慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)患者下肢肌肉激活特征研究現(xiàn)狀

裴子文，孟憲梅，楊建強(qiáng)，陳建

1.武漢體育學(xué)院，a.研究生院，b.健康科學(xué)學(xué)院，湖北武漢市430079；2.武漢大學(xué)健康學(xué)院綜合模擬康復(fù)中心，湖北武漢市430071

踝關(guān)節(jié)扭傷無(wú)論是在競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)中，還是在日常活動(dòng)中都十分常見。在美國(guó)，每年大約有200萬(wàn)人發(fā)生踝關(guān)節(jié)扭傷，其中73%會(huì)發(fā)生重復(fù)扭傷[1]。踝關(guān)節(jié)扭傷后患者會(huì)出現(xiàn)疼痛、無(wú)力、不穩(wěn)和失控等短期或長(zhǎng)期的后遺癥狀，由于早期治療不當(dāng)或過(guò)早地進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)進(jìn)而引發(fā)慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)(chronic ankleinstability,CAI)。雖然CAI的發(fā)病率相當(dāng)高，但是其發(fā)病機(jī)制還不明確[2]。臨床上CAI分為功能性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)(functional ankle instability,FAI)和機(jī)械性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)(mechanical ankle instability,MAI)。兩者最大的差別就是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度是否處于正常范圍，但有時(shí)較難區(qū)分且存在一定程度的共存。業(yè)已證實(shí)，不論是FAI還是MAI，都存在不同程度的神經(jīng)肌肉控制缺陷[3]，從而導(dǎo)致患者在動(dòng)態(tài)活動(dòng)(包括步行、跑步、跳起落地及急轉(zhuǎn)急停等動(dòng)作)過(guò)程中，再次扭傷踝關(guān)節(jié)。但是臨床上尚未有針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練方法。

表面肌電圖(surfaceelectromyography,sEMG)通過(guò)放置在皮膚表面的電極記錄肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的電流，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行技術(shù)處理和分析，從而了解肌肉活動(dòng)水平和功能狀態(tài)的變化[4]。近年來(lái)，隨著表面肌電檢測(cè)及分析技術(shù)的進(jìn)步，已有學(xué)者將其用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同動(dòng)作模式下的下肢肌肉激活特征，并將其與壓力板、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)或等速肌力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合，用于分析下肢肌肉激活特征與下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系[5]。這對(duì)進(jìn)一步揭示CAI的損傷機(jī)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(dòng)作模式下的激活特征，從肌肉激活的時(shí)域指標(biāo)和反應(yīng)時(shí)變化等方面分析其神經(jīng)肌肉控制缺陷。

1 不同動(dòng)作模式下的肌肉激活特征

1.1 步行

CAI患者在步行過(guò)程中運(yùn)動(dòng)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(cè)足在接觸地面前踝內(nèi)翻角增加6°～7°，造成壓力中心更靠近踝關(guān)節(jié)外側(cè)，導(dǎo)致外踝負(fù)重增加，從而誘發(fā)踝關(guān)節(jié)再次扭傷[9-10]。采用表面肌電設(shè)備分析步行過(guò)程中踝關(guān)節(jié)周圍肌肉激活模式與運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)改變之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)CAI患者步行過(guò)程中患側(cè)足在接觸地面前，腓骨長(zhǎng)肌較健康受試者更早激活，且激活強(qiáng)度顯著強(qiáng)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(zhǎng)肌，增加激活程度的方式來(lái)糾正患側(cè)足在接觸地面時(shí)不恰當(dāng)內(nèi)翻位置。然而，Hopkins等[9]還發(fā)現(xiàn)，患側(cè)足在接觸地面后，足內(nèi)翻角依然大于健康受試者，且外踝壓力中心軌跡更長(zhǎng)，這提示CAI患者所采取的應(yīng)對(duì)方式并不足以完全糾正步行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)改變。

