不同硬度地面對(duì)功能性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)患者步態(tài)協(xié)調(diào)性的影響

馬乾峰， 李立， 張偉， 丁健， 許貽林， 毛文慧

1.南京師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院，江蘇南京市 210023；2.美國(guó)佐治亞南方大學(xué)運(yùn)動(dòng)健康科學(xué)系，美國(guó)佐治亞州30460；3.江蘇省體育科學(xué)研究所，江蘇南京市 210033

0 引言

功能性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)(functional ankle instability,FAI)是一種踝關(guān)節(jié)本體感覺(jué)降低以及神經(jīng)肌肉控制障礙的慢性病。長(zhǎng)期處于FAI 會(huì)增加關(guān)節(jié)退行性疾病、踝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎以及再扭傷的風(fēng)險(xiǎn)[1]。多項(xiàng)研究證實(shí)，F(xiàn)AI 還會(huì)引起人體下肢生物力學(xué)特征的改變。這種變化不僅發(fā)生在踝關(guān)節(jié)，還會(huì)向上延伸至近端關(guān)節(jié)如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等[2-5]。

矢量編碼技術(shù)可以很好量化關(guān)節(jié)間的耦合關(guān)系[6]。目前，矢量編碼技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在研究特定人體運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)模式識(shí)別、運(yùn)動(dòng)學(xué)損傷的預(yù)防和評(píng)估等方面[7]，尤其是在評(píng)估周期性運(yùn)動(dòng)動(dòng)作協(xié)調(diào)模式方面非常有效[8]。步行是人體日常離不開(kāi)的生活活動(dòng)，但對(duì)于FAI 患者，異常的協(xié)調(diào)模式或變異性都可能造成步行時(shí)患側(cè)足異常內(nèi)翻或跖屈的范圍變大，增加踝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)[9]。因此，研究FAI 患者步態(tài)協(xié)調(diào)性特征尤為關(guān)鍵。

大多數(shù)關(guān)于人類步態(tài)的研究都是在光滑/水平的表面或者理想實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，在不同硬度地面行走的研究鮮有報(bào)道。有研究顯示，與正常足姿受試者相比，異常足姿受試者步行時(shí)旋后運(yùn)動(dòng)范圍減小，且足部與踝關(guān)節(jié)在矢狀面的協(xié)調(diào)性較差，進(jìn)而可能影響到足部對(duì)于不同地面地形的適應(yīng)能力，導(dǎo)致足踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低，關(guān)節(jié)扭傷風(fēng)險(xiǎn)增加[10]。在不同于地面的柔性跑臺(tái)上也發(fā)現(xiàn)了下肢協(xié)調(diào)性的改變[11]。不同硬度地面行走對(duì)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但目前尚不清楚不同硬度地面是否影響下肢的協(xié)調(diào)性和變異性，以及這種變化是否在FAI患者中有更大影響。

本研究的目的是通過(guò)矢量編碼技術(shù)觀察FAI 患者以舒適步速在不同硬度地面行走時(shí)下肢各關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)模式和協(xié)調(diào)變異性，了解下肢運(yùn)動(dòng)控制策略變化，為預(yù)防FAI患者踝關(guān)節(jié)再次損傷和康復(fù)訓(xùn)練提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2023 年5 月至7 月，選取南京師范大學(xué)男性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)(右側(cè))患者15例，平均年齡(23.1±1.9)歲，平均身高(175.5±4.9) cm，平均體質(zhì)量(76.2±8.7) kg。

