踝關節護具對于不同運動中人體下肢生物力學及神經肌肉控制的影響①

劉夢君 王 琳

(上海體育學院 上海 200438)

踝關節運動損傷是運動員常見的運動損傷之一，占所有運動損傷的15%～30%[1,2]。在踝關節運動損傷類型中，最常見踝關節外側損傷是踝關節外側扭傷[1]。踝關節內外側扭傷會顯著影響人體運動能力，如果不及時治療和康復，會導致慢性踝關節不穩及疼痛的產生[3]。運動損傷防護人員為了減少踝關節外側扭傷的發生會采用不同的干預預防手段，其中包括踝關節貼扎、佩戴踝關節支撐（Ankle Brace）、加強本體感覺訓練等[4]。踝關節貼扎曾被認為是預防踝關節損傷的主要方法，已有研究表示正確的踝關節貼扎方法能夠有效限制踝關節的跖屈及內翻活動，從而預防踝關節扭傷[5]。盡管踝關節貼扎能夠預防踝關節扭傷，但是這一方法也存在不足，一方面是使用踝關節貼扎（膠帶、皮膚保護涂料）的成本較高[6]，另一方面是長時間運動后踝關節貼扎對于踝關節的穩定效果會明顯下降[7]。而相比于踝關節貼扎，踝關節支撐的優點在于不僅能夠重復使用，并且有研究表明在運動前后踝關節支撐對于踝關節的保護效果優于踝關節貼扎[8]。因此，基于經濟效益及對踝關節保護的質量，踝關節支撐已經引起越來越多運動損傷防護人員的注意，并將踝關節支撐作為踝關節貼扎的替代品，廣泛用于運動員踝關節扭傷的預防[6,9,10]。目前使用最廣泛的踝關節支撐主要分為兩種：一種是半剛性踝關節支撐（Semi-rigid Ankle Brace），如鉸鏈式（Hinged Ankle Brace）和氣墊馬鐙式（Air-cast Stirrup Ankle Brace），另一種是軟殼踝關節支撐（Soft-shell Ankle Brace），如系帶式（Lace-up Ankle Brace）。就系帶式踝關節支撐來說，其不僅能夠有效限制踝關節的內翻、外翻運動，而且還能夠限制踝關節的背屈運 動[11,12]，而鉸鏈式及氣墊馬鐙式踝關節支撐能夠有效限制踝關節的內翻運動，但其不限制踝關節在矢狀面上運動[13-15]。

人類的運動是以路基運動為基礎的，踝關節支撐的使用，能否影響不同運動中人體下肢運動鏈的運動學、動力學和神經肌肉控制，是否會由于改變了踝關節的生物力學而影響下肢其他關節的生物力學表現和運動損傷的發生，是值得思考的問題。下肢動力鏈的每個關節在特定運動中都有自己的作用，但每個關節的運動和力的作用也會影響動力鏈的其他關節[4]。因此，有一些研究者建議應探討使用踝關節支撐對于人體運動時下肢生物力學及神經肌肉控制的影響，從而為正確使用踝關節支撐預防運動損傷提供參考[16]。目前，已經有一些研究針對不同運動時使用踝關節支撐對下肢不同關機生物力學表現進行了研究，并探討了繼發的可能運動損傷風險。

因此，該文從踝關節支撐對人體下肢生物力學及神經肌肉控制影響角度出發，總結了在幾種常見的基礎運動中佩戴不同踝關節支撐對于人體下肢生物力學及神經肌肉控制的影響，以及可能產生的運動損傷風險，以便為運動愛好者選擇使用踝關節支撐預防運動損傷提供更多的理論和實際指導。

1 跑步運動

1.1 踝關節支撐對跑步運動下肢運動學的影響

佩戴不同踝關節支撐對于跑步運動中人體運動學影響的研究主要集中在跑步速度，以及髖、膝、踝關節運動角度特征等方面。

在跑步速度方面的多數研究表示，無論佩戴鉸鏈式踝關節支撐或者氣墊馬鐙式踝關節支撐[17-21]，還是系帶式踝關節支撐[22]，均對跑步速度沒有影響。僅Burks等人的研究發現，佩戴系帶式踝關節支撐進行跑步時，跑步速度明顯減少了3.2%[23]，但由于其未報道詳細的測試程序，如采用何種測試方法、測試儀器及測量的準確性，這可能是導致其出現不同研究結果的原因。

