半剛性非對(duì)稱結(jié)構(gòu)踝護(hù)具的內(nèi)翻防護(hù)效果研究

李宇豪，牛文鑫，王 璐，關(guān)國(guó)平

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.同濟(jì)大學(xué)附屬上海市養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院(上海市陽光康復(fù)中心)，上海 201619)

著陸動(dòng)作在跑步、籃球、排球等運(yùn)動(dòng)中十分常見，踝關(guān)節(jié)在著陸過程中很容易發(fā)生扭傷。有文獻(xiàn)調(diào)查了常見的70項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)是其中24項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中最常見的損傷部位[1]。在踝關(guān)節(jié)扭傷案例中，踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻損傷占比超過80%[2]，是踝關(guān)節(jié)損傷的主要形式[3]。關(guān)于踝關(guān)節(jié)扭傷防護(hù)，目前最常見的措施主要有貼扎和佩戴踝護(hù)具[4]。相較于貼扎，佩戴踝護(hù)具是主流的防護(hù)形式[5]。有文獻(xiàn)表明，相較于彈性踝護(hù)具，半剛性踝護(hù)具在踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻防護(hù)方面具有更好的效果[6-7]。為了進(jìn)一步提高半剛性踝護(hù)具對(duì)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻防護(hù)效果，關(guān)國(guó)平等人設(shè)計(jì)開發(fā)了系列非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的半剛性踝護(hù)具[8]。研究結(jié)果表明，該踝護(hù)具不影響踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的靈活性。與彈性踝護(hù)具相比，該踝護(hù)具亦可顯著提高踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌群的肌電水平，暗示其具有較好的踝關(guān)節(jié)防護(hù)功效。

在此基礎(chǔ)上，通過人體高臺(tái)跳落試驗(yàn)，比較平面和斜面著陸中，裸足、彈性護(hù)具以及半剛性護(hù)具三種狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。運(yùn)用踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角度、最大內(nèi)翻角速度和最大外翻力矩參數(shù)來評(píng)價(jià)該踝護(hù)具的內(nèi)翻防護(hù)效果，一方面檢驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)的可行性與可靠性，也進(jìn)一步為優(yōu)化該踝護(hù)具提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 踝護(hù)具

半剛性非對(duì)稱結(jié)構(gòu)踝護(hù)具是由本實(shí)驗(yàn)室——紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)過度內(nèi)翻損傷而自主研發(fā)的產(chǎn)品，整體為三層材料復(fù)合結(jié)構(gòu)。其內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)并不相同，相較于內(nèi)側(cè)區(qū)域，外側(cè)防護(hù)區(qū)和足底部分有可塑性材料加固，每?jī)蓪又g通過熱壓粘合復(fù)合成型。試驗(yàn)選用的護(hù)具尺碼為M，適合于身高約175 cm、體重約65 kg的成年健康男性使用。以市售的針織彈性踝護(hù)具Bestray作為對(duì)照(圖1)，該彈性護(hù)具擁有兩條加壓固定的繃帶，主要材料為錦綸、聚酯纖維。試驗(yàn)選用的尺碼與半剛性護(hù)具相同。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用踝護(hù)具

1.1.2 志愿者

本研究招募了14名健康男性大學(xué)生志愿者開展人體試驗(yàn)，所有志愿者未有踝關(guān)節(jié)損傷史，均為右利腿，自愿參加本試驗(yàn)。志愿者平均年齡22±3歲，平均身高174.00±2.35 cm，平均體重65.5±3.2 kg。

1.1.3 試驗(yàn)器材

AMTI三維測(cè)力臺(tái)2塊(1 000 Hz，90 cm×60 cm×l0 cm)。Vicon三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)(200 Hz，Vicon，Oxfot’d Metric)，包括紅外捕捉攝相機(jī)8臺(tái)，直徑為14 mm的紅外反光球35個(gè)。可分級(jí)實(shí)驗(yàn)跳臺(tái)，作為起跳前站立的平臺(tái)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，高度設(shè)置依次為40 cm、50 cm、60 cm。20°斜面(38.55 cm×42.86 cm×15.45 cm)，被安置在右腳所在的測(cè)力臺(tái)區(qū)域內(nèi)。