首先進(jìn)行坎伯蘭踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)量表(Cumberland Ankle Instability Tool, CAIT)評(píng)價(jià)[12]。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①至少1 次嚴(yán)重的踝關(guān)節(jié)扭傷病史，出現(xiàn)疼痛、腫脹等癥狀，不能正常參與日?；顒?dòng)1 d以上；②最近1 年內(nèi)單側(cè)踝關(guān)節(jié)發(fā)生失控、扭傷或不穩(wěn)感覺(jué)2次以上；③CAIT分值≤ 24分；④前抽屜試驗(yàn)(-)；⑤簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①問(wèn)卷調(diào)查之前3 個(gè)月內(nèi)下肢發(fā)生過(guò)扭傷等急性損傷；②另一側(cè)踝關(guān)節(jié)也發(fā)生過(guò)失控、扭傷或不穩(wěn)感覺(jué)；③踝關(guān)節(jié)前抽屜試驗(yàn)(+)，距骨傾斜試驗(yàn)(+)。

本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)南京師范大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(No.2022020017)。

1.2 方法

采用Qualisys 紅外高速光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Oqus 300, Qualisys AB, Gothenburg, Sweden)采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集軟件(QTM-Qualisys Track Manager)、計(jì)算機(jī)、標(biāo)志桿、標(biāo)志框架、反光球和6架紅外線攝像機(jī)組成。攝像機(jī)負(fù)責(zé)捕捉Marker反光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲取患者的步行情況。

地面步道分為硬地面(硬地板)和軟地面(泡沫步道)。硬地板為實(shí)驗(yàn)室木地板，步道長(zhǎng)15 m。泡沫步道長(zhǎng)15 m，寬145 cm，厚度15 cm。

首先標(biāo)記和粘貼Marker 點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，向受試者說(shuō)明注意事項(xiàng)。

圖1 Marker點(diǎn)粘貼位置Figure 1 Marker pasting position

兩種地面行走順序隨機(jī)選取。在一種地面行走5 min，間歇5 min，再換另一種地面。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者始終目視前方，保持頭頸正直，以自選舒適速度，裸足勻速?gòu)钠瘘c(diǎn)線在實(shí)驗(yàn)室地面規(guī)劃好的路線上循環(huán)走動(dòng)。

1.3 觀察指標(biāo)

采集患側(cè)數(shù)據(jù)。耦合角和耦合角標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式參考Needham等[14]的研究擬定。

1.3.1 耦合角

構(gòu)建髖-踝關(guān)節(jié)、髖-膝關(guān)節(jié)和膝-踝關(guān)節(jié)的角-角圖，其中近端關(guān)節(jié)角在x軸上，遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)角在y軸上。根據(jù)王佳偉等[13]描述的方法，計(jì)算出角-角圖中相對(duì)于右側(cè)水平線的兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)在時(shí)間上的角矢量方向和大小，記為耦合角。耦合角代表每個(gè)時(shí)間區(qū)間的空間協(xié)調(diào)，以區(qū)別不同的協(xié)調(diào)模式[14]。根據(jù)平均水平向量和平均垂直向量計(jì)算耦合角，表示協(xié)調(diào)模式的特征。

1.3.2 耦合角標(biāo)準(zhǔn)差

通過(guò)受試者的耦合角評(píng)估受試者間的變異性，即耦合角標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.3 步態(tài)周期

參考步態(tài)分期方法[15]，本研究將步態(tài)周期劃分承重期、支撐中期、支撐后期、擺動(dòng)前期、擺動(dòng)中期和擺動(dòng)后期6個(gè)階段。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理步驟見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Figure 2 Data processing flow chart

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用Excel、Matlab 和DPS 9.01 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，以(±s)表示。協(xié)調(diào)模式參數(shù)采用循環(huán)統(tǒng)計(jì)，不同地面間耦合角比較使用Watson-Williams檢驗(yàn)；不同地面間耦合角標(biāo)準(zhǔn)差比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。顯著性水平α= 0.05。

