FAI和Coper患者踝關節扭傷相關動作中的下肢運動生物力學特征

張澤毅，劉卉，張美珍*，武曉剛，陳維毅

踝關節扭傷是運動中常見的下肢損傷之一，多發生于急停側切（30%）、單腿落地（45%）動作中（McKay et al.，2001）。此外，急停起跳是足球、籃球和排球中的常見動作，因需要突然改變運動軌跡，同時包含下一個動作的啟動，會在踝關節處形成較大負荷，導致踝關節能量吸收占比達到44%（Devita et al.， 1992）。雖然由急停起跳造成的踝關節扭傷率僅有2.5%（McKay et al.， 2001），但其扭傷程度極為嚴重，多伴隨踝關節韌帶撕裂、骨折等（Devita et al.， 1992），因此該動作亦被認為是踝關節扭傷相關動作。初次扭傷治療后，34%的患者在3年內出現反復疼痛，33%～53%的患者表現出踝關節不穩，即踝關節“失控感”（張陽 等，2019），醫學上將此類人群定義為功能性踝關節不穩（functional ankle instability，FAI）患者。踝關節扭傷患者一旦發展為FAI患者，踝關節將陷入“扭傷—不穩定—再次扭傷”的惡性循環（李有華 等，2022）。然而，部分患者在初次扭傷后的表現與FAI患者不同，無踝關節不穩定癥狀，亦未發生復發性損傷，這類人群即為Coper患者（Abdeen et al.， 2019）。

FAI患者易出現踝關節重復扭傷，而Coper患者則不會出現，原因可能是二者著地時動作特征不同。Takao等（2008）研究發現，靜態仰臥姿勢下FAI患者患側的踝關節跖屈被動活動度（range of motion，ROM）大于Coper患者和健康人群。李玉蓮等（1999）研究發現，踝關節跖屈時距骨兩側與踝穴之間存在空隙，使踝關節處于一種相對不穩定狀態，易發生損傷。Wright等（2000）通過踝關節損傷模型得出踝關節跖屈角越大，踝關節扭傷率越高。另有研究認為，踝關節扭傷多發生于動態活動中，通過分析FAI患者和Coper患者步行時踝關節運動模式的差異發現，FAI患者患側的踝關節內翻角比Coper患者和健康人群增加了2.3°和2.1°（Hla et al.， 1999）。Melanson等（2020）研究發現，因踝關節過度內翻引發的踝關節扭傷占比為70%。此外，與Coper患者相比，FAI患者步行時患側的地面反作用力（ground reaction force，GRF）更大，到達GRF峰值時間（time to peak，TTP）更短（Bigouette et al.， 2016；Wikstrom et al.， 2012）。研究顯示，過大的GRF可能會增加踝關節負荷，加之較短的TTP加快了GRF在患側踝關節的加載率，易造成踝關節不穩定及扭傷（Bigouette et al.，2016）。Kwon等（2020）進一步加大了測試任務難度，發現FAI患者在跑步時患側的踝關節跖屈角、內翻角速度、GRF、運動變異性均顯著大于Coper患者，其中踝關節跖屈角、內翻角速度變化可能與感覺運動控制缺陷及踝關節扭傷有關（Wanner et al.， 2019）。隨著運動任務難度的增大，FAI患者表現出比Coper患者更易扭傷的踝關節生物力學特征。提示，應以踝關節扭傷相關動作為切入點，探索高任務難度下FAI患者和Coper患者運動模式的差異，歸納出與踝關節重復扭傷相關的運動特征。

此外，還需探索FAI患者和Coper患者髖、膝關節補償機制。這是由于在完成急停、落地等動作時，踝關節跖屈肌最先離心收縮以緩沖部分動能，若此時踝關節運動模式異常，如矢狀面ROM受限，踝關節則無法維持原有的能量吸收比，踝關節周圍的雙關節肌會將能量上傳至膝關節，導致膝關節ROM增大，同時激活膝關節伸肌進一步緩沖GRF，以此類推，直到人體達到穩定狀態（Gardner et al.， 2012）。但近端關節ROM和能量吸收增加可能使髖、膝關節面臨更大的損傷風險（Markolf et al.， 1995）。同時，還可能進一步加劇踝關節不穩感，增加踝關節重復扭傷風險（18%）（De Ridder et al.， 2017）。然而，目前鮮有研究分析FAI患者和Coper患者髖、膝關節運動生物力學的差異。

