向心/离心肌肉疲劳对踝关节本体感觉及平衡能力的影响

温子星 徐欣 瞿强 徐燕 余波，3

1 上海杉达学院国际医学技术学院（201209）

2 上海师范大学天华学院（201815）

3 上海交通大学附属第一人民医院康复医学科（200080）

关节本体感觉（joint proprioception）主要包含关节运动觉（joint movement sense）和关节位置觉（joint po⁃sition sense），可用于感知人体的空间位置及运动状态[1]。关节周围肌肉内机械感受器是本体感觉感知的重要来源，故很容易建立起肌肉功能状态与本体感觉之间的联系，关节周围肌肉疲劳会导致本体感觉及平衡能力下降的观点也受到广泛关注[2-4]，但此观点仍存在一定争议[5]。例如有研究发现，肩关节周围肌肉疲劳并不会引发关节本体感受能力降低[6]；同时，有研究发现股四头肌及腓肠肌疲劳对健康青年受试者站立平衡能力不会造成影响[7]。踝关节运动主要发生于矢状面，如行走、奔跑、落地缓冲等动作，背屈及跖屈肌群为矢状面运动中的主要动员肌肉，且根据运动形式的差异，表现出不同的肌肉工作形式，以跖屈肌为例，落地缓冲动作中主要以离心收缩为主，而短跑运动中，踝关节的蹬伸则以向心收缩为主，不同肌肉收缩形式引发的疲劳是否将引发不同本体感觉能力的改变还少有研究。

本研究探讨向心、离心两种不同工作形式引发的肌肉疲劳对踝关节本体感觉及站立平衡能力的影响，进一步加深对踝关节本体感觉影响因素的认识，并为后续相关研究奠定基础。本研究假设：（1）两种工作形式下的肌肉疲劳均会引发踝关节本体感觉及平衡能力下降；（2）离心收缩引发的肌肉疲劳，其本体感觉及平衡能力下降程度将大于向心收缩。

1 对象与方法

1.1 研究对象与分组

选取上海某高校健康男性大学生40名，要求无神经-肌肉系统疾病，无明显本体感觉及平衡功能障碍，近期无运动损伤发生，且测试前24小时内无剧烈身体活动，了解本实验目的并签署知情同意书。本研究采取平行实验设计，根据随机数字法将受试者随机分为向心疲劳组及离心疲劳组，每组20名。疲劳干预及本体感觉、单腿支撑站立平衡测试均选取优势侧腿，优势侧腿判定方法为平时踢球动作习惯用腿。受试者基本情况如表1所示，两组年龄、体重、身高、优势侧腿比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表1 受试者基本情况

1.2 疲劳干预方案

向心疲劳组和离心疲劳组分别进行不同疲劳干预方案，两组在干预开始前均在跑步机上进行5 分钟慢跑热身，速度为受试者自选较为舒适的慢跑速度，两组疲劳干预方案如下：

（1）向心疲劳组：使用Biodex等速肌力训练仪（Bio⁃dex Medical System，USA），于向心/向心训练模式下，以120°/s 的运动速度进行连续踝关节背屈及跖屈运动，并根据实时数据反馈记录前3次峰值力矩，求其均值为最大自主收缩峰值力矩，以受试者连续3 次峰值力矩低于50%最大自主收缩峰值力矩表示受试者目标肌肉处于疲劳状态，停止疲劳干预[8]；（2）离心疲劳组：干预模式为离心/离心训练模式，其余干预方法及流程与向心疲劳组相同。

1.3 测试方案

干预开始前及干预后即刻均进行踝关节本体感觉及平衡能力测试，测试方案如下：

（1）本体感觉测试：以关节位置觉表示本体感觉，采用Biodex 等速肌力测试系统（Biodex Medical Sys⁃tem，USA）[9，10]，使用关节被动运动位置觉测试模式。分别以背屈10°和跖屈25°位作为目标位置，踝关节0°位为测试开始位置，每目标角度均进行3次测试，每次测试开始前受试者在机器带动下将踝关节由开始位置移动至目标位置并维持10 s，用以受试者感受关节位置，之后返回开始位置，机器以1.0°/s 速度带动踝关节进行运动。当患者感觉已到达之前感受到的目标位置后按“停止”键，记录停止位置度数，以实际停止度数与设定的目标角度的绝对差值（absolute error，AE）反映关节位置觉水平，取3 次测试平均值。AE 越大表示本体感觉水平越差，测试过程中受试者全程戴眼罩屏蔽视觉信息。

（2）平衡能力测试：平衡能力测试使用Biodex 动、静态平衡测试仪（Biodex Balance System，USA），采用闭眼单腿站立平衡测试模式，采集单腿静止站立数据10 s，测试过程中受试者若不能维持10 s单腿站立，代表测试失败，重新进行测试。以身体摆动指数（sway index）作为评价指标，以较大的身体摆动指数表示平衡控制能力较差[11]。

1.4 统计学方法

使用SPSS19.0进行统计学分析。计量资料数据采用平均数±标准差（±s）表示，组内疲劳干预前后本体感觉及平衡能力差异比较使用配对样本t检验，两组组间差异比较使用独立样本t检验。两组间计数资料（优势侧腿）比较采用卡方检验。显著性差异水平定义为α=0.05，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

如表2所示，疲劳干预前，两组本体感觉测试结果差异无统计学意义（P＞0.05）。与疲劳干预前相比，疲劳干预后两组背屈10°和跖屈25°两目标关节位置关节角度绝对差值均增加（P＜0.05）。疲劳干预后，离心疲劳组在背屈10°目标关节位置下的关节角度绝对差值大于向心疲劳组（P＜0.05）。