2 結(jié)果

2.1 耦合角

在冠狀面內(nèi)，F(xiàn)AI患者髖-踝關(guān)節(jié)耦合角在硬地面和軟地面上多個(gè)步態(tài)階段有顯著性差異(P＜ 0.05)。在矢狀面內(nèi)，髖-踝關(guān)節(jié)和膝-踝關(guān)節(jié)耦合角在兩種地面上多個(gè)步態(tài)階段有顯著性差異(P＜ 0.05)。在水平面內(nèi)，髖-膝關(guān)節(jié)耦合角在兩種地面上多個(gè)步態(tài)階段有顯著性差異(P＜ 0.05)。見(jiàn)圖3和表1。

表1 三維面內(nèi)各關(guān)節(jié)不同步態(tài)階段兩種地面的耦合角比較Table 1 Comparison of coupling angle of joint on 3D planes during different gait stages on two surfaces單位：°

圖3 三維面內(nèi)各關(guān)節(jié)不同步態(tài)階段在硬地面和軟地面的耦合角比較Figure 3 Comparison of coupling angle of joint on 3D planes during different gait stages on two surfaces

2.2 耦合角標(biāo)準(zhǔn)差

在冠狀面內(nèi)，F(xiàn)AI 患者髖-膝關(guān)節(jié)和膝-踝關(guān)節(jié)耦合角標(biāo)準(zhǔn)差在硬地面和軟地面上多個(gè)步態(tài)階段有顯著性差異(P＜ 0.01)。在矢狀面內(nèi)，膝-踝關(guān)節(jié)耦合角標(biāo)準(zhǔn)差在兩種地面上多個(gè)步態(tài)階段有顯著性差異(P＜0.05)。在水平面內(nèi)，髖-膝關(guān)節(jié)和膝-踝關(guān)節(jié)耦合角標(biāo)準(zhǔn)差在兩種地面上多個(gè)步態(tài)階段有顯著性差異(P＜0.05)。見(jiàn)表2。

表2 三維面內(nèi)各關(guān)節(jié)不同步態(tài)階段兩種地面的耦合角標(biāo)準(zhǔn)差比較Table 2 Comparison of standard deviation of coupling angle of joint on 3D planes during different gait stages on two surfaces 單位：°

3 討論

FAI 患者在不同硬度地面步行時(shí)，其步態(tài)協(xié)調(diào)模式和協(xié)調(diào)變異性會(huì)發(fā)生改變。本研究以耦合角反映協(xié)調(diào)模式，以耦合角標(biāo)準(zhǔn)差反映協(xié)調(diào)變異性。結(jié)果顯示，F(xiàn)AI患者在軟地面上行走更具有挑戰(zhàn)性。

目前，步態(tài)協(xié)調(diào)分析大多數(shù)都是在跑臺(tái)上進(jìn)行，但是跑臺(tái)可能對(duì)動(dòng)態(tài)神經(jīng)肌肉控制施加系統(tǒng)性改變，影響自身舒適的步行速度，行走者通過(guò)改變髖-膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)模式或下肢關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)模式來(lái)適應(yīng)舒適步行速度[16]。國(guó)外主要研究慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)(chronic ankle instability, CAI)患者，缺乏對(duì)FAI 患者下肢協(xié)調(diào)性的研究。大多數(shù)國(guó)外研究對(duì)地面因素進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，采取的是不規(guī)則路面如石子路面、不規(guī)則表面等，或者是對(duì)不同硬度鞋的研究，缺乏對(duì)不同硬度地面行走時(shí)下肢協(xié)調(diào)性的分析[17]。

因此，本研究采用矢量編碼技術(shù)分析FAI 患者在不同硬度地面行走時(shí)的下肢協(xié)調(diào)性，希望對(duì)康復(fù)治療方案的制定和運(yùn)動(dòng)預(yù)防提供參考。

