踝关节损伤的运动生物力学分析研究进展

郝建源

(吉林体育学院 吉林长春 130022)

踝关节是一种屈戍（滑车）关节，在站立行走时，其所承受的负荷在全身各关节中是最大的。在日常生活与体育运动过程中，外踝最容易发生损伤，且在足球、篮球、排球等有变向动作的运动中最为常见。踝关节损伤会对机体运动功能产生严重影响，甚至会出现踝关节炎等不良影响。踝关节发生运动损伤的情况频繁出现，有报道指出，在所有体育运动发生的损伤中，踝关节的运动损伤约占25%。其中，又以韧带损伤最为常见，在踝关节的各种运动损伤中，韧带损伤约占80%。在足、篮、排等球类运动与越野跑等非常规体育运动中，需要做出反复的跳跃、变向等动作，或因地面不平整，使踝关节做出快速扭转或内外翻动作，导致损伤发生率增高。踝关节损伤在临床工作中也较为多见，但很少得到应有的重视，导致很多患者常出现复发性肿胀、慢性疼痛、慢性踝关节不稳等问题。踝关节不稳极易造成二次损伤，进而加重踝关节不稳状态，如处理不当，还可能发展为习惯性崴脚，即慢性踝关节不稳。踝关节损伤愈合的过程中会形成瘢痕组织，使得踝周损伤的韧带弹性变弱，导致肌肉骨骼系统稳定性变差，降低踝关节动力系统功能，进而影响运动系统的神经肌肉控制系统，其症状主要表现为踝关节稳定性差，持续疼痛肿胀、“打软腿”、功能障碍等，甚至造成退行性骨关节病变等慢性损伤。随着运动生物力学技术的不断更新，国内外对踝关节损伤机制的研究与运动生物力学特性的分析也有了新的进展。

1 踝关节的解剖结构

踝关节（ankle joint），又被称为距上关节、距骨小腿关节等。由距骨顶端的距骨滑车关节面作为关节头，被胫骨与腓骨的内、外踝关节面和胫骨的下关面所构成的关节窝包裹，构成一种类似于单轴的滑车关节，又因关节窝形似叉状，故又称叉状关节窝。小腿前后侧肌肉的肌筋膜向下延续与周围的关节囊、韧带等一起包裹关节，但囊内未形成特殊结构。踝关节周围主要有4 条韧带连接，分别为内、外、前、后侧韧带，其中内侧韧带又被称为三角韧带，有内外两层，且较外侧强韧，在踝周韧带中最为坚固，故踝关节不易形成外翻。踝关节又包含3个小关节面，分别为距腓关节面、胫腓关节面和胫距关节面，主要功能有跖屈、背屈、内翻、外翻、内旋、外旋。踝关节易产生旋转动作，其解剖学基础是由于距骨上端与踝穴匹配不能完全贴合。从踝关节的解剖结构上分析，踝关节内侧结构较为坚固，稳定性较好，故踝关节内外翻的角度差距较大。踝关节内翻活动度约20～30，外翻的活动度约为10～15，外踝位于内踝的后方，且位置相对于内踝较远，导致踝关节外翻受限，且动作轴心不平衡，轴心连线约侧倾10，故踝关节损伤常在过度内翻时产生。踝关节如需保持稳定，则需维持踝关节稳定的内外侧结构与下胫腓结构保持相对稳定。踝关节内侧的三角韧带在维持踝的稳定性时有重要作用，当踝关节做出跖屈或背屈的动作时，三角韧带会限制其外翻、外旋，进而维持其稳定状态。

