踝關節損傷的運動生物力學分析研究進展

郝建源

(吉林體育學院 吉林長春 130022)

踝關節是一種屈戍（滑車）關節，在站立行走時，其所承受的負荷在全身各關節中是最大的。在日常生活與體育運動過程中，外踝最容易發生損傷，且在足球、籃球、排球等有變向動作的運動中最為常見。踝關節損傷會對機體運動功能產生嚴重影響，甚至會出現踝關節炎等不良影響。踝關節發生運動損傷的情況頻繁出現，有報道指出，在所有體育運動發生的損傷中，踝關節的運動損傷約占25%。其中，又以韌帶損傷最為常見，在踝關節的各種運動損傷中，韌帶損傷約占80%。在足、籃、排等球類運動與越野跑等非常規體育運動中，需要做出反復的跳躍、變向等動作，或因地面不平整，使踝關節做出快速扭轉或內外翻動作，導致損傷發生率增高。踝關節損傷在臨床工作中也較為多見，但很少得到應有的重視，導致很多患者常出現復發性腫脹、慢性疼痛、慢性踝關節不穩等問題。踝關節不穩極易造成二次損傷，進而加重踝關節不穩狀態，如處理不當，還可能發展為習慣性崴腳，即慢性踝關節不穩。踝關節損傷愈合的過程中會形成瘢痕組織，使得踝周損傷的韌帶彈性變弱，導致肌肉骨骼系統穩定性變差，降低踝關節動力系統功能，進而影響運動系統的神經肌肉控制系統，其癥狀主要表現為踝關節穩定性差，持續疼痛腫脹、“打軟腿”、功能障礙等，甚至造成退行性骨關節病變等慢性損傷。隨著運動生物力學技術的不斷更新，國內外對踝關節損傷機制的研究與運動生物力學特性的分析也有了新的進展。

1 踝關節的解剖結構

踝關節（ankle joint），又被稱為距上關節、距骨小腿關節等。由距骨頂端的距骨滑車關節面作為關節頭，被脛骨與腓骨的內、外踝關節面和脛骨的下關面所構成的關節窩包裹，構成一種類似于單軸的滑車關節，又因關節窩形似叉狀，故又稱叉狀關節窩。小腿前后側肌肉的肌筋膜向下延續與周圍的關節囊、韌帶等一起包裹關節，但囊內未形成特殊結構。踝關節周圍主要有4 條韌帶連接，分別為內、外、前、后側韌帶，其中內側韌帶又被稱為三角韌帶，有內外兩層，且較外側強韌，在踝周韌帶中最為堅固，故踝關節不易形成外翻。踝關節又包含3個小關節面，分別為距腓關節面、脛腓關節面和脛距關節面，主要功能有跖屈、背屈、內翻、外翻、內旋、外旋。踝關節易產生旋轉動作，其解剖學基礎是由于距骨上端與踝穴匹配不能完全貼合。從踝關節的解剖結構上分析，踝關節內側結構較為堅固，穩定性較好，故踝關節內外翻的角度差距較大。踝關節內翻活動度約20～30，外翻的活動度約為10～15，外踝位于內踝的后方，且位置相對于內踝較遠，導致踝關節外翻受限，且動作軸心不平衡，軸心連線約側傾10，故踝關節損傷常在過度內翻時產生。踝關節如需保持穩定，則需維持踝關節穩定的內外側結構與下脛腓結構保持相對穩定。踝關節內側的三角韌帶在維持踝的穩定性時有重要作用，當踝關節做出跖屈或背屈的動作時，三角韌帶會限制其外翻、外旋，進而維持其穩定狀態。