在踝關節矢狀面的運動特征上，有研究表明在跑步運動中佩戴鉸鏈式或者氣墊馬鐙式踝關節支撐，不會對踝關節矢狀面的跖屈和背屈運動產生影響[24,25]。而Tamura等人發現，跑步過程中佩戴系帶式踝關節支撐時，最大跖屈角度、最大跖屈速率及在腳趾離地時的跖屈角度會明顯減少[25]，但其未探討可能存在的原因，這可能與系帶式踝關節支撐的設計特點有關，系帶式踝關節支撐不僅能夠限制踝關節在額狀面的運動，還可以限制踝關節在矢狀面的運動[11]。在踝關節額狀面的運動特征上，Clercq等人表示，與不佩戴踝關節支撐相比，受試者在佩戴系帶式踝關節支撐時，距下關節外翻角度及外翻速率明顯減少，這可能提供了一種策略來控制足部支撐階段的過度內旋[26]。在跑步運動中，佩戴不同踝關節支撐時均能對踝關節內翻角度加以限制，但是不同踝關節支撐類型對于踝關節的額狀面運動的限制程度會不同，其中氣墊式及鉸鏈式踝關節支撐更能有效限制踝關節最大內翻角度[8,25]。

目前，有研究表示在跑步過程中佩戴系帶式踝關節支撐或者是鉸鏈式踝關節支撐不會對膝關節的運動學產生影響[13,25]。但Tamura等人發現，在跑步過程中佩戴系帶式或者鉸鏈式踝關節支撐時在足初始觸地階段髖關節內收角度有所增加，這可能意味人體采用了“適應策略”以補償佩戴踝關節支撐時踝關節所受到的限制，該適應策略可能包括相關肌肉組織過度收縮或者收縮不足、肌肉延遲或者過早激活，以及相關關節過度旋轉或者旋轉不足等[16]。但目前關于跑步運動中佩戴不同踝關節支撐對于下肢運動學的研究較少，大部分研究集中于踝關節和膝關節，對于髖關節運動學的研究較為缺乏，因此有必要聯合踝關節、膝關節、髖關節的運動學進行進一步探討。

1.2 踝關節支撐對跑步運動下肢動力學的影響

West等人的研究發現，當運動員佩戴鉸鏈式踝關節支撐以5±1m/s的速度完成跑步運動時，下肢所受到的垂直地面反作用力未發生變化[13]。該研究結果與Clercq等人的發現相似，Clercq等人發現在跑步過程中佩戴系帶式踝關節支撐對垂直方向沖擊力峰值沒有影響[26]，這可能是由于下肢骨骼肌肉系統自身所發揮的減震作用[27]，而該系統受到踝關節護具的影響較少。但目前針對在跑步運動中佩戴踝關節支撐時下肢動力學特征的研究十分有限，需要進一步進行分析，此外，踝關節支撐對于腳踝被動支撐與踝關節肌肉穩定性改變之間的相互作用還需要進一步研究。

1.3 踝關節支撐對跑步運動下肢神經肌肉控制的影響

有研究發現，在步行過程中佩戴系帶式踝關節支撐時會較少脛骨前肌、脛骨后肌及腓骨長肌的肌肉活動，這可能意味著在步行過程中，佩戴系帶式踝關節支撐會對人體下肢足踝關節的步行模式產生影響[28]。在步行和跑步過程中，脛骨前肌、脛骨后肌及腓骨長肌共同控制著足的內翻、外翻活動，從而保證了足部的穩定性。Konradsen等人的研究表明，跑步過程中佩戴系帶式踝關節支撐時會減少足跟觸地前腓骨長肌的肌肉活動[29]，這可能預示著在跑步過程中踝關節通過對踝關節內、外翻的限制而對腓腸肌產生了一定的分擔作用。但目前關于跑步過程中佩戴踝關節支撐對下肢肌肉活動影響的研究十分有限，佩戴踝關節支撐是否會對下肢其他關節如膝關節、髖關節的肌肉活動產生影響還沒有相關結論，因此未來的研究有必要在此方向上進行進一步的探討。

