不同硬度地面对功能性踝关节不稳患者步态协调性的影响

马乾峰， 李立， 张伟， 丁健， 许贻林， 毛文慧

1.南京师范大学体育科学学院，江苏南京市 210023；2.美国佐治亚南方大学运动健康科学系，美国佐治亚州30460；3.江苏省体育科学研究所，江苏南京市 210033

0 引言

功能性踝关节不稳(functional ankle instability,FAI)是一种踝关节本体感觉降低以及神经肌肉控制障碍的慢性病。长期处于FAI 会增加关节退行性疾病、踝关节骨性关节炎以及再扭伤的风险[1]。多项研究证实，FAI 还会引起人体下肢生物力学特征的改变。这种变化不仅发生在踝关节，还会向上延伸至近端关节如膝关节和髋关节等[2-5]。

矢量编码技术可以很好量化关节间的耦合关系[6]。目前，矢量编码技术已被广泛应用在研究特定人体运动的关节协调模式识别、运动学损伤的预防和评估等方面[7]，尤其是在评估周期性运动动作协调模式方面非常有效[8]。步行是人体日常离不开的生活活动，但对于FAI 患者，异常的协调模式或变异性都可能造成步行时患侧足异常内翻或跖屈的范围变大，增加踝关节损伤风险[9]。因此，研究FAI 患者步态协调性特征尤为关键。

大多数关于人类步态的研究都是在光滑/水平的表面或者理想实验室环境下进行的，在不同硬度地面行走的研究鲜有报道。有研究显示，与正常足姿受试者相比，异常足姿受试者步行时旋后运动范围减小，且足部与踝关节在矢状面的协调性较差，进而可能影响到足部对于不同地面地形的适应能力，导致足踝关节稳定性降低，关节扭伤风险增加[10]。在不同于地面的柔性跑台上也发现了下肢协调性的改变[11]。不同硬度地面行走对神经肌肉系统是一项挑战，但目前尚不清楚不同硬度地面是否影响下肢的协调性和变异性，以及这种变化是否在FAI患者中有更大影响。

本研究的目的是通过矢量编码技术观察FAI 患者以舒适步速在不同硬度地面行走时下肢各关节间的协调模式和协调变异性，了解下肢运动控制策略变化，为预防FAI患者踝关节再次损伤和康复训练提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2023 年5 月至7 月，选取南京师范大学男性踝关节不稳(右侧)患者15例，平均年龄(23.1±1.9)岁，平均身高(175.5±4.9) cm，平均体质量(76.2±8.7) kg。

首先进行坎伯兰踝关节不稳量表(Cumberland Ankle Instability Tool, CAIT)评价[12]。

纳入标准：①至少1 次严重的踝关节扭伤病史，出现疼痛、肿胀等症状，不能正常参与日常活动1 d以上；②最近1 年内单侧踝关节发生失控、扭伤或不稳感觉2次以上；③CAIT分值≤ 24分；④前抽屉试验(-)；⑤签署知情同意书。

排除标准：①问卷调查之前3 个月内下肢发生过扭伤等急性损伤；②另一侧踝关节也发生过失控、扭伤或不稳感觉；③踝关节前抽屉试验(+)，距骨倾斜试验(+)。

本实验已经南京师范大学伦理委员会批准(No.2022020017)。

1.2 方法

采用Qualisys 红外高速光学运动捕捉系统(Oqus 300, Qualisys AB, Gothenburg, Sweden)采集运动学数据。该系统由数据采集软件(QTM-Qualisys Track Manager)、计算机、标志杆、标志框架、反光球和6架红外线摄像机组成。摄像机负责捕捉Marker反光点的运动轨迹，获取患者的步行情况。

地面步道分为硬地面(硬地板)和软地面(泡沫步道)。硬地板为实验室木地板，步道长15 m。泡沫步道长15 m，宽145 cm，厚度15 cm。

首先标记和粘贴Marker 点(见图1)，向受试者说明注意事项。

图1 Marker点粘贴位置Figure 1 Marker pasting position

两种地面行走顺序随机选取。在一种地面行走5 min，间歇5 min，再换另一种地面。

实验时，受试者始终目视前方，保持头颈正直，以自选舒适速度，裸足匀速从起点线在实验室地面规划好的路线上循环走动。

1.3 观察指标

采集患侧数据。耦合角和耦合角标准差计算公式参考Needham等[14]的研究拟定。

1.3.1 耦合角

构建髋-踝关节、髋-膝关节和膝-踝关节的角-角图，其中近端关节角在x轴上，远端关节角在y轴上。根据王佳伟等[13]描述的方法，计算出角-角图中相对于右侧水平线的两个相邻数据点在时间上的角矢量方向和大小，记为耦合角。耦合角代表每个时间区间的空间协调，以区别不同的协调模式[14]。根据平均水平向量和平均垂直向量计算耦合角，表示协调模式的特征。

