踝关节被动牵拉角度与跟腱和足底筋膜硬度的生物力学关系研究

刘春龙，黄佳鹏，秦鹍，朱毅，张志杰

跟腱(Achilles tendon，AT)是跟骨与跖肌、腓肠肌和比目鱼肌之间的纤维组织，不仅可以被动传递肌肉力矩至骨骼跖屈踝关节，而且可以提供力学缓冲以预防肌肉损伤[1-2]。而足底筋膜(plantar fascia，PF)起于跟骨结节内侧，纵向前行参与构成足纵弓，作用是提供稳定支撑和吸收震动[3]。两者共同对人体的步行和运动起着重要作用。研究表明扁平足者足底筋膜炎发病率较高[3]，而扁平足亦是跟腱炎的危险因素之一[4]。此外，有研究发现，AT中部是跟腱撕裂的好发部位[5-6]。因此，从生物力学角度研究不同的踝关节被动牵拉角度对于AT和PF的作用有其重要性和必要性。MyotonPRO数字化肌肉状态检测仪是一种能够定量测量肌肉、肌腱和筋膜力学特性(即张力、硬度和弹性)的手持式探头设备，其在肌肉[7-9]、肌腱[10]应用的可行性均得以证实，Pruyn等[10]对MyotonPRO数字化肌肉状态检测仪评估跟腱的信度进行了研究，发现俯卧位时其重复信度ICC=0.72，具备评估跟腱的可行性。

本研究应用MyotonPRO数字化肌肉状态检测仪对不同踝关节被动牵拉角度下的AT、PF硬度进行评估，旨在探讨AT、PF硬度和踝关节被动牵拉角度之间的关系，从生物力学角度为跟腱炎和足底筋膜的发病机制、预防和治疗提供一定的参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2017年4月～2017年5月于广州中医药大学招募志愿者31例。纳入标准：研究前6个月无跟腱损伤和足跟疼痛病史；无步态异常；无下肢手术史；未服用任何影响肌张力的药物；无其他神经、肌肉和骨科疾病; 踝关节活动度均能达到背伸25°。所有志愿者对本研究知情同意。受试者一般资料如下：男16例，女15例；男性平均年龄(24.13±1.89)岁；身高(172.53±6.10)cm；体重(64.63±7.39)kg；BMI(21.76±1.69)kg/m2。女性平均年龄(21.67±0.62)岁；身高(157.43±3.76)cm；体重(52.14±8.82)kg；BMI(21.09±3.12)kg/m2。男性和女性一般资料比较差异无统计学意义。

1.2 方法 研究采用MyotonPRO数字化肌肉状态检测仪(Muomeetria有限公司，爱沙尼亚，欧盟)。受试者俯卧位，膝关节充分伸展，上肢自然平放于身体两侧，双足自然悬垂于检查床边缘。AT定位于跟腱附着点以上0cm、3cm和6cm[11]，PF定位于第1、2趾之间纵线与跟骨下缘前侧的交点[12]，皆用笔在体表进行标记。休息5min后，告知受试者尽量放松，由一名康复治疗师用关节角度尺测量踝关节角度，另一名康复治疗师将MyotonPRO测试端垂直置于标记点，先后测量-50°(踝跖屈50°)和0°(踝生理位)时AT和PF的硬度值，以及25°(踝背伸25°)时PF的硬度值(25°时AT硬度过高，超出MyotonPRO测量范围，故在此角度不测量；踝关节角度不采用随机化以避免踝背屈对于AT、PF硬度的延滞效应)[13]。每个角度测量3次，每次休息1min，取平均值。

2 结果

膝关节伸展位，被动牵拉踝关节0°时，男、女性AT 0cm、3cm和6cm处的硬度均较-50°时明显增加(P<0.01)，且3cm和6cm处的硬度增长率大于其在0cm处(P<0.01，P<0.05)；相同踝关节角度下，男女性AT硬度大小为 0cm>3cm>6cm(P<0.05，0.01)；此外，被动牵拉至0°时，AT 6cm处硬度为男性高于女性(P<0.05)。见表1。

PF硬度则在-50°至0°、0°至25°过程中均逐渐增加(均P<0.05)。见表2。

性别 n角度AT0cmAT3cmAT6cm男性 16-50°651.96±112.75c538.81±87.48444.00±100.00b0°1113.90±60.46ab1050.17±80.76a917.90±134.66acd增长率75.32%98.84%f113.00%f女性 15-50°635.31±106.42c487.29±130.26412.31±79.99b0°1127.91±81.54ac1018.67±67.08a820.09±74.53ac增长率82.33%123.08%e104.65%e

与-50°时比较，aP<0.01；与AT 3cm时硬度比较，bP<0.05，cP<0.01；与女性AT相同位置比较，dP<0.05；与AT 0cm硬度增长率比较，eP<0.05，fP<0.01

性别n-50°0°25°男性16469.90±100.17a526.46±84.53588.50±105.81a女性15435.36±91.58a483.02±97.61569.07±123.82a

