踝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析研究進(jìn)展

郝建源

(吉林體育學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130022)

踝關(guān)節(jié)是一種屈戍（滑車）關(guān)節(jié)，在站立行走時(shí)，其所承受的負(fù)荷在全身各關(guān)節(jié)中是最大的。在日常生活與體育運(yùn)動(dòng)過程中，外踝最容易發(fā)生損傷，且在足球、籃球、排球等有變向動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)中最為常見。踝關(guān)節(jié)損傷會(huì)對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)霈F(xiàn)踝關(guān)節(jié)炎等不良影響。踝關(guān)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷的情況頻繁出現(xiàn)，有報(bào)道指出，在所有體育運(yùn)動(dòng)發(fā)生的損傷中，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)損傷約占25%。其中，又以韌帶損傷最為常見，在踝關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動(dòng)損傷中，韌帶損傷約占80%。在足、籃、排等球類運(yùn)動(dòng)與越野跑等非常規(guī)體育運(yùn)動(dòng)中，需要做出反復(fù)的跳躍、變向等動(dòng)作，或因地面不平整，使踝關(guān)節(jié)做出快速扭轉(zhuǎn)或內(nèi)外翻動(dòng)作，導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)生率增高。踝關(guān)節(jié)損傷在臨床工作中也較為多見，但很少得到應(yīng)有的重視，導(dǎo)致很多患者常出現(xiàn)復(fù)發(fā)性腫脹、慢性疼痛、慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)等問題。踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)極易造成二次損傷，進(jìn)而加重踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)狀態(tài)，如處理不當(dāng)，還可能發(fā)展為習(xí)慣性崴腳，即慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)。踝關(guān)節(jié)損傷愈合的過程中會(huì)形成瘢痕組織，使得踝周損傷的韌帶彈性變?nèi)?，?dǎo)致肌肉骨骼系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，降低踝關(guān)節(jié)動(dòng)力系統(tǒng)功能，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)，其癥狀主要表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性差，持續(xù)疼痛腫脹、“打軟腿”、功能障礙等，甚至造成退行性骨關(guān)節(jié)病變等慢性損傷。隨著運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)技術(shù)的不斷更新，國(guó)內(nèi)外對(duì)踝關(guān)節(jié)損傷機(jī)制的研究與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特性的分析也有了新的進(jìn)展。

1 踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)

踝關(guān)節(jié)（ankle joint），又被稱為距上關(guān)節(jié)、距骨小腿關(guān)節(jié)等。由距骨頂端的距骨滑車關(guān)節(jié)面作為關(guān)節(jié)頭，被脛骨與腓骨的內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面和脛骨的下關(guān)面所構(gòu)成的關(guān)節(jié)窩包裹，構(gòu)成一種類似于單軸的滑車關(guān)節(jié)，又因關(guān)節(jié)窩形似叉狀，故又稱叉狀關(guān)節(jié)窩。小腿前后側(cè)肌肉的肌筋膜向下延續(xù)與周圍的關(guān)節(jié)囊、韌帶等一起包裹關(guān)節(jié)，但囊內(nèi)未形成特殊結(jié)構(gòu)。踝關(guān)節(jié)周圍主要有4 條韌帶連接，分別為內(nèi)、外、前、后側(cè)韌帶，其中內(nèi)側(cè)韌帶又被稱為三角韌帶，有內(nèi)外兩層，且較外側(cè)強(qiáng)韌，在踝周韌帶中最為堅(jiān)固，故踝關(guān)節(jié)不易形成外翻。踝關(guān)節(jié)又包含3個(gè)小關(guān)節(jié)面，分別為距腓關(guān)節(jié)面、脛腓關(guān)節(jié)面和脛距關(guān)節(jié)面，主要功能有跖屈、背屈、內(nèi)翻、外翻、內(nèi)旋、外旋。踝關(guān)節(jié)易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，其解剖學(xué)基礎(chǔ)是由于距骨上端與踝穴匹配不能完全貼合。從踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)上分析，踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)固，穩(wěn)定性較好，故踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻的角度差距較大。踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻活動(dòng)度約20～30，外翻的活動(dòng)度約為10～15，外踝位于內(nèi)踝的后方，且位置相對(duì)于內(nèi)踝較遠(yuǎn)，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)外翻受限，且動(dòng)作軸心不平衡，軸心連線約側(cè)傾10，故踝關(guān)節(jié)損傷常在過度內(nèi)翻時(shí)產(chǎn)生。踝關(guān)節(jié)如需保持穩(wěn)定，則需維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)與下脛腓結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定。踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的三角韌帶在維持踝的穩(wěn)定性時(shí)有重要作用，當(dāng)踝關(guān)節(jié)做出跖屈或背屈的動(dòng)作時(shí)，三角韌帶會(huì)限制其外翻、外旋，進(jìn)而維持其穩(wěn)定狀態(tài)。