1.3.2 耦合角标准差

通过受试者的耦合角评估受试者间的变异性，即耦合角标准差。

1.3.3 步态周期

参考步态分期方法[15]，本研究将步态周期划分承重期、支撑中期、支撑后期、摆动前期、摆动中期和摆动后期6个阶段。

1.4 数据处理

数据处理步骤见图2。

图2 数据处理流程图Figure 2 Data processing flow chart

1.5 统计学分析

采用Excel、Matlab 和DPS 9.01 进行统计学分析。数据符合正态分布，以(±s)表示。协调模式参数采用循环统计，不同地面间耦合角比较使用Watson-Williams检验；不同地面间耦合角标准差比较采用配对样本t检验。显著性水平α= 0.05。

2 结果

2.1 耦合角

在冠状面内，FAI患者髋-踝关节耦合角在硬地面和软地面上多个步态阶段有显著性差异(P＜ 0.05)。在矢状面内，髋-踝关节和膝-踝关节耦合角在两种地面上多个步态阶段有显著性差异(P＜ 0.05)。在水平面内，髋-膝关节耦合角在两种地面上多个步态阶段有显著性差异(P＜ 0.05)。见图3和表1。

表1 三维面内各关节不同步态阶段两种地面的耦合角比较Table 1 Comparison of coupling angle of joint on 3D planes during different gait stages on two surfaces单位：°

图3 三维面内各关节不同步态阶段在硬地面和软地面的耦合角比较Figure 3 Comparison of coupling angle of joint on 3D planes during different gait stages on two surfaces

2.2 耦合角标准差

在冠状面内，FAI 患者髋-膝关节和膝-踝关节耦合角标准差在硬地面和软地面上多个步态阶段有显著性差异(P＜ 0.01)。在矢状面内，膝-踝关节耦合角标准差在两种地面上多个步态阶段有显著性差异(P＜0.05)。在水平面内，髋-膝关节和膝-踝关节耦合角标准差在两种地面上多个步态阶段有显著性差异(P＜0.05)。见表2。

表2 三维面内各关节不同步态阶段两种地面的耦合角标准差比较Table 2 Comparison of standard deviation of coupling angle of joint on 3D planes during different gait stages on two surfaces 单位：°

3 讨论

FAI 患者在不同硬度地面步行时，其步态协调模式和协调变异性会发生改变。本研究以耦合角反映协调模式，以耦合角标准差反映协调变异性。结果显示，FAI患者在软地面上行走更具有挑战性。

目前，步态协调分析大多数都是在跑台上进行，但是跑台可能对动态神经肌肉控制施加系统性改变，影响自身舒适的步行速度，行走者通过改变髋-膝关节协调模式或下肢关节协调模式来适应舒适步行速度[16]。国外主要研究慢性踝关节不稳(chronic ankle instability, CAI)患者，缺乏对FAI 患者下肢协调性的研究。大多数国外研究对地面因素进行调节时，采取的是不规则路面如石子路面、不规则表面等，或者是对不同硬度鞋的研究，缺乏对不同硬度地面行走时下肢协调性的分析[17]。

因此，本研究采用矢量编码技术分析FAI 患者在不同硬度地面行走时的下肢协调性，希望对康复治疗方案的制定和运动预防提供参考。

3.1 不同硬度地面对FAI患者步行时下肢协调模式特征的影响

本研究参考协调模式分类方式[18]，将耦合角分为近端主导同相期、远端主导反相期、远端主导同相期和近端主导反相期。当耦合角＜ 45°或180°～＜ 225°时，定义为近端主导同相期，即近端和远端环节运动的方向相同且近端运动幅度较远端更大；当耦合角45°～＜90°或225°～＜ 270°时，定义为远端主导同相期，即近端和远端环节运动的方向相同且远端运动幅度更大；当耦合角90°～＜ 135°或270°～＜ 315°时，定义为远端主导反相期，即近端和远端环节运动的方向相反且远端运动幅度更大；当耦合角135°～＜ 180°或315°～＜ 360°时，定义为近端主导反相期，即近端和远端环节运动的方向相反且近端运动幅度更大。