1.1.4 軟件

Vicon Nexus 2.6.1，用于對(duì)捕捉到的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄和補(bǔ)充。三維步態(tài)分析軟件Visual 3D，用于輸出所需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。Mokka(Motion Kinematic & Kinetic analyzer)，用于查看C3D文件中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。

1.2 方法

1.2.1 志愿者平面著陸

實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)每位志愿者進(jìn)行培訓(xùn)，要求志愿者在著陸過程中，雙手抱在胸前。著陸前，志愿者站立在高臺(tái)上，兩足分開與肩同寬。聽到口令后即跳落，采用對(duì)稱(指身體左右兩部分基本沿著正中矢狀面對(duì)稱)的方式著陸，身體自然前傾，下肢自然彎曲，最后再自然直立站穩(wěn)。受試者成功跳落到地面并且至少維持2 s的平衡記為一次成功測(cè)試[9]。每位志愿者在每個(gè)高度(40 cm、50 cm、60 cm)及每個(gè)狀態(tài)(裸足、彈性護(hù)具、半剛性護(hù)具)下，各跳落3次，如在40 cm高度下裸足跳3次、彈性跳3次、半剛性跳3次。

1.2.2 志愿者斜面著陸

考慮到斜面著陸的安全性，本實(shí)驗(yàn)選擇了20°的斜面，跳落高度設(shè)置為40 cm。每位志愿者在三種狀態(tài)(裸足、彈性護(hù)具、半剛性護(hù)具)下，按照平面著陸的方式各跳落3次。

圖2 兩種著陸方式示意圖

1.2.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)需要在人體相關(guān)部位粘貼反光球，首先是骨盆處的髂嵴、大轉(zhuǎn)子；然后是膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)，為了方便后續(xù)建模，同時(shí)在大腿以及小腿處粘貼了T型架；最后是踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)、第一跖骨、第五跖骨、大腳趾和足跟。

1.2.4 數(shù)據(jù)收集

跳躍過程中，通過AMTI三維測(cè)力臺(tái)收集著陸后的地面反力數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 000 Hz。通過Vicon紅外攝像機(jī)捕捉運(yùn)動(dòng)中反光球的位置，記錄運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，采樣頻率為200 Hz。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)完成后，用Vicon Nexus 2.6.1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，利用軟件中的算法等功能去除雜點(diǎn)、補(bǔ)回運(yùn)動(dòng)過程中丟失的點(diǎn)，使每個(gè)著陸過程的運(yùn)動(dòng)軌跡都流暢完整，得到相應(yīng)的C3D文件。

1.2.6 建模

在Visual 3D中建立每位受試者的骨骼模型，導(dǎo)入相應(yīng)的C3D文件后輸出內(nèi)翻角度、內(nèi)翻角速度、外翻力矩等數(shù)值，其中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方向根據(jù)右手定則確定。選取腳剛離開高臺(tái)時(shí)刻到落地后站穩(wěn)時(shí)刻為研究時(shí)間段。

1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表示，使用IBM SPSS Statistic 25軟件進(jìn)行多因素方差分析，當(dāng)P<0.05時(shí)，認(rèn)為差異具有顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 C3D文件

測(cè)試得到屈膝著陸時(shí)刻C3D文件(圖3)。其中白色點(diǎn)即為粘貼在志愿者關(guān)節(jié)處的紅外反光球，黃色區(qū)域表示測(cè)力臺(tái)，兩條向上的黃色線段表示地面反力，其方向和長(zhǎng)度分別表示地面反力的方向和大小。

圖3 屈膝著陸時(shí)刻C3D文件

2.2 Visual 3D建模結(jié)果

對(duì)C3D文件建模后得到屈膝著陸的骨骼模型(圖4)。其中白色部分是根據(jù)人體參數(shù)建立的骨骼模型，紫色區(qū)域表示測(cè)力臺(tái)，并以其建立了全局三維坐標(biāo)系，帶有箭頭的紅色線段表示地面反力，其方向和長(zhǎng)度分別表示地面反力的方向和大小。