2 踝關節的損傷機制

從解剖學角度分析，踝關節中外踝尖較低于內踝，且位置偏后，垂直位差平均約為1.2cm，踝關節內側還有纖維組織致密的三角韌帶進行維持，所以踝關節的內翻的角度通常會較外翻大。距骨體的解剖結構較為特殊，當踝關節做出背屈動作時，前側較寬的關節頭會被關節窩包裹，關節則較為穩定。反之，后側較窄的關節頭被關節窩包裹時，兩側會留有間隙，導致踝關節有側向的運動空間，內翻幅度增大，關節也會較為不穩，因此，大多數急性踝關節損傷，是在跳起落地時，關節內翻、內旋過度，導致外側韌帶發生損傷。同時，切斷前距腓韌帶與跟腓韌帶，與未切斷或單獨切斷前距腓韌帶相比，踝關節內翻角增大3.3°，且在內翻動作的終末端踝關節的緊張感變弱。與之相似的結果為國內學者郝立波等通過對比分析前距腓韌帶與跟腓韌帶同時受到損失時，僅修復前距腓韌帶和二者同時修復后的距骨運動情況發現，沒有顯著性差異，表明前距腓韌帶在踝關節損傷治療過程中較為重要。當行走在不平的地面或進行跑、跳、上下樓梯等動作時，腳部離地到落地過程中，身體會失去平衡從而偏向一側，極易導致踝關節內翻過度，從而過度牽拉外側副韌帶而造成損傷，引起踝關節的損傷發生。

3 踝關節損傷的運動生物力學分析

3.1 踝關節的力學特性與運動形式

踝關節周圍的肌肉力量大小，與做出體育動作時，踝關節支撐整個身體的穩定狀態有著直接的關系，并起著重要的作用，同時對上肢環節做出動作的功效有一定的影響。如果踝周力量足夠強大，會大幅縮短反應時間，機體可以最快速度進入運動中，并縮短完成整個動作的時間，提升動作效率。踝關節動作的產生是通過踝關節周圍肌肉收縮與腓腸肌、比目魚肌的肌鍵的彈性形變、復原來實現的。足踝運動時，脛骨前緣與足背之間的角度增大稱為趾屈或背伸。反之，為趾伸或背屈。足內側緣抬起，外側緣下降，足底向內側轉動稱為內翻；反之，則為外翻。

3.2 踝關節損傷的運動學研究

踝關節由距骨、內外踝和脛骨遠端構成。距骨前寬而后窄，通常認為，踝關節的運動軸為內外踝尖連線，即踝關節運動的單軸理論；但同時也存在一種多軸理論，即踝關節從背屈到跖屈的運動過程，踝關節軸在冠狀面上變化20～30，而在橫斷面保持平行，屬于多軸運動。踝關節運動時會誘發距骨的部分旋轉，由中立位至背屈30的過程中，距骨外旋了9。跖屈從0到10時，距骨產生了1.4的內旋；跖屈達到30時，會產生0.6的外旋。踝關節的運動多發生在矢狀面，即背屈和距屈，正常的活動度為背屈10～20，跖屈40～55。跟腓與距腓前韌帶之間的夾角平均為105，跟腓韌帶在跖伸時的張力最大，距腓前韌帶在背伸時的張力最大，二者共同作用，防止踝關節產生內翻。

3.3 踝關節穩定性的研究

踝關節穩定性的解剖學基礎是距骨滑車在叉狀關節窩內的穩定狀態，距骨滑車的前部較寬，當此部分進入關節窩時，關節卡嵌較穩，則踝關節穩定。反之，關節內側方有移動空間，足部可以產生側向移動，則踝關節較為不穩。踝關節的穩定性還依賴周圍的韌帶結構，如內側強壯的三角韌帶可以防止過度外翻外旋；而外側有距腓、后前韌帶與跟腓韌帶，可以避免產生過度的內翻、內旋；且踝關節內部有多條聯合韌帶，如脛腓前、后、橫韌帶、骨間韌帶等，這些韌帶相互作用，可以維持脛腓骨之間的穩定狀態。

4 踝關節損傷的運動生物力學研究進展

4.1 踝關節動力學的研究

當在體育運動中進行跳起落地動作時，如果足部受到地面的反作用力超出機體的承受范圍，通常會導致踝關節發生運動損傷。地面反作用力可以較為直觀地反映踝關節在落地緩沖過程中的受力情況，相關研究大部分集中與落地階段地面反作用力峰值及其出現的時間。因此，在研究踝關節落地時損傷的過程中，監測地面對足部的反作用力顯得尤為重要。Bazueloruiz 等利用測力臺測試男女跑步愛好者在疲勞狀態下的力學差異發現，疲勞狀態減小了女性落地時的背屈角度，且小于男性，測出的反作用力數據顯示男性對地面的沖擊力峰值要大于女性，表明女性在疲勞條件下對落地的反應更好，為“女性遭受跑步相關傷害的風險低于男性”這一觀點提供了客觀證據。Wisthoff等針對踝關節在等速肌力測試中發現，慢性踝關節不穩的患者，踝關節內外翻的峰值力矩均成下降趨勢。

