自制踝关节平衡装置对步行时肌电活动的影响*

时潇，谢地，亓建洪，李晓铭，刘海斌，毕懿康，张琳琳，武美彤

(泰山医学院 运动医学与康复学院，山东 泰安 271000)

1 引 言

踝关节外侧扭伤(lateral ankle sprain,LAS)不仅在体育竞技中经常发生，在休闲运动中也较为常见[1]。据文献报道这种损伤的发病率大约为73%[2]，占折磨运动员伤病的15%～45%。尤其是在需要跳跃、落地或急剧变换方向的体育运动中尤为常见[3]。踝关节扭伤危害极大，严重者可致无法正常行走。较高的发生率和复发率以及由此导致的长期运动功能下降使踝关节扭伤受到很大关注[4]。损伤后的踝关节稳定性下降，行走时会出现异常步态[5]。此外, 10%～40%的踝关节扭伤,以后可能会发展成为慢性踝关节不稳(chronic ankle instability, CAI)[6]。长期跖屈翻转力造成的踝关节不稳，会造成踝关节进一步的损伤[7]。

踝关节内翻多发生在关节意外受力的情况下，导致外侧韧带的拉伤或断裂[8]。当踝关节突然内翻时，腓骨肌首先收缩。就像Hertel[9]强调的那样，踝关节内翻时腓骨肌肌电图振幅的增加也许是评定踝关节恢复其机械稳定性的一个很好的指标。腓骨肌的功能改善可以预防LAS[10]。先前的研究建议康复方案应该把重心放在踝关节周围肌肉收缩控制能力的训练上[6]。因此，一种在步行中能应用的符合常规运动模式的装置在踝关节外侧扭伤后的康复训练中应该是有用的。我们设计和制造了一种新型的踝关节平衡装置(专利号ZL 2014 10770491.8)并且评估了步行时其对踝关节周围肌肉肌电活动的影响。我们假定这种装置在步行中的应用将增加踝关节外翻肌的肌电图振幅。

2 资料和方法

2.1 研究对象

16名身体健康的志愿者(年龄22.4±2.3岁；体重58.1±7.2 kg;身高167.5±10.6 cm)参加了这项研究。当效果量超过0.80时，对每个差异性分析的统计效能不少于0.65。一项采用G*Power分析的先前研究表明在效果量为0.80，P为0.05时要获得0.75的统计效能需要至少10名试验对象的样本量。本研究志愿者的筛选标准为：所选实验对象均无肌肉和神经系统疾病，无视觉和前庭功能障碍，无影响运动功能的全身性疾病。实验前，清楚告知受试者本实验的目的及过程，所有受试者签署知情同意书，自愿参与实验。

2.2 测试方法

2.2.1踝关节平衡装置 我们制造了一种新型的踝关节平衡装置(见图1)。其主要组成部分为20 mm厚的木制底盘、三个相同大小的木球和固定带。旋转轴偏离木制底盘矢状面内侧16 °，沿着旋转轴两个木球分装安装在木制底盘下跟骨结节和第一跖骨头的位置，构成失衡状态。另外，踝关节平衡装置的内外翻可被底盘下位于第五跖骨头位置的一个相同大小的木球制动，使之处于制动状态。在失衡状态下，踝关节平衡装置的外翻和内翻活动范围分别为0～5°、0～30 °。受试者双脚装配踝关节平衡装置被迫踝内翻、背屈步行。

2.2.2肌电测试 测试前，剃除左侧小腿的体毛，用细砂纸将肌腹轻微打磨后，再用酒精棉球清洗和去除皮肤表面的油脂。表面电极的间距为3 cm,分别置于左腿的胫骨前肌(the tibialis anterior,TA)、腓骨长肌(the peroneus longus, PL)、腓肠肌外侧(the gastrocnemius lateral ,GL)、腓肠肌内侧(the gastrocnemius medial, GM)和胫骨后肌(the tibialis posterior, TP)。电极设置完毕后进行零点检查，并晃动导线和敲击电极进行噪音检查。

图1 踝关节平衡装置 A.制动状态，B.失衡状态

Fig1AnklestabilizationdeviceA.brakingstate，B.illustrationofdestabilizationinducedbythedevice

图2肌电图的测定。表面电极放置在左腿的胫骨前肌、腓骨长肌、胫骨后肌、腓肠肌外侧和内侧

Fig2Themeasurementofelectromyography.Thesurfaceelectrodesareplacedonthetibialisanterior,theperoneuslongus,thetibialisposterior,thegastrocnemiusmedialandthegatrocnemiuslateraloftheleftleg

应用表面肌电测试系统(desktop DTS,美国NORAXON公司)对受试者步行过程中踝关节周围肌肉的肌电图及相关指标进行采集与处理。在步行肌电测试之前，我们对所有受试者进行了5 s踝关节周围肌肉最大等长收缩(maximal isometric voluntary contraction,MVC)时肌电图RMS的测试。振幅最强的3 s间的RMS被作为MVC时的RMS。受试者装配装置做适应性活动后进行步行试验。随机在踝关节失衡和制动两种条件下各行走6步。每种条件共进行5次试验。我们用一台摄像机记录了受试者的步行并据此判断步行中的支撑相和摆动相。支撑相和摆动相的肌电图RMS用占各肌MVC时的RMS的百分比表示。

