小腿肌肉狀態改變對踝關節本體感覺的影響

楊蕊菲，劉子晗，徐步軒，楊茂偉

（中國醫科大學附屬第一醫院 1.康復醫學科；2.骨科，沈陽 110001）

本體感覺包括身體各部分對身體其他部分的位置覺和運動覺，對幫助人體實現平衡和運動至關重要［1］。踝關節本體感覺是平衡控制的重要組成部分，對身體搖晃程度的感知比視覺或前庭輸入更加敏感［2］。并且在日常生活和大多數運動中，踝關節-足復合體是唯一接觸地面的部位。本體感覺主要通過肌肉、關節、皮膚和肌腱中的機械感受器，傳遞給中樞神經關于運動和位置的信息［3］。其中肌梭是主要的本體感受器，是與肌肉長度和動態肌肉拉伸有關的受體［4］，關節周圍肌肉狀態可能會影響關節本體感覺。肌梭具有觸變性，即肌梭內肌纖維對運動和位置的敏感性受肌梭外肌肉先前的收縮和長度變化的影響［5］。因此，關節外肌肉收縮或長度變化會對關節本體感覺造成影響。之前的研究［6］多關注局部肌肉疲勞對踝關節本體感覺的影響，極少有研究探討關節的本體感覺與肌肉收縮和長度變化的關系。本研究通過足匹配試驗，探討拉伸和收縮干預后小腿肌肉狀態對踝關節本體感覺的影響，進一步研究踝關節本體感覺的影響因素。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取健康男性志愿者20名，均為沈陽市某高校在校大學生。要求納入的研究對象無明顯本體感覺功能障礙，近期無運動損傷發生。所有研究對象均被詳細告知研究程序并簽署知情同意書。研究對象的平均年齡為（24.90±2.36） 歲，平均身高為（180.55±3.50） cm，平均體質量為（71.25±6.32） kg。

1.2 儀器

使用英國伯明翰大學研究開發的踏板儀器（圖1），通過足匹配試驗評估踝關節本體感覺，已有研究［7］采用該儀器以英國大學生為研究對象成功進行了一系列相關足匹配試驗。足匹配試驗的原理為在消除平衡需要的前提下，模擬日常站立狀態，進行雙側踝關節角度匹配試驗。受試者赤足向后倚靠在一塊從垂直方向向后傾斜22°的板子上，同時雙足分別被放置在一個單獨的電動踏板上。踏板可以通過以杠桿連接的兩個直線電機獨立旋轉（電機型號：XTA3810S；英國科普利運動系統有限公司），踏板的旋轉軸與踝關節共線，每個踏板均安裝位置感受器。試驗目的是通過比較試驗踝足匹配角度和雙側踝關節角度絕對匹配誤差，探討踝關節本體感覺的影響因素。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental set-up

1.3 足匹配試驗

1.3.1 小腿肌肉干預方式：以右足為參考足，采用對照、拉伸、收縮3種方式干預右小腿肌肉（小腿三頭肌、腓腸肌和比目魚肌）。對照：受試者在足匹配試驗前不進行任何肌肉狀態干預。拉伸：足匹配試驗前，受試者在指導下將右足放在一個15°的楔形木塊上，使足背屈，保持30 s，同時受試者靠著背板站立，以拉伸右小腿肌肉。收縮：足匹配試驗前，受試者右足最大跖屈站立30 s，左足懸空，扶手用來保持平衡并非承重，以收縮右小腿肌肉。在每個受試者的試驗中，3種干預方式隨機出現。

1.3.2 足匹配試驗：干預處理后，受試者在蒙眼狀態下立即進行足匹配試驗。右踝被動移動至5個預設的目標角度（-6°、-3°、0°、3°、6°） 中的一個，其中正值代表背伸，負值代表跖屈，見圖2。0°為踏板垂直于背板。這些目標角度基本涵蓋了人在靜止站立時，足踝運動的范圍。在提示音提示右足已達到最終位置后，受試者利用一個手持旋鈕控制左足踏板至受試者認為與右足一致的匹配角度，之后按下確認按鈕，電腦記錄此時左踝的停止位置角度，反映足匹配角度，同時觸發新的試驗。

圖2 參考足移動方向Fig.2 The moving directions of the reference foot

每次試驗中目標角度均以隨機順序出現，每個目標角度均測量5次，取5次測量平均值作為每個目標角度的對應足匹配角度。每種干預方式進行25次試驗，3種干預方式隨機出現，即每位受試者共進行75次足匹配試驗，組成一組完整的足匹配試驗。以受試者左側踝足匹配角度和各目標角度時雙側踝關節角度絕對匹配誤差（即足匹配角度與設定目標角度的絕對差值） 反映踝關節本體感覺水平。

