功能性踝关节不稳在不同运动下表面肌电的研究进展

章晨 姜财 郭进华 郭苗苗 李小梅 余圣贤 夏丽彬 马胜超 林忠华

近年来，随着人们对体育锻炼重视程度的增加，踝关节损伤变得越来越普遍，这种损伤常好发于类似跑、跳等高强度运动中。研究人员发现，在急性踝关节外侧损伤的人群中，足踝在内翻状态下损伤者约占 85%。绝大多数时常出现踝关节反复扭伤的患者，往往是缺乏及时、有效的康复治疗。有研究数据表明，在急性损伤后，约 80% 的患者经保守治疗后关节活动恢复正常，但仍有 20% 的患者会再次扭伤，逐渐发展成为慢性踝关节不稳 ( chronic ankle instability，CAI )。表面肌电 ( surface electromyography，sEMG ) 可以直接评估神经肌肉在特定任务中的功能表现，并实现对神经肌肉功能状态水平的定量评价。sEMG 因其无创、方便、快捷、高效等特点越来越受到研究者的青睐，已广泛应用于功能性踝关节不稳( functional ankle instability，FAI ) 的临床研究中。

一、踝关节不稳的一般概述

1.分类：CAI 根据损伤机制的差异，可分为 FAI 与机械性踝关节不稳 ( mechanical ankle instability，MAI )。FAI的概念是 Freeman 于 1965 年首次提出的，即踝关节首次损伤后，肢体反复出现的失控、不稳等“打软腿”症状，常不伴有踝关节生理结构异常，仅表现出肢体感觉异常和功能障碍，体现出本体感觉障碍、肌肉激活功能减弱、关节位置感觉异常、姿势控制能力下降等症状及体征。MAI 是指由于踝关节结构的不稳定及其周围韧带的松弛导致的反复发生的踝关节损伤。在踝关节损伤的研究中，因 MAI 患者常伴有特定解剖结构的异常，故临床上多在早期采用手术治疗，而 FAI 的损伤尚未达到手术指征，所以常采用保守治疗为主，主要包括物理治疗、运动治疗以及佩戴护具等。

2.发病机制：目前 FAI 的发病机制还没有明确的解释，但大部分学者认为 FAI 发病可能与本体感觉减退，踝关节活动中所受负荷过重，神经 - 肌肉之间信号传递与肌肉激活不佳，姿势控制能力下降等多方面有关。有研究表明，FAI 人群神经、肌肉及周围韧带的损伤会导致本体感受及神经传入信号受阻，使患者足跟着地后，机体无法及时准确地获得信息，踝关节无法作出正确的应答反应，从而造成足踝部反复损伤。贾为宗等认为FAI 人群不仅神经损伤，而且患侧的腓骨肌及胫骨前肌的激活时间与健侧相比有明显的延长。不仅如此，运动的产生是由各系统的相互配合的连续过程，从机体接受外界刺激到兴奋随时间的传入，引起骨骼肌兴奋 - 收缩耦联，最终使相应肌肉 - 肌腱单元产生相应的力，从而触发关节活动。

3.研究方法：

( 1 ) 主观评价量表：在不同的研究中，对 FAI 人群的判定标准也多种多样，根据侧重点的不同，主要分为主观和客观两种。在主观判定中，广泛认同的评价量表包括：踝关节功能评价量表 ( ankle joint functional assessment tool，AJFAT )、足踝功能障碍指数 ( foot and ankle disability index，FAID )、坎伯兰踝关节不稳问卷 ( cumberland ankle instability tool，CAIT ) 等。其中，AJFAT 是如今广泛应用的踝关节功能问卷。受试者通过自身健侧与患侧肢体感觉及功能情况的对比，填写相关问卷，得分越高，说明踝关节功能越稳定，分值 ≤ 26 分即可判断为踝关节功能不稳。