2 踝关节的损伤机制

从解剖学角度分析，踝关节中外踝尖较低于内踝，且位置偏后，垂直位差平均约为1.2cm，踝关节内侧还有纤维组织致密的三角韧带进行维持，所以踝关节的内翻的角度通常会较外翻大。距骨体的解剖结构较为特殊，当踝关节做出背屈动作时，前侧较宽的关节头会被关节窝包裹，关节则较为稳定。反之，后侧较窄的关节头被关节窝包裹时，两侧会留有间隙，导致踝关节有侧向的运动空间，内翻幅度增大，关节也会较为不稳，因此，大多数急性踝关节损伤，是在跳起落地时，关节内翻、内旋过度，导致外侧韧带发生损伤。同时，切断前距腓韧带与跟腓韧带，与未切断或单独切断前距腓韧带相比，踝关节内翻角增大3.3°，且在内翻动作的终末端踝关节的紧张感变弱。与之相似的结果为国内学者郝立波等通过对比分析前距腓韧带与跟腓韧带同时受到损失时，仅修复前距腓韧带和二者同时修复后的距骨运动情况发现，没有显著性差异，表明前距腓韧带在踝关节损伤治疗过程中较为重要。当行走在不平的地面或进行跑、跳、上下楼梯等动作时，脚部离地到落地过程中，身体会失去平衡从而偏向一侧，极易导致踝关节内翻过度，从而过度牵拉外侧副韧带而造成损伤，引起踝关节的损伤发生。

3 踝关节损伤的运动生物力学分析

3.1 踝关节的力学特性与运动形式

踝关节周围的肌肉力量大小，与做出体育动作时，踝关节支撑整个身体的稳定状态有着直接的关系，并起着重要的作用，同时对上肢环节做出动作的功效有一定的影响。如果踝周力量足够强大，会大幅缩短反应时间，机体可以最快速度进入运动中，并缩短完成整个动作的时间，提升动作效率。踝关节动作的产生是通过踝关节周围肌肉收缩与腓肠肌、比目鱼肌的肌键的弹性形变、复原来实现的。足踝运动时，胫骨前缘与足背之间的角度增大称为趾屈或背伸。反之，为趾伸或背屈。足内侧缘抬起，外侧缘下降，足底向内侧转动称为内翻；反之，则为外翻。

3.2 踝关节损伤的运动学研究

踝关节由距骨、内外踝和胫骨远端构成。距骨前宽而后窄，通常认为，踝关节的运动轴为内外踝尖连线，即踝关节运动的单轴理论；但同时也存在一种多轴理论，即踝关节从背屈到跖屈的运动过程，踝关节轴在冠状面上变化20～30，而在横断面保持平行，属于多轴运动。踝关节运动时会诱发距骨的部分旋转，由中立位至背屈30的过程中，距骨外旋了9。跖屈从0到10时，距骨产生了1.4的内旋；跖屈达到30时，会产生0.6的外旋。踝关节的运动多发生在矢状面，即背屈和距屈，正常的活动度为背屈10～20，跖屈40～55。跟腓与距腓前韧带之间的夹角平均为105，跟腓韧带在跖伸时的张力最大，距腓前韧带在背伸时的张力最大，二者共同作用，防止踝关节产生内翻。

3.3 踝关节稳定性的研究

踝关节稳定性的解剖学基础是距骨滑车在叉状关节窝内的稳定状态，距骨滑车的前部较宽，当此部分进入关节窝时，关节卡嵌较稳，则踝关节稳定。反之，关节内侧方有移动空间，足部可以产生侧向移动，则踝关节较为不稳。踝关节的稳定性还依赖周围的韧带结构，如内侧强壮的三角韧带可以防止过度外翻外旋；而外侧有距腓、后前韧带与跟腓韧带，可以避免产生过度的内翻、内旋；且踝关节内部有多条联合韧带，如胫腓前、后、横韧带、骨间韧带等，这些韧带相互作用，可以维持胫腓骨之间的稳定状态。

4 踝关节损伤的运动生物力学研究进展

4.1 踝关节动力学的研究

当在体育运动中进行跳起落地动作时，如果足部受到地面的反作用力超出机体的承受范围，通常会导致踝关节发生运动损伤。地面反作用力可以较为直观地反映踝关节在落地缓冲过程中的受力情况，相关研究大部分集中与落地阶段地面反作用力峰值及其出现的时间。因此，在研究踝关节落地时损伤的过程中，监测地面对足部的反作用力显得尤为重要。Bazueloruiz 等利用测力台测试男女跑步爱好者在疲劳状态下的力学差异发现，疲劳状态减小了女性落地时的背屈角度，且小于男性，测出的反作用力数据显示男性对地面的冲击力峰值要大于女性，表明女性在疲劳条件下对落地的反应更好，为“女性遭受跑步相关伤害的风险低于男性”这一观点提供了客观证据。Wisthoff等针对踝关节在等速肌力测试中发现，慢性踝关节不稳的患者，踝关节内外翻的峰值力矩均成下降趋势。