1.4 統計學分析

采用SPSS 23.0軟件進行統計分析。足匹配角度和雙側踝關節角度絕對匹配誤差結果用±s表示。3種肌肉干預狀態下的左側踝足匹配角度和雙側踝關節角度絕對匹配誤差的比較采用雙因素重復測量方差分析，采用Greenhouse-Geisser法進行矯正，當交互作用有統計學意義時，進行單獨效應分析，當交互作用無統計學意義時，進行主效應分析。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 左側踝足匹配角度

采用雙因素重復測量方差分析方法，判斷隨著目標角度的變化3種小腿肌肉干預狀態對受試者足匹配角度的影響。結果表明，受試者足匹配角度未出現顯著的肌肉狀態×目標角度交互作用［F（2.543，48.322）=2.569，P＞ 0.05］。受試者足匹配角度出現顯著的肌肉狀態主效應［F（2，38）=41.290，P＜0.001］，對3種小腿肌肉干預狀態下的足匹配角度進行兩兩比較，受試者小腿肌肉在拉伸干預后，足匹配角度顯著低于對照狀態下和收縮狀態下的足匹配角度（P＜ 0.001），收縮狀態與對照狀態相比足匹配角度趨勢相似，差異無統計學意義（P＞ 0.05）。3種肌肉狀態下，不同目標角度對受試者足匹配角度的影響有顯著主效應［F（1.145，21.761）=245.142，P＜0.001］，兩兩比較發現，不同目標角度間受試者足匹配角度的差異均有統計學意義（P＜ 0.001）。見表1。

表1 3種小腿肌肉干預狀態對左側踝足匹配角度的影響（°）Tab.1 The effect of three calf muscle conditioning exercises on the left foot matching angle（°）

2.2 雙側踝關節角度的絕對匹配誤差

采用雙因素重復測量方差分析方法，判斷隨著目標角度的變化3種小腿肌肉干預狀態對雙側踝關節角度絕對匹配誤差的影響，絕對匹配誤差值越大，表示踝關節本體感覺水平越差。結果顯示，肌肉狀態×目標角度的交互作用對雙側踝關節角度絕對匹配誤差有顯著影響［F（3.746，71.174）=11.456，P＜0.001］，因此對肌肉狀態和目標角度進行單獨效應分析。

當目標角度分別為-6°、0°、3°和6°時，3種小腿肌肉干預狀態下對雙側踝關節角度絕對匹配誤差的單獨效應均有統計學意義［F（2，38）=10.335，P＜0.001；F（1.505，28.603）=7.131，P＜ 0.01；F（2，38）=7.856，P＜0.01；F（1.522，28.920）=14.560，P＜ 0.001］，在4個目標角度下，經兩兩比較，小腿肌肉拉伸干預狀態與對照干預狀態相比，差異均有統計學意義（P＜ 0.05），而小腿肌肉收縮干預狀態與對照干預狀態相比，差異均無統計學意義（P＞ 0.05）。

在小腿肌肉對照干預狀態下，不同目標角度對雙側踝關節角度絕對匹配誤差的單獨效應有統計學意義［F（2.192，41.657）=17.391，P＜ 0.001]。經兩兩比較，在小腿肌肉對照干預狀態下，目標角度為-6°和-3°時比較，差異值為0.85°（P＜ 0.01） ；目標角度為-6°與0°時比較，差異值為1.66°（P＜ 0.001） ；目標角度為-6°與3°時比較，差異值為1.11°（P＜ 0.001） ；目標角度為-3°與0°時比較，差異值為0.82°（P＜ 0.01） ；目標角度為6°與0°時比較，差異值為1.45 °（P＜ 0.01） ；目標角度為6°與3°時比較，差異值為0.90°（P＜ 0.01）。表明在對照干預狀態下，目標角度為-6°時踝關節本體感覺顯著好于目標角度為-3°、0°和3°時，目標角度為-3°時踝關節本體感覺顯著好于目標角度為0°時，目標角度為6°時踝關節本體感覺顯著好于目標角度為0°和3°時。在小腿肌肉進行拉伸干預后，不同目標角度對雙側踝關節絕對匹配誤差的單獨效應有統計學意義［F（2.614，49.668）=28.733，P＜ 0.001］。經兩兩比較，在小腿肌肉拉伸干預狀態下，目標角度為3°與-3°時比較，差異值為0.77°（P＜ 0.05），目標角度為3°與0°時比較，差異值為0.75°（P＜ 0.001），目標角度為6°與-6°、-3°、0°、3°時比較，差異值分別為1.30°、2.01°、1.20°和1.25°（P＜ 0.001）。表明在拉伸干預狀態下，目標角度為3°時踝關節本體感覺顯著好于目標角度為-3°和0°時，目標角度為6°時踝關節本體感覺顯著好于其余4個目標角度。當在小腿肌肉收縮干預狀態下，不同目標角度對雙側踝關節角度絕對匹配誤差的單獨效應均無統計學意義（P＞ 0.05）。見表2。

