慢性踝關節不穩患者下肢肌肉激活特征研究現狀

裴子文，孟憲梅，楊建強，陳建

1.武漢體育學院，a.研究生院，b.健康科學學院，湖北武漢市430079；2.武漢大學健康學院綜合模擬康復中心，湖北武漢市430071

踝關節扭傷無論是在競技體育運動中，還是在日常活動中都十分常見。在美國，每年大約有200萬人發生踝關節扭傷，其中73%會發生重復扭傷[1]。踝關節扭傷后患者會出現疼痛、無力、不穩和失控等短期或長期的后遺癥狀，由于早期治療不當或過早地進行劇烈運動進而引發慢性踝關節不穩(chronic ankleinstability,CAI)。雖然CAI的發病率相當高，但是其發病機制還不明確[2]。臨床上CAI分為功能性踝關節不穩(functional ankle instability,FAI)和機械性踝關節不穩(mechanical ankle instability,MAI)。兩者最大的差別就是關節運動幅度是否處于正常范圍，但有時較難區分且存在一定程度的共存。業已證實，不論是FAI還是MAI，都存在不同程度的神經肌肉控制缺陷[3]，從而導致患者在動態活動(包括步行、跑步、跳起落地及急轉急停等動作)過程中，再次扭傷踝關節。但是臨床上尚未有針對性的康復訓練方法。

表面肌電圖(surfaceelectromyography,sEMG)通過放置在皮膚表面的電極記錄肌肉收縮時產生的電流，對電信號進行技術處理和分析，從而了解肌肉活動水平和功能狀態的變化[4]。近年來，隨著表面肌電檢測及分析技術的進步，已有學者將其用于實時監測不同動作模式下的下肢肌肉激活特征，并將其與壓力板、動作捕捉系統或等速肌力測試系統結合，用于分析下肢肌肉激活特征與下肢運動學和動力學參數變化之間的內在聯系[5]。這對進一步揭示CAI的損傷機制具有重要意義。本文將著重介紹CAI患者下肢肌肉在不同動作模式下的激活特征，從肌肉激活的時域指標和反應時變化等方面分析其神經肌肉控制缺陷。

1 不同動作模式下的肌肉激活特征

1.1 步行

CAI患者在步行過程中運動控制策略與正常人存在差異[6-8]。相比健康受試者，CAI患者患側足在接觸地面前踝內翻角增加6°～7°，造成壓力中心更靠近踝關節外側，導致外踝負重增加，從而誘發踝關節再次扭傷[9-10]。采用表面肌電設備分析步行過程中踝關節周圍肌肉激活模式與運動學、動力學參數改變之間的聯系，發現CAI患者步行過程中患側足在接觸地面前，腓骨長肌較健康受試者更早激活，且激活強度顯著強于健康受試者[11]。這可能是由于CAI患者企圖以提前激活腓骨長肌，增加激活程度的方式來糾正患側足在接觸地面時不恰當內翻位置。然而，Hopkins等[9]還發現，患側足在接觸地面后，足內翻角依然大于健康受試者，且外踝壓力中心軌跡更長，這提示CAI患者所采取的應對方式并不足以完全糾正步行過程中的運動學和動力學改變。

Koldenhoven等[12]應用表面肌電設備和壓力板同步監測CAI患者和健康受試者在步行周期中支撐相的肌肉激活特征以及足底壓力變化，結果發現CAI患者的壓力中心相比健康受試者偏向外側，且差異顯著；而在接觸壓力板前100 ms，肌電信號顯示患側脛前肌均方根值(root mean square,RMS)顯著低于健康受試者，而腓骨長肌、腓腸肌內側頭和臀中肌RMS顯著高于健康受試者。這與Βrown[13]和Monaghan等[8]的研究結果相互印證，他們發現CAI患者患側足在接觸地面前，其足廓清垂直高度較健康受試者低，且踝關節跖屈角度顯著大于健康受試者，CAI患者下肢肌肉激活程度發生改變可能是造成這種運動模式的直接原因。CAI患者步行過程中臀中肌激活發生改變，這一點在Feger等[11]的研究中也得以證實。分析認為臀中肌提前激活，且激活程度更高是為了代償踝關節的穩定性缺失，從而提高步行過程中的穩定性。目前，多數研究發現CAI患者腓骨肌在步行過程中存在提前激活，且過度激活的表現[7,9,12]，但是也有研究得出不一致的結論，這可能是由于研究中受試者的納入標準以及測試方式的不同所導致[14-15]。

步行過程中踝關節周圍其他肌肉(脛前肌、腓腸肌和比目魚肌等)激活模式變化，由于目前的研究數量有限，尚有待進一步研究。

1.2 落地

無論是垂直跳起落地，還是側方跳起落地，都是容易誘發踝關節扭傷的動作。運動學研究發現，FAI患者患側足在垂直落地前運動模式較健康受試者有所不同，在足接觸壓力板前10 ms至接觸后20 ms期間內，患者患側足背屈角度顯著大于健康受試者，且膝關節屈曲角度也存在差異[16]。

