功能性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)在不同運動下表面肌電的研究進展

章晨 姜財 郭進華 郭苗苗 李小梅 余圣賢 夏麗彬 馬勝超 林忠華

近年來，隨著人們對體育鍛煉重視程度的增加，踝關(guān)節(jié)損傷變得越來越普遍，這種損傷常好發(fā)于類似跑、跳等高強度運動中。研究人員發(fā)現(xiàn)，在急性踝關(guān)節(jié)外側(cè)損傷的人群中，足踝在內(nèi)翻狀態(tài)下?lián)p傷者約占 85%。絕大多數(shù)時常出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)反復扭傷的患者，往往是缺乏及時、有效的康復治療。有研究數(shù)據(jù)表明，在急性損傷后，約 80% 的患者經(jīng)保守治療后關(guān)節(jié)活動恢復正常，但仍有 20% 的患者會再次扭傷，逐漸發(fā)展成為慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn) ( chronic ankle instability，CAI )。表面肌電 ( surface electromyography，sEMG ) 可以直接評估神經(jīng)肌肉在特定任務中的功能表現(xiàn)，并實現(xiàn)對神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)水平的定量評價。sEMG 因其無創(chuàng)、方便、快捷、高效等特點越來越受到研究者的青睞，已廣泛應用于功能性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)( functional ankle instability，F(xiàn)AI ) 的臨床研究中。

一、踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的一般概述

1.分類：CAI 根據(jù)損傷機制的差異，可分為 FAI 與機械性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn) ( mechanical ankle instability，MAI )。FAI的概念是 Freeman 于 1965 年首次提出的，即踝關(guān)節(jié)首次損傷后，肢體反復出現(xiàn)的失控、不穩(wěn)等“打軟腿”癥狀，常不伴有踝關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)異常，僅表現(xiàn)出肢體感覺異常和功能障礙，體現(xiàn)出本體感覺障礙、肌肉激活功能減弱、關(guān)節(jié)位置感覺異常、姿勢控制能力下降等癥狀及體征。MAI 是指由于踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定及其周圍韌帶的松弛導致的反復發(fā)生的踝關(guān)節(jié)損傷。在踝關(guān)節(jié)損傷的研究中，因 MAI 患者常伴有特定解剖結(jié)構(gòu)的異常，故臨床上多在早期采用手術(shù)治療，而 FAI 的損傷尚未達到手術(shù)指征，所以常采用保守治療為主，主要包括物理治療、運動治療以及佩戴護具等。

2.發(fā)病機制：目前 FAI 的發(fā)病機制還沒有明確的解釋，但大部分學者認為 FAI 發(fā)病可能與本體感覺減退，踝關(guān)節(jié)活動中所受負荷過重，神經(jīng) - 肌肉之間信號傳遞與肌肉激活不佳，姿勢控制能力下降等多方面有關(guān)。有研究表明，F(xiàn)AI 人群神經(jīng)、肌肉及周圍韌帶的損傷會導致本體感受及神經(jīng)傳入信號受阻，使患者足跟著地后，機體無法及時準確地獲得信息，踝關(guān)節(jié)無法作出正確的應答反應，從而造成足踝部反復損傷。賈為宗等認為FAI 人群不僅神經(jīng)損傷，而且患側(cè)的腓骨肌及脛骨前肌的激活時間與健側(cè)相比有明顯的延長。不僅如此，運動的產(chǎn)生是由各系統(tǒng)的相互配合的連續(xù)過程，從機體接受外界刺激到興奮隨時間的傳入，引起骨骼肌興奮 - 收縮耦聯(lián)，最終使相應肌肉 - 肌腱單元產(chǎn)生相應的力，從而觸發(fā)關(guān)節(jié)活動。

3.研究方法：

( 1 ) 主觀評價量表：在不同的研究中，對 FAI 人群的判定標準也多種多樣，根據(jù)側(cè)重點的不同，主要分為主觀和客觀兩種。在主觀判定中，廣泛認同的評價量表包括：踝關(guān)節(jié)功能評價量表 ( ankle joint functional assessment tool，AJFAT )、足踝功能障礙指數(shù) ( foot and ankle disability index，F(xiàn)AID )、坎伯蘭踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)問卷 ( cumberland ankle instability tool，CAIT ) 等。其中，AJFAT 是如今廣泛應用的踝關(guān)節(jié)功能問卷。受試者通過自身健側(cè)與患側(cè)肢體感覺及功能情況的對比，填寫相關(guān)問卷，得分越高，說明踝關(guān)節(jié)功能越穩(wěn)定，分值 ≤ 26 分即可判斷為踝關(guān)節(jié)功能不穩(wěn)。