( 2 ) 客观评价量表：但各种评价量表因为研究者不同的生活背景、文化程度等多方面主观因素的影响，使其评价结果存在不同程度的偏差，然而客观工具所检测出的指标在分析之后显得更具准确性。三维步态分析系统是目前临床上评价 FAI 的常用手段，通过对运动中动作的三维捕捉，构建运动模型，从而针对其时间 - 空间特点进行全方面地分析，客观反映 FAI 在不同状态下各负重关节的变化。

研究人员也常通过在足底压力测试系统中测量得到的足底压力，量化在静止和运动过程中足底的平均压力及最大压力等，通过计算出压力中心 ( center of pressure，COP )，发现并总结踝关节的生物力学和动力学特点。近几年也有研究表明，FAI 的 COP 会比正常人更偏外侧。不仅如此，由于肌肉收缩往往发生于运动产生之前，所以想对人体生物力学及运动学有进一步的认识，必须了解肌肉电生理，通常借助肌电图。其中，肌电图就是一种常用的客观评价工具。

肌电图是一种研究特定肌肉产生相应变化时的工具，其工作原理是由于一些外界刺激使肌肉产生电活动，从而在相应的设备中生成相应的图形。sEMG 因其无创、方便、快捷、高效等特点，被研究者广泛应用于观察、分析、评价神经肌肉电活动中。sEMG 设备通过对肌肉电信号的收集，并进行相应转化处理后，得到肌肉收缩幅度、频率、激活时间等数据，在一定程度上有效的反映了神经肌肉兴奋情况。无论是保持静止还是在运动训练中，都可以实时采集特定肌肉的生物电信号，且其反馈的信息能够确保真实性。

造成 FAI 的原因有很多，有学者发现，当肢体处于不同运动状态时 ( 如行走、奔跑、跳跃 )，下肢肌肉较长的反应时间、踝关节本体感觉降低、踝关节肌力不足等，可能是导致其肌肉力量、姿势控制、步态生物力学等方面较薄的原因。随着 sEMG 研究的飞速发展，越来越多的研究者将其运用于 FAI 的研究中，采集 FAI 人群处于不同运动方式下，关键肌肉运动学及动力学数据，用肌电指标客观的分析 FAI 与健康人群的生物力学差异。

二、FAI 患者在不同运动状态下的肌电特征

1.步行：FAI 的个体在步行中的肌肉活动与健康人之间存在明显差异。Delahunt 等观察到在足跟着地和脚尖离地的过程中，FAI 个体较健康个体会表现出更大的横向足底压力以及肌肉激活模式的改变，他们发现在此过程中，腓骨长肌增幅增加。Watson 等也进行了相似的实验研究，通过比较 FAI 人群在行走前和初次足跟着地后下肢肌肉的激活情况，同样发现腓骨长肌的活动似乎增加了。在整个步态周期里，Feger 等发现 FAI 中腓骨长肌的激活百分比比健康对照组增加约 13%，且腓骨长肌激活时间更为早，持续兴奋时间更长。不仅如此，他们还证实在行走过程中，FAI 的胫骨前肌、腓骨长肌、股直肌、股二头肌和臀中肌的激活时间比健康对照组更早。

学者们对 FAI 患者下肢肌肉电生理的研究中，不仅着眼于腓骨长肌活性的改变，其它肌肉的改变也同样受到关注。Koldenhoven 等通过收集分析 10 例 FAI 的患者在最适状态下行走的 sEMG 数据，发现在足跟着地时，FAI个体的胫骨前肌和腓肠肌内侧肌活性增加，且在站立相后期到摆动相的运动过程中，臀中肌的肌肉振幅也增加，这提示 FAI 患者为了维持下肢的稳定，需要增强更多肌肉活性。

