机械性踝关节不稳与功能性踝关节不稳患者肌肉激活时间差异比较

李宏云郑洁皎华英汇张健陈世益

1复旦大学附属华山医院运动医学与关节镜外科，复旦大学运动医学中心（上海 200040）2复旦大学附属华东医院康复科

机械性踝关节不稳与功能性踝关节不稳患者肌肉激活时间差异比较

李宏云1郑洁皎2华英汇1张健1陈世益1

1复旦大学附属华山医院运动医学与关节镜外科，复旦大学运动医学中心（上海 200040）2复旦大学附属华东医院康复科

目的：了解机械性踝关节不稳患者与功能性踝关节不稳患者的腓骨长肌与胫前肌激活时间方面是否存在差异。方法：36名测试对象纳入研究，其中机械性踝关节不稳患者12例，功能性踝关节不稳患者12例，正常对照人群12例。每例受试者在行走过程中模拟内翻动作时接受表面肌电测试，计算并比较各组踝关节腓骨长肌和胫前肌激活时间的差异。各组之间的测试结果进行单因素方差分析统计检验。结果：与正常对照人群相比，机械性与功能性踝关节不稳患者患侧踝关节腓骨长肌与胫前肌激活时间明显延长。机械性与功能性踝关节不稳患者患侧踝关节肌肉激活时间无明显差异。在组内比较时，机械性与功能性踝关节不稳患者患侧踝关节肌肉激活时间均较对侧明显延长。结论：机械性踝关节不稳与功能性踝关节不稳患者均存在腓骨长肌与胫前肌激活时间延长的缺陷，两者之间无明显差异。

慢性踝关节不稳；机械性不稳；功能性不稳；肌肉激活时间

踝关节扭伤是最常见的运动损伤之一，其中20%的患者可能残留有慢性踝关节不稳的症状[1，2]。Freeman[3]将慢性踝关节不稳（Chronic Ankle Instability，CAI）分为功能性踝关节不稳（Functional Ankle Instability，FAI）与机械性踝关节不稳（Mechanical Ankle Instability，MAI），他认为前者无明显韧带损伤或松弛，主要存在的问题是神经肌肉功能缺陷，包括肌力不足、本体感觉缺失、肌肉激活延迟以及平衡控制能力不足等。与之相反，MAI存在显著的踝关节外侧副韧带损伤，前抽屉试验以及应力位X线片均为阳性，同时可能伴有其他关节内的病理变化[4]。

在正常情况下，当踝关节面临内翻扭伤风险时，腓骨肌能够及时激活，产生主动收缩，对抗踝关节内翻，从而防止扭伤的发生。但在CAI患者中，腓骨肌运动单元的激活发生延迟，从而可能使其肌肉收缩延后，外翻作用产生不足，不能及时抵抗踝关节内翻，从而导致反复发生扭伤[4，5]。但是，以往对于腓骨肌激活延迟的研究大都集中于FAI患者，而较少关注MAI患者。实际上，MAI患者也可能存在不同程度的神经肌肉功能缺陷，从而导致踝关节反复扭伤。对于临床医生来说，将不同类型的患者进行系统区分，了解并明确他们所存在的神经肌肉功能缺陷，并针对性地进行干预治疗是非常重要的[6]。

本研究将受试者分为正常对照组、FAI组以及MAI组，检测并比较三组之间腓骨长肌（peroneus longus muscle，PL）与胫前肌（tibialis anterior muscle，TA）在受到模拟内翻刺激时激活时间的差异，为个体化治疗方案的设定提供科学依据。

1 对象与方法

1.1 实验对象选择

MAI受试者共12例。入选标准如下[7]：1）踝关节反复扭伤3次以上；2）在不平的路面上行走有主观不稳感；3）体检显示前抽屉试验阳性；4）B超和MRI显示距腓前韧带（Anterior talofibular ligament，ATFL）撕裂，伴或不伴跟腓韧带（calcaneofibulare ligament，CFL）损伤；5）MRI显示未见明显踝关节骨软骨损伤。

排除标准如下：1）之前有踝关节或同侧下肢其它关节手术史；2）存在踝关节周围其它关节或骨骼的畸形如扁平足等；3）既往踝关节骨折史。

FAI受试者共12例。入选标准如下[7]：1）踝关节反复扭伤3次以上；2）在不平的路面上行走有主观不稳感；3）体检显示前抽屉试验阴性；4）B超和MRI显示ATFL、CFL完好；5）MRI显示未见明显踝关节骨软骨损伤；6）符合踝关节不稳评分量表（Ankle Instability Instrument，AII）[8]的评分要求。

