慢性踝關節不穩患者足底壓力特征及相關因素分析

侯宗辰，敖英芳，胡躍林，焦 晨，郭秦煒，黃紅拾，任 爽，張 思，謝 興，陳臨新，趙 峰，皮彥斌，李 楠，江 東△

(北京大學第三醫院1.運動醫學科，2.臨床流行病學研究中心， 北京 100191)

踝關節扭傷是發病率較高的運動損傷之一。由于損傷的韌帶沒有及時修復愈合而導致后期關節松弛，20%～40%的患者會出現反復扭傷，有關節不穩感，影響正常生活和運動，發展為慢性踝關節不穩(chronic ankle instability，CAI)[1]。目前，CAI的診斷和療效評估主要依據患者臨床表現和影像學檢查，前者具有較強的主觀性，且無法量化，后者只能評估韌帶斷裂的程度，缺乏對踝關節功能的量化。除了韌帶斷裂的機械性因素外，CAI的病理原因還包括本體感覺減弱、肌肉力量減弱、踝周肌肉反應時延長[2]、平衡控制能力下降[3]、中樞感覺整合機制改變等[4]，但這些都很難進行定量評定。近年來出現的足底壓力分析為評定診斷CAI患者、闡明CAI產生機制、評估干預治療效果提供了新的思路[5]。

足底壓力是指足底所受到的壓力或壓強，主要指標有：壓強峰值、測定區域的壓力平均值、壓力峰值、特定區域下著地時間占整體時間的比值以及特定區域的著地速度、足底壓力變化率等[6]。足底壓力分析具有客觀準確、可定量、同時反映靜態和動態狀況等優點，在踝關節疾病的診斷和療效評估方面具有很好的應用前景。然而，目前對CAI患者的足底壓力分布特征缺乏大樣本的研究和統一的定論，尤其是關于足底壓力的相關因素研究尚無報道。本研究將選取正常人群與CAI患者比較足底壓力分布特征，并分析其與患者情況參數的相關性，為CAI的功能評定、診斷、治療方案選擇及療效評估提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選擇2010—2015年就診于北京大學第三醫院運動醫學科門診并診斷為CAI的患者和正常健康本院職工。所有患者和正常對照均簽署知情同意書，且本研究通過北京大學第三醫院倫理委員會批準(批準號：IRB00006761-M2019164)。

CAI組納入標準：(1)均為單踝扭傷，由兩名經驗豐富的足踝專科醫師檢查確認患側踝關節前抽屜和/或內翻應力試驗陽性，磁共振顯示踝關節距腓前韌帶和/或跟腓韌帶陳舊損傷，對側踝關節健康；(2)不伴隨骨折、下脛腓聯合分離等嚴重踝關節損傷及下肢其他部位疾患；(3)第一次損傷發生于半年前，3個月內無再次扭傷，曾發生“打軟”或頻繁崴腳或存在踝關節不穩感；(4)足踝能力評估(foot and ankle ability measure，FAAM)量表得分< 80%；(5)功能性踝關節不穩評價(identification of functional ankle instability，IdFAI)量表得分≥11或Cumberland踝關節不穩量表(Cumberland ankle instability tool，CAIT)得分 <24。正常對照入組標準：(1)無明顯下肢運動損傷病史(包括髖、膝、踝、下肢骨骼肌肉損傷等)；(2)無神經肌肉疾病病史。排除標準：(1)在康復訓練或隨訪過程中再次出現踝關節扭傷；(2)不能配合按時參加訓練或檢查。

本研究共納入符合要求的CAI患者75例及正常對照40例。其中CAI組男性38例，女性37例，年齡19～35歲；正常組男性19例，女性21例，年齡19～34歲；兩組年齡、性別比例、身高、體質量差異無統計學意義(P>0.05，表1)，提示兩組患者同質性較好，具有可比性。兩組間FAAM日常生活評分及運動評分、IdFAI評分、CAIT得分差異有統計學意義(P<0.05)，表明在踝關節功能方面兩組間有明顯區別。

表1 受試者信息比較Table 1 Baseline information

1.2 收集資料

通過問卷采集患者年齡、性別、病程、癥狀，通過查體采集患者體征、傷側、優勢側、主要診斷、全身關節松弛情況(Beighton評分)，通過磁共振成像采集韌帶損傷及軟骨損傷情況，通過Footscan 足底壓力分析系統(比利時RSscan公司)和Accusway Plus壓力臺(美國AMTI公司)獲取平地步行和單足站立足底壓力參數。按照“優勢側問卷”確定患者優勢側，如果CAI患者采集了優勢側數據，則采集健康對照組的優勢側數據進行對比分析。

