慢性踝关节不稳患者下肢肌肉激活特征研究现状

裴子文，孟宪梅，杨建强，陈建

1.武汉体育学院，a.研究生院，b.健康科学学院，湖北武汉市430079；2.武汉大学健康学院综合模拟康复中心，湖北武汉市430071

踝关节扭伤无论是在竞技体育运动中，还是在日常活动中都十分常见。在美国，每年大约有200万人发生踝关节扭伤，其中73%会发生重复扭伤[1]。踝关节扭伤后患者会出现疼痛、无力、不稳和失控等短期或长期的后遗症状，由于早期治疗不当或过早地进行剧烈运动进而引发慢性踝关节不稳(chronic ankleinstability,CAI)。虽然CAI的发病率相当高，但是其发病机制还不明确[2]。临床上CAI分为功能性踝关节不稳(functional ankle instability,FAI)和机械性踝关节不稳(mechanical ankle instability,MAI)。两者最大的差别就是关节运动幅度是否处于正常范围，但有时较难区分且存在一定程度的共存。业已证实，不论是FAI还是MAI，都存在不同程度的神经肌肉控制缺陷[3]，从而导致患者在动态活动(包括步行、跑步、跳起落地及急转急停等动作)过程中，再次扭伤踝关节。但是临床上尚未有针对性的康复训练方法。

表面肌电图(surfaceelectromyography,sEMG)通过放置在皮肤表面的电极记录肌肉收缩时产生的电流，对电信号进行技术处理和分析，从而了解肌肉活动水平和功能状态的变化[4]。近年来，随着表面肌电检测及分析技术的进步，已有学者将其用于实时监测不同动作模式下的下肢肌肉激活特征，并将其与压力板、动作捕捉系统或等速肌力测试系统结合，用于分析下肢肌肉激活特征与下肢运动学和动力学参数变化之间的内在联系[5]。这对进一步揭示CAI的损伤机制具有重要意义。本文将着重介绍CAI患者下肢肌肉在不同动作模式下的激活特征，从肌肉激活的时域指标和反应时变化等方面分析其神经肌肉控制缺陷。

1 不同动作模式下的肌肉激活特征

1.1 步行

CAI患者在步行过程中运动控制策略与正常人存在差异[6-8]。相比健康受试者，CAI患者患侧足在接触地面前踝内翻角增加6°～7°，造成压力中心更靠近踝关节外侧，导致外踝负重增加，从而诱发踝关节再次扭伤[9-10]。采用表面肌电设备分析步行过程中踝关节周围肌肉激活模式与运动学、动力学参数改变之间的联系，发现CAI患者步行过程中患侧足在接触地面前，腓骨长肌较健康受试者更早激活，且激活强度显著强于健康受试者[11]。这可能是由于CAI患者企图以提前激活腓骨长肌，增加激活程度的方式来纠正患侧足在接触地面时不恰当内翻位置。然而，Hopkins等[9]还发现，患侧足在接触地面后，足内翻角依然大于健康受试者，且外踝压力中心轨迹更长，这提示CAI患者所采取的应对方式并不足以完全纠正步行过程中的运动学和动力学改变。

Koldenhoven等[12]应用表面肌电设备和压力板同步监测CAI患者和健康受试者在步行周期中支撑相的肌肉激活特征以及足底压力变化，结果发现CAI患者的压力中心相比健康受试者偏向外侧，且差异显著；而在接触压力板前100 ms，肌电信号显示患侧胫前肌均方根值(root mean square,RMS)显著低于健康受试者，而腓骨长肌、腓肠肌内侧头和臀中肌RMS显著高于健康受试者。这与Βrown[13]和Monaghan等[8]的研究结果相互印证，他们发现CAI患者患侧足在接触地面前，其足廓清垂直高度较健康受试者低，且踝关节跖屈角度显著大于健康受试者，CAI患者下肢肌肉激活程度发生改变可能是造成这种运动模式的直接原因。CAI患者步行过程中臀中肌激活发生改变，这一点在Feger等[11]的研究中也得以证实。分析认为臀中肌提前激活，且激活程度更高是为了代偿踝关节的稳定性缺失，从而提高步行过程中的稳定性。目前，多数研究发现CAI患者腓骨肌在步行过程中存在提前激活，且过度激活的表现[7,9,12]，但是也有研究得出不一致的结论，这可能是由于研究中受试者的纳入标准以及测试方式的不同所导致[14-15]。

步行过程中踝关节周围其他肌肉(胫前肌、腓肠肌和比目鱼肌等)激活模式变化，由于目前的研究数量有限，尚有待进一步研究。

1.2 落地

无论是垂直跳起落地，还是侧方跳起落地，都是容易诱发踝关节扭伤的动作。运动学研究发现，FAI患者患侧足在垂直落地前运动模式较健康受试者有所不同，在足接触压力板前10 ms至接触后20 ms期间内，患者患侧足背屈角度显著大于健康受试者，且膝关节屈曲角度也存在差异[16]。