排除标准同上。

正常对照人群12例，入选人群无踝关节扭伤史，也无踝关节疼痛、不稳等症状。正常对照人群排除标准与踝关节不稳人群排除标准相同。

1.2 测试方法

1.2.1 踝关节突发内翻状态模拟

受试者在自制的跑道上进行测试。该跑道长8.5m，左右两部分分别有4个活板装置，可在电脑遥控设置下使其中任意一块活板向外侧翻转30°。当患者踏上翻转的活板后，活板可外翻30°，能够模拟踝关节内翻扭伤的发生，并激发表面肌电的信号采集。在跑道两侧分别设有扶手，跑道中央还设有防滑地垫，受试者在跑道上行走时可握住扶手，以免跑道突然内翻发生意外（图1）。

图1 受试者在自制的跑道上进行测试

受试者来回行走6次进行热身后，开始正式测试。受试者双足分别位于跑道左右两部分，每行走一步均位于踏板中央位置。双眼直视前方，按中等步速（12米/秒）来回匀速行走于跑道两端，共计行走48个来回。测试人员通过电脑程序控制，随机在其中12个来回中进行跑道翻转（6次跑道左半部翻转，6次跑道右半部翻转）。

1.2.2 表面肌电信号采集

测试前用一次性刮毛刀将患者肌电电极放置部位体毛刮干净，之后用75%医用酒精进行擦拭。表面肌电电极在双侧下肢同时放置，分别放置在腓骨小头远端4 cm处以及腓骨中近段1/3，两电极平行于PL纤维走行方向，间距2 cm；参照电极放置于同侧肢体胫骨结节处。全程采用美国Norxon公司的表面肌电信号采集系统（TeleMyo 2400 T G2，Noraxon，Scottsdale，AZ，USA）采集受试者行走中的PL及TA的肌电信号。踏板下方有信号传递装置，在踏板下降时可激活该信号装置，将踏板开始下降的时间点记录并同步传输至电脑，另外

设置有摄像头将患者行走视频进行记录并传输至电脑，与表面肌电信号采集系统进行整合，从而计算出在受到踝关节突发内翻刺激状况下PL及TA的激活时间。

原始数据在10到500 Hz之间进行滤过，采样频率为1500 Hz，共模抑制比为110 dB，放大器输入阻抗为1.0 M。EMG信号进行全波整流、柔化、除噪、叠加等处理，root-mean-square为100 ms移动窗。肌肉激活时间的定义为肌肉在受到突发刺激后被激活所需要的反应时间。由于正常肌电信号会存在一些干扰信号，为避免误将干扰信号认为肌肉激活信号，本研究软件默认将激活点定义为在肌电信号抬起幅度之前100 ms内基线值的3倍标准差（Standard Deviation，SD）。在本研究中，肌肉激活时间是指踏板开始下降到肌肉开始被激活，出现动作电位的时间间隔（图2）。所有肌电信号传入电脑后，由软件（MR-XP Master 1.07；Noraxon，Scottsdale，AZ，USA）进行自动分析并得出相关数据。

图2 经过全波整流、柔化、除噪、叠加等处理后的肌电图信号图

1.3 统计学分析

采用α priori power分析计算各组所需最小样本量。在检验效能为0.6，α为0.05，Power（1–β)为0.8的条件下，每组最少需要10例样本。本研究每组选取12例受试者可满足样本量的要求。考虑到在正常人群中踝关节扭伤的发生率并无“优势侧”与“非优势侧”的差别，因此在对照组，我们随机将左右侧踝关节分为“患侧”和“健康侧”踝关节。各项数据采用均数±标准差（±s）进行描述。所有数据被输入SPSS 19.0（IBM Corporation，Armonk，New York，USA）进行分析。将三组的测试结果进行单因素方差分析（性别比较采用卡方检验），两组间比较采用Bonferroni法t检验。组内比较采用配对样本t检验。以P＜0.05具有统计学意义，P＜0.01具有高度统计学意义。

2 结果

2.1 三组受试者一般情况比较

三组受试者在性别、年龄、身高、体重的方面无明显差异（表1），一般情况匹配良好。

表1 三组受试者一般情况比较（±s）

表1 三组受试者一般情况比较（±s）

MAI：机械性踝关节不稳；FAI：功能性踝关节不稳

MAI组(n=12)男/女 10/2 9/3 9/3年龄(岁) 29 – 6 31 – 6 32 – 7身高(cm) 173 – 6 169 – 7 173 – 8体重(kg) 68 – 11 68 – 9 71 – 14正常组(n=12) FAI组(n=12)