圖4 屈膝著陸的骨骼模型

2.3 平面著陸的測(cè)試結(jié)果

結(jié)果(表1)顯示，跳臺(tái)高度和防護(hù)狀態(tài)對(duì)最大內(nèi)翻角度、最大內(nèi)翻角速度以及最大外翻力矩均沒有顯著的交互作用(P>0.05)。跳臺(tái)高度對(duì)最大內(nèi)翻角度、最大內(nèi)翻角速度以及最大外翻力矩均沒有顯著影響(P>0.05)。從三種狀態(tài)來看，相較于裸足和半剛性護(hù)具，彈性護(hù)具顯著減小了最大內(nèi)翻角度(P<0.05)；半剛性護(hù)具和裸足下的最大內(nèi)翻角度沒有顯著差異(P>0.05)。不同防護(hù)狀態(tài)之間最大內(nèi)翻角速度沒有顯著差異(F=1.755，P=0.178)。相較于裸足和半剛性護(hù)具，彈性護(hù)具顯著減小了最大外翻力矩(P<0.05)。

表1 偏利側(cè)踝關(guān)節(jié)在不同高度及不同防護(hù)狀態(tài)下平面著陸的測(cè)試結(jié)果

2.4 斜面著陸的測(cè)試結(jié)果

結(jié)果(表2)顯示，裸足狀態(tài)下最大內(nèi)翻角度最大，半剛性護(hù)具下最大內(nèi)翻角度最小，彈性護(hù)具下數(shù)值介于兩者之間。相較于裸足狀態(tài)，半剛性護(hù)具顯著減小了最大內(nèi)翻角度數(shù)值(P<0.05)。最大內(nèi)翻角速度方面，半剛性護(hù)具下數(shù)值最大，彈性護(hù)具下數(shù)值次之，裸足狀態(tài)下數(shù)值最小。兩兩之間均沒有顯著差異(P>0.05)。最大外翻力矩方面，彈性護(hù)具下和裸足狀態(tài)下數(shù)值相當(dāng)，均顯著小于半剛性護(hù)具下數(shù)值(P<0.05)。

表2 偏利側(cè)踝關(guān)節(jié)在不同防護(hù)狀態(tài)下斜面著陸的測(cè)試結(jié)果

2.5 平面著陸和斜面著陸的結(jié)果對(duì)比

在40 cm高度下，對(duì)平面和斜面著陸時(shí)最大內(nèi)翻角度、最大內(nèi)翻角速度和最大外翻力矩的數(shù)值進(jìn)行比較(圖5—7)。發(fā)現(xiàn)在相同狀態(tài)下，斜面著陸時(shí)的最大內(nèi)翻角度、最大內(nèi)翻角速度和最大外翻力矩明顯大于平面著陸時(shí)的數(shù)值。

圖5 不同防護(hù)狀態(tài)及不同著陸面下最大內(nèi)翻角度的比較

圖6 不同防護(hù)狀態(tài)及不同著陸面下最大內(nèi)翻角速度的比較

圖7 不同防護(hù)狀態(tài)及不同著陸面下最大外翻力矩的比較

3 討論

3.1 平面著陸

平面著陸方面，本研究主要參考牛文鑫等人[7]評(píng)價(jià)人體下肢能力時(shí)采用的測(cè)試方法。同時(shí)為了防止下肢反光球在運(yùn)動(dòng)過程中被遮擋，著陸時(shí)要求志愿者雙手抱胸。吳狄等人[6]的研究對(duì)象為空降傘兵的平面著陸，結(jié)果顯示彈性護(hù)具狀態(tài)與裸足狀態(tài)下最大內(nèi)翻角度沒有顯著差異，半剛性護(hù)具組的最大內(nèi)翻角度顯著減小。由于該研究選取的跳落高度較大，達(dá)到120 cm，可以認(rèn)為隨著跳落高度增大，彈性護(hù)具對(duì)踝關(guān)節(jié)的固定效果可能不夠理想。考慮到安全因素，本實(shí)驗(yàn)選取的高度尚不足以顯示該半剛性護(hù)具的優(yōu)勢(shì)。但是，在后續(xù)的研究中，期望進(jìn)行更高高度的著陸測(cè)試試驗(yàn)。