2.2.3统计学分析 所有统计分析都应用SPSS20.0软件完成。计算支撑相和摆动相的各肌肉肌电图RMS的平均值及标准偏差并采用配对t检验比较各肌肉(TA，PL，GL，GM，TP)在失衡和制动两种条件下的平均肌电图RMS。当P≤0.05差异具有统计学意义。

3 结果

受试者装配踝关节平衡装置步行，失衡状态下踝关节周围肌肉肌电图RMS增加。显示为支撑相在失衡状态下TA的肌电图RMS为64.5%±20.2%，制动状态下为30.6%±14.5%；PL的肌电图RMS为90.2%±39.1%和40.3%±18.2%；GM的肌电图RMS为75.1%±23.5%和60.3%±24.6%；GL的肌电图RMS为47.1%±20.1%和41.3%±18.2%；TP的肌电图RMS为100.9%±31.2%和81.4%±32.5%。TA和PL的肌电图RMS在踝关节平衡装置失衡和制动之间有统计学意义(P<0.05)，见表1。

摆动相在失衡状态下TA的肌电图RMS为34.4%±13.1%，制动状态下为23.2%±7.8%；PL的肌电图RMS为48.3%±17.4%和33.5%±10.9%；GM的肌电图RMS为54.7%±28.5%和27.3%±14.2%；GL的肌电图RMS为38.9%±20.1%和19.5%±8.1%；TP的肌电图RMS为40.3%±22.8%和20.5%±5.6%，见表2。

表1支撑相

Table 1 Stance phase

表2摆动相

Table 2 Swing phase

4 讨论

踝关节扭伤已经被确认为一种常见的肌肉骨骼损伤。复发率较高，大概在10%～30%之间[11]。也有文献报道复发率可达 40%～70%[12]。踝关节扭伤是导致运动员长时间缺席赛程活动的常见原因，扭伤后的踝关节稳定性下降，本体感觉异常，踝周肌肉力量下降，行走时出现异常步态。

这项研究的目的是评估装配自制踝关节平衡装置步行时的肌电活动。表面肌电图[13](surface electromyography, SEMG)是一种非创伤性检查方法，可反应肌肉的功能情况和活动状态，操作简单，避免了以往操作受限的弊端。从绝大多数研究报道结果来看，RMS值是反映放电的有效值，其大小值的变化，一般认为与运动单位的募集和兴奋节律的同步化有关[13-15]。振幅的不同代表参与肌肉收缩的肌纤维的数量不同。我们假设自制踝关节平衡装置可增加步行时踝关节外翻肌的肌电活动。结果表明装配踝关节平衡装置后增加了步行时支撑相和摆动相踝关节周围肌肉的肌电活动，尤其是步行支撑相TA和PL的肌电图RMS。步行中TA和PL发挥抵抗踝关节内翻的作用[16]，神经肌肉控制能力衰减会导致LAS的复发[2,17]， 而TA和PL的功能增强可以稳定踝关节并抵抗踝关节内翻，提高踝关节的稳定性，从而降低踝关节损伤的发生率。本实验的结果显示了平衡装置对不同肌肉训练效果的特异性。

踝关节平衡装置也可以解释观察到的GL、GM和TP较高的肌电图RMS。在步行周期的支撑相和摆动相，踝关节平衡装置没有给脚足够的支持。当穿踝关节平衡装置时，受试者被迫以背伸位步行，增加了TP向心和GL、GM离心性收缩时的肌电活动量。此外，由于该装置自身有一定的重量，在摆动相受试者就相当于承受负荷步行。因此，踝关节平衡装置在步行中的应用还可发挥一定的肌力训练作用。

总之，结果显示踝关节平衡装置对LAS的康复治疗有潜在的好处。使用该装置会对PL和TA进行特定的肌肉力量训练。本装置不仅可以预防普通人、运动爱好者和高水平运动员的踝关节损伤，还可以用于损伤后的康复训练，大大降低其复发率。现阶段对于踝关节损伤，医院的治疗方式较为有限，大多采用弹力带、平衡板、手法康复等方法。该装置轻便、实用，在步行时即可使用，可改善踝关节周围的肌肉力量，特别是PL和TA。为社区康复诊所、医院康复科提供科学有效的训练方法及设备，以促进开展踝关节不稳及踝关节损伤者的康复、保健及预防工作。本研究的一个缺陷是步行时装配该踝关节平衡装置进行步行评估的仅仅是健康的青年受试者。在一个患有CAI的群体中评估这种装置的作用可能更有意义。将来的研究将评估装配这种装置训练后的LAS发生率，并评估更多动态功能条件下如跳跃和跑步时的肌电图RMS。