自制踝關節平衡裝置對步行時肌電活動的影響*

時瀟，謝地，亓建洪，李曉銘，劉海斌，畢懿康，張琳琳，武美彤

(泰山醫學院 運動醫學與康復學院，山東 泰安 271000)

1 引 言

踝關節外側扭傷(lateral ankle sprain,LAS)不僅在體育競技中經常發生，在休閑運動中也較為常見[1]。據文獻報道這種損傷的發病率大約為73%[2]，占折磨運動員傷病的15%～45%。尤其是在需要跳躍、落地或急劇變換方向的體育運動中尤為常見[3]。踝關節扭傷危害極大，嚴重者可致無法正常行走。較高的發生率和復發率以及由此導致的長期運動功能下降使踝關節扭傷受到很大關注[4]。損傷后的踝關節穩定性下降，行走時會出現異常步態[5]。此外, 10%～40%的踝關節扭傷,以后可能會發展成為慢性踝關節不穩(chronic ankle instability, CAI)[6]。長期跖屈翻轉力造成的踝關節不穩，會造成踝關節進一步的損傷[7]。

踝關節內翻多發生在關節意外受力的情況下，導致外側韌帶的拉傷或斷裂[8]。當踝關節突然內翻時，腓骨肌首先收縮。就像Hertel[9]強調的那樣，踝關節內翻時腓骨肌肌電圖振幅的增加也許是評定踝關節恢復其機械穩定性的一個很好的指標。腓骨肌的功能改善可以預防LAS[10]。先前的研究建議康復方案應該把重心放在踝關節周圍肌肉收縮控制能力的訓練上[6]。因此，一種在步行中能應用的符合常規運動模式的裝置在踝關節外側扭傷后的康復訓練中應該是有用的。我們設計和制造了一種新型的踝關節平衡裝置(專利號ZL 2014 10770491.8)并且評估了步行時其對踝關節周圍肌肉肌電活動的影響。我們假定這種裝置在步行中的應用將增加踝關節外翻肌的肌電圖振幅。

2 資料和方法

2.1 研究對象

16名身體健康的志愿者(年齡22.4±2.3歲；體重58.1±7.2 kg;身高167.5±10.6 cm)參加了這項研究。當效果量超過0.80時，對每個差異性分析的統計效能不少于0.65。一項采用G*Power分析的先前研究表明在效果量為0.80，P為0.05時要獲得0.75的統計效能需要至少10名試驗對象的樣本量。本研究志愿者的篩選標準為：所選實驗對象均無肌肉和神經系統疾病，無視覺和前庭功能障礙，無影響運動功能的全身性疾病。實驗前，清楚告知受試者本實驗的目的及過程，所有受試者簽署知情同意書，自愿參與實驗。

2.2 測試方法

2.2.1踝關節平衡裝置 我們制造了一種新型的踝關節平衡裝置(見圖1)。其主要組成部分為20 mm厚的木制底盤、三個相同大小的木球和固定帶。旋轉軸偏離木制底盤矢狀面內側16 °，沿著旋轉軸兩個木球分裝安裝在木制底盤下跟骨結節和第一跖骨頭的位置，構成失衡狀態。另外，踝關節平衡裝置的內外翻可被底盤下位于第五跖骨頭位置的一個相同大小的木球制動，使之處于制動狀態。在失衡狀態下，踝關節平衡裝置的外翻和內翻活動范圍分別為0～5°、0～30 °。受試者雙腳裝配踝關節平衡裝置被迫踝內翻、背屈步行。

2.2.2肌電測試 測試前，剃除左側小腿的體毛，用細砂紙將肌腹輕微打磨后，再用酒精棉球清洗和去除皮膚表面的油脂。表面電極的間距為3 cm,分別置于左腿的脛骨前肌(the tibialis anterior,TA)、腓骨長肌(the peroneus longus, PL)、腓腸肌外側(the gastrocnemius lateral ,GL)、腓腸肌內側(the gastrocnemius medial, GM)和脛骨后肌(the tibialis posterior, TP)。電極設置完畢后進行零點檢查，并晃動導線和敲擊電極進行噪音檢查。

圖1 踝關節平衡裝置 A.制動狀態，B.失衡狀態

Fig1AnklestabilizationdeviceA.brakingstate，B.illustrationofdestabilizationinducedbythedevice

圖2肌電圖的測定。表面電極放置在左腿的脛骨前肌、腓骨長肌、脛骨后肌、腓腸肌外側和內側

Fig2Themeasurementofelectromyography.Thesurfaceelectrodesareplacedonthetibialisanterior,theperoneuslongus,thetibialisposterior,thegastrocnemiusmedialandthegatrocnemiuslateraloftheleftleg

應用表面肌電測試系統(desktop DTS,美國NORAXON公司)對受試者步行過程中踝關節周圍肌肉的肌電圖及相關指標進行采集與處理。在步行肌電測試之前，我們對所有受試者進行了5 s踝關節周圍肌肉最大等長收縮(maximal isometric voluntary contraction,MVC)時肌電圖RMS的測試。振幅最強的3 s間的RMS被作為MVC時的RMS。受試者裝配裝置做適應性活動后進行步行試驗。隨機在踝關節失衡和制動兩種條件下各行走6步。每種條件共進行5次試驗。我們用一臺攝像機記錄了受試者的步行并據此判斷步行中的支撐相和擺動相。支撐相和擺動相的肌電圖RMS用占各肌MVC時的RMS的百分比表示。

