FAI和Coper患者踝关节扭伤相关动作中的下肢运动生物力学特征

张泽毅，刘卉，张美珍*，武晓刚，陈维毅

踝关节扭伤是运动中常见的下肢损伤之一，多发生于急停侧切（30%）、单腿落地（45%）动作中（McKay et al.，2001）。此外，急停起跳是足球、篮球和排球中的常见动作，因需要突然改变运动轨迹，同时包含下一个动作的启动，会在踝关节处形成较大负荷，导致踝关节能量吸收占比达到44%（Devita et al.， 1992）。虽然由急停起跳造成的踝关节扭伤率仅有2.5%（McKay et al.， 2001），但其扭伤程度极为严重，多伴随踝关节韧带撕裂、骨折等（Devita et al.， 1992），因此该动作亦被认为是踝关节扭伤相关动作。初次扭伤治疗后，34%的患者在3年内出现反复疼痛，33%～53%的患者表现出踝关节不稳，即踝关节“失控感”（张阳 等，2019），医学上将此类人群定义为功能性踝关节不稳（functional ankle instability，FAI）患者。踝关节扭伤患者一旦发展为FAI患者，踝关节将陷入“扭伤—不稳定—再次扭伤”的恶性循环（李有华 等，2022）。然而，部分患者在初次扭伤后的表现与FAI患者不同，无踝关节不稳定症状，亦未发生复发性损伤，这类人群即为Coper患者（Abdeen et al.， 2019）。

FAI患者易出现踝关节重复扭伤，而Coper患者则不会出现，原因可能是二者着地时动作特征不同。Takao等（2008）研究发现，静态仰卧姿势下FAI患者患侧的踝关节跖屈被动活动度（range of motion，ROM）大于Coper患者和健康人群。李玉莲等（1999）研究发现，踝关节跖屈时距骨两侧与踝穴之间存在空隙，使踝关节处于一种相对不稳定状态，易发生损伤。Wright等（2000）通过踝关节损伤模型得出踝关节跖屈角越大，踝关节扭伤率越高。另有研究认为，踝关节扭伤多发生于动态活动中，通过分析FAI患者和Coper患者步行时踝关节运动模式的差异发现，FAI患者患侧的踝关节内翻角比Coper患者和健康人群增加了2.3°和2.1°（Hla et al.， 1999）。Melanson等（2020）研究发现，因踝关节过度内翻引发的踝关节扭伤占比为70%。此外，与Coper患者相比，FAI患者步行时患侧的地面反作用力（ground reaction force，GRF）更大，到达GRF峰值时间（time to peak，TTP）更短（Bigouette et al.， 2016；Wikstrom et al.， 2012）。研究显示，过大的GRF可能会增加踝关节负荷，加之较短的TTP加快了GRF在患侧踝关节的加载率，易造成踝关节不稳定及扭伤（Bigouette et al.，2016）。Kwon等（2020）进一步加大了测试任务难度，发现FAI患者在跑步时患侧的踝关节跖屈角、内翻角速度、GRF、运动变异性均显著大于Coper患者，其中踝关节跖屈角、内翻角速度变化可能与感觉运动控制缺陷及踝关节扭伤有关（Wanner et al.， 2019）。随着运动任务难度的增大，FAI患者表现出比Coper患者更易扭伤的踝关节生物力学特征。提示，应以踝关节扭伤相关动作为切入点，探索高任务难度下FAI患者和Coper患者运动模式的差异，归纳出与踝关节重复扭伤相关的运动特征。

此外，还需探索FAI患者和Coper患者髋、膝关节补偿机制。这是由于在完成急停、落地等动作时，踝关节跖屈肌最先离心收缩以缓冲部分动能，若此时踝关节运动模式异常，如矢状面ROM受限，踝关节则无法维持原有的能量吸收比，踝关节周围的双关节肌会将能量上传至膝关节，导致膝关节ROM增大，同时激活膝关节伸肌进一步缓冲GRF，以此类推，直到人体达到稳定状态（Gardner et al.， 2012）。但近端关节ROM和能量吸收增加可能使髋、膝关节面临更大的损伤风险（Markolf et al.， 1995）。同时，还可能进一步加剧踝关节不稳感，增加踝关节重复扭伤风险（18%）（De Ridder et al.， 2017）。然而，目前鲜有研究分析FAI患者和Coper患者髋、膝关节运动生物力学的差异。