与0°时PF硬度对比，aP<0.05

3 讨论

AT是人体最大、最重要、功能最多的肌腱之一，亦是人体中过度使用导致损伤的好发部位，AT损伤将严重影响人体的日常活动、工作和运动[4]。而且有研究发现跟腱撕裂发病率呈不断的上升趋势[14]。足底筋膜炎是引起足跟下部疼痛的最常见疾病[15]，足底筋膜炎的发生将大大降低患者的生活体验。因此，研究踝关节被动牵拉对AT、PF的力学作用机制具有重要的临床意义。

应用MyotonPRO测量AT硬度过程中，由于跟腱横截面积较小，受力过程中硬度增量非常大，踝关节25°时AT的硬度超出MyotonPRO硬度检测上限，故无法获得25°时AT的硬度值。本研究主要发现：①AT 0cm、3cm和6cm以及PF的硬度随着踝背伸程度的增加而增加；②踝关节背伸过程中，AT在3cm和6cm的硬度增长最为明显，是AT撕裂好发于跟腱中段的原因之一；③相同踝关节角度下，AT硬度呈从远端到近端递减的趋势。AT在0cm、3cm和6cm的硬度随着踝背伸程度的增加而增加，且男性和女性AT硬度表现一致。这与其他学者应用剪切波弹性超声的研究结果相吻合[16-18]。因此，当对踝关节进行缓慢持久的牵拉时，能够有效地对其起到牵拉作用。此外，针对跟腱炎病症，可以通过跖屈踝关节来缓解和治疗AT疼痛。有研究证明，整骨手法(osteopathic manipulative treatment，OMT)通过跖屈踝关节有效地减少AT所承受的应力，进而减少疼痛感受器的活动，达到减轻跟腱炎患者疼痛的目的[19]。

被动背伸踝关节对AT在3cm、6cm处的硬度增长作用最为明显，说明被动背伸踝关节主要作用于AT的3cm和6cm，提示过度踝背伸容易造成AT的3～6cm处发生撕裂。有研究表明，无跟腱病史人群通常在反复突然地跳跃和冲刺活动中突发AT撕裂，因其需要强大的推动力，踝关节过度背伸且剧烈用力，AT受力迅速增大，容易造成AT的3～6cm处撕裂，3～6cm是跟腱撕裂的好发部位[5-6]。这与本研究的结果相一致。此外，AT中段是AT最为脆弱的一部分，其血供最差，易于受损且较难恢复，加之背伸踝关节对于AT的牵拉主要作用于3cm和6cm，提高了AT 3～6cm处撕裂的发病率[20-21]。总之，被动牵拉踝关节对于AT 3cm和6cm出的作用最为明显，从生物力学角度有效地解释了AT撕裂好发于跟腱3～6cm处的原因。

PF硬度随着踝关节背伸程度的增加而增加，说明被动牵拉踝关节能够有效牵拉PF，一方面提示缓慢持久的踝背伸能够放松PF以减轻疼痛，另一方面提示过度背伸踝关节或剧烈运动容易损伤PF，长期发展将诱发足底筋膜炎。

相同踝关节角度下，男性和女性的AT硬度大小均为0cm>3cm>6cm，呈从远端到近端递减的趋势。Slane等[22]应用剪切波弹性超声评估健康年轻和中年的跟腱，结果表明，跟腱的顺应性呈从远端到近端逐渐增加的趋势。Helfenstein-Didier等[2]的研究结果同样如此。

PF硬度与性别无直接联系，而踝关节0°时AT在6cm处的硬度存在性别差异，说明性别对于肌肉、筋膜的影响具有独立性，且受踝关节角度和位置的影响，这提示对AT行MyotonPRO检测时，应充分考虑探头定位和踝关节角度，并将性别因素纳入考虑范围之内。但由于样本例数较小，需扩大样本例数，对性别与硬度的关系展开进一步的研究。

本研究选取俯卧位，上肢自然平放于身体两侧，双足自然悬垂于检查床边缘，测量前休息5min，测量过程中嘱受试者尽量完全放松，目的在于使肌肉充分放松，以确保实验数据的可靠性；男女性受试者BMI分别为(21.76±1.69)kg/m2、(21.09±3.12)kg/m2，均处于正常值18.5～23.9kg/m2范围内。但是，本研究仍然存在一定的局限性。首先，本研究对于AT硬度的测量定位于AT 0cm，3cm和6cm，无法排除AT长度和男女性AT长度对于实验结果的影响；其次，本研究选取-50°，0°和25°三个角度进行测量，缺乏对踝跖屈或踝背伸过程中AT硬度变化情况的观察；最后，受试者均为健康青年，因此本研究的实验结果仅能说明踝关节角度对于健康青年AT和PF硬度的影响。进一步的研究应着眼于增加AT测量长度、踝关节角度梯度，以及扩大受试者年龄范围。

综上所述，膝关节伸展位下，背伸踝关节能够有效地对AT和PF进行牵拉，且对于AT在3cm和6cm的牵拉作用最大，是造成AT中段易于撕裂的原因之一，另外，AT的硬度呈从远端到近端递减的趋势，此外，对AT行MyotonPRO检测时，应注意探头定位、踝关节角度和性别因素。但由于样本量小，后续的研究应着眼于扩大样本例数，建立与性别和年龄相关的健康人群AT、PF硬度计算模型，从而为评估健康人群AT、PF硬度的变化趋势，以及为跟腱炎和足底筋膜炎的早期诊断提供有效的帮助。

【参考文献】

[1] Chatzistefani N, Chappell M J, Hutchinson C, et al. A Mathematical Model characterising Achilles tendon dynamics in flexion[J]. Math Biosci, 2017, 284: 92-102.