有研究表明，在40 cm高度下平面著陸時(shí)，該半剛性護(hù)具能夠顯著增加相關(guān)肌群的活性，說明肌肉能夠更快速地應(yīng)對(duì)可能的損傷風(fēng)險(xiǎn)[10]。一般踝關(guān)節(jié)冠狀面的運(yùn)動(dòng)角范圍可達(dá)到35°，最大內(nèi)翻角度可達(dá)到23°[11]。40 cm高度下平面著陸時(shí)，盡管踝關(guān)節(jié)的最大內(nèi)翻角度數(shù)值較大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到損傷的閾值。因此在踝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)較低的情況下，最大內(nèi)翻角度可能并不比肌肉活性更能夠評(píng)價(jià)護(hù)具的內(nèi)翻防護(hù)情況。

Mills等人[12]的跳落實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明不同防護(hù)狀態(tài)之間最大內(nèi)翻角速度沒有顯著差異(P>0.05)。另外Sato等人[13]研究發(fā)現(xiàn)，單腿跳落到斜面上時(shí)，護(hù)具能夠顯著降低最大內(nèi)翻角速度。當(dāng)踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶受到載荷的速度超出神經(jīng)響應(yīng)速度時(shí)，便會(huì)發(fā)生損傷[14]。因此在踝關(guān)節(jié)未發(fā)生較快速率轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不同防護(hù)狀態(tài)下最大內(nèi)翻角速度的數(shù)值可能不存在顯著差異。

外翻力矩是指踝關(guān)節(jié)外翻轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)大小，一般是為了對(duì)抗內(nèi)翻力矩而被動(dòng)產(chǎn)生的[6]。研究顯示跳臺(tái)高度對(duì)最大外翻力矩沒有顯著影響(F=0.718，P=0.490)，這是由于內(nèi)翻力矩是地面反力和力臂的產(chǎn)物[15]。平面著陸時(shí)，內(nèi)翻力矩的力臂值很小，因此高度的影響也就較小。彈性護(hù)具下，最大外翻力矩?cái)?shù)值最小(P<0.05)。這說明彈性護(hù)具限制了踝關(guān)節(jié)冠狀面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。相較而言，半剛性護(hù)具下踝關(guān)節(jié)冠狀面的靈活性仍然較好，說明在平面著陸中，無內(nèi)翻損傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，半剛性護(hù)具不影響正常的關(guān)節(jié)活動(dòng)。

3.2 斜面著陸

斜面著陸的方式和平面著陸方式相同。斜面的傾斜度、斜面落腳點(diǎn)的高度以及志愿者足部的試驗(yàn)條件主要參考張松寧等人[16]在斜面著陸中采用的試驗(yàn)方法。Brockett等人[17]發(fā)現(xiàn)，在步態(tài)行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角度在7.5°左右，甚至大于平面著陸下的踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角度5.3°[16]。鑒于該半剛性護(hù)具主要針對(duì)踝關(guān)節(jié)發(fā)生較大角度內(nèi)翻而設(shè)計(jì)，對(duì)于評(píng)價(jià)踝護(hù)具的防護(hù)效果以及研究踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)性能，斜面著陸試驗(yàn)尤為必要[18]。

半剛性護(hù)具下最大內(nèi)翻角度數(shù)值最小，且差異顯著(P<0.05)，說明在踝關(guān)節(jié)發(fā)生較大角度內(nèi)翻時(shí)，半剛性護(hù)具相較于裸足和彈性護(hù)具擁有較好的內(nèi)翻防護(hù)作用。這和前人的研究一致[19]，即在斜面著陸實(shí)驗(yàn)中，半剛性護(hù)具在限制最大內(nèi)翻角度方面具有顯著效果。從護(hù)具的材料和結(jié)構(gòu)上來看，該半剛性護(hù)具的外側(cè)擁有強(qiáng)度較高的可塑性材料，同時(shí)搭配有足背和小腿處的固定綁帶[8]。因此，在腳踝處于過度內(nèi)翻的情況下，該半剛性護(hù)具能夠有效限制踝關(guān)節(jié)在冠狀面上的運(yùn)動(dòng)。彈性護(hù)具內(nèi)外側(cè)均為彈性的材料，在斜面著陸時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的限制性較弱。