因此，本研究通過分析FAI患者和Coper患者在踝關節扭傷相關動作下的踝關節運動生物力學特征及踝關節運動變化引發的近端關節代償反應，了解與FAI患者重復扭傷相關的運動特征。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

本研究選取FAI患者、Coper患者和健康人群各10人，所有受試者均為太原理工大學籃球專項大學生（表1）。FAI患者、Coper患者和健康人群的納入與排除標準參照Cao等（2019）的研究。FAI患者納入標準：1）踝關節扭傷次數達2次以上，且在運動中有較為明顯的失控感；2）坎伯蘭問卷評分≤24分；3）未經歷下肢骨折或手術；4）首次踝關節扭傷距本次測試達1年以上；5）踝關節前抽屜、內翻應力測試為陰性。Coper患者納入標準：1）首次踝關節扭傷距本次測試達1年以上；2）運動中踝關節穩定感較強，且首次扭傷后從未出現再次扭傷；3）測試前1年內體力活動水平未受踝關節扭傷影響；4）坎伯蘭問卷評分＞24分。健康人群納入標準：1）從未經歷致使體力活動水平嚴重下降的踝關節扭傷；2）坎伯蘭問卷評分＞24分。排除標準：1）本次實驗前半年內曾有嚴重的下肢損傷史；2）踝關節外側副韌帶明顯松弛或斷裂；3）患有嚴重的顱腦損傷、平衡障礙；4）Beighton測試得分＞4分（關節活動度過大）。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic Information of Participants M±SD

由于92%的踝關節扭傷發生于優勢側（Beynnon et al.，2002），本研究選取優勢側為患側的FAI患者和Coper患者。為避免疲勞對本研究結果的影響，要求受試者在實驗前24 h內無大強度體力活動。測試前，所有受試者均須閱讀并簽署知情同意書。

1.2 數據采集

統一為受試者提供測試鞋、緊身上衣及短褲。所有受試者在正式測試前進行7 min熱身活動，包括跑步、變向跑、深蹲和雙腿起跳落地等。測試人員口頭描述并演示測試動作后，受試者開始練習，在練習過程中給予口頭反饋。動作要求：1）急停側切動作要求受試者在距測力臺6 m處助跑，在測力臺臺面上以患側/優勢腿為支撐，支撐腿快速制動、蹬伸，并沿原運動方向的左或右前45°方向繼續奔跑；2）急停起跳動作要求受試者以自選最大速度助跑加速6 m后，雙腿在測力臺臺面上完成急停制動，并立刻全力垂直起跳，雙足同時落到測力臺后立即進行快速前沖；3）單腿落地動作要求受試者雙手叉腰，使用患側（優勢腿）支撐，站立于高度為35 cm的跳箱上，足尖向前，測試開始后沿跳箱邊緣單腿跳下（圖1）。

圖1 急停側切、急停起跳和單腿落地動作示意圖Figure 1. Schematic Diagram of Stop-Side-Cutting， Stop-Jumping and Single-Leg-Landing Motions

采用Helen Hayes粘貼方案將反光Marker球（直徑為15 mm）放置于受試者相應骨性標志點。采用Mars2H紅外光點運動捕捉系統（Nokov，中國）以200 Hz的采集頻率獲得受試者的下肢運動學數據。使用三維測力臺（Bertec，美國）通過同步采集卡連接紅外鏡頭，對受試者下肢動力學數據進行同步采集，采樣頻率為1 000 Hz。每名受試者每個動作均采集3次有效數據。

1.3 數據處理

采用Cortex-642.6.2（Motion Analysis Inc，美國）對運動學數據進行處理，通過13 Hz Butterworth低通濾波對所有標志點的三維坐標進行平滑。根據反光標志點建立人體環節多剛體模型，基于歐拉角分析法計算下肢三維角度。動力學數據：1）進行50 Hz的低通濾波；2）通過逆動力學方法計算踝關節三維力矩，關節功率=關節力矩×關節角速度；3）對踝、膝和髖關節功率負值進行積分，得到各關節能量吸收情況，關節剛度=關節力矩/角位移；4）將得到的動力學數據標準化，其中關節能量吸收、下肢剛度基于自身體質量（/kg）進行標準化處理，GRF標準化為體質量（/N）的倍數。