Koldenhoven等[12]應(yīng)用表面肌電設(shè)備和壓力板同步監(jiān)測(cè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)CAI患者的壓力中心相比健康受試者偏向外側(cè)，且差異顯著；而在接觸壓力板前100 ms，肌電信號(hào)顯示患側(cè)脛前肌均方根值(root mean square,RMS)顯著低于健康受試者，而腓骨長(zhǎng)肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)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(jié)果相互印證，他們發(fā)現(xiàn)CAI患者患側(cè)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(guān)節(jié)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(fā)生改變可能是造成這種運(yùn)動(dòng)模式的直接原因。CAI患者步行過(guò)程中臀中肌激活發(fā)生改變，這一點(diǎn)在Feger等[11]的研究中也得以證實(shí)。分析認(rèn)為臀中肌提前激活，且激活程度更高是為了代償踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性缺失，從而提高步行過(guò)程中的穩(wěn)定性。目前，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)CAI患者腓骨肌在步行過(guò)程中存在提前激活，且過(guò)度激活的表現(xiàn)[7,9,12]，但是也有研究得出不一致的結(jié)論，這可能是由于研究中受試者的納入標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試方式的不同所導(dǎo)致[14-15]。

步行過(guò)程中踝關(guān)節(jié)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(shù)量有限，尚有待進(jìn)一步研究。

1.2 落地

無(wú)論是垂直跳起落地，還是側(cè)方跳起落地，都是容易誘發(fā)踝關(guān)節(jié)扭傷的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者患側(cè)足在垂直落地前運(yùn)動(dòng)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(nèi)，患者患側(cè)足背屈角度顯著大于健康受試者，且膝關(guān)節(jié)屈曲角度也存在差異[16]。

有學(xué)者認(rèn)為落地過(guò)程中下肢肌肉激活模式改變是造成下肢運(yùn)動(dòng)模式發(fā)生改變的直接原因[17-24]。Caulfield等[17]研究FAI患者患側(cè)足在垂直跳起落地過(guò)程中踝周肌群肌肉激活情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患側(cè)足在接觸壓力板前，腓骨長(zhǎng)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(fā)生顯著變化，可能是由于扭傷后局部肌肉或神經(jīng)受到影響，從而造成患者腓骨長(zhǎng)肌激活程度存在差異。Delahunt等[18]結(jié)合動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在腓骨長(zhǎng)肌IEMG降低的同時(shí)，踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角顯著大于健康受試者，這提示可能是由于腓骨長(zhǎng)肌激活程度不夠，不足以調(diào)整踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角達(dá)到正常位置。然而，Gutierrez等[19]進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)卻得出不一樣的結(jié)果，其研究結(jié)果顯示CAI患者在雙足垂直跳起落地前，患側(cè)腓骨長(zhǎng)肌激活程度顯著大于健康受試者。分析產(chǎn)生爭(zhēng)論性結(jié)果的原因首先可能是由于受試者的納入標(biāo)準(zhǔn)存在差異；其次，雙足落地時(shí)健側(cè)足對(duì)平衡的維持會(huì)有輔助作用，對(duì)結(jié)果也會(huì)造成影響。近期還有研究發(fā)現(xiàn)，CAI患者在雙足落地(固定平面)后，不僅患側(cè)腓骨長(zhǎng)肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭激活程度減弱，而且臀中肌激活程度在短潛時(shí)反射階段也顯著低于健康受試者；當(dāng)患側(cè)足落于旋轉(zhuǎn)平面時(shí)，其下肢肌肉激活模式較健康受試者也存在差異[16]。這與運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化相一致，CAI患者在垂直跳起落地過(guò)程中，不僅只是踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式會(huì)發(fā)生改變，整個(gè)下肢運(yùn)動(dòng)鏈都會(huì)受到影響[18,21]，因而髖膝關(guān)節(jié)周圍肌群激活模式與健康人群應(yīng)該也同樣存在差異。但是由于目前相關(guān)研究開展較少，且研究中樣本量均較少，這一結(jié)論還有待進(jìn)一步研究。