1.4 踝關節支撐對跑步運動損傷風險的影響

距下關節外翻速率及頻率較高時，通常與3種跑步損傷相關：髕骨疼痛綜合征、脛骨壓力綜合征及跟腱炎[30,31]。足落地時較高的旋前速度可能會使得跑步者小腿后部肌肉產生腱鞘炎，這也解釋了為何在跑步者中容易產生脛骨的內側疼痛[32]。Clerck等人表示跑步過程中佩戴系帶式踝關節支撐時，足部將會以一個較小的“內翻姿勢”觸地，使得足部與小腿對齊，從而有可能減少長時間跑步過程中因脛骨過度內旋而施加在脛骨和膝關節上的扭轉負荷[26]。佩戴系帶式踝關節支撐在跑步過程中可能會減少跑步過程中距下關節的外翻，并阻止足的過度內旋，因而可以預防不良跑姿誘發的跑步損傷。針對有踝關節扭傷史的跑步者，佩戴鉸鏈式踝關節支撐能夠減少其踝關節二次扭傷的發生[9]，并且在不影響其跑步速度的情況下提供對于踝關節的保護。此外，對于有下肢骨骼肌肉疾病的人群，如脛骨后肌肌腱功能障礙，佩戴踝關節支撐可能會通過減少肌肉活動而對肌腱產生保護作用[28]。

2 側切運動

在眾多球類體育運動中，運動員經常需要改變其跑動方向以跟隨球或者躲避對手的動作，這種用來改變跑動方向的技術動作被稱之為側切運動[33]。體育運動中常常用到的側切運動按照步伐的不同主要可以分為跨步側切運動（side-step cutting）和交叉步側切運動（cross-step cutting）[34]。已有研究發現，在籃球運動中，大約30%踝關節扭傷的發生在側切運動中[35]，因此在籃球、排球或足球這種使用側切動作頻繁的運動中，為了避免腳踝扭傷，大多數運動員會選擇使用踝關節支撐作為踝關節保護措施。

2.1 踝關節支撐對側切運動下肢運動學的影響

側切運動中佩戴不同踝關節支撐對于人體運動學的影響主要集中在踝關節、膝關節的運動學。研究表示，佩戴鉸鏈式踝關節支撐時能有效減少橫跨步側切運動中踝關節的內翻角度峰值[36,37]，而佩戴系帶式踝關節支撐能夠降低橫跨步側切運動中踝關節在矢狀面的活動度[38]。Santos等人的研究發現，在單腿支撐伴隨著強有力的旋轉運動中，佩戴鉸鏈式踝關節支撐可能會使得膝關節的內旋增加[16]。因此，側切運動中佩戴踝關節護具時，膝關節運動學特征可能會受到的補償性改變。然而針對側切運動中佩戴踝關節護具對于膝關節運動學的影響一直存在爭議。Klem等人發現，在踝關節處于背屈峰值階段與對照組相比，橫跨步側切運動中佩戴系帶式和鉸鏈式踝關節支撐分別使得膝關節內旋角度增加了2.2°和1.9°，并且在兩種支撐條件下均觀察到了膝關節外翻角度的增大[36]。然而與Klem等人的發現不一致的是，另外幾項研究并未發現在橫跨步側切運動中佩戴踝關節支撐會對膝關節的運動學產生影響[13,37,39]。經過對比分析發現，產生不同研究結果的原因可能是不同研究選取的側切運動角度不同（45°或90°）、數據分析的階段選擇不同（側切運動減速階段或足觸地至離地階段）兩個方面，因此研究方法的不同可能帶來結果上的差別。

2.2 踝關節支撐對側切運動下肢動力學的影響

有研究發現，在特定的籃球活動中，側切運動會使得中外側垂直地面反作用力增加[40]。盡管有研究表明中外側的垂直地面反作用力是造成踝關節損傷的重要因素[41]，但很少有針對側切運動中如何減少中外側垂直地面反作用力的研究。一項研究發現，在橫跨步側切運動中佩戴氣墊式踝關節支撐時可明顯降低中外側的垂直地面反作用力峰值，這可能表示在橫跨步側切運動中氣墊式踝關節支撐對于踝關節的保護作用。然而Cordova及West等人的研究發現，在側切運動中無論佩戴系帶式踝關節支撐還是鉸鏈式踝關節支撐，地面反作用力都不會發生明顯變化[13,42]，此外Greene等人也發現，在側切運動中佩戴系帶式踝關節支撐時對下肢膝關節的動力學及垂直地面反作用力沒有影響[39]。