3.1 不同硬度地面對(duì)FAI患者步行時(shí)下肢協(xié)調(diào)模式特征的影響

本研究參考協(xié)調(diào)模式分類方式[18]，將耦合角分為近端主導(dǎo)同相期、遠(yuǎn)端主導(dǎo)反相期、遠(yuǎn)端主導(dǎo)同相期和近端主導(dǎo)反相期。當(dāng)耦合角＜ 45°或180°～＜ 225°時(shí)，定義為近端主導(dǎo)同相期，即近端和遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方向相同且近端運(yùn)動(dòng)幅度較遠(yuǎn)端更大；當(dāng)耦合角45°～＜90°或225°～＜ 270°時(shí)，定義為遠(yuǎn)端主導(dǎo)同相期，即近端和遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方向相同且遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)幅度更大；當(dāng)耦合角90°～＜ 135°或270°～＜ 315°時(shí)，定義為遠(yuǎn)端主導(dǎo)反相期，即近端和遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方向相反且遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)幅度更大；當(dāng)耦合角135°～＜ 180°或315°～＜ 360°時(shí)，定義為近端主導(dǎo)反相期，即近端和遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方向相反且近端運(yùn)動(dòng)幅度更大。

本研究結(jié)果顯示，與硬地面相比，F(xiàn)AI 患者在三維面內(nèi)的支撐期步行時(shí)軟地面主要表現(xiàn)為近端支配優(yōu)勢(shì)。MacLellan 等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，相較于硬地面，受試者行走在泡沫地面時(shí)步寬、步長(zhǎng)和步態(tài)時(shí)間均增加。步寬和步長(zhǎng)的增加可以有效提高支撐穩(wěn)定性。在軟地面行走時(shí)，受試者為了保持平衡，需要髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)代償運(yùn)動(dòng)，以彌補(bǔ)不穩(wěn)的踝關(guān)節(jié)再次發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)。這可能是FAI患者步行的保護(hù)機(jī)制。

在矢狀面膝-踝支撐期和水平面髖-膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)期內(nèi)，F(xiàn)AI 患者在硬地面主要處于近端主導(dǎo)同相期，而在軟地面主要處于遠(yuǎn)端主導(dǎo)時(shí)期，軟地面較硬地面表現(xiàn)為更多的踝關(guān)節(jié)跖屈內(nèi)翻。Yen 等[16]的研究表明，CAI 患者的踝關(guān)節(jié)過(guò)度內(nèi)翻可能是由于髖關(guān)節(jié)外展肌力量較弱。本研究結(jié)果與之相似。

踝關(guān)節(jié)在支撐中期和支撐后期保持跖屈，這可能是由于軟地面延長(zhǎng)了踝關(guān)節(jié)支撐期的步態(tài)時(shí)間。Moisan 等[20]在對(duì)CAI 患者單腿下落的研究中發(fā)現(xiàn)，與平坦地面相比，患者在泡沫表面著陸時(shí)表現(xiàn)出更大的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和膝關(guān)節(jié)伸展角度，更大的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和內(nèi)旋力矩，且腓骨長(zhǎng)肌激活程度較低。本研究結(jié)果與之相似。

本研究發(fā)現(xiàn)，與硬地面相比，F(xiàn)AI 患者在冠狀面協(xié)調(diào)模式中軟地面表現(xiàn)出更多的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻范圍；在水平面膝-踝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)模式中軟地面擺動(dòng)期內(nèi)表現(xiàn)出較多的膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度。推測(cè)軟地面可能造成踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻內(nèi)旋，增加復(fù)發(fā)性外踝扭傷的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 不同硬度地面對(duì)FAI患者步行時(shí)下肢協(xié)調(diào)變異性的影響

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性表明用來(lái)完成動(dòng)作任務(wù)協(xié)調(diào)模式的范圍[21-22]。根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的觀點(diǎn)，變異性本身不能辨別其好壞。

本研究結(jié)果顯示，F(xiàn)AI 患者下肢關(guān)節(jié)耦合角標(biāo)準(zhǔn)差在軟地面支撐中期、支撐后期、擺動(dòng)前期和擺動(dòng)期多數(shù)大于硬地面。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性不僅僅被看做一種誤差，也同樣被認(rèn)為是一種在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)中骨骼-肌肉系統(tǒng)適應(yīng)性表現(xiàn)，有利于提高對(duì)源自外界環(huán)境等干擾的應(yīng)對(duì)能力[23]。