也有研究發(fā)現(xiàn)，在側(cè)方跳起落地過(guò)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(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者在進(jìn)行側(cè)方跳起落地時(shí)，患側(cè)踝關(guān)節(jié)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(qiáng)于健康受試者，而腓骨長(zhǎng)肌激活程度與健康受試者無(wú)顯著差異。分析認(rèn)為，CAI患者是通過(guò)前饋機(jī)制，過(guò)度激活脛前肌、比目魚肌以及股直肌，從而將踝關(guān)節(jié)調(diào)整到合適位置，以避免再次損傷。Monteleone等[23]研究進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)，其研究發(fā)現(xiàn)FAI患者在側(cè)方跳起落地過(guò)程中，脛前肌激活程度顯著強(qiáng)于健康受試者，同時(shí)踝關(guān)節(jié)背屈角度較健康受試者更大。但是，在Monteleone等[23]研究中卻發(fā)現(xiàn)，腓骨長(zhǎng)肌激活較健康受試者有所增強(qiáng)，這與Delahunt等[22]研究結(jié)果并不一致，分析認(rèn)為可能是由于二者試驗(yàn)方法存在差異所導(dǎo)致。在Monteleone等[23]研究中，要求受試者側(cè)方跳起過(guò)程中越過(guò)障礙物，動(dòng)作難度增加，因而受試者在完成動(dòng)作時(shí)的神經(jīng)肌肉控制模式也會(huì)存在差異。Webster等[24]研究還發(fā)現(xiàn)，在側(cè)方跳起落地過(guò)程中，CAI患者在落地前患側(cè)臀大肌激活程度顯著強(qiáng)于健康受試者，分析認(rèn)為過(guò)度激活臀大肌是為了限制在觸地階段股骨內(nèi)旋，保持適當(dāng)?shù)南轮€，從而降低踝關(guān)節(jié)所承受壓力。

目前，同步監(jiān)測(cè)CAI患者進(jìn)行跳起落地動(dòng)作時(shí)的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及下肢肌肉表面肌電參數(shù)變化的研究還較少，今后應(yīng)加大這一方向研究力度，以進(jìn)一步闡明患者在跳起落地過(guò)程中的損傷機(jī)制。

1.3 其他動(dòng)作

CAI患者在進(jìn)行跑步及其他功能性動(dòng)作時(shí)，其下肢肌肉激活表現(xiàn)與健康人群也存在差異[25-27]。Lin等[25]監(jiān)測(cè)15例CAI患者和15例健康受試者跑步過(guò)程，發(fā)現(xiàn)CAI患者患側(cè)足觸地前后，腓骨長(zhǎng)肌RMS較健康受試者并無(wú)顯著差異，但是脛前肌IEMG較健康受試者更低，且足落地前內(nèi)翻角明顯大于健康受試者。分析認(rèn)為腓骨長(zhǎng)肌在足跟觸地前可能存在激活延遲，進(jìn)而造成踝關(guān)節(jié)外翻力矩不足以抵消脛前肌收縮形成的內(nèi)翻力矩，導(dǎo)致觸地前踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角增多，這勢(shì)必會(huì)增加踝關(guān)節(jié)再次扭傷的風(fēng)險(xiǎn)。

CAI患者在進(jìn)行功能性動(dòng)作時(shí)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(fā)現(xiàn)，CAI患者在進(jìn)行單腿下蹲轉(zhuǎn)體動(dòng)作時(shí)，臀大肌激活程度顯著低于健康受試者。Feger等[27]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CAI患者在進(jìn)行四種不同功能性動(dòng)作(向前弓箭步、單足閉眼站立、星狀偏移試驗(yàn)和側(cè)方跳起落地)時(shí)，患側(cè)下肢脛前肌、腓骨長(zhǎng)肌、腓腸肌外側(cè)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(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者在應(yīng)對(duì)外界干擾維持自身穩(wěn)定過(guò)程中，腓骨長(zhǎng)肌、脛前肌、臀中肌和臀大肌在激活時(shí)間上較健康受試者也存在差異。這都進(jìn)一步證實(shí)CAI患者不止是踝周肌群肌肉激活模式發(fā)生改變，下肢其他肌群肌肉激活模式也發(fā)生適應(yīng)性改變，這可能是由于中樞運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制發(fā)生改變所導(dǎo)致。