如表3所示，疲劳干预前，两组身体摆动指数差异无统计学意义（P＞0.05）。与疲劳干预前相比，疲劳干预后两组身体摆动指数均增加（P＜0.05）。疲劳干预后，离心疲劳组摆动指数大于向心疲劳组（P＜0.05）。

表2 两组疲劳干预前后关节角度绝对差值比较（°）

表3 两组疲劳干预前后摆动指数比较

3 讨论

本体感觉信息的产生依赖于皮肤、肌肉及关节内部和周围肌肉软组织的机械感受器信息传导，这些感受器包括高尔基腱体（Golgi tendon receptors）、肌梭（muscle spindles）及一些游离神经末梢（free nerve endings）等[12-14]。作为中枢神经系统感知人体运动状态的重要信息来源，关节本体感觉在运动控制、姿势维持及运动技巧发挥中扮演着重要角色，本体感觉的损伤会导致关节稳定性下降，运动中损伤风险增加。同时，作为人体平衡控制过程中重要的信息感受来源，本体感觉能力与人体平衡能力及运动表现的稳定性具有较强的正向相关性[15]，而足踝作为一个功能复合体，多数运动中其将直接与地面发生接触，由此，相较于其他关节，踝关节本体感受能力对人体平衡控制及运动表现的提升或许发挥了更为重要的作用[16]。加之关节结构复杂、负重大、稳定性差等特点，导致其损伤风险较高，良好的踝关节本体感受信息传导在促进踝关节稳定性，提升人体平衡控制能力，降低跌倒等损伤风险中发挥重要作用[17]。

本研究旨在探究踝关节周围肌肉疲劳对关节本体感觉及平衡控制的影响，并在此基础上进一步探究向心及离心两种不同肌肉工作形式引发的疲劳是否会造成本体感觉及平衡能力出现不同程度的改变。结果显示，相较于疲劳干预前，向心疲劳组和离心疲劳组受试者在疲劳干预后均表现出本体感觉及平衡能力的下降，同时离心疲劳干预组下降程度更为明显，符合本研究假设。

肌肉疲劳对关节本体感觉及平衡控制的影响受到相关研究者的重视，随着研究的深入，其结果仍存在一定争议。国内有研究表明踝关节及膝关节周围肌肉疲劳会导致相应关节本体感觉降低，使关节损伤风险增加[18，19]；国外多数研究支持这一结论，同时也有研究显示，肌肉疲劳并不会导致关节本体感觉及平衡能力降低[6，16]，本研究结果更倾向于前者。

本研究探讨了肌肉疲劳引发的本体感觉功能变化是否会随向心收缩或离心收缩两种肌肉工作形式的转变而有所改变，结果表明，与向心收缩形式相比，离心收缩形式下引发的肌肉疲劳将会引发更大程度的关节本体感觉降低；同时其平衡控制能力也出现明显降低。下肢关节周围肌肉的离心收缩，尤其是踝关节跖屈肌群及伸膝肌群在落地缓冲时发挥重要作用，如长跑支撑腿着地、跳跃落地等动作[20]；同时，与向心收缩相比，肌肉生理学研究已经证实离心收缩工作形式更易诱发肌肉疲劳，这或许是跳跃类运动项目踝关节损伤发生率较高的一个原因[21]，进行针对性预防训练及动作改进或许可有效降低损伤风险。

关于肌肉疲劳建模方案一般有3种主要形式[8]：超长时间肌肉工作、低强度多次重复工作及大强度工作。根据研究目的不同可使用不同疲劳建模方案，本研究使用低强度多次重复工作来诱发相应肌肉的疲劳，并以其50%最大自主收缩峰值力矩作为统一疲劳标准，排除了两组间除收缩形式外其他干扰因素对测试结果的影响。

关于肌肉疲劳引发关节位置觉的降低可以从以下几方面机制进行解释。首先，有研究指出关节周围肌肉疲劳会导致关节周围软组织紧张度下降，引发关节松弛[22]，可能导致关节位置觉下降；其次，通过疲劳对关节周围机械感受器的影响也可得出一定解释，这些机械感受器可存在于关节囊及周围韧带等软组织及关节周围肌肉中，现阶段针对肌肉疲劳导致关节囊、韧带等软组织内机械感受器作用效率降低的观点还存在一定争议，相关研究更倾向于关节位置觉的降低是由于疲劳导致肌肉内感受器的感受信息传入异常所致[23]。

本研究结果支持踝关节周围肌肉疲劳将导致平衡控制能力下降，但现阶段仍有研究持不同观点[7]。人体平衡控制中，中枢神经系统将整合视觉、前庭觉及本体感觉信息，并产生使外周肌肉模式化协同收缩指令，最终通过肌肉的表现进行人体平衡状态的控制调节[24，25]，且多数研究倾向于人体平衡控制能力与踝关节本体感觉相关[15，26]，本研究中踝关节周围肌肉疲劳引发其肌肉力量下降，控制能力降低，同时踝关节本体感觉下降，都在一定程度上导致其平衡控制能力下降。这进一步表明肌肉疲劳易导致损伤风险增加，且不局限于疲劳肌肉所在局部关节的损伤；同时平衡控制能力降低会引发全身动作变形，甚至出现高跌倒风险等。

4 结论

踝关节周围肌肉疲劳引发其关节本体感觉及平衡控制能力下降，且较向心收缩相比，踝关节周围肌肉离心收缩工作引发的肌肉疲劳更为明显。