1.3 試驗方法

1.3.1平地步行足底壓力分析 所有測試者踝關節活動度均正常，以個人平常步態自然行走，步行速度約為1.3 m/s，收集頻率為50幀/s[7]。通過Footscan系統軟件自動分析內側足跟(medial hindfoot，HM)、外側足跟(lateral hindfoot，HL)、第1～5跖骨頭(1st to 5th metatarsal heads，M1～M5)和足趾區(toes，T1)等八個區域的均化峰值壓力(peak force/weight，PF/W)和達峰時間(time to peak force，TPF)。PF/W為特定區域下的峰值壓力與體質量之比，TPF是從足跟著陸開始到特定區域達到PF/W的時間與總著陸時間的比值。

1.3.2單足站立足底壓力分析 每位受試者在Accusway Plus壓力臺(50 Hz)上完成3次10 s閉眼單足站立實驗。在測試過程中，受試者被要求站立時盡量保持靜止，雙臂交叉在胸前，使另一側下肢屈膝約45°和屈髖約30°。如果受試者在10 s試驗中觸及地面，與支撐側下肢接觸或無法保持站立姿勢，則該次試驗數據不計入并重復進行。將支撐側足看成矩形模型，利用壓力臺產生的每個壓力中心(center of pressure，COP)數據點的速度與位置計算該數據點到達邊界的時間，如果數據點正朝著足內側邊界移動，則計算該數據點與足內側邊界的距離，然后利用該距離除以該點的速度，得到邊界時間(time to boundary，TTB)[8]。通過類似的辦法分別計算內外側和前后側TTB最小值、TTB極小值的平均值和標準差。COP偏移速度計算方法為COP偏移距離(cm)除以10 s試驗時間。

1.4 統計方法

采用 SPSS 22.0及MATLAB(Mathworks Inc. Natik，MA)軟件進行獨立樣本t檢驗(CAI患者的患、健側分別與正常對照組對應側)和配對t檢驗(患、健側足)，Beighton評分和體重指數(body mass index，BMI)的相關分析采用Pearson相關分析，性別和受傷側別的相關分析采用單因素分析。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 CAI患者患、健側足底壓力參數對比

本研究未在任何足底區域發現CAI患者患側和健側間PF/W存在差異(P>0.05，圖1)，說明CAI患者的雙側足底壓力分布近似相同。CAI患者在平地步行時患側的M4區域的TPF較長(66.7%±5.7%vs. 60.7%±5.3%，t=3.33，P=0.01，圖1)，提示患側下肢步行時到達承重中期的時間大大延長，這可能是踝關節不穩的代償性機制。同時，在進行閉眼單足站立時，患側的內外側TTB最小值[(0.06±0.01) svs. (0.13±0.02) s，t=-2.67，P=0.03]、極小值的平均值[(1.10±0.05) svs. (1.37±0.03) s，t=-3.54，P=0.02)]和標準差[(1.43±0.22) svs. (1.62±0.24) s，t=-2.86，P=0.04)]均小于健側(表2)，提示患側下肢COP到達穩定邊界的時間較短，易于失去姿勢穩定性。

PF/W, peak force/weight; TPF, time to peak force; M1-M5, 1st to 5th metatarsal heads; HL, lateral hindfoot; HM, medial hindfoot; T1, toes. *P<0.05.圖1 CAI患者患、健側均化峰值壓力(PF/W)和達峰時間(TPF)的比較Figure 1 Comparison of peak force/weight (PF/W) and time to peak force (TPF) of the affected and the unaffected side

2.2 CAI患者與正常人足底壓力參數對比

由表3可知，與正常對照相比，CAI患者平地步行時患側M1(t=2.99，P=0.02)、M2區域(t=2.09，P=0.01)PF/W較小，M5區域(t=-3.86，P=0.03)PF/W較大，同時雙側的足跟內側PF/W較小(患側：t=2.33，P=0.01；健側：t=3.74，P=0.02)，說明CAI患者在步行過程中患側足底負荷傾向于中足的外側和足跟的外側，健側足底壓力負荷偏向于足跟外側，雙側踝關節可能有不同程度的內翻趨勢。而且雙側足趾區域PF/W明顯小于正常對照(患側：t=2.23，P=0.01；健側：t=3.28，P=0.02)，說明在支撐相末期地面反作用力較小，蹬地期動力不足。對于時間參數，CAI患者在平地步行時患側M4區域TPF較長(t=-2.37，P=0.01)，說明下肢步行時到達承重中期的時間大大延長。在單足支撐的過程中，CAI患者患側的前后側TTB最小值(t=4.68，P=0.03)、平均極小值(t=4.21，P=0.01)以及內外側TTB最小值(t=2.99，P=0.02)均小于正常對照，雙側的內外側TTB平均極小值(患側：t=2.05，P=0.01；健側：t=2.66，P=0.03)、前后側的COP偏移速度(患側：t=-2.22，P=0.03；健側：t=-2.30，P=0.03)大于正常對照，內外側的TTB平均極小值(患側：t=2.07，P=0.03；健側：t=-2.02，P=0.04)小于正常對照，說明CAI患者雙側肢體的前后側與內外側的姿勢控制穩定性均較差，這可能是CAI患者反復發生踝關節扭傷的原因。