向后行走 ( BW ) 是一种与常规向前行走 ( FW ) 相比具有额外复杂性的步态活动，即使对健康个体来说，这也可能是一项新颖且具有挑战性的任务。BW 给平衡和运动带来了独特的挑战，因此引起了很多研究人员了解 FAI人群在 BW 时肌肉的变化的兴趣。一项对 16 例 FAI 的实验组与 16 名健康人群的对照组进行病例对照研究的实验发现，当他们以自己选择的舒适的步速分别执行 FW 与BW 的任务，在 BW 步态中腓肠肌在早期站立时最活跃，且 FAI 组和健康对照组在 BW 期间具有相似的肌肉活动模式。由此可推断，BW 任务可以通过增加下肢肌肉的收缩强度来保持运动的稳定，从而起到康复目的。

2.跳跃：在跳跃过程中，身体能够保持稳定与灵活，很大程度取决于下肢肌肉的功能状态及协调配合。踝关节及其周围肌肉、韧带的主要作用是缓冲及减少外力负荷对机体的冲击。踝关节在落地前，通过翻转角度，使机体能稳定着陆，若足跟着地的位置不当，会增加踝关节扭伤的风险。因此，踝关节及其周围结构对保持机体的稳定起着重要作用。

踝关节损伤常常发生于高强度运动时，故研究人员通常设计在起跳落地任务下，观察肌群激活的反应时间、先后顺序、姿势平衡控制及下肢关节活动角度等。

通过不同的研究实验设计，一部分学者认为，在跳跃任务中 FAI 患者较多的表现为腓骨长肌肌肉活动明显减少。例如 Jarugool 等在设计单腿跳跃任务实验中，发现FAI 患者的足跟在接触地面之前，其腓骨长肌活动减少，且周围肌肉通过减少胫骨前肌的活动来适应这种改变，以保持关节稳定。高晓娟等对 FAI 患者进行振动训练后发现，实验组身体的平衡协调能力有显著提升，并伴有腓骨长肌内、外侧及胫骨前肌的反应时间缩短。

然而，肌肉收缩的减少可能会加重踝关节不稳定，故大部分研究者认为，在下落的减震过程中，踝关节处于骨稳定性较差的跖屈位时，更多肌肉激活是维持踝关节稳定必不可少的条件。Hyunsoo 等在报道中阐明，在跳跃过程中，当脚跟着地时，腓骨长肌的肌电振幅增加，这可能反映了在足跟着陆需要腓骨长肌通过增加自身肌肉的收缩来增加近端关节的屈曲幅度，使足跟在着地的过程中避免过度内翻，从而动态保护踝关节。Kim 等认为，完成单腿起跳任务和双腿侧切运动 ( 即双腿呈水平展开，进行左右单腿交替摇摆动作 )，需要腓骨长肌的振幅增大，且活性增加，并伴有背屈力量减弱、跖屈力量的增加。跳跃时的这些改变的目的可能是通过增加跖屈力矩，来缓解跳起着陆过程中，地面的垂直反作用力对踝关节的冲击，以此来保持姿势平衡。猜测 FAI 患者在进行高强度运动中，机体启动代偿机制，增加肌肉收缩避免活动中损伤。

3.星偏移运动：大多数反复踝关节损伤的患者常在动态活动中伴有姿势控制能力不佳的问题。姿势控制能力是完成所有运动的基础，保持躯干的平衡稳定往往需要多系统的共同配合，如视觉、前庭觉和本体感觉等，其中任意一个功能出现紊乱，都会导致机体对一侧控制能力的减退，从而表现为“打软腿”、跌倒等。

为了了解 FAI 人群姿势控制缺陷与下肢肌肉变化的关系，人们设计了星偏移平衡测试 ( star excursion balance test，SEBT )。SEBT 是一种常用的动态姿势评估工具，通过向 8 个不同的方向伸展下肢，记录肢体在每一个方向上的肌肉激活情况。先前已有研究证明了 SEBT 能够区别健康组与 FAI 组的动态姿势控制。

