踝关节不稳者不同跑速下的下肢肌肉共收缩特征

王 婷，毛文慧

（南京师范大学 体育科学学院，江苏 南京 210023）

踝关节扭伤是人们参加日常体育运动及日常生活中常见的一种运动损伤。 而急性踝关节扭伤后，常伴有疼痛、肿胀、无力、踝关节不稳及复发性踝关节扭伤等后遗症。 若扭伤后反复出现此现象，则被称为慢性踝关节不稳［1-2］。 以往对于踝关节稳定性的研究大多集中于踝关节运动的静态约束上， 然而在日常的活动中，人们在动态活动中稳定踝关节，因此，在动态运动过程中评估踝关节的稳定性对于进一步探究踝关节稳定性的影响因素十分重要。 踝关节周围肌肉的激活对运动过程中踝关节的稳定性有重要作用，而肌肉活动对踝关节稳定性的贡献可以通过测量运动中主动肌与拮抗肌的共收缩指数 （cocontraction index）来量化，肌肉共收缩与关节稳定性有关［3］，被认为是导致人体运动无效率的重要因素。 同时，肌肉的共激活也是造成人体运动效率降低影响运动员成绩提高的主要原因。Kellis 等将肌肉共收缩定义为中枢神经系统改善关节运动稳定性［4］、准确性、运动效率以及运动中对环境适应性的一种运动控制策略［5］，而关节稳定性已被量化为运动效能的指标。在当前研究中， 基于表面肌电信号获取运动中主要肌肉的共收缩指数、激活失活时间、激活强度等指标，是考察肌肉共收缩活动最主要的方法［6］。研究不同跑速下的主动肌与拮抗肌共激活特征， 对踝关节不稳患者运动训练及临床康复具有重要的实践意义。

共收缩指数（CII）的好处在于考虑了不同关节运动中主动肌和拮抗肌变化的影响。 在排球拦网动作的落地阶段，CII 曾用于对比评估功能性踝关节不稳的运动员的肌肉激活模式。研究结果显示，虽然两组CII 值差异无统计学意义，但踝关节不稳组在落地后200ms 间隔内矢状面CII 较低［7］。本研究对比考察了功能性踝关节不稳者在不同跑速下脚着地瞬间的踝关节肌肉共收缩模式。在制定研究设计时，假设有FAI 的个体在不同跑速下的共收缩指数高于没有FAI 的个体。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

于南京师范大学招募有单侧（右侧）功能性踝关节不稳的男性患者， 根据汉化的坎伯兰踝关节不稳量表结合国际踝关节协会提出的慢性踝关节不稳者筛选及排除标准， 通过问卷和前抽屉试验及距骨倾斜试验， 根据纳入标准和排除标准筛选出男性功能性踝关节不稳（右侧）的受试者15 名，同时根据FAI 组的年龄、身高、体重指标等特征匹配招募15 名男性无功能性踝关节不稳（右侧）的健康受试者为对照组。 根据测试结果， 剔除数据异常的一组数据， 最终纳入研究实验组（FAI组）和对照组（健康组）各14 人。 具体受试者信息见表1。

表1 受试者基本情况一览表

1.1.1 实验组

纳入标准：

1）至少一次严重的踝关节扭伤病史，出现疼痛、肿胀等炎症症状，不能正常参与日常活动1 天以上；2）最近一年内单侧踝关节发生失控和（或）扭伤和（或）不稳感觉2 次以上；3）坎伯兰踝关节不稳量表分值小于或等于24 分。

排除标准：

1）下肢发生过骨折或进行过外科手术；2）问卷调查之前3个月内下肢发生过扭伤等急性损伤；3） 另一侧踝关节也发生过失控（give way）、扭伤或不稳感觉；4）踝关节前抽屉试验和距骨倾斜试验结果呈阳性，排除结构性踝关节不稳者。

1.1.2 对照组

纳入标准：

1）与实验组受试者在年龄、身高、体重和每周参加体育活动时间上匹配；2） 坎伯兰踝关节不稳量表分值大于或等于28分。

排除标准：

1）踝关节发生过失控、扭伤或不稳感觉；2）下肢发生过骨折或进行过外科手术；3） 踝关节前抽屉试验和距骨倾斜试验呈阳性。

所有受试者均自愿参与实验并签署知情同意书， 半年以内没有出现除踝关节以外的下肢疾患， 过去3 个月以内没有出现踝关节损伤，在实验时身体健康，没有身体虚弱和会对运动功能造成影响的全身性疾病，踝关节活动度正常。 受试者熟悉测试流程和相关注意事项。 本实验已经得到南京师范大学伦理委员会批准，编号为202012008。