表2 CAI患者患、健側單足支撐足底參數對比Table 2 Comparison of the parameters of the affected and the unaffected side during the single leg standing

2.3 足底壓力參數相關因素分析

如表4所示，通過將患者的基本信息與存在差異的足底壓力參數按照數據類型(性別與受傷側別為分類變量，Beighton評分與BMI為連續變量)進行單因素分析或相關分析，男性單腳支撐時的內外側COP偏移速度顯著小于女性[(6.28±0.64) cm/svs. (7.90±0.65) cm/s，t=-2.35，P=0.01]，內外側TTB平均極小值顯著大于女性[(1.28±0.16) svs. (0.91±0.15) s，t=0.59，P=0.01]，說明男性CAI患者在內外側的姿勢控制穩定性優于女性。內外側TTB平均極小值(r=-0.52，P=0.01)、內外側COP偏移速度(r=-0.50，P=0.01)與Beighton 評分呈負相關，說明Beighton評分高的患者內外側姿勢控制穩定性更差。

圖2 正常對照(左)與CAI患者(右)步行時足底壓力分布對比熱圖：黑線代表豎直方向，紅線代表前進方向Figure 2 Heat map of foot pressure distribution between normal (left) and CAI patients (right) during walking: The black line represents the vertical direction, and the red line represents the forward direction

3 討論

CAI是踝關節運動損傷后常見的并發癥，足底壓力分析因其無創客觀、可分析運動狀態下的足踝功能等優點而受到關注。但CAI患者足底壓力特征尚無統一結論，因此在其應用于CAI診斷和療效評估時并沒有統一的標準。本研究通過對CAI患者患、健側及其與正常對照進行比較，系統分析了CAI患者步行時及單足支撐時的足底壓力分布特點。

表3 CAI組與正常對照組平地步行與單足支撐足底參數對比Table 3 Comparison of the parameters of the CAI group and the control group during the single leg standing and walking

在平地步行時，CAI患者僅患側M4區域TPF晚于健側，且這種趨勢也存在與正常人群對比中，提示體質量轉移到達中足的過程延長，患側承重期長于健側，這種現象與步態周期中踝關節的位置有關。在支撐相末期踝關節呈現跖屈位，這種狀態下踝關節的穩定性遠小于支撐相初期的背伸位，而這種現象的出現是由距骨解剖前寬后窄的解剖形狀決定的。臨床檢查時，在跖屈15°時進行踝關節抽屜實驗會產生最大的前后向位移[9]。對于各分區PF/W，CAI患、健側間差異無統計學意義，但與正常對照比較時發現，CAI患者患側M1、M2、HM區域的PF/W較小，而M5區域的PF/W較高。張冉等[10]發現，CAI患者患側足在行走中的最大壓力及平均壓力均小于健側足，李燦楊等[11]發現，CAI患者患側內側壓力百分比小于正常對照，外側壓力百分比大于正常對照。Koldenhoven等[6]也發現，在CAI患者步行過程中整個患側支撐相前足外側的PF/W與峰值壓力積分均大于正常人群，說明足底壓力向外側偏移，這種足底壓力外側偏移的趨勢進一步加重了踝關節反復扭傷的傾向。所以，本研究認為，步行時M1、M2、M5、HM、T1區域的PF/W及M4區域的TPF可作為CAI患者足底壓力輔助診斷的重要指標。

表4 CAI患者與正常人存在差異的足底壓力參數單因素及相關因素分析Table 4 Univariate analysis or correlation analysis of the plantar pressure parameters with difference between CAI patients and the normal

本研究還發現CAI患者患、健側足底壓力差異不明顯，雙側肢體的HM與T1的PF/W均與正常對照存在明顯差異，其原因可能是步行時的中樞控制能力發生了改變。Becker等[12]評估了25例CAI患者的腓骨長肌和脛骨前肌的肌電活動，在相同的步行條件下，單側不穩患者的患、健側間無顯著差異。最新的一項研究也發現CAI患者健側的姿勢穩定性和神經肌肉控制能力明顯下降[13]，因此，在CAI患者康復過程中需要同時重視雙側肢體的功能訓練。