因此，本研究通过分析FAI患者和Coper患者在踝关节扭伤相关动作下的踝关节运动生物力学特征及踝关节运动变化引发的近端关节代偿反应，了解与FAI患者重复扭伤相关的运动特征。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

本研究选取FAI患者、Coper患者和健康人群各10人，所有受试者均为太原理工大学篮球专项大学生（表1）。FAI患者、Coper患者和健康人群的纳入与排除标准参照Cao等（2019）的研究。FAI患者纳入标准：1）踝关节扭伤次数达2次以上，且在运动中有较为明显的失控感；2）坎伯兰问卷评分≤24分；3）未经历下肢骨折或手术；4）首次踝关节扭伤距本次测试达1年以上；5）踝关节前抽屉、内翻应力测试为阴性。Coper患者纳入标准：1）首次踝关节扭伤距本次测试达1年以上；2）运动中踝关节稳定感较强，且首次扭伤后从未出现再次扭伤；3）测试前1年内体力活动水平未受踝关节扭伤影响；4）坎伯兰问卷评分＞24分。健康人群纳入标准：1）从未经历致使体力活动水平严重下降的踝关节扭伤；2）坎伯兰问卷评分＞24分。排除标准：1）本次实验前半年内曾有严重的下肢损伤史；2）踝关节外侧副韧带明显松弛或断裂；3）患有严重的颅脑损伤、平衡障碍；4）Beighton测试得分＞4分（关节活动度过大）。

表1 受试者基本信息Table 1 Basic Information of Participants M±SD

由于92%的踝关节扭伤发生于优势侧（Beynnon et al.，2002），本研究选取优势侧为患侧的FAI患者和Coper患者。为避免疲劳对本研究结果的影响，要求受试者在实验前24 h内无大强度体力活动。测试前，所有受试者均须阅读并签署知情同意书。

1.2 数据采集

统一为受试者提供测试鞋、紧身上衣及短裤。所有受试者在正式测试前进行7 min热身活动，包括跑步、变向跑、深蹲和双腿起跳落地等。测试人员口头描述并演示测试动作后，受试者开始练习，在练习过程中给予口头反馈。动作要求：1）急停侧切动作要求受试者在距测力台6 m处助跑，在测力台台面上以患侧/优势腿为支撑，支撑腿快速制动、蹬伸，并沿原运动方向的左或右前45°方向继续奔跑；2）急停起跳动作要求受试者以自选最大速度助跑加速6 m后，双腿在测力台台面上完成急停制动，并立刻全力垂直起跳，双足同时落到测力台后立即进行快速前冲；3）单腿落地动作要求受试者双手叉腰，使用患侧（优势腿）支撑，站立于高度为35 cm的跳箱上，足尖向前，测试开始后沿跳箱边缘单腿跳下（图1）。

图1 急停侧切、急停起跳和单腿落地动作示意图Figure 1. Schematic Diagram of Stop-Side-Cutting， Stop-Jumping and Single-Leg-Landing Motions

采用Helen Hayes粘贴方案将反光Marker球（直径为15 mm）放置于受试者相应骨性标志点。采用Mars2H红外光点运动捕捉系统（Nokov，中国）以200 Hz的采集频率获得受试者的下肢运动学数据。使用三维测力台（Bertec，美国）通过同步采集卡连接红外镜头，对受试者下肢动力学数据进行同步采集，采样频率为1 000 Hz。每名受试者每个动作均采集3次有效数据。

1.3 数据处理

采用Cortex-642.6.2（Motion Analysis Inc，美国）对运动学数据进行处理，通过13 Hz Butterworth低通滤波对所有标志点的三维坐标进行平滑。根据反光标志点建立人体环节多刚体模型，基于欧拉角分析法计算下肢三维角度。动力学数据：1）进行50 Hz的低通滤波；2）通过逆动力学方法计算踝关节三维力矩，关节功率=关节力矩×关节角速度；3）对踝、膝和髋关节功率负值进行积分，得到各关节能量吸收情况，关节刚度=关节力矩/角位移；4）将得到的动力学数据标准化，其中关节能量吸收、下肢刚度基于自身体质量（/kg）进行标准化处理，GRF标准化为体质量（/N）的倍数。

1.4 统计分析

运用SPSS 25.0进行统计分析，通过Shapiro-Wilk检验数据是否服从正态分布。采用3×3双因素混合设计方差分析检验不同人群（FAI患者、Coper患者和健康人群）和踝关节扭伤相关动作（急停侧切、急停起跳和单腿落地）对下肢运动生物力学的影响。若因素间存在显著交互作用，则通过单因素独立样本方差分析比较不同人群间的差异，使用单因素重复测量方差分析对比不同动作间的区别。主效应差异采用LSD进行校正，P≤0.05表示有显著性差异。进一步使用MATLAB 2016b统计参数映射（statistical parametric mapping，SPM）计算内翻角、内翻角速度、GRF达到显著影响的时间范围。