有学者认为落地过程中下肢肌肉激活模式改变是造成下肢运动模式发生改变的直接原因[17-24]。Caulfield等[17]研究FAI患者患侧足在垂直跳起落地过程中踝周肌群肌肉激活情况，结果发现患侧足在接触压力板前，腓骨长肌积分肌电值(integrated EMG,IEMG)明显低于健康受试者，而胫前肌和比目鱼肌IEMG在触地前后均未发生显著变化，可能是由于扭伤后局部肌肉或神经受到影响，从而造成患者腓骨长肌激活程度存在差异。Delahunt等[18]结合动作捕捉系统进一步测试发现，在腓骨长肌IEMG降低的同时，踝关节内翻角显著大于健康受试者，这提示可能是由于腓骨长肌激活程度不够，不足以调整踝关节内翻角达到正常位置。然而，Gutierrez等[19]进行类似实验却得出不一样的结果，其研究结果显示CAI患者在双足垂直跳起落地前，患侧腓骨长肌激活程度显著大于健康受试者。分析产生争论性结果的原因首先可能是由于受试者的纳入标准存在差异；其次，双足落地时健侧足对平衡的维持会有辅助作用，对结果也会造成影响。近期还有研究发现，CAI患者在双足落地(固定平面)后，不仅患侧腓骨长肌和腓肠肌内侧头激活程度减弱，而且臀中肌激活程度在短潜时反射阶段也显著低于健康受试者；当患侧足落于旋转平面时，其下肢肌肉激活模式较健康受试者也存在差异[16]。这与运动学参数变化相一致，CAI患者在垂直跳起落地过程中，不仅只是踝关节运动模式会发生改变，整个下肢运动链都会受到影响[18,21]，因而髋膝关节周围肌群激活模式与健康人群应该也同样存在差异。但是由于目前相关研究开展较少，且研究中样本量均较少，这一结论还有待进一步研究。

也有研究发现，在侧方跳起落地过程中，CAI患者踝周肌群肌肉激活模式与健康人有所不同。Delahunt等[22]研究发现，FAI患者在进行侧方跳起落地时，患侧踝关节外翻角在落地前45 ms至落地后95 ms均显著小于健康受试者，胫前肌、比目鱼肌以及股直肌激活程度均显著强于健康受试者，而腓骨长肌激活程度与健康受试者无显著差异。分析认为，CAI患者是通过前馈机制，过度激活胫前肌、比目鱼肌以及股直肌，从而将踝关节调整到合适位置，以避免再次损伤。Monteleone等[23]研究进一步证实了这一观点，其研究发现FAI患者在侧方跳起落地过程中，胫前肌激活程度显著强于健康受试者，同时踝关节背屈角度较健康受试者更大。但是，在Monteleone等[23]研究中却发现，腓骨长肌激活较健康受试者有所增强，这与Delahunt等[22]研究结果并不一致，分析认为可能是由于二者试验方法存在差异所导致。在Monteleone等[23]研究中，要求受试者侧方跳起过程中越过障碍物，动作难度增加，因而受试者在完成动作时的神经肌肉控制模式也会存在差异。Webster等[24]研究还发现，在侧方跳起落地过程中，CAI患者在落地前患侧臀大肌激活程度显著强于健康受试者，分析认为过度激活臀大肌是为了限制在触地阶段股骨内旋，保持适当的下肢力线，从而降低踝关节所承受压力。

目前，同步监测CAI患者进行跳起落地动作时的下肢运动学、动力学及下肢肌肉表面肌电参数变化的研究还较少，今后应加大这一方向研究力度，以进一步阐明患者在跳起落地过程中的损伤机制。

1.3 其他动作

CAI患者在进行跑步及其他功能性动作时，其下肢肌肉激活表现与健康人群也存在差异[25-27]。Lin等[25]监测15例CAI患者和15例健康受试者跑步过程，发现CAI患者患侧足触地前后，腓骨长肌RMS较健康受试者并无显著差异，但是胫前肌IEMG较健康受试者更低，且足落地前内翻角明显大于健康受试者。分析认为腓骨长肌在足跟触地前可能存在激活延迟，进而造成踝关节外翻力矩不足以抵消胫前肌收缩形成的内翻力矩，导致触地前踝关节内翻角增多，这势必会增加踝关节再次扭伤的风险。

CAI患者在进行功能性动作时下肢肌肉激活模式与健康受试者也存在差异[26-27]。Webster等[26]的研究发现，CAI患者在进行单腿下蹲转体动作时，臀大肌激活程度显著低于健康受试者。Feger等[27]进一步研究发现，CAI患者在进行四种不同功能性动作(向前弓箭步、单足闭眼站立、星状偏移试验和侧方跳起落地)时，患侧下肢胫前肌、腓骨长肌、腓肠肌外侧头、股直肌、股二头肌和臀中肌激活程度均较健康受试者更低。而Kazemi等[28]的研究还发现，FAI患者在应对外界干扰维持自身稳定过程中，腓骨长肌、胫前肌、臀中肌和臀大肌在激活时间上较健康受试者也存在差异。这都进一步证实CAI患者不止是踝周肌群肌肉激活模式发生改变，下肢其他肌群肌肉激活模式也发生适应性改变，这可能是由于中枢运动控制机制发生改变所导致。