1.4 統計分析

運用SPSS 25.0進行統計分析，通過Shapiro-Wilk檢驗數據是否服從正態分布。采用3×3雙因素混合設計方差分析檢驗不同人群（FAI患者、Coper患者和健康人群）和踝關節扭傷相關動作（急停側切、急停起跳和單腿落地）對下肢運動生物力學的影響。若因素間存在顯著交互作用，則通過單因素獨立樣本方差分析比較不同人群間的差異，使用單因素重復測量方差分析對比不同動作間的區別。主效應差異采用LSD進行校正，P≤0.05表示有顯著性差異。進一步使用MATLAB 2016b統計參數映射（statistical parametric mapping，SPM）計算內翻角、內翻角速度、GRF達到顯著影響的時間范圍。

2 結果

2.1 FAI患者、Coper患者踝關節生物力學特征的差異

雙因素方差結果顯示，不同人群和動作對踝關節跖屈角［F（4，81）=2.471，P=0.039，η2=0.101］、踝關節內翻角［F（4，81）=4.946，P=0.001，η2=0.109］的交互作用顯著。SPM分析結果顯示，單腿落地時，18.6%～32.3%動作周期中FAI患者的踝關節跖屈角顯著大于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；圖2］。急停側切時，68.3%～83.9%動作周期中FAI患者的踝關節內翻角速度顯著大于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；圖3］。

圖2 FAI患者、Coper患者和健康人群踝關節角度的差異Figure 2. Differences in Ankle Joint Angles between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

圖3 FAI患者、Coper患者和健康人群踝關節角速度的差異Figure 3. Differences in Ankle Angular Velocity between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

2.2 FAI患者、Coper患者下肢功能補償機制的差異

雙因素方差結果顯示，不同動作和人群對踝關節矢狀面ROM［F（4，81）=2.430，P=0.044，η2=0.107］和膝關節矢狀面ROM［F（4，81）=2.421，P=0.045，η2=0.107］的交互作用顯著。急停側切時，FAI患者的膝關節矢狀面ROM（36.0°）顯著大于健康人群（24.3°，P=0.002，η2=0.300）和Coper患者（29.4°，P=0.050，η2=0.300）。單腿落地時，FAI患者的踝關節矢狀面ROM（51.1°）顯著大于Coper患者（34.2°，P=0.001，η2=0.389）和健康人群（37.3°，P=0.004，η2=0.389；圖4）。

圖4 FAI患者、Coper患者和健康人群的下肢各關節矢狀面ROM差異Figure 4. Differences in the ROM of Sagittal Planes of Each Joint of the Lower Limbs between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

雙因素方差結果顯示（表2），不同人群和動作對垂直GRF峰值［F（4，81）=2.810，P=0.015，η2=0.122］和膝關節能量吸收［F（4，81）=2.238，P=0.050，η2=0.100］的交互作用顯著。單腿落地時，與健康人群相比，Coper患者垂直GRF峰值顯著更低2.9（P＜0.001，η2=0.065）。此外，急停側切時，FAI患者表現出較Coper患者（P=0.049，η2=0.108）和健康人群（P=0.042，η2=0.108）更大的膝關節能量吸收。單腿落地時，FAI患者（P=0.017，η2=0.384）和健康人群（P＜0.001，η2=0.384）的膝關節能量吸收較Coper患者顯著更大。相比其他2類人群，FAI患者在單腿落地時的踝關節能量吸收有增大的趨勢，但未達到顯著性水平（P=0.110）。此外，FAI患者急停起跳時的膝關節剛度達0.34 Nm/kg，而Coper患者僅為0.24 Nm/kg，二者差異顯著（P=0.047，η2=0.128）。

表2 FAI患者、Coper患者和健康人群在不同動作下的關節動力學特征Table 2 Joint Kinetic Characteristics of FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants under Different Motions

通過SPM發現，單腿落地時，Coper患者垂直GRF在11.6%～13.2%動作周期時顯著低于FAI患者（P=0.037），在9.8%～12.9%動作周期時顯著低于健康人群（P=0.019；圖5）。從下肢各關節能量吸收百分比可以看出，急停側切時，FAI患者的膝關節能量吸收達到87%，而Coper患者和健康人群為74%和76%；單腿落地時，FAI患者的踝關節能量吸收達到38%，而Coper患者和健康人群為24%和30%（圖6）。

圖5 FAI患者、Coper患者和健康人群的GRF變化曲線Figure 5. GRF Variation Curves for FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

圖6 FAI患者、Coper患者和健康人群下肢各關節能量吸收的差異Figure 6. Differences in Energy Absorption in Each Joint of the Lower Limbs between FAI Patients， Coper Patients and Healthy Participants