2 结果

2.1 FAI患者、Coper患者踝关节生物力学特征的差异

双因素方差结果显示，不同人群和动作对踝关节跖屈角［F（4，81）=2.471，P=0.039，η2=0.101］、踝关节内翻角［F（4，81）=4.946，P=0.001，η2=0.109］的交互作用显著。SPM分析结果显示，单腿落地时，18.6%～32.3%动作周期中FAI患者的踝关节跖屈角显著大于Coper患者［F（4，81）=2.103，P=0.027，η2=0.216］和健康人群［F（4，81）=3.083，P=0.012，η2=0.216；图2］。急停侧切时，68.3%～83.9%动作周期中FAI患者的踝关节内翻角速度显著大于Coper患者［F（4，81）=4.583，P=0.011，η2=0.259］和健康人群［F（4，81）=4.225，P=0.017，η2=0.259；图3］。

图2 FAI患者、Coper患者和健康人群踝关节角度的差异Figure 2. Differences in Ankle Joint Angles between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

图3 FAI患者、Coper患者和健康人群踝关节角速度的差异Figure 3. Differences in Ankle Angular Velocity between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

2.2 FAI患者、Coper患者下肢功能补偿机制的差异

双因素方差结果显示，不同动作和人群对踝关节矢状面ROM［F（4，81）=2.430，P=0.044，η2=0.107］和膝关节矢状面ROM［F（4，81）=2.421，P=0.045，η2=0.107］的交互作用显著。急停侧切时，FAI患者的膝关节矢状面ROM（36.0°）显著大于健康人群（24.3°，P=0.002，η2=0.300）和Coper患者（29.4°，P=0.050，η2=0.300）。单腿落地时，FAI患者的踝关节矢状面ROM（51.1°）显著大于Coper患者（34.2°，P=0.001，η2=0.389）和健康人群（37.3°，P=0.004，η2=0.389；图4）。

图4 FAI患者、Coper患者和健康人群的下肢各关节矢状面ROM差异Figure 4. Differences in the ROM of Sagittal Planes of Each Joint of the Lower Limbs between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

双因素方差结果显示（表2），不同人群和动作对垂直GRF峰值［F（4，81）=2.810，P=0.015，η2=0.122］和膝关节能量吸收［F（4，81）=2.238，P=0.050，η2=0.100］的交互作用显著。单腿落地时，与健康人群相比，Coper患者垂直GRF峰值显著更低2.9（P＜0.001，η2=0.065）。此外，急停侧切时，FAI患者表现出较Coper患者（P=0.049，η2=0.108）和健康人群（P=0.042，η2=0.108）更大的膝关节能量吸收。单腿落地时，FAI患者（P=0.017，η2=0.384）和健康人群（P＜0.001，η2=0.384）的膝关节能量吸收较Coper患者显著更大。相比其他2类人群，FAI患者在单腿落地时的踝关节能量吸收有增大的趋势，但未达到显著性水平（P=0.110）。此外，FAI患者急停起跳时的膝关节刚度达0.34 Nm/kg，而Coper患者仅为0.24 Nm/kg，二者差异显著（P=0.047，η2=0.128）。

表2 FAI患者、Coper患者和健康人群在不同动作下的关节动力学特征Table 2 Joint Kinetic Characteristics of FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants under Different Motions

通过SPM发现，单腿落地时，Coper患者垂直GRF在11.6%～13.2%动作周期时显著低于FAI患者（P=0.037），在9.8%～12.9%动作周期时显著低于健康人群（P=0.019；图5）。从下肢各关节能量吸收百分比可以看出，急停侧切时，FAI患者的膝关节能量吸收达到87%，而Coper患者和健康人群为74%和76%；单腿落地时，FAI患者的踝关节能量吸收达到38%，而Coper患者和健康人群为24%和30%（图6）。

图5 FAI患者、Coper患者和健康人群的GRF变化曲线Figure 5. GRF Variation Curves for FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

图6 FAI患者、Coper患者和健康人群下肢各关节能量吸收的差异Figure 6. Differences in Energy Absorption in Each Joint of the Lower Limbs between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

