越小。肩关节则相反，速度越快，产生越多的平移运动，关节越不稳定。因此，在临床检查中面对不同的疾病所设置的速度应有所不同。在膝关节前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤或重建术后康复训练应避免或慎用慢速运动；被检查者患有韧带或髌股关节疾病时，应使用较快的速度进行测试或训练以减少作用于关节的压力，保护关节面。而肩关节多向不稳定（shoulder multidirectional instability）的特点，决定了在测试或训练时则应采用较慢速运动，通过慢速运动产生较大的作用于关节的压力以稳定结构薄弱的肩关节（肱骨头大、关节盂小、关节囊薄而松弛、囊下壁薄弱）。

此外，不同运动速度与作用于关节的力矩大小的关系也与肌肉收缩模式有关。就向心性运动而言，与较高速度比较，速度较慢时有更多的运动单位被募集从而产生更大力矩。因此，速度越慢，力矩越大；而运动速度越快，所产生的力矩越小。

（三）测试次数的选择

测试次数指在一次测试中重复所测试动作（如膝关节屈伸）的次数。测试肌力时（慢速或中速），通常重复5次即可；测试肌耐力时（快速），由于要用最后5次的肌力与最初5次的肌力（做功量或力矩）之比作为耐力指标，因此需要至少重复20～25次。青年、老年人或运动员进行耐力测试时，重复次数酌情增减。

六、测试操作步骤与注意事项

（一）操作步骤

1.被检查者做一般性热身运动。

2.开机，输入被检查者信息。

3.根据测试要求，固定被检查者相应部位。

4.选择测试方案，包括肢体单双侧、测试部位、测试模式、关节活动范围设定等。

5.解剖位校正。

6.肢体称重。

7.测试前被检查者测试速度体验。

8.正式测试。

9.测试间隔休息1～2min。

10.继续其它速度测试时，重复步骤7～9。

（二）注意事项

1.由经过技术培训的人员操作，专人管理有利于仪器使用和养护。

2.测试前需向被检查者说明测试目的、测试过程以及测试时的正确体位。

3.固定要牢固，按技术规范实施技术操作，以减少系统误差。

4.测试中，被检查者应避免用力过猛，随仪器设定速度运动。

5.测试中，测试者应给与被检查者明确、有力、响亮的口令及鼓励。

6.测试顺序：按照先健侧后患侧，先轻侧后重侧的顺序，另外还应做双侧对比。测试速度由慢到快。

7.由于各种仪器设计规格不统一，测试数据无可比性即不能相互比较。

七、结果记录与分析

结果分析包括定性分析和定量分析。定性分析是对曲线的形态进行观察，评估曲线的质量；定量分析是对反映肌力功能的各种参数的报告与分析。

（一）曲线形态

1.正常曲线　等速运动力矩曲线被用来表达被试肌群在完成特定运动时所做的努力，反映的是某一对互为拮抗的肌群在全关节运动范围内收缩所产生的力量的变化。力矩曲线图可提供多种信息。例如，曲线中每一点力矩与发生时间的对应关系、每一点力矩与关节运动的对应关系、曲线上升支（幅度、急缓）、高点（尖峰、弧形、平坦、双峰）和下降支（直线、凸起、凹陷）的形态表现、曲线的平滑度等。图8－2为下肢关节伸屈肌向心性收缩产生的力矩曲线示意图。图中a点为最大力矩；b点为最大力矩时的关节角度；c点为最大力矩发生时刻；下肢伸肌肌力大于屈肌肌力。该曲线直观地体现了伸屈肌力量的平衡状态。

2.异常曲线　当各种原因导致肌肉力量不平衡时，力矩曲线形态表现异常。如肌萎缩、韧带损伤、关节肿胀或炎症时，力矩曲线幅度下降；运动中出现疼痛可使力矩曲线出现切迹、波动、低平、不对称等。临床上，常采用慢速测试，慢速测试产生的力矩曲线可发生并观察到相应的形态变化。图8－3为前十字交叉韧带重建术后16周股四头肌与腘绳肌向心收缩力矩曲线。粗线为健侧力矩曲线，细线为患侧力矩曲线。由图可见，患侧股四头肌力矩曲线明显下降甚至低于同侧腘绳肌力矩曲线幅度，曲线的顶峰消失；而腘绳肌力矩曲线无明显下降。