Jaber 等进行了 SEBT 发现，当单腿固定且另一条腿在前、后外侧及后内侧三个方向分别做偏离运动时，常出现重心不稳、站立侧脚离地等肢体不稳的现象，肌电结果也显示，FAI 胫骨前肌及臀大肌振幅减小，而臀中肌活性没有差异，这说明臀部和脚踝肌肉活动的减弱可能会影响躯体保持平衡的能力。Gribble 等的报道称，经 SEBT发现，CAI 患者与健康对照组相比，姿势控制能力下降，作者认为其变化可能是由于近端肌肉活动的改变，使膝关节和髋关节的屈曲角度减小，导致在 SEBT 中肢体可达到的距离减小。但他们的研究没有测量具体的肌肉活动，所以限制了对 FAI 患者神经肌肉控制能力的充分认识。

4.踝外翻运动：腓骨肌是一条穿过距下关节外侧的肌肉，可以使脚在距下关节处外翻，是控制下肢运动的关键肌，其调节反射为保持踝关节平衡起到重要作用，实现踝关节外翻与背屈。然而 FAI 患者在肌电图上常表现出较弱的外翻肌肉活动。一部分学者认为，过度的踝关节外翻与踝关节损伤常常互为因果。FAI 患者踝关节突然外翻时，腓骨肌活性较正常人之间的变化常常受到学者们的青睐。Ahn 等通过人为在踝关节上施加外翻张力，并用强度传感器和肌电传感器接收张力与肌电信息，分析得出外翻时 FAI 患者的腓骨长肌和腓骨短肌选择性激活减少的结论。但是一部分学者发现外翻肌肉的兴奋性的提升对维持踝关节的稳定有一定的积极作用。裴子文等通过神经电刺激治疗 FAI 患者后发现，在做外翻等离心运动时，实验组的稳定性更好，并伴有外翻肌群肌电信号增强，肌力增加。黄墩兵等通过设计随机对照实验也发现，通过增强腓肠肌收缩的最大肌力可以改善肌肉活动时的平衡能力。

腓骨肌作为踝关节外翻的原动力，有学者研究发现，可以通过研究腓骨肌的潜伏期来帮助临床医师更好地认识造成关节不稳定的原因。腓骨肌潜伏期为从给予刺激开始，到产生动作之间所需要的时间。Fernandes 等在研究中表明，在突然外翻运动时，FAI 组与健康组的腓骨肌潜伏期之间没有差异。Eechaute 等的实验也表明，FAI 患者腓骨长肌的潜伏期和运动反应时间也没有延迟。但之前有研究表明，腓骨肌的反应时间与人群类别息息相关，例如 Lofvenberg 等发现，FAI 组同侧腓骨肌的潜伏期明显长于健康对照组。在踝关节处于不同内翻角度着地时，患侧远端肌肉和近端肌肉的同侧短潜伏期降低。这些差异可能不同程度地来自实验方案、受试对象、实验技术等多个方面，其关联性也待进一步讨论及研究。

三、小结与展望

目前，大多学者已在步行、跳跃、踝关节内外翻、下肢离心运动等多个运动模式下对 FAI 进行了系统的阐述，综合 sEMG 的数据分析得出，FAI 与下肢肌肉的激活情况密切相关。通过将 FAI 人群与健康人群在不同运动状态下的步态及表面肌肉电生理进行对比，发现 FAI 患者在不同状态下的改变集中体现在腓骨长肌、腓骨短肌、胫骨前肌、腓肠肌等关键肌肉中，以及下肢关键肌肉的激活情况、肌肉的收缩强度和兴奋时的持续时间，对维持姿势的稳定与保持自身的平衡协调功能具有重要意义。这些发现可以为 FAI 疾病的诊断、运动处方的制订以及康复治疗的效果提供更加直观的依据。

反复的踝关节损伤可能由多种不同因素所致，分析肌肉运动时的协调及配合情况也需要收集更多的肌电数据，不仅局限于以往的肌肉震动幅度及预期激活时间等，所以还需要进一步完善临床实验研究。虽然 sEMG 有一系列的优点，但仍存在信号不稳定、传输数据延迟、测试时皮肤毛发产生电阻等技术问题，需要在制订研究方案时采用相应的方法加强和完善，使数据结果更加的具有说服力。