4.2 生物建模与三维有限元

三维有限元技术是通过CT或MRI技术进行扫描，从而对踝关节建立起有限元模型，可以对肌肉骨骼系统进行高度且高效的仿真模拟，还可以较为准确地推算出机体内部组织所受应力的分布情况。利用生物建模技术可以从运动生物力学角度，建立恰当的踝关节力学模型，为踝关节损伤生理、病理学理论提供一定的支撑。贾梦洋通过对踝关节生物力学指标变化研究得出，利用人体有三维限元模型与人体动力学方法进行分析，可直观且较为真实地重现踝关节损伤的过程，可以较为清晰地观察到导致踝关节损伤的方式以及其损伤的机制。李兴军等学者通过三维有限元模型构建了踝关节三维模型，模拟在受到不同方向、不同大小的外力时，观察踝关节的应力与位移变化，结果显示，构建三维有限元模型，能够客观且直观地观察踝关节的解剖结构与生物力学特性，对踝关节损伤机制的分析有较好的帮助。与传统运动生物力学研究中使用的研究技术相比，生物建模与三维有限元分析技术在软组织的应力变化分析上具有明显优势，且应用广、适应性强、信效度高。有限元技术可以较为准确且有效地仿真人体肌骨系统，并对骨组织、软组织等机体内部结构的应力分布变化进行预测。

4.3 表面肌电的研究

表面肌电（sEMG）技术，是利用肌电采集仪，对肌肉表面的电信号进行采集并分析的一种先进技术。通常情况下，肌肉活动的状态和肌肉功能可以通过表面肌电所展现的肌肉电信号的变化展现出来，肌肉的活性也能在一定限度上通过肌电信号反映出来。裴子文在慢性踝关节不稳的疗效分析的相关研究中，将表面肌电与等速肌力测试系统结合使用，将电极片粘贴于腓骨肌上，进行反应时、腓骨肌肌电信号等测试，结果显示，神经肌肉电刺激干预可以改善神经肌肉控制能力。舒真谛等学者在探讨运动贴扎对踝关节外侧韧带急性损伤早期康复的影响时，运用了表面肌电技术测定步态项中肌群的肌电值，结果显示贴扎组和安慰剂组在治疗前后肌电信号均增强，对照组没有显著差异。

4.4 三维测力台的研究

在体育运动过程中，踝关节的损伤通常与着地时足踝所承受的地面反作用力有关。三维测力台系统是通过测力平台对生物力的数据进行三维测试。时旺然在慢性踝关节不稳不同防护方式的相关研究中，利用三维测力台进行步行启动时COP的测量，结果显示，防护后明显影响COP轨迹长度。有学者采用三维测力台和三维动作捕捉系统，对羽毛球运动者起跳后踝关节落地瞬间的运动学与动力学数据进行采集，发现专业运动员与业余爱好者踝关节运动学与动力学参数有显著性差异，专业运动员落地缓冲时间较长，降低了踝关节落地时的冲击力。踝关节周围肌肉的慢性疲劳状态，也会导致运动者在运动过程中发生运动损伤。目前，国内外常常通过三维测力台系统来研究踝关节的动力学问题，可以通过测量计算出足踝部着地时前后、侧向及上下3个维度的应力以及力矩、压力等相关指标。

5 结语

在运动过程中，踝关节损伤会受到诸多因素的影响，为有效预防体育活动过程中发生踝关节的运动损伤，需对踝关节损伤的相关运动生物力学特征、特性进行更精确、更深入的科学研究与探析。目前，踝关节扭伤的损伤机制及力学因素已经拥有了较为丰富的研究，主要从解剖学等方面分析了损伤机制，从运动学与动力学的角度研究了慢性踝关节不稳的运动生物力学机制。如今，用于踝关节损伤的运动生物力学研究的技术主要包括生物建模与三维有限元、表面肌电技术与三维测力台等，且信效度较高。此外，较为新兴的技术，如三维运动捕捉系统、数字化技术也被较为广泛地应用于慢性踝关节不稳的相关研究中。但通过治疗后，踝关节的运动能力、运动表现与运动生物力学特征如何改善以及踝周韧带如何得到强化，还有待进一部研究。