1.2 实验方法

1.2.1 实验地点

南京师范大学体育中心运动生物力学实验室。

1.2.2 实验仪器

1） 美国Delsys 公司生产的16 导肌电系统采集仪（Trigno Avanti， Delsys Inc， Natick， MA， USA），采样频率为2 000Hz；该仪器主要由16 导表面肌电传感器、数据接收器和放大器主机、配套软件组成。 表面肌电传感器采集和测量滤波的频率范围20～450Hz，信号采集通道数16。传感器尺寸：27mm×37mm×13mm，每个传感器质量14g。肌电电极为双差分Ag 电极，正负间距恒定，间距为10mm，基线噪声小于750nV RMS，分辨率可达16 位，共模抑制比大于80dB。

2）跑步机：多功能运动跑台（h/p Cosmos Mercury 4.0，德国）， 跑台面积为150×50cm， 速度增幅为0.1km/h， 速度: 0～22km/h（选配可达30），坡度: 0～25%。 发动机3.3kw （4hp），最大承重200kg。

1.2.3 实验程序

1）实验前的准备工作：

①培训：进一步确认受试者的基本资料，包括姓名、性别、身高、体重、24h 内的体力活动、跑步损伤情况、一周内的跑步距离以及跑步时间等基本信息。 实验中，参与者都将穿着非反射性氨纶短裤和一双自己的跑鞋。 要求受试者实验前24h 不进行剧烈体育运动，不喝酒。 对受试者进行测试前的培训，观察受试者的精神状态，如有不适将暂停本次实验，以免对实验结果产生影响。 受试者在实验人员的指导下，进行标准化的下肢肌群伸展运动及热身运动10min。

②设备调试：实验者对仪器进行系统校正，使系统能够定义捕捉空间及相对位置。 确定空间点的三维几何位置，校准摄像头， 将系统与摄像机所捕捉的数据结合， 用于三维运动重建。 同时检查跑步机功能，校准跑速。 实验者严格按照实验仪器使用手册进行操作，并向受试者说明注意事项。 所有参与实验的相关人员必须关闭手机、 运动手环和其他一切可能发出信号干扰的电子设备。对受试者进行无线表面肌电的粘贴。由两名实验人员分别控制跑步机跑速和Delsys 表面肌电采集系统。

③肌肉传感器粘贴： 由一位合格操作者对目标肌肉位置进行剃毛及乙醇擦拭处理， 根据SENIAM 建议位置和肌肉的解剖学结构，要求受试者用力收缩目标肌肉，将肌电信号收集器顺着受试者肌纤维走向贴在肌腹隆起的部位。 两电极间相距10mm。 电极长轴方向需与肌纤维走向一致，并用医用皮肤膜对肌电块进行强化固定，且预先执行跑步热身，确认不会造成受试者动作上的限制或实验过程中肌电脱落的状况［16］。

④Marker 点的贴放：根据人体解剖结构，如图1 所示的人体贴点模型，进行反光球marker 点的粘贴，便于建立三维动作捕捉。

图1 主要mark 点粘贴位置

⑤MVIC 测试：根据标准程序进行测试，收集2 次各1min的数据，取两次振幅峰值的均值。

2）动态数据的采集：参与者被允许在跑步机上以他们喜欢的跑步速度进行5min 热身，并指定此速度为优选速度。 然后以3 种不同跑速大约跑5min，收集跑步中的运动学数据，通过Excel 产生随机数字，每个受试者跑步速度的顺序使用随机数字随机进行，尽最大可能减少测试顺序的影响。 方法：跑步机速度由测试人员进行调整。 受试者首先在跑步机上进行5min 的自选速度热身活动。在热身之后，受试者需确定理想舒适的跑步速度： 由研究人员控制跑步机速度， 根据受试者指示，以0.1km/h 的速度增加或降低跑步机的速度，直到确定舒适跑速。 随后测试人员停止跑步机。 该过程重复3 次，计算3次试验的平均值，并用于3 个速度条件下的速度设置：①自选速度；②比自选速度快20%；③比自选速度慢20%［8］。