盡管Schroeder等人在研究中未發現佩戴鉸鏈式踝關節支撐進行側切運動時對膝關節力學的影響，但其發現佩戴鉸鏈式踝關節支撐時的垂直載荷率（VLR）會增大，垂直載荷率（VLR）被認為與過度使用的損傷風險相關，如脛骨應力性骨折[37]。由于踝關節額狀面的運動受到限制，佩戴踝關節支撐時會增加下肢的剛度、下肢垂直載荷率（VLR）及其受到的沖擊力，從而增加骨質受傷（如應力性骨折）的風險[43]。West發現，盡管佩戴鉸鏈式踝關節支撐對于膝關節各個方向上的力矩及運動學參數沒有影響，但其觀察到了膝關節外側剪切力的減小[13]，這表明下肢可能存在其他的動力學改變。

2.3 踝關節支撐對側切運動下肢神經肌肉控制的影響

目前僅一項研究探討了在側切運動中佩戴踝關節支撐對于人體下肢神經肌肉調控的影響。Cordova等人的研究發現，在側切運動足部觸地達到沖擊力峰值這一階段中，無論是佩戴系帶式踝關節支撐還是氣墊式踝關節支撐均能降低腓骨長肌的肌肉活動，而對脛骨前肌及腓腸肌內側頭的肌肉活動沒有影響[42]。踝關節支撐的主要作用是限制踝關節的內、外翻，而踝關節扭傷的主要機制是足部跖屈伴隨距下關節內翻，腓骨長肌的收縮是抵抗內翻運動的關鍵防御機制，因此佩戴踝關節支撐可能有助于減少峰值沖擊力期間施加在腓骨長肌上的應變負荷[42]。

2.4 踝關節支撐對側切運動損傷風險的影響

據統計，在美國每年約有25萬人遭受前交叉韌帶損傷的困擾[44]，大多數前交叉韌帶損傷是非接觸性的，而非接觸性前交叉韌帶往往發生在動態運動中，最常見的是側切運動[45]。Klem等人發現，在側切運動中佩戴系帶式或者鉸鏈式踝關節支撐時會使得膝關節外翻以及內旋角度增大[36]。膝關節外翻和內旋被認為能增加施加在前交叉韌帶上的負荷，因此在側切運動中佩戴系帶式或者鉸鏈式踝關節支撐時，可能會增加前交叉韌帶損傷的風險，對于已有前交叉韌帶損傷史的運動愛好者來說，在選取踝關節護具上需要慎重考慮。另有研究觀察到，在側切運動中佩戴鉸鏈式踝關節支撐時膝關節外側剪切力減小[13]，之前有研究表示，重復性膝關節外側剪切力與膝骨關節炎的發展有關[46]，佩戴鉸鏈式踝關節支撐可能會降低遭受此疾病的風險。

綜上所述，目前關于側切運動中使用踝關節支撐對于下肢運動學及動力學影響的研究是充滿爭議的，對于已經有膝關節損傷病史的人來說，應該謹慎使用踝關節支撐，從而避免膝關節發生代償性改變。

3 垂直跳躍運動

垂直跳躍運動是籃球、排球、足球等運動項目中運動員的一項重要運動技能[47]，垂直跳躍高度也是運動員沖刺加速度和速度的重要預測指標[48]。急性踝關節扭傷是排球、籃球運動中最常見的運動損傷[49,50]，因此許多運動員為了保護踝關節會選擇使用踝關節支撐作為預防措施，并且踝關節支撐也被證明能夠有效預防踝關節扭傷[6]，因此，有必要了解佩戴踝關節進行垂直跳躍運動時人體下肢運動學、動力學及神經肌肉控制的變化，從而為合理使用踝關節支撐提供指導。

3.1 踝關節支撐對垂直跳躍運動下肢運動學的影響

佩戴不同踝關節支撐對于垂直跳躍運動中人體運動學影響的研究主要集中在垂直跳躍高度、下肢踝關節、膝關節運動角度特征等方面。

佩戴不同踝關節支撐對垂直跳躍高度的影響充滿爭議，一部分研究表示佩戴踝關節支撐可能會降低垂直跳躍高度[23,51-54]，而另一些研究發現佩戴不同踝關節支撐對于垂直跳躍高度沒有顯著影響[19,20,55]。研究存在爭議，可能主要歸因于測試人群、測試方式、測量精確性等方面。