（二）参数分析

主要测试参数包括峰力矩、峰力矩体重比、力矩角度、总功、平均功率、耐力比、屈伸肌峰力矩比等。

1.峰力矩（peak torque，PT）　指全关节运动范围内一肌群收缩过程中瞬间所达到的最大力矩输出值，为力矩曲线的最高点（图8－2）。单位为牛顿·米（N·m）。峰力矩值代表肌肉收缩所产生的绝对值即最大力量。由不同速度的峰力矩值派生出的指标可以从不同角度反映肌肉功能状况，如耐力、伸屈肌比值。临床中常进行双侧同名肌峰力矩比较。

2.平均力矩（average torque，AT）　全关节活动范围内肌群收缩过程中所产生力矩的平均水平。

3.特定角度力矩（angle－specific torque）　在关节运动范围内特定角度所对应的力矩值。例如，屈曲30°是膝关节稳定性的关键点。常用于同一被试双侧同名肌或不同被试同名肌对指定角度的力矩进行比较。

4.峰力矩体重比（peak torque to body weight ratio，PT/BW）　为单位体重的峰力矩值，反映肌肉收缩的相对力量。用于不同个体或群组间肌力的比较。

5.峰力矩角度（angle of peak torque）　指力矩曲线中，峰力矩所对应的角度。该角度是肌肉收缩产生最大力量时的最佳角度。

6.峰力矩时间（Time to peak torque）　肌肉开始收缩到达最大力矩的时间。该值反映肌肉快速产生力矩的能力。

7.总功（total work，TW）　做功（work）的经典定义是，当一个力作用在物体上，并使物体在力的方向上通过了一段距离，即这个力对物体做了功。因此，一次肌肉收缩完成了一个关节运动全过程所做的功即为总功，是所描记的力矩曲线下的面积之和，单位为焦耳（J）。该指标代表肌肉的做功能力即通过肌肉收缩以保持全（关节运动）测试过程力矩水平的能力。图8－4阐述峰力矩与做功的关系。通过两个力矩曲线的比较，可以清楚地看到，虽然峰力矩值相同，但做功大小可以不同。因此，与峰力矩值比较，总功更能准确反映肌肉功能状况，是确定一个损伤康复的最有价值的指标。该指标也受峰力矩和关节活动度值的影响，如果患者力矩水平低，做功量将受到影响；在相同力矩水平时，关节活动度较小者，其总功也下降。

8.平均功率（average power，AP）　总功量除以完成总功所需要的时间为功率，单位为瓦（W）。功率反映肌肉随时间做功的效率。

9.疲劳（work fatigue）　肌肉耐力或疲劳测试指标。采用快速测试（240°/s），重复运动20～30次，后5次与最初5次或前1/3与后1/3运动的做功量之比，也称耐力比。研究结果显示，在采用等速肌力测试方案的众多指标中，最后5次做功和总功（total work）之比是评估单一肌群耐力较好的指标。在临床实际工作中，因患者肌力较弱而无法完成快速测试时，也可考虑采用180°/s的速度进行耐力测试。

10.屈伸肌峰力矩比（flexor to extensor ratio）　屈伸肌力矩比多采用慢速测试的峰力矩比值。该指标反映互为拮抗的肌群力量平衡与否的重要标志，间接反映了肌肉力量与关节稳定性的关系，对判断关节的稳定性具有一定意义。左右同名肌比值为双侧同名肌峰力矩值之比，反映同名肌力量的平衡与对称性，差异＞10％提示弱侧异常，弱侧易受伤。

11.关节活动范围（range of motion，ROM）　在等速肌力测试中，除记录力矩曲线外，全程记录关节运动的范围、起止角度。该指标有助于判断是否存在关节活动受限，亦有助于比较双侧同名肌做功量差异的原因。

12.变异系数（coefficient of variance，CV）　标准差与均数的比值称为变异系数。该系数反映数据的离散程度，是衡量重复测试的观测值（如3次峰力矩值）变异程度的一个指标。该系数越小，说明重复测试的一致性越高，所得测试数据越可靠，是临床判断测试结果可采纳与否的指标。