TTB可以反映單足站立時患者失去平衡之前需要的近似時間，時間越短，姿勢穩定性越差[8]。單足站立時CAI患者的姿勢控制系統更容易將其壓力中心置于靠近穩定邊界的位置，所以到達邊界的時間也更短，提示其存在發生潛在平衡失穩的可能。本研究發現，在單腳站立時，CAI患者僅患側內外側TTB小于健側；當與正常組對應側比較時，CAI患者除內外側TTB存在顯著差異，前后側TTB以及偏移速度的差異也存在統計學意義，說明CAI患者與正常人存在內外側與前后向的穩定性缺陷。Terada等[14]發現CAI患者與正常對照相比，內外側、前后側的TTB指標系列值均較小，表明CAI患者的前后側與內外側平衡穩定性均較差。TTB系列指標也可用于評估干預療效，在4周的多模態綜合平衡訓練后，CAI患者的前后向TTB增大，姿勢控制穩定性得到了明顯改善[15]。McKeon等[16]發現，在踝關節關節松動術、足底筋膜按摩和腓腸肌拉伸三種干預后，CAI個體的內外側、前后側偏移速度均明顯減小。由于絕大多數CAI患者TTB和COP偏移速度均會縮短，因此，可將其作為CAI診斷和療效評估時的指標。

本研究發現，女性CAI患者的內外側姿勢控制穩定性更差，這與Nigg等[17]的研究結果一致，他們發現女性患者在單足站立時會有比男性更大的前后側偏移距離，這可能表明女性的姿勢控制穩定性弱于男性。但McKeon等[18]的研究發現，單足站立時的邊界時間系列指標中，男女性患者間并不存在明顯差異，這可能與其研究例數較少有關。Beighton評分≥4可診斷為良性關節松弛癥或全身性韌帶松弛癥，在人群中大約占34%[19]。既往研究發現，關節松弛癥的患者更易出現踝關節重復扭傷[20-21]，因此，這部分人群足底壓力特征的研究有助于提高CAI的治療效果。但關于CAI足底壓力特點與全身關節松弛度的關系少見報道，本研究的結果表明，Beighton評分與內外側姿勢穩定性呈負相關，可能與韌帶松弛導致關節和肌肉控制能力進一步下降有關。需要指出的是，本研究中Beighton評分≥4的14例患者男、女性別比例為2 ∶5，因而可能與性別產生交互作用，需增加樣本量進一步研究這類人群的足底壓力特點。根據本研究結果，女性及伴有全身性韌帶松弛癥的CAI患者更需要加強內外側姿勢控制的訓練，包括內外側肌力抗阻及平衡訓練等。

本研究通過對CAI患者的足底壓力指標及其相關影響因素進行分析，明確了性別、關節松弛程度與足底壓力分布之間存在明顯的相關關系，同時，本研究還納入了健康人群作為對照，對步行、單足站立兩種踝關節運動狀態下的足底壓力分布進行了分析。因為研究只涉及到步行和單足站立狀態下的足底壓力，更多運動狀態下(如跑步、跳躍、上下臺階等)的足底壓力還需要進一步的分析研究。此外，本研究納入的患者均為機械性不穩，在踝關節韌帶損傷中屬于較重的程度(Ⅲ度)，其他程度的CAI患者足底壓力特點及其之間的比較也有待于進一步研究。而且本研究納入的CAI患者均由外側副韌帶損傷導致，雖然外踝韌帶損傷占踝關節扭傷的90%以上，但內踝不穩定患者的足底壓力特點也需進一步研究。

綜上所述，本研究結果表明，CAI患者在平地步行時患、健側的壓力分布特征均與正常對照存在差異，患側COP明顯向足外側偏移；單足支撐時，前后向、內外向姿勢控制穩定性均明顯弱于正常對照；其中，M4的TPF，M1、M2、M5、HM、T1的PF/W，以及COP、TTB系列指標可用于CAI的輔助診斷；女性及Beighton評分高與患者內外側姿勢控制穩定性呈負相關。根據本研究結果，CAI患者康復時需要同時加強患側和健側的功能訓練，女性及全身性韌帶松弛癥的患者需要更加積極的康復治療。本研究進一步豐富了CAI患者足底壓力特征，對于CAI患者的功能評定、診斷、治療方案選擇及療效評估都具有重要的參考價值。