2 反应时特征

反应时是指从接受刺激到机体做出反应动作所需的时间，也就是从刺激到反应之间的时距。动作反应时通常被分成前反应时和后反应时。前反应时代表接受刺激到肌肉激活(产生动作电位)的时间间隔，也被称为肌肉激活时间。后反应时代表肌肉兴奋产生动作电位到肌肉开始收缩的机械变化的时间[29]，也被称为电-机械延迟(electromechanical delay,EMD)。它在肌肉张力的时序控制方面充当着重要角色，并且它的改变和神经肌肉控制有着重要关系[30]。

2.1 肌肉激活时间

多数研究利用自制内翻倾斜板和表面肌电图，测量CAI患者站立位时踝关节周围肌肉的反应时间，且研究结果并不一致[31-33]。Hoch等[33]系统评价踝扭伤后患者腓骨肌反应时变化，结果发现CAI患者患侧腓骨肌在内翻扰动下，激活时间相比健侧或健康受试者均显著延长。

也有学者质疑受试者站立时利用平板倾斜来模拟内翻状态所测量的结果并不可信，因为踝周肌群作为动力性稳定结构，在行走、跳跃或跑步时收缩并发挥功能，踝关节扭伤也均在患者活动时发生，静止状态下并不会发生踝关节扭伤[34-35]。因而，在运动过程中监测CAI患者应对内翻扰动时腓骨肌激活表现更具说服力。Hopkins等[35]设计运动跑台，当受试者在跑台上行走或奔跑时，可以在遥控下使跑道一侧翻转30°，从而能够更为精确地模拟行走时踝关节扭伤的发生，结果发现FAI患者腓骨长肌激活时间较健康受试者更长。汪嘉鸿等[36]采用类似方法对MAI患者进行测试也得出同样结果，结果显示MAI患者腓骨长肌和腓骨短肌激活时间均显著延长，且肌电信号显示其腓骨肌标化平均波幅也显著低于健康受试者。这提示患侧踝关节的腓骨长肌和腓骨短肌运动单位募集相对较少。在这种状态下，患侧踝关节的外侧保护功能下降，不足以对抗内翻应力，进而导致踝关节扭伤的发生。李宏云等[3]进一步研究证实，FAI和MAI患者患侧踝关节周围肌肉激活时间均较健侧明显延长，这提示MAI患者不仅存在明显的韧带结构损伤，同样还存在神经肌肉功能缺陷。对于这类患者，需要进行全面的康复训练以改善其神经肌肉功能缺陷，从而降低踝关节再次扭伤的风险。

2.2 EMD

目前，少有研究关注CAI患者腓骨肌EMD的变化，且研究结果并不一致[37-40]。Mora等[37]结合表面肌电和压力板测试发现，CAI患者腓骨肌EMD较健康受试者显著延长，并认为腓骨肌EMD延长是导致踝关节再次扭伤的原因之一。Flevas等[38]结合等速肌力测试系统和表面肌电进行测试也得到类似结果。分析EMD延长的原因可能是踝扭伤后肌腱的强度下降，导致肌肉收缩过程中肌小节收缩牵拉肌腱耗时延长[39]。但是，Vaes等[40]利用表面肌电和加速度计进行测试，却发现CAI患者腓骨肌EMD较健康受试者并不存在显著区别。分析产生争论性结果的原因是各项研究对EMD的测试方法存在差异，而现阶段尚未有方法能直接监测踝关节内翻动作时腓骨肌肌电和肌力的同步变化过程，因而对CAI患者腓骨肌EMD的改变还有待进一步研究加以证实。

3 小结

随着医学技术的进步，对肌肉激活的各项指标测定也日益精确，这在一定程度上推动了对CAI患者下肢肌肉激活特征的研究。从目前的研究成果来看，CAI患者在进行动态活动时，不单只是踝关节周围肌群(腓骨肌、胫前肌和腓肠肌等)激活模式发生改变，其他关节周围肌肉(臀大肌、臀中肌和股直肌等)激活模式都受到影响，这也是造成CAI患者下肢运动模式与健康人群存在差异的直接原因。因而，对于CAI患者，其康复方案的制定不应只局限于踝关节周围肌群，还应该包括其他关节周围肌群的激活训练。另外，CAI患者在不同动作模式下，肌肉激活特征变化并不相同；即使是同一动作，由于研究方法学差异和/或受试者纳入标准的不同，研究结果也并不一致。因而，今后应规范测试方法，统一受试者纳入标准，以进一步明确下肢肌肉激活强度、激活时间及EMD的确切变化。同步监测CAI患者下肢各关节运动学、动力学参数及下肢肌肉激活特征变化，是探索CAI患者的神经肌肉控制机制新的手段，值得进一步推广。这将有利于进一步阐明CAI损伤机理，也能为弥补CAI患者神经肌肉控制缺陷提供康复指导。

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