2 踝關(guān)節(jié)的損傷機(jī)制

從解剖學(xué)角度分析，踝關(guān)節(jié)中外踝尖較低于內(nèi)踝，且位置偏后，垂直位差平均約為1.2cm，踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)還有纖維組織致密的三角韌帶進(jìn)行維持，所以踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻的角度通常會(huì)較外翻大。距骨體的解剖結(jié)構(gòu)較為特殊，當(dāng)踝關(guān)節(jié)做出背屈動(dòng)作時(shí)，前側(cè)較寬的關(guān)節(jié)頭會(huì)被關(guān)節(jié)窩包裹，關(guān)節(jié)則較為穩(wěn)定。反之，后側(cè)較窄的關(guān)節(jié)頭被關(guān)節(jié)窩包裹時(shí)，兩側(cè)會(huì)留有間隙，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)有側(cè)向的運(yùn)動(dòng)空間，內(nèi)翻幅度增大，關(guān)節(jié)也會(huì)較為不穩(wěn)，因此，大多數(shù)急性踝關(guān)節(jié)損傷，是在跳起落地時(shí)，關(guān)節(jié)內(nèi)翻、內(nèi)旋過度，導(dǎo)致外側(cè)韌帶發(fā)生損傷。同時(shí)，切斷前距腓韌帶與跟腓韌帶，與未切斷或單獨(dú)切斷前距腓韌帶相比，踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角增大3.3°，且在內(nèi)翻動(dòng)作的終末端踝關(guān)節(jié)的緊張感變?nèi)酢Ｅc之相似的結(jié)果為國(guó)內(nèi)學(xué)者郝立波等通過對(duì)比分析前距腓韌帶與跟腓韌帶同時(shí)受到損失時(shí)，僅修復(fù)前距腓韌帶和二者同時(shí)修復(fù)后的距骨運(yùn)動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)，沒有顯著性差異，表明前距腓韌帶在踝關(guān)節(jié)損傷治療過程中較為重要。當(dāng)行走在不平的地面或進(jìn)行跑、跳、上下樓梯等動(dòng)作時(shí)，腳部離地到落地過程中，身體會(huì)失去平衡從而偏向一側(cè)，極易導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻過度，從而過度牽拉外側(cè)副韌帶而造成損傷，引起踝關(guān)節(jié)的損傷發(fā)生。

3 踝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

3.1 踝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性與運(yùn)動(dòng)形式

踝關(guān)節(jié)周圍的肌肉力量大小，與做出體育動(dòng)作時(shí)，踝關(guān)節(jié)支撐整個(gè)身體的穩(wěn)定狀態(tài)有著直接的關(guān)系，并起著重要的作用，同時(shí)對(duì)上肢環(huán)節(jié)做出動(dòng)作的功效有一定的影響。如果踝周力量足夠強(qiáng)大，會(huì)大幅縮短反應(yīng)時(shí)間，機(jī)體可以最快速度進(jìn)入運(yùn)動(dòng)中，并縮短完成整個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，提升動(dòng)作效率。踝關(guān)節(jié)動(dòng)作的產(chǎn)生是通過踝關(guān)節(jié)周圍肌肉收縮與腓腸肌、比目魚肌的肌鍵的彈性形變、復(fù)原來(lái)實(shí)現(xiàn)的。足踝運(yùn)動(dòng)時(shí)，脛骨前緣與足背之間的角度增大稱為趾屈或背伸。反之，為趾伸或背屈。足內(nèi)側(cè)緣抬起，外側(cè)緣下降，足底向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)稱為內(nèi)翻；反之，則為外翻。