( 2 ) 客觀評價量表：但各種評價量表因為研究者不同的生活背景、文化程度等多方面主觀因素的影響，使其評價結(jié)果存在不同程度的偏差，然而客觀工具所檢測出的指標在分析之后顯得更具準確性。三維步態(tài)分析系統(tǒng)是目前臨床上評價 FAI 的常用手段，通過對運動中動作的三維捕捉，構(gòu)建運動模型，從而針對其時間 - 空間特點進行全方面地分析，客觀反映 FAI 在不同狀態(tài)下各負重關(guān)節(jié)的變化。

研究人員也常通過在足底壓力測試系統(tǒng)中測量得到的足底壓力，量化在靜止和運動過程中足底的平均壓力及最大壓力等，通過計算出壓力中心 ( center of pressure，COP )，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)踝關(guān)節(jié)的生物力學和動力學特點。近幾年也有研究表明，F(xiàn)AI 的 COP 會比正常人更偏外側(cè)。不僅如此，由于肌肉收縮往往發(fā)生于運動產(chǎn)生之前，所以想對人體生物力學及運動學有進一步的認識，必須了解肌肉電生理，通常借助肌電圖。其中，肌電圖就是一種常用的客觀評價工具。

肌電圖是一種研究特定肌肉產(chǎn)生相應變化時的工具，其工作原理是由于一些外界刺激使肌肉產(chǎn)生電活動，從而在相應的設備中生成相應的圖形。sEMG 因其無創(chuàng)、方便、快捷、高效等特點，被研究者廣泛應用于觀察、分析、評價神經(jīng)肌肉電活動中。sEMG 設備通過對肌肉電信號的收集，并進行相應轉(zhuǎn)化處理后，得到肌肉收縮幅度、頻率、激活時間等數(shù)據(jù)，在一定程度上有效的反映了神經(jīng)肌肉興奮情況。無論是保持靜止還是在運動訓練中，都可以實時采集特定肌肉的生物電信號，且其反饋的信息能夠確保真實性。

造成 FAI 的原因有很多，有學者發(fā)現(xiàn)，當肢體處于不同運動狀態(tài)時 ( 如行走、奔跑、跳躍 )，下肢肌肉較長的反應時間、踝關(guān)節(jié)本體感覺降低、踝關(guān)節(jié)肌力不足等，可能是導致其肌肉力量、姿勢控制、步態(tài)生物力學等方面較薄的原因。隨著 sEMG 研究的飛速發(fā)展，越來越多的研究者將其運用于 FAI 的研究中，采集 FAI 人群處于不同運動方式下，關(guān)鍵肌肉運動學及動力學數(shù)據(jù)，用肌電指標客觀的分析 FAI 與健康人群的生物力學差異。

二、FAI 患者在不同運動狀態(tài)下的肌電特征

1.步行：FAI 的個體在步行中的肌肉活動與健康人之間存在明顯差異。Delahunt 等觀察到在足跟著地和腳尖離地的過程中，F(xiàn)AI 個體較健康個體會表現(xiàn)出更大的橫向足底壓力以及肌肉激活模式的改變，他們發(fā)現(xiàn)在此過程中，腓骨長肌增幅增加。Watson 等也進行了相似的實驗研究，通過比較 FAI 人群在行走前和初次足跟著地后下肢肌肉的激活情況，同樣發(fā)現(xiàn)腓骨長肌的活動似乎增加了。在整個步態(tài)周期里，F(xiàn)eger 等發(fā)現(xiàn) FAI 中腓骨長肌的激活百分比比健康對照組增加約 13%，且腓骨長肌激活時間更為早，持續(xù)興奮時間更長。不僅如此，他們還證實在行走過程中，F(xiàn)AI 的脛骨前肌、腓骨長肌、股直肌、股二頭肌和臀中肌的激活時間比健康對照組更早。

學者們對 FAI 患者下肢肌肉電生理的研究中，不僅著眼于腓骨長肌活性的改變，其它肌肉的改變也同樣受到關(guān)注。Koldenhoven 等通過收集分析 10 例 FAI 的患者在最適狀態(tài)下行走的 sEMG 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在足跟著地時，F(xiàn)AI個體的脛骨前肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)肌活性增加，且在站立相后期到擺動相的運動過程中，臀中肌的肌肉振幅也增加，這提示 FAI 患者為了維持下肢的穩(wěn)定，需要增強更多肌肉活性。

向后行走 ( BW ) 是一種與常規(guī)向前行走 ( FW ) 相比具有額外復雜性的步態(tài)活動，即使對健康個體來說，這也可能是一項新穎且具有挑戰(zhàn)性的任務。BW 給平衡和運動帶來了獨特的挑戰(zhàn)，因此引起了很多研究人員了解 FAI人群在 BW 時肌肉的變化的興趣。一項對 16 例 FAI 的實驗組與 16 名健康人群的對照組進行病例對照研究的實驗發(fā)現(xiàn)，當他們以自己選擇的舒適的步速分別執(zhí)行 FW 與BW 的任務，在 BW 步態(tài)中腓腸肌在早期站立時最活躍，且 FAI 組和健康對照組在 BW 期間具有相似的肌肉活動模式。由此可推斷，BW 任務可以通過增加下肢肌肉的收縮強度來保持運動的穩(wěn)定，從而起到康復目的。