有學者認為落地過程中下肢肌肉激活模式改變是造成下肢運動模式發生改變的直接原因[17-24]。Caulfield等[17]研究FAI患者患側足在垂直跳起落地過程中踝周肌群肌肉激活情況，結果發現患側足在接觸壓力板前，腓骨長肌積分肌電值(integrated EMG,IEMG)明顯低于健康受試者，而脛前肌和比目魚肌IEMG在觸地前后均未發生顯著變化，可能是由于扭傷后局部肌肉或神經受到影響，從而造成患者腓骨長肌激活程度存在差異。Delahunt等[18]結合動作捕捉系統進一步測試發現，在腓骨長肌IEMG降低的同時，踝關節內翻角顯著大于健康受試者，這提示可能是由于腓骨長肌激活程度不夠，不足以調整踝關節內翻角達到正常位置。然而，Gutierrez等[19]進行類似實驗卻得出不一樣的結果，其研究結果顯示CAI患者在雙足垂直跳起落地前，患側腓骨長肌激活程度顯著大于健康受試者。分析產生爭論性結果的原因首先可能是由于受試者的納入標準存在差異；其次，雙足落地時健側足對平衡的維持會有輔助作用，對結果也會造成影響。近期還有研究發現，CAI患者在雙足落地(固定平面)后，不僅患側腓骨長肌和腓腸肌內側頭激活程度減弱，而且臀中肌激活程度在短潛時反射階段也顯著低于健康受試者；當患側足落于旋轉平面時，其下肢肌肉激活模式較健康受試者也存在差異[16]。這與運動學參數變化相一致，CAI患者在垂直跳起落地過程中，不僅只是踝關節運動模式會發生改變，整個下肢運動鏈都會受到影響[18,21]，因而髖膝關節周圍肌群激活模式與健康人群應該也同樣存在差異。但是由于目前相關研究開展較少，且研究中樣本量均較少，這一結論還有待進一步研究。

也有研究發現，在側方跳起落地過程中，CAI患者踝周肌群肌肉激活模式與健康人有所不同。Delahunt等[22]研究發現，FAI患者在進行側方跳起落地時，患側踝關節外翻角在落地前45 ms至落地后95 ms均顯著小于健康受試者，脛前肌、比目魚肌以及股直肌激活程度均顯著強于健康受試者，而腓骨長肌激活程度與健康受試者無顯著差異。分析認為，CAI患者是通過前饋機制，過度激活脛前肌、比目魚肌以及股直肌，從而將踝關節調整到合適位置，以避免再次損傷。Monteleone等[23]研究進一步證實了這一觀點，其研究發現FAI患者在側方跳起落地過程中，脛前肌激活程度顯著強于健康受試者，同時踝關節背屈角度較健康受試者更大。但是，在Monteleone等[23]研究中卻發現，腓骨長肌激活較健康受試者有所增強，這與Delahunt等[22]研究結果并不一致，分析認為可能是由于二者試驗方法存在差異所導致。在Monteleone等[23]研究中，要求受試者側方跳起過程中越過障礙物，動作難度增加，因而受試者在完成動作時的神經肌肉控制模式也會存在差異。Webster等[24]研究還發現，在側方跳起落地過程中，CAI患者在落地前患側臀大肌激活程度顯著強于健康受試者，分析認為過度激活臀大肌是為了限制在觸地階段股骨內旋，保持適當的下肢力線，從而降低踝關節所承受壓力。

目前，同步監測CAI患者進行跳起落地動作時的下肢運動學、動力學及下肢肌肉表面肌電參數變化的研究還較少，今后應加大這一方向研究力度，以進一步闡明患者在跳起落地過程中的損傷機制。

1.3 其他動作

CAI患者在進行跑步及其他功能性動作時，其下肢肌肉激活表現與健康人群也存在差異[25-27]。Lin等[25]監測15例CAI患者和15例健康受試者跑步過程，發現CAI患者患側足觸地前后，腓骨長肌RMS較健康受試者并無顯著差異，但是脛前肌IEMG較健康受試者更低，且足落地前內翻角明顯大于健康受試者。分析認為腓骨長肌在足跟觸地前可能存在激活延遲，進而造成踝關節外翻力矩不足以抵消脛前肌收縮形成的內翻力矩，導致觸地前踝關節內翻角增多，這勢必會增加踝關節再次扭傷的風險。

CAI患者在進行功能性動作時下肢肌肉激活模式與健康受試者也存在差異[26-27]。Webster等[26]的研究發現，CAI患者在進行單腿下蹲轉體動作時，臀大肌激活程度顯著低于健康受試者。Feger等[27]進一步研究發現，CAI患者在進行四種不同功能性動作(向前弓箭步、單足閉眼站立、星狀偏移試驗和側方跳起落地)時，患側下肢脛前肌、腓骨長肌、腓腸肌外側頭、股直肌、股二頭肌和臀中肌激活程度均較健康受試者更低。而Kazemi等[28]的研究還發現，FAI患者在應對外界干擾維持自身穩定過程中，腓骨長肌、脛前肌、臀中肌和臀大肌在激活時間上較健康受試者也存在差異。這都進一步證實CAI患者不止是踝周肌群肌肉激活模式發生改變，下肢其他肌群肌肉激活模式也發生適應性改變，這可能是由于中樞運動控制機制發生改變所導致。