3.2 踝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

踝關(guān)節(jié)由距骨、內(nèi)外踝和脛骨遠(yuǎn)端構(gòu)成。距骨前寬而后窄，通常認(rèn)為，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸為內(nèi)外踝尖連線，即踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的單軸理論；但同時(shí)也存在一種多軸理論，即踝關(guān)節(jié)從背屈到跖屈的運(yùn)動(dòng)過程，踝關(guān)節(jié)軸在冠狀面上變化20～30，而在橫斷面保持平行，屬于多軸運(yùn)動(dòng)。踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)誘發(fā)距骨的部分旋轉(zhuǎn)，由中立位至背屈30的過程中，距骨外旋了9。跖屈從0到10時(shí)，距骨產(chǎn)生了1.4的內(nèi)旋；跖屈達(dá)到30時(shí)，會(huì)產(chǎn)生0.6的外旋。踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)多發(fā)生在矢狀面，即背屈和距屈，正常的活動(dòng)度為背屈10～20，跖屈40～55。跟腓與距腓前韌帶之間的夾角平均為105，跟腓韌帶在跖伸時(shí)的張力最大，距腓前韌帶在背伸時(shí)的張力最大，二者共同作用，防止踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生內(nèi)翻。

3.3 踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的研究

踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的解剖學(xué)基礎(chǔ)是距骨滑車在叉狀關(guān)節(jié)窩內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)，距骨滑車的前部較寬，當(dāng)此部分進(jìn)入關(guān)節(jié)窩時(shí)，關(guān)節(jié)卡嵌較穩(wěn)，則踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定。反之，關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)方有移動(dòng)空間，足部可以產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)，則踝關(guān)節(jié)較為不穩(wěn)。踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性還依賴周圍的韌帶結(jié)構(gòu)，如內(nèi)側(cè)強(qiáng)壯的三角韌帶可以防止過度外翻外旋；而外側(cè)有距腓、后前韌帶與跟腓韌帶，可以避免產(chǎn)生過度的內(nèi)翻、內(nèi)旋；且踝關(guān)節(jié)內(nèi)部有多條聯(lián)合韌帶，如脛腓前、后、橫韌帶、骨間韌帶等，這些韌帶相互作用，可以維持脛腓骨之間的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 踝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究進(jìn)展

4.1 踝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)的研究

當(dāng)在體育運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行跳起落地動(dòng)作時(shí)，如果足部受到地面的反作用力超出機(jī)體的承受范圍，通常會(huì)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷。地面反作用力可以較為直觀地反映踝關(guān)節(jié)在落地緩沖過程中的受力情況，相關(guān)研究大部分集中與落地階段地面反作用力峰值及其出現(xiàn)的時(shí)間。因此，在研究踝關(guān)節(jié)落地時(shí)損傷的過程中，監(jiān)測(cè)地面對(duì)足部的反作用力顯得尤為重要。Bazueloruiz 等利用測(cè)力臺(tái)測(cè)試男女跑步愛好者在疲勞狀態(tài)下的力學(xué)差異發(fā)現(xiàn)，疲勞狀態(tài)減小了女性落地時(shí)的背屈角度，且小于男性，測(cè)出的反作用力數(shù)據(jù)顯示男性對(duì)地面的沖擊力峰值要大于女性，表明女性在疲勞條件下對(duì)落地的反應(yīng)更好，為“女性遭受跑步相關(guān)傷害的風(fēng)險(xiǎn)低于男性”這一觀點(diǎn)提供了客觀證據(jù)。Wisthoff等針對(duì)踝關(guān)節(jié)在等速肌力測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的患者，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻的峰值力矩均成下降趨勢(shì)。

4.2 生物建模與三維有限元

三維有限元技術(shù)是通過CT或MRI技術(shù)進(jìn)行掃描，從而對(duì)踝關(guān)節(jié)建立起有限元模型，可以對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)進(jìn)行高度且高效的仿真模擬，還可以較為準(zhǔn)確地推算出機(jī)體內(nèi)部組織所受應(yīng)力的分布情況。利用生物建模技術(shù)可以從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度，建立恰當(dāng)?shù)孽钻P(guān)節(jié)力學(xué)模型，為踝關(guān)節(jié)損傷生理、病理學(xué)理論提供一定的支撐。賈夢(mèng)洋通過對(duì)踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)指標(biāo)變化研究得出，利用人體有三維限元模型與人體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析，可直觀且較為真實(shí)地重現(xiàn)踝關(guān)節(jié)損傷的過程，可以較為清晰地觀察到導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)損傷的方式以及其損傷的機(jī)制。李興軍等學(xué)者通過三維有限元模型構(gòu)建了踝關(guān)節(jié)三維模型，模擬在受到不同方向、不同大小的外力時(shí)，觀察踝關(guān)節(jié)的應(yīng)力與位移變化，結(jié)果顯示，構(gòu)建三維有限元模型，能夠客觀且直觀地觀察踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)與生物力學(xué)特性，對(duì)踝關(guān)節(jié)損傷機(jī)制的分析有較好的幫助。與傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中使用的研究技術(shù)相比，生物建模與三維有限元分析技術(shù)在軟組織的應(yīng)力變化分析上具有明顯優(yōu)勢(shì)，且應(yīng)用廣、適應(yīng)性強(qiáng)、信效度高。有限元技術(shù)可以較為準(zhǔn)確且有效地仿真人體肌骨系統(tǒng)，并對(duì)骨組織、軟組織等機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.3 表面肌電的研究