2.2.3統計學分析 所有統計分析都應用SPSS20.0軟件完成。計算支撐相和擺動相的各肌肉肌電圖RMS的平均值及標準偏差并采用配對t檢驗比較各肌肉(TA，PL，GL，GM，TP)在失衡和制動兩種條件下的平均肌電圖RMS。當P≤0.05差異具有統計學意義。

3 結果

受試者裝配踝關節平衡裝置步行，失衡狀態下踝關節周圍肌肉肌電圖RMS增加。顯示為支撐相在失衡狀態下TA的肌電圖RMS為64.5%±20.2%，制動狀態下為30.6%±14.5%；PL的肌電圖RMS為90.2%±39.1%和40.3%±18.2%；GM的肌電圖RMS為75.1%±23.5%和60.3%±24.6%；GL的肌電圖RMS為47.1%±20.1%和41.3%±18.2%；TP的肌電圖RMS為100.9%±31.2%和81.4%±32.5%。TA和PL的肌電圖RMS在踝關節平衡裝置失衡和制動之間有統計學意義(P<0.05)，見表1。

擺動相在失衡狀態下TA的肌電圖RMS為34.4%±13.1%，制動狀態下為23.2%±7.8%；PL的肌電圖RMS為48.3%±17.4%和33.5%±10.9%；GM的肌電圖RMS為54.7%±28.5%和27.3%±14.2%；GL的肌電圖RMS為38.9%±20.1%和19.5%±8.1%；TP的肌電圖RMS為40.3%±22.8%和20.5%±5.6%，見表2。

表1支撐相

Table 1 Stance phase

表2擺動相

Table 2 Swing phase

4 討論

踝關節扭傷已經被確認為一種常見的肌肉骨骼損傷。復發率較高，大概在10%～30%之間[11]。也有文獻報道復發率可達 40%～70%[12]。踝關節扭傷是導致運動員長時間缺席賽程活動的常見原因，扭傷后的踝關節穩定性下降，本體感覺異常，踝周肌肉力量下降，行走時出現異常步態。

這項研究的目的是評估裝配自制踝關節平衡裝置步行時的肌電活動。表面肌電圖[13](surface electromyography, SEMG)是一種非創傷性檢查方法，可反應肌肉的功能情況和活動狀態，操作簡單，避免了以往操作受限的弊端。從絕大多數研究報道結果來看，RMS值是反映放電的有效值，其大小值的變化，一般認為與運動單位的募集和興奮節律的同步化有關[13-15]。振幅的不同代表參與肌肉收縮的肌纖維的數量不同。我們假設自制踝關節平衡裝置可增加步行時踝關節外翻肌的肌電活動。結果表明裝配踝關節平衡裝置后增加了步行時支撐相和擺動相踝關節周圍肌肉的肌電活動，尤其是步行支撐相TA和PL的肌電圖RMS。步行中TA和PL發揮抵抗踝關節內翻的作用[16]，神經肌肉控制能力衰減會導致LAS的復發[2,17]， 而TA和PL的功能增強可以穩定踝關節并抵抗踝關節內翻，提高踝關節的穩定性，從而降低踝關節損傷的發生率。本實驗的結果顯示了平衡裝置對不同肌肉訓練效果的特異性。

踝關節平衡裝置也可以解釋觀察到的GL、GM和TP較高的肌電圖RMS。在步行周期的支撐相和擺動相，踝關節平衡裝置沒有給腳足夠的支持。當穿踝關節平衡裝置時，受試者被迫以背伸位步行，增加了TP向心和GL、GM離心性收縮時的肌電活動量。此外，由于該裝置自身有一定的重量，在擺動相受試者就相當于承受負荷步行。因此，踝關節平衡裝置在步行中的應用還可發揮一定的肌力訓練作用。

總之，結果顯示踝關節平衡裝置對LAS的康復治療有潛在的好處。使用該裝置會對PL和TA進行特定的肌肉力量訓練。本裝置不僅可以預防普通人、運動愛好者和高水平運動員的踝關節損傷，還可以用于損傷后的康復訓練，大大降低其復發率。現階段對于踝關節損傷，醫院的治療方式較為有限，大多采用彈力帶、平衡板、手法康復等方法。該裝置輕便、實用，在步行時即可使用，可改善踝關節周圍的肌肉力量，特別是PL和TA。為社區康復診所、醫院康復科提供科學有效的訓練方法及設備，以促進開展踝關節不穩及踝關節損傷者的康復、保健及預防工作。本研究的一個缺陷是步行時裝配該踝關節平衡裝置進行步行評估的僅僅是健康的青年受試者。在一個患有CAI的群體中評估這種裝置的作用可能更有意義。將來的研究將評估裝配這種裝置訓練后的LAS發生率，并評估更多動態功能條件下如跳躍和跑步時的肌電圖RMS。