2 反應時特征

反應時是指從接受刺激到機體做出反應動作所需的時間，也就是從刺激到反應之間的時距。動作反應時通常被分成前反應時和后反應時。前反應時代表接受刺激到肌肉激活(產生動作電位)的時間間隔，也被稱為肌肉激活時間。后反應時代表肌肉興奮產生動作電位到肌肉開始收縮的機械變化的時間[29]，也被稱為電-機械延遲(electromechanical delay,EMD)。它在肌肉張力的時序控制方面充當著重要角色，并且它的改變和神經肌肉控制有著重要關系[30]。

2.1 肌肉激活時間

多數研究利用自制內翻傾斜板和表面肌電圖，測量CAI患者站立位時踝關節周圍肌肉的反應時間，且研究結果并不一致[31-33]。Hoch等[33]系統評價踝扭傷后患者腓骨肌反應時變化，結果發現CAI患者患側腓骨肌在內翻擾動下，激活時間相比健側或健康受試者均顯著延長。

也有學者質疑受試者站立時利用平板傾斜來模擬內翻狀態所測量的結果并不可信，因為踝周肌群作為動力性穩定結構，在行走、跳躍或跑步時收縮并發揮功能，踝關節扭傷也均在患者活動時發生，靜止狀態下并不會發生踝關節扭傷[34-35]。因而，在運動過程中監測CAI患者應對內翻擾動時腓骨肌激活表現更具說服力。Hopkins等[35]設計運動跑臺，當受試者在跑臺上行走或奔跑時，可以在遙控下使跑道一側翻轉30°，從而能夠更為精確地模擬行走時踝關節扭傷的發生，結果發現FAI患者腓骨長肌激活時間較健康受試者更長。汪嘉鴻等[36]采用類似方法對MAI患者進行測試也得出同樣結果，結果顯示MAI患者腓骨長肌和腓骨短肌激活時間均顯著延長，且肌電信號顯示其腓骨肌標化平均波幅也顯著低于健康受試者。這提示患側踝關節的腓骨長肌和腓骨短肌運動單位募集相對較少。在這種狀態下，患側踝關節的外側保護功能下降，不足以對抗內翻應力，進而導致踝關節扭傷的發生。李宏云等[3]進一步研究證實，FAI和MAI患者患側踝關節周圍肌肉激活時間均較健側明顯延長，這提示MAI患者不僅存在明顯的韌帶結構損傷，同樣還存在神經肌肉功能缺陷。對于這類患者，需要進行全面的康復訓練以改善其神經肌肉功能缺陷，從而降低踝關節再次扭傷的風險。

2.2 EMD

目前，少有研究關注CAI患者腓骨肌EMD的變化，且研究結果并不一致[37-40]。Mora等[37]結合表面肌電和壓力板測試發現，CAI患者腓骨肌EMD較健康受試者顯著延長，并認為腓骨肌EMD延長是導致踝關節再次扭傷的原因之一。Flevas等[38]結合等速肌力測試系統和表面肌電進行測試也得到類似結果。分析EMD延長的原因可能是踝扭傷后肌腱的強度下降，導致肌肉收縮過程中肌小節收縮牽拉肌腱耗時延長[39]。但是，Vaes等[40]利用表面肌電和加速度計進行測試，卻發現CAI患者腓骨肌EMD較健康受試者并不存在顯著區別。分析產生爭論性結果的原因是各項研究對EMD的測試方法存在差異，而現階段尚未有方法能直接監測踝關節內翻動作時腓骨肌肌電和肌力的同步變化過程，因而對CAI患者腓骨肌EMD的改變還有待進一步研究加以證實。

3 小結

隨著醫學技術的進步，對肌肉激活的各項指標測定也日益精確，這在一定程度上推動了對CAI患者下肢肌肉激活特征的研究。從目前的研究成果來看，CAI患者在進行動態活動時，不單只是踝關節周圍肌群(腓骨肌、脛前肌和腓腸肌等)激活模式發生改變，其他關節周圍肌肉(臀大肌、臀中肌和股直肌等)激活模式都受到影響，這也是造成CAI患者下肢運動模式與健康人群存在差異的直接原因。因而，對于CAI患者，其康復方案的制定不應只局限于踝關節周圍肌群，還應該包括其他關節周圍肌群的激活訓練。另外，CAI患者在不同動作模式下，肌肉激活特征變化并不相同；即使是同一動作，由于研究方法學差異和/或受試者納入標準的不同，研究結果也并不一致。因而，今后應規范測試方法，統一受試者納入標準，以進一步明確下肢肌肉激活強度、激活時間及EMD的確切變化。同步監測CAI患者下肢各關節運動學、動力學參數及下肢肌肉激活特征變化，是探索CAI患者的神經肌肉控制機制新的手段，值得進一步推廣。這將有利于進一步闡明CAI損傷機理，也能為彌補CAI患者神經肌肉控制缺陷提供康復指導。

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