3）实验结束后，受试者着装有序退出实验室，测试人员收集及整理相关数据，关闭实验所用的相关器材。

图2 肌电粘贴位置

图3 受试者在跑步机的位置

1.3 数据处理

阶段划分：跑步分为两个阶段——前着陆和后着陆。 着陆前阶段定义为足跖着地前200ms 的间隔， 着陆后阶段定义为足跖着地后200ms 的间隔。 预着陆阶段分为2 个阶段:第一阶段（脚着地前200～100ms）和第二阶段（脚着地前100ms）。类似地，着陆后阶段被分为阶段III（足跖着地后100ms）和阶段IV（足跖着地后100～200ms）［9］。

肌电数据：通过Delsys 肌电系统采集仪获得的数据，运用Delsys Analysis 软件进行全波整流并滤波（4 阶Butterworth 带通滤波，滤波频率为10～450Hz），最终导出肌电原始数据。 在表面肌电分析软件上选取肌电相同阶段的数据进行同步分析处理， 用肌电原始数据比上两次MVIC 的均值来进行肌电振幅标准化。 然后根据下面的公式［10－11］计算CII 指数，以研究主动肌和拮抗肌在稳定踝关节中的肌电激活模式。

其中EMGAntagonist和EMGAgonist分别代表拮抗肌和主动肌的积分肌电信号。

1.4 统计分析

采用独立t 检验和描述性统计学方法检测FAI 组与对照组的人口统计学差异。 采用独立t 检验检测两组踝关节TA/PL、TA/GM 及TA/TS 的CII 水平，显著性设定为0.05。

2 研究结果

2.1 FAI 组与对照组在自选舒适跑速下TA/PL、TA/GM 及TA/TS 共收缩指数比较

自选舒适跑速是实验者根据受试者提示，以0.1km/h 的速度增加或降低跑步机的速度，根据跑步习惯最终确定的。 由表2 可见， 两组在舒适跑速下TA/PL 的CII 水平在足跖着地后100～200ms 存在差异（p＜0.05），在其他阶段无差异；两组在阶段Ⅰ及阶段Ⅳ的TA/GM 的CII 存在差异（p＜0.01）；FAI 组与对照组的TA/TS 的CII 指数在阶段Ⅱ存在非常显著性差异 （p＜0.01），在其他任何着陆阶段均无差异。

表2 自选舒适速度TA/PL、TA/GM 及TA/TS 共收缩指数

2.2 FAI 组与对照组在较快跑速下TA/PL、TA/GM及TA/TS 共收缩指数比较

较快跑速是根据每位受试者的舒适跑速提高20%所得。由表3 可见， 两组的TA/TS 在整个跑动过程中的任何着陆阶段均无差异（p＞0.05）。FAI 组与对照组阶段Ⅳ的TA/GM 的CII存在差异（p＜0.01）；TA/PL 的CII 指数在阶段Ⅳ存在显著性差异（p＜0.05），在其他着地阶段不存在差异。

表3 较快跑速TA/PL、TA/GM 及TA/TS 共收缩指数

2.3 FAI 组与对照组在较慢跑速下TA/PL、TA/GM及TA/TS 共收缩指数比较

较慢跑速是根据每位受试者的舒适跑速降低20%所得。由表4 可见， 两组的TA/PL 在整个跑动过程中的任何着陆阶段均无差异（p＞0.05）。FAI 组与对照组阶段Ⅲ的TA/GM 的CII存在差异（p＜0.05）；TA/TS 的CII 指数在阶段Ⅳ存在显著性差异（p＜0.05），在其他着地阶段不存在差异。

表4 较慢跑速TA/PL、TA/GM 及TA/TS 共收缩指数

3 讨论与分析

在以往对于踝关节不稳患者在运动时踝关节周围的肌电激活的研究中，存在了许多相互矛盾的结果，而这些差异阻碍了踝关节康复方案的建立，以允许人们正常参加体育活动。 因此， 识别FAI 组与对照组的神经肌肉控制的差异是至关重要的，有关研究发现，CAI 组在着地前，其胫骨前肌、腓骨长肌、腓肠肌内侧头的肌电活动降低［12］，相比之下，一些研究称CAI运动员在起跳前其胫骨前肌、腓骨长肌、腓肠肌内侧头的肌肉活动增强［13］，然而，还有一些研究发现两组肌肉活动幅度无差异［14］。 不同的测试方法、受试者不同的运动表现、受试者的纳入排除标准的不同、肌电图选取指标、分析方法的不同都是各研究结果产生差异的原因。