2.2 三组受试者在模拟内翻状态下PL和TA肌肉激活时间比较

在行走时突发内翻状态下，MAI与FAI患者患侧踝关节PL与TA肌肉激活时间与正常对照人群相比明显延长，差异具有统计学意义（表2）。MAI与FAI患者之间患侧踝关节PL与TA肌肉激活时间无明显差异（表2）。

在组内比较时，MAI与FAI患者患侧踝关节PL与TA肌肉激活时间均较对侧明显延长，差异具有统计学意义（表2）。正常人群双侧踝关节PL与TA肌肉激活时间未见明显差异（表2）。

表2 三组受试者腓骨长肌与胫前肌肌肉激活时间比较（s，s）

表2 三组受试者腓骨长肌与胫前肌肌肉激活时间比较（s，s）

*：P＜0.05，与正常组比较；#：P＜0.01，与正常组比较；&：P＜0.05，与对侧比较；§：P＜0.01，与对侧比较。MAI：机械性踝关节不稳；FAI：功能性踝关节不稳。PL：腓骨长肌；TA：胫前肌

正常组 FAI组 MAI组受伤侧 PL 0.0593 – 0.0168 0.1064 – 0.02881#§0.1184 – 0.03969#§TA 0.0712 – 0.01996 0.1116 – 0.04569*&0.1254 – 0.04176#&对侧 PL 0.0654 – 0.02231 0.0598 – 0.02449 0.0667 – 0.0303 TA 0.0700 – 0.02598 0.0782 – 0.02408 0.0792 – 0.03635

3 讨论

有作者认为感觉运动神经功能缺陷是导致功能性踝关节不稳患者反复发生扭伤的重要原因。而踝关节周围的肌肉激活时间是评估感觉运动神经功能的一项重要指标[9]。PL是限制踝关节内翻及提供后足外翻最重要的肌肉，当面临突发性内翻刺激时，PL是首先收缩的肌肉，因此，它对踝关节的动力稳定起重要作用[10]。TA作为PL的拮抗肌，可限制突发性的踝关节跖屈，保护踝关节不受伤害[11]。以往的研究往往单独或联合研究这两块肌肉的激活时间[12-15]，来整体评估踝关节不稳患者的功能神经肌肉缺陷情况。

虽然腓骨肌激活延迟被认为在控制踝关节稳定中占据重要地位，但目前关于腓骨肌延迟激活影响机制的研究仍相对较少，同时对其具体调节机制也尚未明确。以往对于CAI患者中腓骨肌激活延迟的研究结果往往也相互矛盾，无法得出一致结论[12，13，16-20]。造成这一现象的一个重要原因在于入选标准不一致。CAI病理情况比较复杂，患者可以不伴有韧带损伤，也可以是单一的ATFL损伤，更可以是ATFL和CFL同时损伤。按照有无软组织结构的松弛可以分为FAI和MAI。以往的诊断方法如病史、体检或问卷评分等不足以精确地分辨CAI类型，使研究对象容易混淆，不能确保研究对象的同一性，进而影响研究的结果。本研究中除了采用病史、体检及问卷评分等方法外，还使用超声和MRI来诊断踝关节外侧副韧带损伤，使我们能够对踝关节外侧副韧带损伤进行分型，筛选不同病理的CAI患者进行研究，保证研究对象的同一性，为我们进行CAI中腓骨肌延迟激活的研究提供了基础。另外，针对CAI患者肌肉激活时间的测量方法也还没有统一的标准。以往的大部分研究主要是在患者站立位时利用自制内翻倾斜板和表面肌电图来测量踝关节周围肌肉的反应时间[13，15-18，20]。但实际上作为主要的动力性限制结构，这些肌肉主要在行走或跑步时收缩并发挥功能，踝关节扭伤也均在患者处于活动时发生，静止状态下并不会发生踝关节扭伤[12，19]。因此，在受试者站立时利用平板倾斜来模拟内翻状态所测量的结果并不可信。在本研究中，我们特地设计了运动跑台，当受试者在跑台上行走或奔跑时，可以在遥控下使跑道一侧翻转30°，从而能够更为精确地模拟行走时踝关节扭伤的发生，结果也更加符合真实的生理情况。