3 分析與討論

3.1 FAI患者、Coper患者踝關節運動生物力學特征的差異

踝關節內翻是踝關節扭傷的主要危險因素。有研究發現，由踝關節內翻造成的踝關節扭傷占70%（Balduini et al.， 1982）。其原因可能是踝關節內翻角度增大會導致距骨向內側偏移，踝關節外側韌帶壓力增大（郭國新 等，2012）。本研究結果發現，不同類型參與者在進行踝關節扭傷相關動作時的踝關節內翻角無顯著差異，這與Doherty等（2016b）的研究結果一致。究其原因，FAI患者在經歷多次踝關節扭傷后通過限制踝關節內翻角的保護機制避免損傷。Brown等（2015）研究認為，FAI患者跳躍落地時的踝關節內翻角與健康人群無顯著差異。Lin等（2019）研究發現，患有FAI的高水平籃球、排球和羽毛球運動員甚至會以踝關節外翻的姿勢著地。Gehring等（2014）從神經肌肉的角度對這種保護機制進行解釋，認為多次踝關節扭傷可能導致腓骨長肌和腓腸肌肌力不足，當踝關節出現內翻時，腓骨長肌和腓腸肌產生的拮抗力矩過小，此時極易發生踝關節失控。經過多次踝關節失控的經驗積累，FAI患者常在著地前就將踝關節置于中立位或外翻位，以提高踝關節的姿勢控制能力。

過大的踝關節內翻角速度也是造成踝關節扭傷的重要誘因，這是由于過大的內翻角速度會增加應力的加載速率，從而增大踝關節扭傷風險（周志鵬 等，2021）。本研究結果發現，急停側切動作中FAI患者的踝關節內翻角速度顯著大于Coper患者，與Lin等（2019）的研究結果一致。踝關節內翻角速度增大可能與FAI患者腓骨長肌肌力受損有關（Steib et al.， 2013），該肌肉受損后可能導致踝關節外翻力矩不足，致使踝關節內翻角速度增大（Konradsen et al.， 2002）。另外，FAI患者的腓骨長肌潛伏期較Coper患者和健康人群更長，這主要是由FAI患者踝關節外側韌帶內的感覺感受器損傷所致。有研究發現，感覺感受器損傷會降低γ運動神經元對肌纖維敏感性的調控能力（Hertel，2008），延長腓骨長肌對踝關節異常位置的反應時間，無法及時提供踝關節外翻力矩，因此導致踝關節內翻角速度增大（Hiller et al.， 2011）。提示，FAI患者應在康復訓練中加入腓骨長肌力量練習。

踝關節跖屈角過大是踝關節扭傷的危險因素之一（李玉蓮 等，1999），有研究發現踝關節扭傷發生率會隨踝關節跖屈角的增大而升高（Wright et al.， 2000）。這是因為踝關節外側韌帶在跖屈時被動拉長，最大應變和最大應力分別可達1.56 mm（7.9%）和39 N，這種力學條件下踝關節極易發生扭傷（DiGiovanni et al.， 2004）。本研究結果顯示，單腿落地時FAI患者的踝關節跖屈角比Coper患者和健康人群顯著更大，與前人研究結果一致（Wanner et al.， 2019）。該著地姿勢可能增加踝關節的失控感，加之FAI患者存在踝關節本體感覺下降、肌力不足（朱燕 等，2012），若此時向踝關節施加內翻外力，很可能誘發踝關節扭傷（鄭紹敏 等，2021）。造成這種結果的原因一方面與FAI患者不正確的運動習慣有關，即傾向于用較大的跖屈角落地，且依賴踝關節矢狀面活動緩沖GRF（Son et al.，2017）；另一方面，由于FAI患者的前饋機制不足，無法將踝關節置于完成落地動作的安全位置（張陽 等，2014）。

綜上，與Coper患者和健康人群相比，FAI患者表現出較大的踝關節跖屈角和內翻角速度，可能與踝關節重復扭傷有關。提示，FAI患者應對踝關節背屈肌群和外翻肌群加以力量練習和本體感覺練習，從而提高踝關節穩定性。