[2] Helfenstein-Didier C, Andrade R J, Brum J, et al. In vivo quantification of the shear modulus of the human Achilles tendon during passive loading using shear wave dispersion analysis[J]. Phys Med Biol, 2016, 61(6): 2485-2496.

[3] Othman A M, Ragab E M. Endoscopic plantar fasciotomy versus extracorporeal shock wave therapy for treatment of chronic plantar fasciitis[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2010, 130(11): 1343-1347.

[4] Barile A, Bruno F, Mariani S, et al. Follow-up of surgical and minimally invasive treatment of Achilles tendon pathology: a brief diagnostic imaging review[J]. Musculoskelet Surg, 2017,101(Suppl 1): 1-11.

[5] Egger A C, Berkowitz M J. Achilles tendon injuries[J]. Curr Rev Musculoskelet Med, 2017, 10(1): 72-80.

[6] Lagergren C, Lindholm A. Vascular distribution in the Achilles tendon; an angiographic and microangiographic study[J]. Acta Chir Scand, 1959, 116(5-6): 491-495.

[7] Viir R, Virkus A, Laiho K, et al. Trapezius muscle tone and viscoelastic properties in sitting and supine positions[J]. Scand J Work Environ Health, 2007, 33(3): 76-80.

[8] Schneider S, Peipsi A, Stokes M, et al. Feasibility of monitoring muscle health in microgravity environments using Myoton technology[J]. Med Biol Eng Comput, 2015, 53(1): 57-66.

[9] 刘春龙, 徐凯, 张志杰,等.肌肉状态检测系统评估脑卒中患者肌肉张力的信度研究[J].中国康复, 2014,29 (2): 99-100.

[10] Pruyn E C, Watsford M L, Murphy A J. Validity and reliability of three methods of stiffness assessment[J]. J Sport Health Sci, 2016, 5(4): 476-483.

[11] Haen T X, Roux A, Soubeyrand M, et al. Shear waves elastography for assessment of human Achilles tendon's biomechanical properties: an experimental study[J]. J Mech Behav Biomed Mater, 2017, 69: 178-184.

[12] Boussouar A, Meziane F, Crofts G. Plantar fascia segmentation and thickness estimation in ultrasound images[J]. Comput Med Imaging Graph, 2017, 56: 60-73.

[13] Hirata K, Miyamoto-Mikami E, Kanehisa H, et al. Muscle-specific acute changes in passive stiffness of human triceps surae after stretching[J]. Eur J Appl Physiol, 2016, 116(5): 911-918.

[14] Lantto I, Heikkinen J, Flinkkila T, et al. Epidemiology of Achilles tendon ruptures: increasing incidence over a 33-year period[J]. Scand J Med Sci Sports, 2015, 25(1): 133-138.

[15] Sconfienza L M, Silvestri E, Orlandi D, et al. Real-time sonoelastography of the plantar fascia: comparison between patients with plantar fasciitis and healthy control subjects[J]. Radiology, 2013, 267(1): 195-200.

[16] Aubry S, Risson J R, Kastler A, et al. Biomechanical properties of the calcaneal tendon in vivo assessed by transient shear wave elastography[J]. Skeletal Radiol, 2013, 42(8): 1143-1150.

[17] Dewall R J, Slane L C, Lee K S, et al. Spatial variations in Achilles tendon shear wave speed[J]. J Biomech, 2014, 47(11): 2685-2692.

[18] Slane L C, Martin J, Dewall R, et al. Quantitative ultrasound mapping of regional variations in shear wave speeds of the aging Achilles tendon[J]. Eur Radiol, 2017, 27(2): 474-482.

[19] Howell J N, Cabell K S, Chila A G, et al. Stretch reflex and Hoffmann reflex responses to osteopathic manipulative treatment in subjects with Achilles tendinitis[J]. J Am Osteopath Assoc, 2006, 106(9): 537-545.

[20] Saini S S, Reb C W, Chapter M, et al. Achilles Tendon Disorders[J]. J Am Osteopath Assoc, 2015, 115(11): 670-676.

[21] Chen T M, Rozen W M, Pan W R, et al. The arterial anatomy of the Achilles tendon: anatomical study and clinical implications[J]. Clin Anat, 2009, 22(3): 377-385.

[22] Slane L C, Dewall R, Martin J, et al. Middle-aged adults exhibit altered spatial variations in Achilles tendon wave speed[J]. Physiol Meas, 2015, 36(7): 1485-1496.