鞋帮高度对踝关节不稳者侧切动作下肢生物力学特征的影响

周志鹏 郑亮亮 孙萌梓 张方同 杨辰 曲峰

1 山东体育学院（济南250101）

2 北京体育大学（北京100084）

3 南京体育学院（南京210014）

踝关节扭伤是日常生活和体育运动中最常见损伤，虽然其疼痛和肿胀等症状可较快恢复，但仍有高达70%的患者会留下各种后遗症并发展为慢性踝关节不稳（chronic ankle instability，CAI）[1，2]。CAI 有踝关节本体感觉下降、肌力减退、平衡和姿势控制异常等症状[3]。CAI 引起的神经肌肉功能改变不仅会影响踝关节，导致运动时踝关节稳定性下降和再次扭伤的风险增加[1-3]，同时也可能影响下肢动力链的其他环节（如膝关节）。研究指出，CAI 患者在落地时较正常者有较小的屈膝角[4，5]及较大的水平向后和垂直地面反作用力[6]，从而可能增大前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）的损伤风险。但上述研究均采用双脚[5]或单脚[4，6]跳跃落地动作进行评价，CAI是否可对变向侧切等其他ACL致伤高风险动作时的下肢生物力学指标产生影响目前仍无定论。由于动作功能不同，变向侧切与跳跃落地在着地时下肢关节活动可能存在较大差异。如研究发现，45°侧切较跳跃落地有更小的屈膝角[7]和更大的垂直地面反作用力[8]。不同变向动作也可能存在差异，如45°侧切时屈膝缓冲幅度小于90°侧切[9]，最大垂直地面反作用力大于180°变向动作[8]。相较于跳跃落地动作而言，变向侧切是导致ACL 损伤风险更高的动作[10]。因此，为更好地制订伤病预防及康复策略，明确CAI 患者在不同变向侧切时的下肢生物力学特征及如何对ACL损伤风险产生影响具有重要意义。

穿着高帮球鞋是预防踝关节扭伤和降低CAI患者再次损伤的常用方法，但其也可能会影响膝关节的运动及增大ACL 损伤风险。研究指出，高帮球鞋有助于减少落地时踝关节内翻运动幅度，从而提供更好的侧向稳定性和降低踝关节扭伤风险[11-13]，但高帮球鞋也可能限制踝关节矢状面运动幅度[12，14]。踝关节矢状面运动受限可能导致落地时更小的屈膝角[15]及膝关节所受的负荷增加[16-18]，从而增加ACL 损伤风险。然而，目前有关穿着高、低帮球鞋对运动时下肢生物力学指标影响的研究对象均选用普通人群[11-14]。CAI 患者穿着不同鞋帮高度球鞋是否会影响踝关节的运动，并进一步影响膝关节活动及增大ACL损伤风险仍有待进一步研究。

本研究旨在对比CAI业余篮球运动员与健康对照组运动员穿着高、低帮篮球鞋进行篮球运动中常用的45°侧切和180°侧切动作时下肢生物力学特征。研究假设：（1）鞋帮高度可对下肢生物力学指标产生影响，CAI 组与健康对照组穿着高帮球鞋较低帮球鞋有更小的踝关节内翻和背屈运动幅度，并有更小的膝关节屈角、更大的水平向后和垂直地面反作用力。（2）不同侧切动作可对下肢生物力学指标产生影响，CAI组与健康对照组在45°侧切时较180°侧切有更小的膝关节屈角、更大的水平向后和垂直地面反作用力。（3）CAI 可对侧切动作下肢生物力学指标产生影响，CAI组较健康对照组有更小的膝关节屈角、更大的水平向后和垂直地面反作用力。

1 方法

1.1 研究对象

选取26名男性业余篮球爱好者作为测试对象（表1），其中单侧CAI组13人，健康对照组13人。CAI纳入标准[3，5，19]：至少1次以上严重踝关节扭伤，扭伤发生时间至少在6个月以上，出现疼痛和肿胀等症状，不能正常参加活动至少1 天以上；踝关节发生“失控”（giving way）或不稳感觉2次及以上；坎伯兰踝关节不稳量表[20]（Cumberland Ankle Instability Tool，CAIT）得分<24分。健康对照组的选取依据CAI组的年龄、身高、体重和篮球运动年限等进行匹配，其中身高相差不大于5 cm，体重相差不大于5 kg，CAIT 得分大于24分。所有受试者均要求无ACL 损伤史，且测试前6 个月内无下肢损伤史，无下肢骨折和手术史。所有受试者在告知实验测试流程后签署知情同意书。