本研究结果显示，与硬地面相比，FAI 患者在三维面内的支撑期步行时软地面主要表现为近端支配优势。MacLellan 等[19]的研究发现，相较于硬地面，受试者行走在泡沫地面时步宽、步长和步态时间均增加。步宽和步长的增加可以有效提高支撑稳定性。在软地面行走时，受试者为了保持平衡，需要髋关节或膝关节代偿运动，以弥补不稳的踝关节再次发生损伤的风险。这可能是FAI患者步行的保护机制。

在矢状面膝-踝支撑期和水平面髋-膝关节摆动期内，FAI 患者在硬地面主要处于近端主导同相期，而在软地面主要处于远端主导时期，软地面较硬地面表现为更多的踝关节跖屈内翻。Yen 等[16]的研究表明，CAI 患者的踝关节过度内翻可能是由于髋关节外展肌力量较弱。本研究结果与之相似。

踝关节在支撑中期和支撑后期保持跖屈，这可能是由于软地面延长了踝关节支撑期的步态时间。Moisan 等[20]在对CAI 患者单腿下落的研究中发现，与平坦地面相比，患者在泡沫表面着陆时表现出更大的踝关节内翻和膝关节伸展角度，更大的踝关节内翻和内旋力矩，且腓骨长肌激活程度较低。本研究结果与之相似。

本研究发现，与硬地面相比，FAI 患者在冠状面协调模式中软地面表现出更多的踝关节内翻范围；在水平面膝-踝关节协调模式中软地面摆动期内表现出较多的膝关节内旋角度。推测软地面可能造成踝关节内翻内旋，增加复发性外踝扭伤的风险。

3.2 不同硬度地面对FAI患者步行时下肢协调变异性的影响

运动协调变异性表明用来完成动作任务协调模式的范围[21-22]。根据动力系统的观点，变异性本身不能辨别其好坏。

本研究结果显示，FAI 患者下肢关节耦合角标准差在软地面支撑中期、支撑后期、摆动前期和摆动期多数大于硬地面。运动协调变异性不仅仅被看做一种误差，也同样被认为是一种在实现运动任务中骨骼-肌肉系统适应性表现，有利于提高对源自外界环境等干扰的应对能力[23]。

Gribbin等[24]对前交叉韧带损伤患者进行步行和慢跑研究发现，患者产生高度的变异性可能代表着身体无法在缺乏协调和运动控制而出现的约束条件下找到最佳的运动模式，也可能在有限制运动的同时仍然会产生不一样的运动模式。因此，FAI 患者在软地面产生更高的耦合角标准差，这可能是由于在软地面上无法找到最佳的运动模式，或者是软地面的特殊性造成患者的不适应，从而产生较硬地面不同的运动模式。Davids 等[25]认为，系统运动的变异性增加意味着感觉运动控制的下降，但不一定意味着关节稳定的缺乏。

通过对FAI 机制的研究发现[26-27]，患者有本体感觉功能的下降，包括踝关节外翻运动力觉和被动内外翻运动觉，踝关节内翻肌力的下降，臀大肌肌力激活程度的改变，这些功能性指标的下降可能会增加系统运动的变异性，造成踝关节的不稳定性。

综上所述，与硬地面相比，在软地面上FAI 患者在三维面步态支撑阶段表现出更多的近端主导时期，可能是为了维持平衡，支撑期变长，摆动期缩短，从而增加稳定性。在三维面表现出更多的远端主导，即踝关节内翻跖屈优势增加，髋关节优势减少，可能是因为在软地面上步行时髋外展肌无力所致。在水平面摆动阶段膝关节内旋范围和踝关节内翻范围更大，这提示复发性外踝扭伤的风险增加。FAI 患者在软地面上协调变异性普遍高于硬地面。提示FAI 患者在软地面上步行时会增加复发性外踝扭伤风险，未来康复治疗应加以重视和预防。

目前踝关节不稳是一个热点话题，但对于FAI 患者在不同地面行走特征的研究仍相对较少。本研究可为康复治疗提供一定的参考，比如采取针对性的训练，使其适应不同的步行任务难度。

本研究样本量有限，且仅招募了男性受试者。性别对CAI 症状有一定的影响[28]。因此，今后研究应招募女性受试者，并增加样本量。必要时，可对关节邻近肌肉进行肌电图检查。

4 结论

FAI 患者在不同硬度地面上步行时下肢协调性和协调变异性存在差异。软地面上，三维面内步态各阶段较硬地面表现出更多的远端主导，即踝关节内翻跖屈优势增加，髋关节优势减少。在软地面上协调变异性普遍高于硬地面。FAI 患者在软地面上步行时可能会增加复发性外踝扭伤风险。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。