（三）临床应用

在康复医学领域中，等速运动可以应用于康复评定和康复治疗两个方面。等速肌力测试技术在康复评定中的应用体现在如下方面：

1.肌肉功能评定　可对肌力、肌耐力、爆发力等多个肌肉功能指标进行测定。由于等速运动测试系统可提供等速向心收缩、等速离心收缩、等长收缩、开闭链运动等多种形式下的肌力测试，故可从多角度评定肩、肘、腕、髋、膝、踝以及躯干等关节周围肌肉功能。例如，计算肌肉收缩最初1/8秒（s）的做功量，即前1/8s力矩曲线下的面积被称为力矩加速能（torque acceleration energy，TAE），它的大小反映肌肉收缩的爆发力。等速膝关节伸屈肌（股四头肌和腘绳肌）耐力测试显示，股四头肌较腘绳肌易产生疲劳。

2.关节稳定性评定　屈/伸比值直接反映屈伸肌之间肌力平衡的情况，因此，也是判定关节稳定性的一个重要指标，该值偏高或偏低均提示关节的稳定性下降，在运动中易使弱肌损伤并导致关节内部结构的损伤。以膝关节为例，膝屈肌和膝伸肌力量比值（H/Q）实际上代表腘绳肌与股四头肌力量比率。正常人腘绳肌与股四头肌动态收缩力矩比值（H/Q）慢速测试时一般在50％～60％范围内。亦有研究显示，该值受收缩速度的影响不明显且无性别差异。比值失调，如超出参考范围过多，互为对抗的肌群力量不平衡，膝关节稳定性下降，容易造成股后肌群和膝关节损伤，容易发生运动损伤。但应注意，如股四头肌和腘绳肌的肌力同比例下降时，比值仍可保持在正常范围内，但膝关节仍存在不稳定性。因此，H/Q比值不能作为膝关节损伤后关节功能的唯一评定指标。在实际临床工作中，不仅要参照正常人群正常范围分析其比值结果，还应结合双侧H/Q比值的绝对相差值以及膝关节屈伸肌力矩绝对值等进行综合分析。双下肢同名肌力矩差值一般在10％以内，如果该值超过20％，具有临床诊断价值，提示弱侧容易受伤。通过相应肌力的强化训练，可使该值趋向正常，从而预防损伤的发生。故膝关节康复过程中，除要求肌力绝对值恢复外，屈/伸比值的重建也受到重视。

3.运动系统伤病辅助诊断　等速运动肌力测试系统可测得肌肉输出的力矩值并得到力矩曲线。肌肉关节的病变情况在等速肌力测试的力矩曲线上可得到反映。力矩曲线异常表现可有曲线水平降低、切迹、顿挫不平滑、升降支不对称、双峰样改变等（图8－5～7）。

等速运动肌力测试的临床应用以膝关节为最多。在膝关节损伤中，常用于膝关节骨性关节炎、半月板损伤、膝关节肌肉萎缩、前十字交叉韧带损伤或重建术后、滑膜皱襞综合征、髌骨软骨形成、髌骨半脱位的辅助诊断。

髋关节等速运动肌力测试的临床报道相对较少。国外髋关节等速运动肌力测试多以围绕髋关节及相关疾病和手术等临床疗效的评价为主。

椎间盘突出症患者的躯干屈伸肌等速运动肌力测试显示，椎间盘突出症患者的躯干肌力、肌肉收缩效率以及屈伸比值有明显的异常，其导致脊柱的异常，肌肉痉挛，关节韧带僵硬，造成椎间盘及周围组织结构损伤。通过评估，了解脊柱生物力学变化特征，将为此类患者的治疗提供新的思路。

有关采用等速运动肌力测试踝关节肌力的报道，主要用于踝关节扭伤、机械性踝关节不稳的肌力评估和疗效评估。

需要说明的是，力矩曲线虽然可以反映肌肉和关节在运动中的异常改变，但不能直接明确引起这种异常改变的原因，需要结合关节运动角度数据以及患者的症状表现对力矩曲线进行综合分析，方可有助于判读和理解不同伤病的特征，有助于临床诊断。

4.疗效评定　由于等速运动肌力测试系统可以提供一系列重复性较好的客观数据，特异曲线的异常又能提示哪一部分关节结构受损或与某些症状的关联，如运动中疼痛的出现与曲线特征性表现相吻合。因此，可用于指导治疗计划的制订，选择适当的治疗方法；用于保守治疗、手术治疗、康复训练后疗效判定。