踝关节发生急性内翻扭伤后，很大一部分受伤的外侧副韧带及关节囊组织很快就可生成新生的胶原纤维组织，并重新进行塑形，恢复韧带及关节囊的完整性和张力[10]。但是，位于韧带及关节囊组织中一起损伤的本体感受器以及传入神经末梢的修复却相当困难，这也是FAI患者存在神经肌肉控制功能障碍的主要原因[10]。在这些患者中，即便韧带结构得到修复，其神经肌肉控制系统仍然无法恢复正常，仍然存在着踝关节动力性稳定机制异常，导致踝关节稳定性下降，反复发生扭伤。另外，在踝关节内翻时，肌肉、肌腱的长度和刚度的变化同样也可刺激其中的高尔基腱器和肌梭感受器将信号传入至中枢神经系统，进一步调节肌肉的反应。如果肌梭感受器发生损伤导致敏感性降低，或相关传入通路受损，也会导致肌肉在受到突发内翻刺激时激活时间延长[21]。Konradsen[22]和Myers[23]等利用局部麻醉的方法将关节囊及韧带中的本体感受器进行阻滞，但并未发现面对突发内翻扭伤时的肌肉反应时间延长，这表明存在于肌肉中的肌梭感受器对于肌肉激活时间的调控可能比韧带、关节囊中的本体感受器更加重要。Cordova[24]和Kernozek[25]等也发现，在佩戴支具与不佩戴支具的情况下，腓骨肌的肌肉激活时间并未发生改变，说明踝关节的机械稳定性可能与肌肉激活时间关系不大。这也能够解释为何我们的研究发现MAI患者虽然存在明显的踝关节松弛，但肌肉反应时间却与FAI患者无明显差异。

在我们的研究中还发现，MAI与FAI患者患侧肢体肌肉反应时间均较对侧正常肢体要长，这也与以往的研究结果相同[13]。

有研究证实，通过正规的肌力训练可通过提高肌肉前馈反射活性、增强肌梭敏感性来缩短肌肉的激活时间[26-28]，从而进一步降低踝关节扭伤的风险。根据我们的研究发现，MAI患者与FAI患者一样，也存在着明显的肌肉激活时间延长的现象。因此，我们认为，在

MAI患者中，除了存在明显的韧带结构损伤外，同样还存在神经肌肉功能缺陷，对于这些患者，不管其是否进行手术，也需要与FAI患者一样，接受正规的肌力及相关的训练，以尽可能消除肌肉激活时间方面的异常，改善其神经肌肉功能缺陷，降低踝关节再次扭伤的风险。

4 总结

机械性踝关节不稳与功能性踝关节不稳患者均存在腓骨长肌与胫前肌激活时间延长的功能缺陷，两者之间无明显差异。

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The Reaction Times of Peroneus Longus and Tibialis Anterior in Patients with Functional Ankle Instability and Mechanical Ankle Instability

Li Hongyun1，Zheng Jiejiao2，Hua Yinghui1，Zhang Jian1，Chen Shiyi1
1 Sports Medicine Center of Fudan University，Department of Sports Medicine and Arthroscopy Surgery of Fudan University Huashan Hospital，Shanghai，China 20040 2 Department of Rehabilitation Medicine，Fudan University Huadong Hospital，Shanghai，China 200040 Corresponding Author：Hua Yinghui，Email：hua_cosm@aliyun.com

Objective The purpose of this study is to investigate whether there is any difference in reaction time of the peroneus longus and tibialis anterior between patients with mechanical ankle instability（MAI）and functional ankle instability（FAI）.Methods This study included 12 MAI patients（MAI group），12 FAI patients（FAI group）and 12 healthy persons（control group）.The surface electromyograms of the subjects were measured during simulating ankle varus walking，and thus the reaction times（RT）of peroneus longus and tibialis anterior were calculated.The RT were compared among the three groups with one-way ANOVA. Results The RT of the tibialis anterior and peroneal longus in MAI and FAI groups delayed significantly as compared with the control group.There was no significant difference in the RT between the MAI and FAI groups，while significant difference was found between ankle unstable and stable sides in the two groups. Conclusions Patients with both functional ankle instability and mechanical ankle instability suffered from the same prolonged reaction times of the tibialis anterior and peroneal longus when simulating ankle varus walking.

chronic ankle instability，functional ankle instability，mechanical ankle instability，muscle reaction time

2016.01.11

国家自然科学基金（NSFC81101391）资助

华英汇，Email：hua_cosm@aliyun.com