2 反應(yīng)時(shí)特征

反應(yīng)時(shí)是指從接受刺激到機(jī)體做出反應(yīng)動(dòng)作所需的時(shí)間，也就是從刺激到反應(yīng)之間的時(shí)距。動(dòng)作反應(yīng)時(shí)通常被分成前反應(yīng)時(shí)和后反應(yīng)時(shí)。前反應(yīng)時(shí)代表接受刺激到肌肉激活(產(chǎn)生動(dòng)作電位)的時(shí)間間隔，也被稱為肌肉激活時(shí)間。后反應(yīng)時(shí)代表肌肉興奮產(chǎn)生動(dòng)作電位到肌肉開始收縮的機(jī)械變化的時(shí)間[29]，也被稱為電-機(jī)械延遲(electromechanical delay,EMD)。它在肌肉張力的時(shí)序控制方面充當(dāng)著重要角色，并且它的改變和神經(jīng)肌肉控制有著重要關(guān)系[30]。

2.1 肌肉激活時(shí)間

多數(shù)研究利用自制內(nèi)翻傾斜板和表面肌電圖，測(cè)量CAI患者站立位時(shí)踝關(guān)節(jié)周圍肌肉的反應(yīng)時(shí)間，且研究結(jié)果并不一致[31-33]。Hoch等[33]系統(tǒng)評(píng)價(jià)踝扭傷后患者腓骨肌反應(yīng)時(shí)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CAI患者患側(cè)腓骨肌在內(nèi)翻擾動(dòng)下，激活時(shí)間相比健側(cè)或健康受試者均顯著延長(zhǎng)。

也有學(xué)者質(zhì)疑受試者站立時(shí)利用平板傾斜來(lái)模擬內(nèi)翻狀態(tài)所測(cè)量的結(jié)果并不可信，因?yàn)轷字芗∪鹤鳛閯?dòng)力性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在行走、跳躍或跑步時(shí)收縮并發(fā)揮功能，踝關(guān)節(jié)扭傷也均在患者活動(dòng)時(shí)發(fā)生，靜止?fàn)顟B(tài)下并不會(huì)發(fā)生踝關(guān)節(jié)扭傷[34-35]。因而，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)CAI患者應(yīng)對(duì)內(nèi)翻擾動(dòng)時(shí)腓骨肌激活表現(xiàn)更具說(shuō)服力。Hopkins等[35]設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)，當(dāng)受試者在跑臺(tái)上行走或奔跑時(shí)，可以在遙控下使跑道一側(cè)翻轉(zhuǎn)30°，從而能夠更為精確地模擬行走時(shí)踝關(guān)節(jié)扭傷的發(fā)生，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FAI患者腓骨長(zhǎng)肌激活時(shí)間較健康受試者更長(zhǎng)。汪嘉鴻等[36]采用類似方法對(duì)MAI患者進(jìn)行測(cè)試也得出同樣結(jié)果，結(jié)果顯示MAI患者腓骨長(zhǎng)肌和腓骨短肌激活時(shí)間均顯著延長(zhǎng)，且肌電信號(hào)顯示其腓骨肌標(biāo)化平均波幅也顯著低于健康受試者。這提示患側(cè)踝關(guān)節(jié)的腓骨長(zhǎng)肌和腓骨短肌運(yùn)動(dòng)單位募集相對(duì)較少。在這種狀態(tài)下，患側(cè)踝關(guān)節(jié)的外側(cè)保護(hù)功能下降，不足以對(duì)抗內(nèi)翻應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)扭傷的發(fā)生。李宏云等[3]進(jìn)一步研究證實(shí)，F(xiàn)AI和MAI患者患側(cè)踝關(guān)節(jié)周圍肌肉激活時(shí)間均較健側(cè)明顯延長(zhǎng)，這提示MAI患者不僅存在明顯的韌帶結(jié)構(gòu)損傷，同樣還存在神經(jīng)肌肉功能缺陷。對(duì)于這類患者，需要進(jìn)行全面的康復(fù)訓(xùn)練以改善其神經(jīng)肌肉功能缺陷，從而降低踝關(guān)節(jié)再次扭傷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 EMD