表1 测试对象基本信息

1.2 实验方案

1.2.1 测试用鞋

选取国内知名运动品牌公司生产的专项篮球鞋，同一号码球鞋除鞋帮高度差约4 cm 及单只球鞋质量差约30 g之外，鞋底花纹、大底、中底、鞋垫等其他设计均相同（图1）。

图1 高、低帮测试篮球鞋（左侧为高帮，右侧为低帮）

1.2.2 测试方案

实验中CAI 组以患侧下肢作为测试腿，健康对照组则选择匹配侧下肢进行测试。受试者测试时要求穿着紧身短裤，由一名测试人员向受试者讲解测试动作及注意事项，待充分热身及熟悉测试动作后，在身上粘贴27 个反光标志点（粘贴位置为髂后上棘中点、左/右髂前上棘点、左/右股骨外侧髁点、左/右股骨内侧髁点、左/右外踝点、左/右内踝点、左/右足跟点、左/右足尖点、左/右大腿各3个追踪点和左/右小腿各3个追踪点）。

正式测试时要求受试者分别在穿着高、低帮篮球鞋下随机完成45°侧切和180°侧切各3 次成功的测试动作（图2）。45°侧切动作要求受试者从测力台前5米处全力加速跑至测力台，以测试腿踏在测力台上完成支撑，再迅速向对侧45°侧切变向跑离测力台，要求跑出至少3 步后再减速缓冲结束。180°侧切动作要求受试者从测力台侧方5 米处全力侧滑步加速至测力台，以测试腿踏在测力台上完成支撑，再迅速反方向180°蹬离测力台，要求至少3 步后再减速缓冲结束。为避免疲劳影响，每次测试之间要求休息至少1 min。

图2 45°侧切动作（左）和180°侧切动作（右）测试

1.3 数据采集

所有标志点的运动学数据采集通过8镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，USA）完成，采样频率设为200 Hz。地面反作用力数据采集通过三维测力台（Kistler 9281 CA，Switzerland）完成，采样频率设为1000 Hz。运动学和动力学数据均通过Cortex 2.6 软件（Motion Analysis Corp，USA）同步采集。

1.4 数据处理

所有标志点的三维坐标采用4阶巴特沃斯低通滤波法进行平滑处理，截断频率为13 Hz[21]，地面反作用力数据不进行平滑。下肢关节中心和环节坐标系的建立依据前人研究[22，23]，髋关节中心通过髂后上棘和两侧髂前上棘点计算获取，膝关节中心为股骨内外侧髁连线中点，踝关节中心为内外踝连线中点。采用欧拉角的方法[23]计算下肢三维角度，其中膝关节角度定义为小腿坐标系相对于大腿坐标系之间的欧拉角，踝关节角度定义为足部坐标系相对于小腿坐标系之间的欧拉角，第1 次转动围绕x 轴（膝关节伸为正，屈为负；踝关节背屈为正，跖屈为负），第2 次转动围绕y 轴（内翻为正，外翻为负），第3次转动围绕z轴（内旋为正，外旋为负）。运动生物力学指标的选取依据以往文献确定[24-28]，包括：水平向后地面反作用力首次峰值、垂直地面反作用力首次峰值、最大垂直地面反作用力，水平向后地面反作用力首次峰值时刻膝关节屈角、踝关节跖屈背屈角和踝关节内翻角，及缓冲阶段膝关节屈曲运动幅度、踝关节背屈运动幅度和踝关节内翻运动幅度等。地面反作用力指标采用受试者体重（body weight，BW）进行标准化。支撑阶段定义为测试腿首次踏上测力台时刻（垂直地面反作用力≥10 N）至离地时刻（垂直地面反作用力<10 N）。所有数据处理通过Visual 3D 6.0 软 件（C-Motion Inc.，Germantown，USA）完成。

1.5 数据分析

采用混合设计方差分析确定组别（CAI组和健康对照组）、球鞋（高帮和低帮）和动作（45°侧切和180°侧切）对各项运动生物力学指标的影响。自变量中的组别为组间变量，球鞋和动作为组内变量，因变量为各项运动生物力学测试指标。如主效应存在交互作用，则采用简单效应分析来确定各自变量对各项因变量指标的影响。统计学显著性水平定为一类误差概率小于0.05，所有统计分析采用SPSS 24.0（IBM，Armonk，USA）完成。