表面肌電（sEMG）技術(shù)，是利用肌電采集儀，對(duì)肌肉表面的電信號(hào)進(jìn)行采集并分析的一種先進(jìn)技術(shù)。通常情況下，肌肉活動(dòng)的狀態(tài)和肌肉功能可以通過表面肌電所展現(xiàn)的肌肉電信號(hào)的變化展現(xiàn)出來(lái)，肌肉的活性也能在一定限度上通過肌電信號(hào)反映出來(lái)。裴子文在慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的療效分析的相關(guān)研究中，將表面肌電與等速肌力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合使用，將電極片粘貼于腓骨肌上，進(jìn)行反應(yīng)時(shí)、腓骨肌肌電信號(hào)等測(cè)試，結(jié)果顯示，神經(jīng)肌肉電刺激干預(yù)可以改善神經(jīng)肌肉控制能力。舒真諦等學(xué)者在探討運(yùn)動(dòng)貼扎對(duì)踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶急性損傷早期康復(fù)的影響時(shí)，運(yùn)用了表面肌電技術(shù)測(cè)定步態(tài)項(xiàng)中肌群的肌電值，結(jié)果顯示貼扎組和安慰劑組在治療前后肌電信號(hào)均增強(qiáng)，對(duì)照組沒有顯著差異。

4.4 三維測(cè)力臺(tái)的研究

在體育運(yùn)動(dòng)過程中，踝關(guān)節(jié)的損傷通常與著地時(shí)足踝所承受的地面反作用力有關(guān)。三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)是通過測(cè)力平臺(tái)對(duì)生物力的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維測(cè)試。時(shí)旺然在慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)不同防護(hù)方式的相關(guān)研究中，利用三維測(cè)力臺(tái)進(jìn)行步行啟動(dòng)時(shí)COP的測(cè)量，結(jié)果顯示，防護(hù)后明顯影響COP軌跡長(zhǎng)度。有學(xué)者采用三維測(cè)力臺(tái)和三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，對(duì)羽毛球運(yùn)動(dòng)者起跳后踝關(guān)節(jié)落地瞬間的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員與業(yè)余愛好者踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)有顯著性差異，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員落地緩沖時(shí)間較長(zhǎng)，降低了踝關(guān)節(jié)落地時(shí)的沖擊力。踝關(guān)節(jié)周圍肌肉的慢性疲勞狀態(tài)，也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)者在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷。目前，國(guó)內(nèi)外常常通過三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)來(lái)研究踝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)問題，可以通過測(cè)量計(jì)算出足踝部著地時(shí)前后、側(cè)向及上下3個(gè)維度的應(yīng)力以及力矩、壓力等相關(guān)指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

在運(yùn)動(dòng)過程中，踝關(guān)節(jié)損傷會(huì)受到諸多因素的影響，為有效預(yù)防體育活動(dòng)過程中發(fā)生踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)損傷，需對(duì)踝關(guān)節(jié)損傷的相關(guān)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征、特性進(jìn)行更精確、更深入的科學(xué)研究與探析。目前，踝關(guān)節(jié)扭傷的損傷機(jī)制及力學(xué)因素已經(jīng)擁有了較為豐富的研究，主要從解剖學(xué)等方面分析了損傷機(jī)制，從運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的角度研究了慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)機(jī)制。如今，用于踝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的技術(shù)主要包括生物建模與三維有限元、表面肌電技術(shù)與三維測(cè)力臺(tái)等，且信效度較高。此外，較為新興的技術(shù)，如三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、數(shù)字化技術(shù)也被較為廣泛地應(yīng)用于慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的相關(guān)研究中。但通過治療后，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)能力、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征如何改善以及踝周韌帶如何得到強(qiáng)化，還有待進(jìn)一部研究。