本研究的目的是评估不同跑速下落地阶段踝关节周围肌肉的肌肉激活模式， 并评肌肉激活模式对踝关节稳定性的影响。 研究发现有FAI 和没有FAI 的个体在不同跑速上肌肉共激活策略存在一定的差异。 然而，在本研究中，两组人相似的肌电激活表现并不一定意味着两组人表现出相似的动作模式或使用相同的策略执行任务。 FAI 患者复发性踝关节扭伤可能导致踝关节周围囊或韧带的机械感受器缺陷， 进而导致关节复位感觉不良［11］。 FAI 患者的关节复位能力一般较健康组的个体差。

本研究发现， 有FAI 的个体在较快跑速及自选舒适跑速下着陆后阶段Ⅳ的TA/PL 的CII 较无FAI 的个体高， 两组存在差异，而在较慢跑速下两组的CII 无差异。 从逻辑上讲，TA/PL CII 的较低值是TA 激活减少或PL 激活增加的结果［15］。 在本研究中，EMG 原始肌电数据结果显示FAI 患者额状面较高的共收缩是由较低的PL 激活及较高的TA 激活引起的。 总的来说，两组肌肉共收缩的结果表明，肌肉训练练习应该以提高整体肌肉力量为目标，而不是在执行跑步、走路等任务时提高单个肌肉群的力量，以提高关节的稳定性。 值得注意的是，在目前的研究中，CII 测量是在肌电单位水平推导出来的， 这并不能代表最大肌肉输出。然而，人体进行动态活动时，CII 测量比静态最大等长测量提供了更准确的肌肉表现。 一般来说，CII 值越大，说明拮抗肌相对于主动肌的激活率越大，因此关节僵硬度越大。 相比之下，CII 值越小，则表明拮抗肌的激活率相对较低。

先前一项关于CAI 患者前馈神经肌肉控制改变的研究发现［16-17］，CAI 患者的最大推进力高于非CAI 患者，但在动态运动中脚着地时的动态姿势稳定性较低这一发现表明， 在目前的CAI 参与者中观察到的肌肉激活率的变化可能是为了确保踝关节相对灵活的着陆而故意改变前馈控制机制的结果。值得注意的是， 这种执行策略可能会根据运动员的经验而改变［15］。也就是说，在反复发生踝关节损伤后，运动员可能会不断地调整运动策略。 本研究中，两组在矢状面上的TA/GM 的CII 在3种不同跑速下均存在差异，FAI 组的GMEMG 信号大于对照组，说明FAI 患者采用主动约束的策略来稳定踝关节。 但FAI组的CII 仍然大于对照组，FAI 着陆策略的无效可能是反馈神经肌肉控制缺陷的结果。 在健康的个体中，中枢神经系统会根据外部刺激，调整身体的运动。 然而，在反馈神经肌肉控制缺陷的个体中，中枢神经系统的调节过程被延迟。 此外，在跑动落地后阶段，踝关节的放松位置（踝关节跖屈）降低了静态约束的稳定效果。 因此，需要踝关节的主动约束作出相对较大的贡献，以保护踝关节免受外部载荷的影响。

研究发现矫正着陆前至着陆后踝关节错位、 提高肌肉共缩水平、加强动态姿态控制是FAI 患者的当务之急。为了纠正踝关节的错位， 理疗师可以规定使用外支架来调整踝关节的倒置位置，并教育患者正常和异常踝关节位置的基本概念。 虽然重建踝关节外侧韧带的主要目的是恢复踝关节的静态稳定性， 但术后踝关节或距下关节过度僵硬可能会引起症状性僵硬和疼痛。 因此，在进行动态运动时，评估踝关节不稳的严重程度、 肌肉强度和踝关节位置可以帮助骨科医生确定合适的修复或重建程序。 由于目前的研究设计，对于踝关节不稳的内在因果关系不可能得出明确的结论。因此，在临床应用FAI 患者时需要谨慎。本研究证实了在FAI 患者在不同跑速过程中，通过纠正踝关节在着陆前到着陆后阶段的错位、 促进肌肉共收缩和增加关节稳定性来最大限度地减少再损伤风险的重要性。 本研究为FAI 运动中肌肉共收缩的量化分析提供一定理论基础；为体育教师、教练员更好的针对特定人群进行教学和训练； 为踝关节损伤的预防以及患者伤后临床康复训练提供参考依据。