表2 3種小腿肌肉狀態下雙側踝關節角度的絕對匹配誤差（°）Tab.2 The average matching error of bilateral ankle joint angles under three calf muscle conditioning exercises（°）

3 討論

本研究發現，與對照狀態相比，小腿肌肉在拉伸干預后踝關節匹配角度顯著降低，而在收縮干預后踝關節匹配角度無顯著變化，即小腿肌肉拉伸狀態對踝關節本體感覺有顯著影響，而收縮狀態對踝關節本體感覺無顯著影響。

拉伸干預導致受試者踝關節本體感覺明顯偏倚，受試者感覺其足踝角度比目標角度更跖屈，這可能與拉伸干預使小腿肌肉松弛有關。研究［8］指出，在緩慢的拉伸過程中，肌梭纖維內穩定的橫橋被分離，并形成新的長度不同的橫橋，而當肌肉恢復到一個較短的初始長度時，肌梭纖維會松弛，影響肌梭自放電水平，進而影響肌梭對肌肉長度和關節位置的感知。有研究［9］通過前臂位置匹配試驗探討肘關節的本體感覺靈敏度，其結果也支持這一結論。本研究發現，在拉伸干預后，目標角度為跖屈方向時，參考足的匹配誤差向背伸方向偏倚，目標角度為背伸方向時情況則相反。既往關于肘關節本體感覺的前臂匹配試驗［10］解釋了這一現象，在參考臂移到目標角度的過程中，一旦參考臂停止移動，肌梭就會發出測量參考臂長度的信號，而測量信號既包括在目標角度產生的信號，也包括參考臂在移動到目標角度過程中產生的信號，因此高于實際目標角度產生的信號，導致指示臂與參考臂過早發生匹配。

與拉伸干預相比，小腿肌肉收縮干預對踝關節本體感覺的靈敏度影響甚微。因為在肌肉收縮過程中，肌纖維主動產生橫橋以彌補預先存在的肌肉松弛，一旦肌肉放松，這些增加的橫橋就會緊繃，具有較高的自放電水平，即能夠更好地向中樞神經傳輸肢體位置信號［5］。本研究結果與先前關于肘關節本體感覺的前臂匹配試驗結果不同［11］，這種差異可能是因為上肢和下肢的差異，也可能是由于干預方法不同。本研究中受試者以被動部分負重的姿勢站立，同時采用踮足尖姿勢使小腿肌肉充分收縮并縮短。然而在跖屈收縮過程中，拮抗肌脛骨前肌可能會出現協同收縮，這會抵消小腿肌肉收縮對本體感覺的影響。有研究［12］證實，當小腿肌肉和脛骨前肌交替拉伸后，小腿肌肉狀態不會對踝關節本體感覺造成過多影響，這與本研究結果類似。

本研究發現，3種不同肌肉干預狀態對受試者雙側踝關節角度絕對匹配誤差無顯著的單獨效應，這可能是因為在對照、收縮和拉伸干預后，絕對匹配誤差值非常接近。但這并不代表3種干預狀態下絕對匹配誤差值是一樣的，因為肌肉狀態和目標角度對絕對匹配誤差的大小有顯著的交互作用（P＜0.05），表明不同小腿肌肉狀態和不同目標角度的組合對絕對匹配誤差也有影響。此外，3種干預方式均表明，當目標角度為0°時匹配誤差最小，即當目標角度為0°時踝關節本體感覺最佳，因為人們安靜站立時大多數時間會保持一個垂直角度。之前也有研究［5］證實這一現象，當手臂在身體前方時，手會自動對齊，并且如果要求受試者在蒙眼狀態下指向參考方向時，受試者傾向于左手移到左邊，右手移到右邊。關于手臂在身體前方會自動匹配的研究［13］表明，人類大腦建立了一種特殊的神經機制，以確保在日常生活中在一些重要姿勢時肢體匹配的精確性。

本研究具有以下局限性。首先，受試者靠背板被動站立，目的是評估小腿肌肉在沒有運動輸出的前提下，不同干預方式對踝關節本體感覺的影響。這雖然能夠很好反映肌肉周圍機械傳感器（肌梭）的表現，但與日常生活中的站立明顯不同，正常的站立是不停地主動調整小腿肌肉長度以適應身體的搖晃［14］。其次，本研究未對受試者的優勢側進行評估。有研究［15］表明，相較于身體的優勢側，身體的非優勢側會有更好的本體感覺靈敏度。因為大部分人的優勢側均為右側，所以本研究使用左足為參考足以使結果更具代表性。但在后續研究中，需要關注不同優勢側對于踝關節本體感覺的影響。

綜上所述，與收縮狀態相比，小腿肌肉拉伸狀態顯著影響踝關節本體感覺；不同目標角度與不同小腿肌肉狀態對踝關節本體感覺有顯著交互作用；踝關節角度為0°時，踝關節本體感覺最佳。