Smith等人的研究發現，佩戴系帶式踝關節支撐完成垂直跳躍運動時，下肢踝關節跖屈角度及髖關節屈曲角度會明顯減小，但踝關節背屈角度及膝關節屈曲角度未發現顯著性變化[54]。在垂直跳躍運動中，佩戴踝關節護具很可能會改變垂直跳躍運動下肢的生物力學變化，使得髖關節、膝關節發生代償性改變。但是，目前關于在垂直跳躍運動中佩戴踝關節護具對下肢運動學影響的研究較少，無法形成一致的結論。

3.2 踝關節支撐對垂直跳躍運動下肢動力學的影響

作為下肢最遠端的主要關節，踝關節及其周圍的肌肉組織負責產生及傳遞來自近端節段的能量[56,57]，因此在垂直跳躍任務中，強而有力的跖屈是垂直跳躍任務中的一個重要組成部分，佩戴系帶式踝關節支撐對于踝關節運動的限制可能會影響下肢節段的力量傳遞，從而引起垂直跳躍高度的降低。Henderson等人的研究發現，佩戴系帶式或鉸鏈式踝關節支撐完成垂直跳躍任務時對垂直地面反作用力峰值沒有影響，而在同一研究中Henderson等人觀察到了垂直跳躍高度的降低，理論上垂直跳躍高度的降低可能預示著垂直地面反作用力的變化，Henderson等人表示可能是由于其在實驗中僅僅收集了優勢肢的數據而忽略了非優勢肢[58]。目前，關于踝關節支撐對于垂直跳躍任務中下肢動力學影響的研究較少，然而對于下肢動力學變化的研究將有助于分析下肢在起跳過程中力量傳遞的變化，未來的研究需要在此方向上進行更加細致的分析。

3.3 踝關節支撐對垂直跳躍運動下肢神經肌肉控制的影響

Smith等人研究發現，在垂直跳躍運動推進階段（下蹲至最低點至離開地面前），佩戴系帶式踝關節支撐時腓腸肌肌肉活性不會受到影響[54]。盡管腓腸肌在垂直跳躍運動中有助于足底屈曲和膝關節屈曲，但腓腸肌所貢獻的力量只占總力量的25%[57]，因此髖關節及膝關節處的肌肉可能在垂直跳躍運動中發揮著更大的作用。Henderson等人的研究發現，佩戴鉸鏈式踝關節支撐完成垂直跳躍運動時，腓腸肌外側肌肉活性會降低并伴隨股二頭肌活性升高，這可能預示著膝關節處的肌肉活性發生了變化，從而為跳躍運動產生更強推動力[58]。另有研究表明，踝關節支撐可以通過增加對皮膚受體的刺激來增強傳入反饋[59]，從而改善踝關節的本體感覺[60]，佩戴踝關支撐時傳入反饋的改變可能會影響到跳躍運動的生物力學，特別是各個肌肉協同收縮活動，這可能是佩戴不同踝關節支撐下肢肌肉活動出現差別的原因。因此，在垂直跳躍運動中，佩戴踝關節支撐可能會使得下肢肌肉活動發生變化。但目前相關研究較少，尚未得到統一結論。

3.4 踝關節支撐對垂直跳躍運動下肢運動損傷的影響

有研究分析了行走、跑步、側切運動、交叉側切運動等活動中前交叉韌帶所受到的拉力，其結果發現在雙足垂直跳躍活動中，前交叉韌帶承受著最大的拉伸應力[61]。膝關節前交叉韌帶損傷的危險姿勢為膝關節接近完全伸展并伴隨著小腿的內旋或者外旋[62]，而佩戴踝關節支撐完成垂直跳躍任務時膝關節處股二頭肌肌肉活性出現升高[58]，這可能預示著在垂直跳躍任務中佩戴踝關節支撐小腿可能會有更多的外旋，從而使得前交叉韌帶承受著更高的損傷風險。因此，有必要進一步評估在垂直跳躍運動任務中，佩戴踝關節支撐對下肢膝關節運動學及其周圍肌肉活動的影響。

4 問題與展望

綜上所述，在不同的基礎運動中，佩戴不同踝關節支撐會對人體下肢運動學、動力學及神經肌肉控制產生不同的影響。而在同一種運動中，佩戴不同踝關節支撐時人體所產生相應生物力學及神經肌肉控制適應還沒有明確統一的結論。

因此，未來的研究應該更多的針對動態運動中使用不同類型的踝關節支撐進行探討，分析佩戴不同踝關節支撐時下肢生物力學及神經肌肉控制的特征，從而為運動員或者體育運動愛好者選擇性使用踝關節支撐預防運動損傷提供更多的理論依據。