3.2 FAI患者、Coper患者下肢補償機制的差異

FAI患者、Coper患者踝關節生物力學變化會引起髖、膝關節代償反應。過度依賴髖、膝關節緩沖垂直GRF會增加近端關節負荷，同時也會降低髖關節和膝關節伸肌在軀干姿勢控制方面的貢獻（McCann et al.， 2018）。較差的軀干姿勢控制可能導致下肢運動模式異常，關節力線改變，潛在增加踝關節重復扭傷風險（李彥錦 等，2021）。本研究中，FAI患者急停側切時的膝關節能量吸收（87%）大于Coper患者（74%）和健康人群（76%），說明FAI患者更依賴膝關節緩沖GRF。這是因為FAI患者的腓腸肌功能受損導致踝關節離心收縮力量下降，踝關節處的能量吸收比例減少，相應近端關節能量吸收增大。提示，FAI患者在康復訓練中不能僅局限于踝關節，應關注膝關節的相關訓練，尤其是股四頭肌和腘繩肌力量練習。此外，本體感覺訓練亦可增加膝關節的能量吸收能力。本體感覺訓練通過刺激關節囊、韌帶和肌肉中的機械感受器和本體感受器，增加中樞神經系統的累積神經輸入，改善神經肌肉控制和肌肉協調作用，從而達到更好的緩沖效果（付光亮 等，2021）。

與急停側切不同，單腿落地時FAI患者仍以踝關節作為主要的能量吸收關節，與Terada等（2013）的研究結論一致，說明FAI患者單腿落地時對踝關節的要求較高，可能增大踝關節周圍軟組織應力（Markolf et al.， 1995）。但McCann等（2018）的研究結果與本研究不一致，該研究認為單腿落地時FAI患者的髖關節和膝關節的緩沖比重比踝關節更大。造成上述矛盾的原因可能是研究采用了雙腿下蹲跳動作，該動作要求受試者在雙腿落地后立即屈髖屈膝，增大肌肉彈性勢能并為二次起跳做準備，該過程潛在提高了髖、膝關節能量吸收（Devita et al.， 1992）。

本研究結果顯示，在11.6%～13.2%單腿落地動作周期中，Coper患者的垂直GRF小于FAI患者，在9.8%～12.9%動作周期時小于健康人群，與Kwon等（2020）的研究結論一致。究其原因，可能與Coper患者更大的下肢關節協調變異性有關 （Kwon et al.， 2020）。有研究指出，高協調變異性可以提高機體在高危動作下的反應能力，從而達到更有效地緩沖GRF的目的（Doherty et al.， 2016b）。需要注意的是，相比FAI患者，Coper患者的GRF曲線與健康人群更為相近，甚至低于健康人群，可能是其“再學習”了損傷前的運動模式，或是重新建立了一種與健康人群更為相近的運動策略（Doherty et al.， 2016a），這可能是Coper患者不易發生重復扭傷的生物力學原因。關節剛度方面，FAI患者急停起跳時表現出比Coper患者更大的膝關節剛度，反映其膝關節能量吸收更大，長此以往可能會造成膝關節慢性損傷（裴子文 等，2019），提示，FAI患者應注意改善下肢關節的能量吸收策略，適當增大髖關節著地時的屈曲程度，提升髖關節緩沖GRF的比重。

綜上所述，FAI患者單腿落地和急停側切時更依賴踝關節和膝關節緩沖GRF，可能會增加踝關節外側負荷和膝關節負荷。而Coper患者的運動模式與健康人群較為相似，且Coper患者單腿落地時所受GRF較低，整體運動模式較為安全。

3.3 局限性與展望

本研究僅針對矢狀面內的下肢關節負荷進行了分析，并未涉及冠狀面和水平面，未來研究可以考慮分析FAI患者、Coper患者下肢其他運動平面的運動模式。本研究重點討論了FAI患者和Coper患者患側均為優勢側的運動生物力學特征，未來研究可以同時關注患側與健側的運動表現，分析雙側下肢不對稱性、肌力失衡等是否與踝關節扭傷有關。

4 結論與建議

4.1 結論

FAI患者的運動模式與Coper患者和健康人群不同，Coper患者在踝關節扭傷后建立了一種與健康人群相似的運動模式，不易發生踝關節扭傷。然而，與Coper患者和健康人群相比，FAI患者在單腿落地和急停側切時表現出踝關節跖屈角、內翻角速度增加，同時更依賴踝關節和膝關節完成著地時的能量吸收，加重了運動時的踝關節負荷，這些運動特征變化可能與重復扭傷有關。

4.2 建議

FAI患者踝關節內翻角速度增大可能與腓骨長肌和脛骨前肌受損有關，在訓練中著重針對其加以練習，可能對預防踝關節重復扭傷有積極作用。FAI患者更依賴膝關節緩沖GRF，可能增加膝、踝關節損傷風險，應在FAI患者的康復訓練中注意發展膝關節力量。此外，還應考慮改善FAI患者下肢整體的運動模式，使各關節更有效地緩沖GRF。