4.2 生物建模與三維有限元

三維有限元技術是通過CT或MRI技術進行掃描，從而對踝關節建立起有限元模型，可以對肌肉骨骼系統進行高度且高效的仿真模擬，還可以較為準確地推算出機體內部組織所受應力的分布情況。利用生物建模技術可以從運動生物力學角度，建立恰當的踝關節力學模型，為踝關節損傷生理、病理學理論提供一定的支撐。賈夢洋通過對踝關節生物力學指標變化研究得出，利用人體有三維限元模型與人體動力學方法進行分析，可直觀且較為真實地重現踝關節損傷的過程，可以較為清晰地觀察到導致踝關節損傷的方式以及其損傷的機制。李興軍等學者通過三維有限元模型構建了踝關節三維模型，模擬在受到不同方向、不同大小的外力時，觀察踝關節的應力與位移變化，結果顯示，構建三維有限元模型，能夠客觀且直觀地觀察踝關節的解剖結構與生物力學特性，對踝關節損傷機制的分析有較好的幫助。與傳統運動生物力學研究中使用的研究技術相比，生物建模與三維有限元分析技術在軟組織的應力變化分析上具有明顯優勢，且應用廣、適應性強、信效度高。有限元技術可以較為準確且有效地仿真人體肌骨系統，并對骨組織、軟組織等機體內部結構的應力分布變化進行預測。

4.3 表面肌電的研究

表面肌電（sEMG）技術，是利用肌電采集儀，對肌肉表面的電信號進行采集并分析的一種先進技術。通常情況下，肌肉活動的狀態和肌肉功能可以通過表面肌電所展現的肌肉電信號的變化展現出來，肌肉的活性也能在一定限度上通過肌電信號反映出來。裴子文在慢性踝關節不穩的療效分析的相關研究中，將表面肌電與等速肌力測試系統結合使用，將電極片粘貼于腓骨肌上，進行反應時、腓骨肌肌電信號等測試，結果顯示，神經肌肉電刺激干預可以改善神經肌肉控制能力。舒真諦等學者在探討運動貼扎對踝關節外側韌帶急性損傷早期康復的影響時，運用了表面肌電技術測定步態項中肌群的肌電值，結果顯示貼扎組和安慰劑組在治療前后肌電信號均增強，對照組沒有顯著差異。

4.4 三維測力臺的研究

在體育運動過程中，踝關節的損傷通常與著地時足踝所承受的地面反作用力有關。三維測力臺系統是通過測力平臺對生物力的數據進行三維測試。時旺然在慢性踝關節不穩不同防護方式的相關研究中，利用三維測力臺進行步行啟動時COP的測量，結果顯示，防護后明顯影響COP軌跡長度。有學者采用三維測力臺和三維動作捕捉系統，對羽毛球運動者起跳后踝關節落地瞬間的運動學與動力學數據進行采集，發現專業運動員與業余愛好者踝關節運動學與動力學參數有顯著性差異，專業運動員落地緩沖時間較長，降低了踝關節落地時的沖擊力。踝關節周圍肌肉的慢性疲勞狀態，也會導致運動者在運動過程中發生運動損傷。目前，國內外常常通過三維測力臺系統來研究踝關節的動力學問題，可以通過測量計算出足踝部著地時前后、側向及上下3個維度的應力以及力矩、壓力等相關指標。

5 結語

在運動過程中，踝關節損傷會受到諸多因素的影響，為有效預防體育活動過程中發生踝關節的運動損傷，需對踝關節損傷的相關運動生物力學特征、特性進行更精確、更深入的科學研究與探析。目前，踝關節扭傷的損傷機制及力學因素已經擁有了較為豐富的研究，主要從解剖學等方面分析了損傷機制，從運動學與動力學的角度研究了慢性踝關節不穩的運動生物力學機制。如今，用于踝關節損傷的運動生物力學研究的技術主要包括生物建模與三維有限元、表面肌電技術與三維測力臺等，且信效度較高。此外，較為新興的技術，如三維運動捕捉系統、數字化技術也被較為廣泛地應用于慢性踝關節不穩的相關研究中。但通過治療后，踝關節的運動能力、運動表現與運動生物力學特征如何改善以及踝周韌帶如何得到強化，還有待進一部研究。