Gribbin等[24]對(duì)前交叉韌帶損傷患者進(jìn)行步行和慢跑研究發(fā)現(xiàn)，患者產(chǎn)生高度的變異性可能代表著身體無(wú)法在缺乏協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)控制而出現(xiàn)的約束條件下找到最佳的運(yùn)動(dòng)模式，也可能在有限制運(yùn)動(dòng)的同時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生不一樣的運(yùn)動(dòng)模式。因此，F(xiàn)AI 患者在軟地面產(chǎn)生更高的耦合角標(biāo)準(zhǔn)差，這可能是由于在軟地面上無(wú)法找到最佳的運(yùn)動(dòng)模式，或者是軟地面的特殊性造成患者的不適應(yīng)，從而產(chǎn)生較硬地面不同的運(yùn)動(dòng)模式。Davids 等[25]認(rèn)為，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的變異性增加意味著感覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制的下降，但不一定意味著關(guān)節(jié)穩(wěn)定的缺乏。

通過(guò)對(duì)FAI 機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)[26-27]，患者有本體感覺(jué)功能的下降，包括踝關(guān)節(jié)外翻運(yùn)動(dòng)力覺(jué)和被動(dòng)內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)覺(jué)，踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻肌力的下降，臀大肌肌力激活程度的改變，這些功能性指標(biāo)的下降可能會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的變異性，造成踝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定性。

綜上所述，與硬地面相比，在軟地面上FAI 患者在三維面步態(tài)支撐階段表現(xiàn)出更多的近端主導(dǎo)時(shí)期，可能是為了維持平衡，支撐期變長(zhǎng)，擺動(dòng)期縮短，從而增加穩(wěn)定性。在三維面表現(xiàn)出更多的遠(yuǎn)端主導(dǎo)，即踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻跖屈優(yōu)勢(shì)增加，髖關(guān)節(jié)優(yōu)勢(shì)減少，可能是因?yàn)樵谲浀孛嫔喜叫袝r(shí)髖外展肌無(wú)力所致。在水平面擺動(dòng)階段膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋范圍和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻范圍更大，這提示復(fù)發(fā)性外踝扭傷的風(fēng)險(xiǎn)增加。FAI 患者在軟地面上協(xié)調(diào)變異性普遍高于硬地面。提示FAI 患者在軟地面上步行時(shí)會(huì)增加復(fù)發(fā)性外踝扭傷風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)康復(fù)治療應(yīng)加以重視和預(yù)防。

目前踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)是一個(gè)熱點(diǎn)話題，但對(duì)于FAI 患者在不同地面行走特征的研究仍相對(duì)較少。本研究可為康復(fù)治療提供一定的參考，比如采取針對(duì)性的訓(xùn)練，使其適應(yīng)不同的步行任務(wù)難度。

本研究樣本量有限，且僅招募了男性受試者。性別對(duì)CAI 癥狀有一定的影響[28]。因此，今后研究應(yīng)招募女性受試者，并增加樣本量。必要時(shí)，可對(duì)關(guān)節(jié)鄰近肌肉進(jìn)行肌電圖檢查。

4 結(jié)論

FAI 患者在不同硬度地面上步行時(shí)下肢協(xié)調(diào)性和協(xié)調(diào)變異性存在差異。軟地面上，三維面內(nèi)步態(tài)各階段較硬地面表現(xiàn)出更多的遠(yuǎn)端主導(dǎo)，即踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻跖屈優(yōu)勢(shì)增加，髖關(guān)節(jié)優(yōu)勢(shì)減少。在軟地面上協(xié)調(diào)變異性普遍高于硬地面。FAI 患者在軟地面上步行時(shí)可能會(huì)增加復(fù)發(fā)性外踝扭傷風(fēng)險(xiǎn)。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。