3 分析与讨论

3.1 FAI患者、Coper患者踝关节运动生物力学特征的差异

踝关节内翻是踝关节扭伤的主要危险因素。有研究发现，由踝关节内翻造成的踝关节扭伤占70%（Balduini et al.， 1982）。其原因可能是踝关节内翻角度增大会导致距骨向内侧偏移，踝关节外侧韧带压力增大（郭国新 等，2012）。本研究结果发现，不同类型参与者在进行踝关节扭伤相关动作时的踝关节内翻角无显著差异，这与Doherty等（2016b）的研究结果一致。究其原因，FAI患者在经历多次踝关节扭伤后通过限制踝关节内翻角的保护机制避免损伤。Brown等（2015）研究认为，FAI患者跳跃落地时的踝关节内翻角与健康人群无显著差异。Lin等（2019）研究发现，患有FAI的高水平篮球、排球和羽毛球运动员甚至会以踝关节外翻的姿势着地。Gehring等（2014）从神经肌肉的角度对这种保护机制进行解释，认为多次踝关节扭伤可能导致腓骨长肌和腓肠肌肌力不足，当踝关节出现内翻时，腓骨长肌和腓肠肌产生的拮抗力矩过小，此时极易发生踝关节失控。经过多次踝关节失控的经验积累，FAI患者常在着地前就将踝关节置于中立位或外翻位，以提高踝关节的姿势控制能力。

过大的踝关节内翻角速度也是造成踝关节扭伤的重要诱因，这是由于过大的内翻角速度会增加应力的加载速率，从而增大踝关节扭伤风险（周志鹏 等，2021）。本研究结果发现，急停侧切动作中FAI患者的踝关节内翻角速度显著大于Coper患者，与Lin等（2019）的研究结果一致。踝关节内翻角速度增大可能与FAI患者腓骨长肌肌力受损有关（Steib et al.， 2013），该肌肉受损后可能导致踝关节外翻力矩不足，致使踝关节内翻角速度增大（Konradsen et al.， 2002）。另外，FAI患者的腓骨长肌潜伏期较Coper患者和健康人群更长，这主要是由FAI患者踝关节外侧韧带内的感觉感受器损伤所致。有研究发现，感觉感受器损伤会降低γ运动神经元对肌纤维敏感性的调控能力（Hertel，2008），延长腓骨长肌对踝关节异常位置的反应时间，无法及时提供踝关节外翻力矩，因此导致踝关节内翻角速度增大（Hiller et al.， 2011）。提示，FAI患者应在康复训练中加入腓骨长肌力量练习。

踝关节跖屈角过大是踝关节扭伤的危险因素之一（李玉莲 等，1999），有研究发现踝关节扭伤发生率会随踝关节跖屈角的增大而升高（Wright et al.， 2000）。这是因为踝关节外侧韧带在跖屈时被动拉长，最大应变和最大应力分别可达1.56 mm（7.9%）和39 N，这种力学条件下踝关节极易发生扭伤（DiGiovanni et al.， 2004）。本研究结果显示，单腿落地时FAI患者的踝关节跖屈角比Coper患者和健康人群显著更大，与前人研究结果一致（Wanner et al.， 2019）。该着地姿势可能增加踝关节的失控感，加之FAI患者存在踝关节本体感觉下降、肌力不足（朱燕 等，2012），若此时向踝关节施加内翻外力，很可能诱发踝关节扭伤（郑绍敏 等，2021）。造成这种结果的原因一方面与FAI患者不正确的运动习惯有关，即倾向于用较大的跖屈角落地，且依赖踝关节矢状面活动缓冲GRF（Son et al.，2017）；另一方面，由于FAI患者的前馈机制不足，无法将踝关节置于完成落地动作的安全位置（张阳 等，2014）。

综上，与Coper患者和健康人群相比，FAI患者表现出较大的踝关节跖屈角和内翻角速度，可能与踝关节重复扭伤有关。提示，FAI患者应对踝关节背屈肌群和外翻肌群加以力量练习和本体感觉练习，从而提高踝关节稳定性。