2 结果

组别、球鞋和动作这3 个因素在地面反作用力测试指标（图3）、水平向后地面反作用力首次峰值时刻膝关节屈角、踝关节跖屈背屈角和踝关节内翻角（图4）及踝关节内翻运动幅度（图5）等指标上不存在交互作用（P>0.05）。球鞋与动作这两个因素在膝关节屈曲运动幅度（P=0.010）和踝关节背屈运动幅度（P=0.001）（图5）上存在交互作用，对这两项指标采用了简单效应分析。

图3 地面反作用力各项测试指标比较

2.1 穿着高、低帮球鞋时下肢生物力学测试指标结果对比

穿着高帮球鞋在45°侧切和180°侧切时最大垂直地面反作用力（P=0.039）大于低帮（图3），踝关节内翻运动幅度（P=0.027）小于低帮（图5）；同时，穿着高帮球鞋在180°侧切时膝关节屈曲运动幅度（P=0.039）和踝关节背屈运动幅度（P=0.008）均小于低帮（图5），其他指标高、低帮球鞋之间无差异（P>0.05）。

2.2 不同侧切动作下肢生物力学测试指标结果对比

无论穿着高帮或低帮球鞋，45°侧切时水平向后地面反作用力首次峰值（P<0.001）、垂直地面反作用力首次峰值（P<0.001）和最大垂直地面反作用力（P<0.001）均大于180°侧切（图3），水平向后地面反作用力首次峰值时刻膝关节屈角（P=0.001）、踝关节跖屈背屈角（P<0.001）（图4）以及膝关节屈曲运动幅度（P<0.001）和踝关节内翻运动幅度（P<0.001）（图5）均小于180°侧切，其他指标不同动作之间无差异（P>0.05）。

图4 水平向后地面反作用力首次峰值时刻膝关节屈角、踝关节跖屈背屈角和踝关节内翻角测试指标比较

图5 膝关节屈曲、踝关节背屈和踝关节内翻运动幅度测试指标比较

2.3 踝关节不稳者与健康对照者下肢生物力学测试指标结果对比

CAI组与健康对照组无论穿着高、低帮球鞋及在不同侧切动作时下肢生物力学各项测试指标上均无差异（P>0.05）。

3 讨论

本研究结果部分支持鞋帮高度可对CAI患者与健康对照组进行侧切动作时下肢生物力学指标产生影响的研究假设。本研究发现，CAI患者与健康对照组穿着高帮球鞋进行45°侧切和180°侧切时最大垂直地面反作用力大于低帮。研究表明，着地时存在较大的垂直地面反作用力可能诱发更大的股四头肌收缩和胫骨近端前向剪切力，从而增大ACL 所受的负荷和损伤风险[29，30]。穿着高帮球鞋时存在较大的垂直地面反作用力可能与下肢关节活动改变有关。本研究结果显示，穿着高帮球鞋在180°侧切时存在较大的最大垂直地面反作用力，可能与运动时较小的膝关节屈曲运动幅度及较小的踝关节内翻运动幅度和背屈运动幅度有关；而穿着高帮球鞋在45°侧切时存在较大的垂直地面反作用力则主要与较小的踝关节内翻运动幅度有关，这可能与45°侧切时膝关节运动幅度相对较小有关。有研究指出，当膝关节屈曲角较小时，股四头肌的力臂相对较大，其收缩时可对胫骨产生更大的前向剪切力及增加ACL所受的负荷[31]。而落地时屈膝角度的增加则有助于减小地面反作用力，从而有助于减小膝关节所受负荷及ACL 损伤风险[32]。此外，踝关节运动的改变也可能对膝关节活动及垂直地面反作用力造成影响。有研究发现，穿着高帮球鞋虽可提供更好的踝关节侧向稳定性和降低扭伤风险[11-13]，但高帮球鞋也可能限制踝关节矢状面运动幅度[12，14]。踝关节矢状面运动受到限制可能会导致运动时存在较小的屈膝角[15]，并增大垂直地面反作用力[13]。因此，综合以往研究和本研究结果可知，穿着高帮球鞋进行侧切动作时ACL 损伤风险可能大于低帮。