2.跳躍：在跳躍過程中，身體能夠保持穩(wěn)定與靈活，很大程度取決于下肢肌肉的功能狀態(tài)及協(xié)調(diào)配合。踝關(guān)節(jié)及其周圍肌肉、韌帶的主要作用是緩沖及減少外力負荷對機體的沖擊。踝關(guān)節(jié)在落地前，通過翻轉(zhuǎn)角度，使機體能穩(wěn)定著陸，若足跟著地的位置不當，會增加踝關(guān)節(jié)扭傷的風險。因此，踝關(guān)節(jié)及其周圍結(jié)構(gòu)對保持機體的穩(wěn)定起著重要作用。

踝關(guān)節(jié)損傷常常發(fā)生于高強度運動時，故研究人員通常設計在起跳落地任務下，觀察肌群激活的反應時間、先后順序、姿勢平衡控制及下肢關(guān)節(jié)活動角度等。

通過不同的研究實驗設計，一部分學者認為，在跳躍任務中 FAI 患者較多的表現(xiàn)為腓骨長肌肌肉活動明顯減少。例如 Jarugool 等在設計單腿跳躍任務實驗中，發(fā)現(xiàn)FAI 患者的足跟在接觸地面之前，其腓骨長肌活動減少，且周圍肌肉通過減少脛骨前肌的活動來適應這種改變，以保持關(guān)節(jié)穩(wěn)定。高曉娟等對 FAI 患者進行振動訓練后發(fā)現(xiàn)，實驗組身體的平衡協(xié)調(diào)能力有顯著提升，并伴有腓骨長肌內(nèi)、外側(cè)及脛骨前肌的反應時間縮短。

然而，肌肉收縮的減少可能會加重踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，故大部分研究者認為，在下落的減震過程中，踝關(guān)節(jié)處于骨穩(wěn)定性較差的跖屈位時，更多肌肉激活是維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定必不可少的條件。Hyunsoo 等在報道中闡明，在跳躍過程中，當腳跟著地時，腓骨長肌的肌電振幅增加，這可能反映了在足跟著陸需要腓骨長肌通過增加自身肌肉的收縮來增加近端關(guān)節(jié)的屈曲幅度，使足跟在著地的過程中避免過度內(nèi)翻，從而動態(tài)保護踝關(guān)節(jié)。Kim 等認為，完成單腿起跳任務和雙腿側(cè)切運動 ( 即雙腿呈水平展開，進行左右單腿交替搖擺動作 )，需要腓骨長肌的振幅增大，且活性增加，并伴有背屈力量減弱、跖屈力量的增加。跳躍時的這些改變的目的可能是通過增加跖屈力矩，來緩解跳起著陸過程中，地面的垂直反作用力對踝關(guān)節(jié)的沖擊，以此來保持姿勢平衡。猜測 FAI 患者在進行高強度運動中，機體啟動代償機制，增加肌肉收縮避免活動中損傷。

3.星偏移運動：大多數(shù)反復踝關(guān)節(jié)損傷的患者常在動態(tài)活動中伴有姿勢控制能力不佳的問題。姿勢控制能力是完成所有運動的基礎，保持軀干的平衡穩(wěn)定往往需要多系統(tǒng)的共同配合，如視覺、前庭覺和本體感覺等，其中任意一個功能出現(xiàn)紊亂，都會導致機體對一側(cè)控制能力的減退，從而表現(xiàn)為“打軟腿”、跌倒等。

為了了解 FAI 人群姿勢控制缺陷與下肢肌肉變化的關(guān)系，人們設計了星偏移平衡測試 ( star excursion balance test，SEBT )。SEBT 是一種常用的動態(tài)姿勢評估工具，通過向 8 個不同的方向伸展下肢，記錄肢體在每一個方向上的肌肉激活情況。先前已有研究證明了 SEBT 能夠區(qū)別健康組與 FAI 組的動態(tài)姿勢控制。

Jaber 等進行了 SEBT 發(fā)現(xiàn)，當單腿固定且另一條腿在前、后外側(cè)及后內(nèi)側(cè)三個方向分別做偏離運動時，常出現(xiàn)重心不穩(wěn)、站立側(cè)腳離地等肢體不穩(wěn)的現(xiàn)象，肌電結(jié)果也顯示，F(xiàn)AI 脛骨前肌及臀大肌振幅減小，而臀中肌活性沒有差異，這說明臀部和腳踝肌肉活動的減弱可能會影響軀體保持平衡的能力。Gribble 等的報道稱，經(jīng) SEBT發(fā)現(xiàn)，CAI 患者與健康對照組相比，姿勢控制能力下降，作者認為其變化可能是由于近端肌肉活動的改變，使膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的屈曲角度減小，導致在 SEBT 中肢體可達到的距離減小。但他們的研究沒有測量具體的肌肉活動，所以限制了對 FAI 患者神經(jīng)肌肉控制能力的充分認識。