3.2 FAI患者、Coper患者下肢补偿机制的差异

FAI患者、Coper患者踝关节生物力学变化会引起髋、膝关节代偿反应。过度依赖髋、膝关节缓冲垂直GRF会增加近端关节负荷，同时也会降低髋关节和膝关节伸肌在躯干姿势控制方面的贡献（McCann et al.， 2018）。较差的躯干姿势控制可能导致下肢运动模式异常，关节力线改变，潜在增加踝关节重复扭伤风险（李彦锦 等，2021）。本研究中，FAI患者急停侧切时的膝关节能量吸收（87%）大于Coper患者（74%）和健康人群（76%），说明FAI患者更依赖膝关节缓冲GRF。这是因为FAI患者的腓肠肌功能受损导致踝关节离心收缩力量下降，踝关节处的能量吸收比例减少，相应近端关节能量吸收增大。提示，FAI患者在康复训练中不能仅局限于踝关节，应关注膝关节的相关训练，尤其是股四头肌和腘绳肌力量练习。此外，本体感觉训练亦可增加膝关节的能量吸收能力。本体感觉训练通过刺激关节囊、韧带和肌肉中的机械感受器和本体感受器，增加中枢神经系统的累积神经输入，改善神经肌肉控制和肌肉协调作用，从而达到更好的缓冲效果（付光亮 等，2021）。

与急停侧切不同，单腿落地时FAI患者仍以踝关节作为主要的能量吸收关节，与Terada等（2013）的研究结论一致，说明FAI患者单腿落地时对踝关节的要求较高，可能增大踝关节周围软组织应力（Markolf et al.， 1995）。但McCann等（2018）的研究结果与本研究不一致，该研究认为单腿落地时FAI患者的髋关节和膝关节的缓冲比重比踝关节更大。造成上述矛盾的原因可能是研究采用了双腿下蹲跳动作，该动作要求受试者在双腿落地后立即屈髋屈膝，增大肌肉弹性势能并为二次起跳做准备，该过程潜在提高了髋、膝关节能量吸收（Devita et al.， 1992）。

本研究结果显示，在11.6%～13.2%单腿落地动作周期中，Coper患者的垂直GRF小于FAI患者，在9.8%～12.9%动作周期时小于健康人群，与Kwon等（2020）的研究结论一致。究其原因，可能与Coper患者更大的下肢关节协调变异性有关 （Kwon et al.， 2020）。有研究指出，高协调变异性可以提高机体在高危动作下的反应能力，从而达到更有效地缓冲GRF的目的（Doherty et al.， 2016b）。需要注意的是，相比FAI患者，Coper患者的GRF曲线与健康人群更为相近，甚至低于健康人群，可能是其“再学习”了损伤前的运动模式，或是重新建立了一种与健康人群更为相近的运动策略（Doherty et al.， 2016a），这可能是Coper患者不易发生重复扭伤的生物力学原因。关节刚度方面，FAI患者急停起跳时表现出比Coper患者更大的膝关节刚度，反映其膝关节能量吸收更大，长此以往可能会造成膝关节慢性损伤（裴子文 等，2019），提示，FAI患者应注意改善下肢关节的能量吸收策略，适当增大髋关节着地时的屈曲程度，提升髋关节缓冲GRF的比重。

综上所述，FAI患者单腿落地和急停侧切时更依赖踝关节和膝关节缓冲GRF，可能会增加踝关节外侧负荷和膝关节负荷。而Coper患者的运动模式与健康人群较为相似，且Coper患者单腿落地时所受GRF较低，整体运动模式较为安全。

3.3 局限性与展望

本研究仅针对矢状面内的下肢关节负荷进行了分析，并未涉及冠状面和水平面，未来研究可以考虑分析FAI患者、Coper患者下肢其他运动平面的运动模式。本研究重点讨论了FAI患者和Coper患者患侧均为优势侧的运动生物力学特征，未来研究可以同时关注患侧与健侧的运动表现，分析双侧下肢不对称性、肌力失衡等是否与踝关节扭伤有关。

4 结论与建议

4.1 结论

FAI患者的运动模式与Coper患者和健康人群不同，Coper患者在踝关节扭伤后建立了一种与健康人群相似的运动模式，不易发生踝关节扭伤。然而，与Coper患者和健康人群相比，FAI患者在单腿落地和急停侧切时表现出踝关节跖屈角、内翻角速度增加，同时更依赖踝关节和膝关节完成着地时的能量吸收，加重了运动时的踝关节负荷，这些运动特征变化可能与重复扭伤有关。

4.2 建议

FAI患者踝关节内翻角速度增大可能与腓骨长肌和胫骨前肌受损有关，在训练中着重针对其加以练习，可能对预防踝关节重复扭伤有积极作用。FAI患者更依赖膝关节缓冲GRF，可能增加膝、踝关节损伤风险，应在FAI患者的康复训练中注意发展膝关节力量。此外，还应考虑改善FAI患者下肢整体的运动模式，使各关节更有效地缓冲GRF。