Vikki等人[20]比較了跑步、高臺(tái)跳落等正常運(yùn)動(dòng)和模擬扭傷運(yùn)動(dòng)的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)扭傷時(shí)的角速度為623 °/s，大于本實(shí)驗(yàn)的最大內(nèi)翻角速度數(shù)值。另外Hueber等人[21]認(rèn)為較大的角速度說明踝關(guān)節(jié)動(dòng)量較大，可能是轉(zhuǎn)化沖擊能量的方式。因此在斜面著陸過程中，踝關(guān)節(jié)處較大的內(nèi)翻角速度可能也是一種必要的行為，是在安全閾值內(nèi)的潛在保護(hù)手段。

力矩峰值越大，表明肌肉的做功能力越強(qiáng)[22]，可以認(rèn)為該半剛性護(hù)具增加了下肢肌肉的敏感度。Dewar等人[23]指出關(guān)節(jié)力矩的增加可能和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度減少有關(guān)，這和本研究結(jié)果一致。在半剛性護(hù)具下，踝關(guān)節(jié)最大外翻力矩的數(shù)值最大，最大內(nèi)翻角度的數(shù)值最小。Gardner等人[24]指出踝關(guān)節(jié)力矩的增加表明能量更多地向膝關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)傳遞，即在半剛性護(hù)具下，作用力會(huì)向遠(yuǎn)端傳遞。對(duì)于跳落過程中地面反力帶來的沖擊，Kim等人[22]認(rèn)為下肢衰減越多的能量，落地性能越好。如果向膝關(guān)節(jié)等遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)傳遞的能量在關(guān)節(jié)的承受范圍內(nèi)，那么作用力向遠(yuǎn)端傳遞的行為可能減少踝關(guān)節(jié)壓力[13]。

3.3 平面著陸和斜面著陸比較

相同狀態(tài)下，斜面著陸過程中最大內(nèi)翻角度、最大內(nèi)翻角速度均明顯增大。這是由于斜面著陸時(shí)，為了能夠平穩(wěn)站立在斜面上，腳在接觸斜面的瞬間，踝關(guān)節(jié)會(huì)發(fā)生較快速率的內(nèi)翻，產(chǎn)生接近于斜面傾斜角度的內(nèi)翻角度。斜面著陸時(shí)，半剛性護(hù)具較彈性護(hù)具顯著減小了最大內(nèi)翻角度，這和平面著陸時(shí)的結(jié)果相反。說明不同的測(cè)試場(chǎng)景，如落地面的傾斜度和跳落高度對(duì)踝護(hù)具防護(hù)性能的測(cè)試結(jié)果具有決定性影響。由于很多踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶扭傷都發(fā)生在踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻的情況下[25]，因此在評(píng)價(jià)護(hù)具的防護(hù)效果時(shí)，應(yīng)該合理選擇落地面的傾斜度。跳落到斜面時(shí)，內(nèi)翻力矩的力臂較大，內(nèi)翻力矩較大，需要更大的內(nèi)部外翻肌產(chǎn)生外翻力矩來抵消[18]。有研究表明斜面著陸的方式更硬性，人體的相關(guān)肌群需要更好地吸收能量[26]，而著陸中能量的吸收與關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)有一定關(guān)系[27]。因此斜面著陸時(shí)，處于安全范圍內(nèi)的某些下肢運(yùn)動(dòng)可能是相關(guān)肌群和韌帶吸收及轉(zhuǎn)化能量的一種手段。

4 結(jié)論

斜面著陸中，最大內(nèi)翻角度能夠直觀地體現(xiàn)踝護(hù)具的內(nèi)翻防護(hù)效果。而最大內(nèi)翻角速度、最大外翻力矩和地面沖擊能量的轉(zhuǎn)化有較大關(guān)聯(lián)，其數(shù)值并不能夠直接反映出護(hù)具的內(nèi)翻防護(hù)效果。未來可以采用人體仿真技術(shù)來模擬踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻損傷，以便于精確地研究?jī)?nèi)翻損傷過程中相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)的變化特征，進(jìn)而提出內(nèi)翻防護(hù)型踝護(hù)具的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。