4.踝外翻運動：腓骨肌是一條穿過距下關(guān)節(jié)外側(cè)的肌肉，可以使腳在距下關(guān)節(jié)處外翻，是控制下肢運動的關(guān)鍵肌，其調(diào)節(jié)反射為保持踝關(guān)節(jié)平衡起到重要作用，實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)外翻與背屈。然而 FAI 患者在肌電圖上常表現(xiàn)出較弱的外翻肌肉活動。一部分學者認為，過度的踝關(guān)節(jié)外翻與踝關(guān)節(jié)損傷常?；橐蚬AI 患者踝關(guān)節(jié)突然外翻時，腓骨肌活性較正常人之間的變化常常受到學者們的青睞。Ahn 等通過人為在踝關(guān)節(jié)上施加外翻張力，并用強度傳感器和肌電傳感器接收張力與肌電信息，分析得出外翻時 FAI 患者的腓骨長肌和腓骨短肌選擇性激活減少的結(jié)論。但是一部分學者發(fā)現(xiàn)外翻肌肉的興奮性的提升對維持踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定有一定的積極作用。裴子文等通過神經(jīng)電刺激治療 FAI 患者后發(fā)現(xiàn)，在做外翻等離心運動時，實驗組的穩(wěn)定性更好，并伴有外翻肌群肌電信號增強，肌力增加。黃墩兵等通過設計隨機對照實驗也發(fā)現(xiàn)，通過增強腓腸肌收縮的最大肌力可以改善肌肉活動時的平衡能力。

腓骨肌作為踝關(guān)節(jié)外翻的原動力，有學者研究發(fā)現(xiàn)，可以通過研究腓骨肌的潛伏期來幫助臨床醫(yī)師更好地認識造成關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的原因。腓骨肌潛伏期為從給予刺激開始，到產(chǎn)生動作之間所需要的時間。Fernandes 等在研究中表明，在突然外翻運動時，F(xiàn)AI 組與健康組的腓骨肌潛伏期之間沒有差異。Eechaute 等的實驗也表明，F(xiàn)AI 患者腓骨長肌的潛伏期和運動反應時間也沒有延遲。但之前有研究表明，腓骨肌的反應時間與人群類別息息相關(guān)，例如 Lofvenberg 等發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI 組同側(cè)腓骨肌的潛伏期明顯長于健康對照組。在踝關(guān)節(jié)處于不同內(nèi)翻角度著地時，患側(cè)遠端肌肉和近端肌肉的同側(cè)短潛伏期降低。這些差異可能不同程度地來自實驗方案、受試對象、實驗技術(shù)等多個方面，其關(guān)聯(lián)性也待進一步討論及研究。

三、小結(jié)與展望

目前，大多學者已在步行、跳躍、踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻、下肢離心運動等多個運動模式下對 FAI 進行了系統(tǒng)的闡述，綜合 sEMG 的數(shù)據(jù)分析得出，F(xiàn)AI 與下肢肌肉的激活情況密切相關(guān)。通過將 FAI 人群與健康人群在不同運動狀態(tài)下的步態(tài)及表面肌肉電生理進行對比，發(fā)現(xiàn) FAI 患者在不同狀態(tài)下的改變集中體現(xiàn)在腓骨長肌、腓骨短肌、脛骨前肌、腓腸肌等關(guān)鍵肌肉中，以及下肢關(guān)鍵肌肉的激活情況、肌肉的收縮強度和興奮時的持續(xù)時間，對維持姿勢的穩(wěn)定與保持自身的平衡協(xié)調(diào)功能具有重要意義。這些發(fā)現(xiàn)可以為 FAI 疾病的診斷、運動處方的制訂以及康復治療的效果提供更加直觀的依據(jù)。

反復的踝關(guān)節(jié)損傷可能由多種不同因素所致，分析肌肉運動時的協(xié)調(diào)及配合情況也需要收集更多的肌電數(shù)據(jù)，不僅局限于以往的肌肉震動幅度及預期激活時間等，所以還需要進一步完善臨床實驗研究。雖然 sEMG 有一系列的優(yōu)點，但仍存在信號不穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)延遲、測試時皮膚毛發(fā)產(chǎn)生電阻等技術(shù)問題，需要在制訂研究方案時采用相應的方法加強和完善，使數(shù)據(jù)結(jié)果更加的具有說服力。