目前，少有研究關(guān)注CAI患者腓骨肌EMD的變化，且研究結(jié)果并不一致[37-40]。Mora等[37]結(jié)合表面肌電和壓力板測(cè)試發(fā)現(xiàn)，CAI患者腓骨肌EMD較健康受試者顯著延長(zhǎng)，并認(rèn)為腓骨肌EMD延長(zhǎng)是導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)再次扭傷的原因之一。Flevas等[38]結(jié)合等速肌力測(cè)試系統(tǒng)和表面肌電進(jìn)行測(cè)試也得到類似結(jié)果。分析EMD延長(zhǎng)的原因可能是踝扭傷后肌腱的強(qiáng)度下降，導(dǎo)致肌肉收縮過(guò)程中肌小節(jié)收縮牽拉肌腱耗時(shí)延長(zhǎng)[39]。但是，Vaes等[40]利用表面肌電和加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，卻發(fā)現(xiàn)CAI患者腓骨肌EMD較健康受試者并不存在顯著區(qū)別。分析產(chǎn)生爭(zhēng)論性結(jié)果的原因是各項(xiàng)研究對(duì)EMD的測(cè)試方法存在差異，而現(xiàn)階段尚未有方法能直接監(jiān)測(cè)踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻動(dòng)作時(shí)腓骨肌肌電和肌力的同步變化過(guò)程，因而對(duì)CAI患者腓骨肌EMD的改變還有待進(jìn)一步研究加以證實(shí)。

3 小結(jié)

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)肌肉激活的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定也日益精確，這在一定程度上推動(dòng)了對(duì)CAI患者下肢肌肉激活特征的研究。從目前的研究成果來(lái)看，CAI患者在進(jìn)行動(dòng)態(tài)活動(dòng)時(shí)，不單只是踝關(guān)節(jié)周圍肌群(腓骨肌、脛前肌和腓腸肌等)激活模式發(fā)生改變，其他關(guān)節(jié)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(yùn)動(dòng)模式與健康人群存在差異的直接原因。因而，對(duì)于CAI患者，其康復(fù)方案的制定不應(yīng)只局限于踝關(guān)節(jié)周圍肌群，還應(yīng)該包括其他關(guān)節(jié)周圍肌群的激活訓(xùn)練。另外，CAI患者在不同動(dòng)作模式下，肌肉激活特征變化并不相同；即使是同一動(dòng)作，由于研究方法學(xué)差異和/或受試者納入標(biāo)準(zhǔn)的不同，研究結(jié)果也并不一致。因而，今后應(yīng)規(guī)范測(cè)試方法，統(tǒng)一受試者納入標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步明確下肢肌肉激活強(qiáng)度、激活時(shí)間及EMD的確切變化。同步監(jiān)測(cè)CAI患者下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)及下肢肌肉激活特征變化，是探索CAI患者的神經(jīng)肌肉控制機(jī)制新的手段，值得進(jìn)一步推廣。這將有利于進(jìn)一步闡明CAI損傷機(jī)理，也能為彌補(bǔ)CAI患者神經(jīng)肌肉控制缺陷提供康復(fù)指導(dǎo)。

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