本研究结果部分支持不同侧切动作可对CAI组与健康对照组下肢生物力学指标产生影响的研究假设。本研究发现，45°侧切动作地面反作用力各项指标均大于180°侧切，水平向后地面反作用力首次峰值时刻膝关节屈角和踝关节趾屈角、膝关节屈曲和踝关节内翻运动幅度均小于180°侧切。以往类似研究也发现，45°侧切动作屈膝缓冲幅度小于90°侧切[9]，最大垂直地面反作用力大于180°变向动作[8]。45°侧切与180°侧切这两个动作地面反作用力各项指标存在差异可能与动作技术特点不同有关。在篮球运动中，45°侧切主要用于进攻，力求快速变向来摆脱防守，从而获得更有利的位置；180°侧切（侧滑步）则更多用于防守，要求降低身体重心获取有效的防守姿势。因此，180°侧切时往往要求更大的屈膝缓冲和踝关节活动幅度。而增大屈膝角和屈膝缓冲幅度有助于减小着地时地面冲击力，从而有助于降低关节所受负荷及减少ACL的损伤风险[25，26，33]。因此，综合以往研究和本研究结果可知，45°侧切动作ACL损伤风险可能大于180°侧切。

本研究结果不支持CAI可对侧切动作时下肢生物力学指标产生影响的研究假设。有研究表明，CAI可能导致踝关节肌力、本体感觉和神经肌肉控制能力等功能下降[1-3]，从而导致跳跃落地时动态稳定性下降和再次扭伤风险增大[4，34]。此外，CAI 也可能对下肢关节的活动造成影响，如导致跳跃落地时存在较大的踝关节内翻运动幅度和较小的踝关节背屈运动幅度[6]，并可导致落地存在较小的屈膝角[4，5]、较大的水平向后地面反作用力和垂直地面反作用力[6]。但也有研究显示，CAI患者在运动时的踝关节额状面[35]和矢状面[34，35]运动幅度、膝关节屈曲角[36]和地面反作用力[35]等指标与健康对照组均无差异。上述结果存在差异的原因可能与不同研究采用的测试动作不同有关。以往研究大多采用双脚[5]或单脚[4，6，34，36]跳跃落地动作，本研究则采用侧切变向动作。由于动作功能不同，跳跃落地和侧切变向在着地时下肢动作模式可能存在较大差异[7-9]。相较于跳跃落地，侧切变向动作着地时可能对下肢非矢状面活动的要求更高。本研究结果也与以往类似研究相一致，以往研究也发现CAI 组与健康对照组在变向侧切着地早期的踝关节跖屈背屈和内翻角、膝关节屈曲角及地面反作用力等指标上均无差异[35]。因此，综合以往研究和本研究结果可知，CAI组与健康对照组在进行侧切变向时ACL损伤风险可能并无差异。

本研究虽未发现CAI患者与健康对照组在进行侧切变向时膝关节与踝关节等生物力学指标存在差异，但这并不代表踝关节不稳者的神经肌肉控制能力未受到伤病影响。以往研究表明，CAI不仅会影响踝关节周围肌群的神经肌肉活动（如腓骨长肌预激活水平下降等[6]），还可能对膝关节周围肌肉活动产生影响，如增大着地时股四头肌/腘绳肌共激活水平[37]，从而导致ACL损伤风险有所增加[38]。因此，建议后续研究中纳入肌电学指标测试，以便更全面地了解CAI 患者运动时下肢相关肌群的神经肌肉活动特征，从而为理解损伤的发病机制和制订伤病预防策略提供参考依据。

本研究存在以下局限：首先，本研究选用篮球鞋的鞋帮高度差为4 cm，以往研究所用鞋帮高度差在4.3～8.5 cm 之间[11，12，14]，不同鞋帮高度差也可能对踝关节和膝关节活动造成影响，建议今后研究纳入不同鞋帮高度差的比较。其次，本研究测试对象均为男性，而以往研究发现女性可能更易发生ACL 损伤[25，30，38]，建议在今后研究中纳入男女性别的对比。

4 结论

（1）穿着高帮球鞋会减小踝关节内翻和膝关节屈曲运动幅度，并可增大地面反作用力，提示穿着高帮球鞋可能增大前交叉韧带损伤风险。（2）无论穿着高帮或低帮球鞋，45°侧切时较180°侧切均具有更小膝关节屈角和更大地面反作用力，提示45°侧切动作具有更大前交叉韧带损伤风险。（3）无论穿着高帮或低帮球鞋，踝关节不稳者在侧切时下肢生物力学特征与健康者并无差异，提示踝关节不稳可能不会增大前交叉韧带损伤风险。