[科普中國]-踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)

踝關(guān)節(jié)損傷在體育運動中很常見。在所有體育運動相關(guān)的損傷中，踝關(guān)節(jié)損傷約占25%。踝關(guān)節(jié)損傷以韌帶損傷為主，體育運動中踝關(guān)節(jié)韌帶損傷率約占踝關(guān)節(jié)總體損傷率的80%。踝關(guān)節(jié)的損傷不僅會影響運動員的正常比賽及訓(xùn)練，如處理不當(dāng)還會產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)以及退變性骨關(guān)節(jié)炎等慢性損傷。

踝關(guān)節(jié)容易發(fā)生損傷的解剖學(xué)基礎(chǔ)踝關(guān)節(jié)包括脛距、脛腓和距腓三個關(guān)節(jié)面，主要保證足部背伸、跖屈、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)的功能。脛腓骨遠(yuǎn)端的內(nèi)踝、外踝共同行成的踝穴，距骨和踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)不能完全匹配，這是踝關(guān)節(jié)容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)的解剖學(xué)基礎(chǔ)。在跳起著陸過程中，踝關(guān)節(jié)逐漸從跖屈位變換到背伸位，在此過程中踝關(guān)節(jié)面間的接觸面積不斷增加，而單位面積受力不斷減少，在著陸穩(wěn)定時，距骨內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)面與脛腓骨間的接觸面積最大。踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定與韌帶的關(guān)系密切。

踝關(guān)節(jié)外側(cè)有外側(cè)韌帶加固，它起自外踝，分三束止于距骨前外側(cè)、外側(cè)和距骨后方，被分別稱為距腓前韌帶、跟腓韌帶和距腓后韌帶。外側(cè)韌帶是踝部最薄弱的韌帶，也是著陸過程較易損傷到的結(jié)構(gòu)。踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)有強(qiáng)大而堅韌的三角韌帶加固。三角韌帶的解剖結(jié)構(gòu)多而細(xì)小，其維持關(guān)節(jié)生物力學(xué)穩(wěn)定的機(jī)制復(fù)雜。

圖：人體踝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)

Boden等人認(rèn)為，踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性主要依賴于內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)、外側(cè)結(jié)構(gòu)和下脛腓聯(lián)合的穩(wěn)定性，此三個結(jié)構(gòu)中有兩個是穩(wěn)定的，則踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定。在踝關(guān)節(jié)處于跖屈或背屈位時，三角韌帶對踝關(guān)節(jié)及小腿的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性會起到非常重要的作用。Michelson等認(rèn)為踝關(guān)節(jié)處于極度背伸和跖屈位時，踝關(guān)節(jié)均內(nèi)翻，而三角韌帶可以有效限制距骨外旋而保證踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。

踝關(guān)節(jié)損傷的生物力學(xué)研究進(jìn)展。生物建模與三維有限元采用生物建模來對足部的應(yīng)力分布進(jìn)行研究可以為踝關(guān)節(jié)落地?fù)p傷提供足部生理學(xué)和病理學(xué)方面的證據(jù)。建立適當(dāng)?shù)孽钻P(guān)節(jié)生物力學(xué)模型成為足部生物力學(xué)研究的重點。三維有限元技術(shù)可以利用CT或MRI掃描技術(shù)獲取正常踝關(guān)節(jié)的各種三維坐標(biāo)值，然后輸入有限元分析軟件而建立起踝關(guān)節(jié)的有限元模型。它不僅可以有效地仿真人體骨骼肌肉系統(tǒng)，還可以推測內(nèi)部骨組織及軟組織的應(yīng)力分布變化。同傳統(tǒng)生物力學(xué)的研究相比，三維有限元法還具有費用低、應(yīng)用廣、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點。陶凱等運用三維有限元模型量化了不同姿勢下的足底壓力分布、踝關(guān)節(jié)內(nèi)部軟組織應(yīng)力分布以及跳起著陸時足弓的變形對足部生物力學(xué)特性的影響。Cheung等運用MRI圖像建立了高度解剖學(xué)相似的踝部有限元模型，具體量化分析了足底軟組織硬度和對足底壓力和骨骼應(yīng)力分布的影響。運用此技術(shù)可以對新型運動鞋墊的設(shè)計方案提高理論支持。

踝關(guān)節(jié)損傷的運動學(xué)研究體育運動中踝關(guān)節(jié)的運動學(xué)研究早期集中于使用高速攝像來分析著陸過程。高速攝影可以得到受試者跳起著地時踝關(guān)節(jié)的落地速度、角度和運動時間，進(jìn)而可以通過牛頓運動定律計算出踝關(guān)節(jié)所受到的著陸沖擊力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對著陸傷運動學(xué)的研究又有了新的工具。目前運動生物力學(xué)實驗中使用較多的是三維運動捕捉系統(tǒng)。三維運動捕捉系統(tǒng)可以通過受試者身上的標(biāo)記物來捕捉人體運動的軌跡。它可以通過相應(yīng)的軟件精確輸出運動時間、運動速度、加速度、各方向的關(guān)節(jié)角位移及角速度等相關(guān)運動學(xué)參數(shù)。Yeow等運用三維運動捕捉系統(tǒng)結(jié)合測力臺技術(shù)比較了男女運動員的跳起落地踝關(guān)節(jié)角度和角速度的差異。Ergen等人運用三維運動捕捉系統(tǒng)對有踝關(guān)節(jié)扭傷的足球運動員進(jìn)行了研究，比較了踝關(guān)節(jié)護(hù)具和熱身訓(xùn)練對踝關(guān)節(jié)的防護(hù)的影響。井蘭香等運用三維運動捕捉系統(tǒng)結(jié)合測力臺技術(shù)對籃球運動員的負(fù)重超等長訓(xùn)練后下肢踝關(guān)節(jié)的動力學(xué)和剛度的變化進(jìn)行研究，指出經(jīng)過等長訓(xùn)練后可以提高踝關(guān)節(jié)的動力學(xué)和剛性參數(shù)，同時可以降低踝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險。

動力學(xué)方面的研究體育運動中跳起著地的踝關(guān)節(jié)損傷通常與足底受的地面沖擊力超過了機(jī)體所能承受力的極限有關(guān)，因此，地面反作用力的檢測在踝關(guān)節(jié)著陸損傷的研究中占有重要地位。目前，國內(nèi)外踝關(guān)節(jié)的動力學(xué)研究中最常使用的是三維測力臺系統(tǒng)。它可以測出著陸面垂直、前后和側(cè)向力的分布，借助相關(guān)軟件還可以推算出相應(yīng)的三個方向的力矩和壓力中心軌跡。Lida等人運用三維測力臺模擬運動員跳起著地時地面沖擊力的吸收過程，指出了中樞運動控制對踝關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)的影響。Chu等人使用三維測力臺結(jié)合運動捕捉系統(tǒng)對體育運動中經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)節(jié)扭傷的動作進(jìn)行研究，得出了各種動作下的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度和地面的反作用力。

Madigan運用三維測力臺研究地面作用力與下肢肌肉疲勞之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)：落地前下肢肌肉的疲勞會影響下肢關(guān)節(jié)屈曲幅度，進(jìn)而導(dǎo)致下肢受到的地面沖擊力增加。數(shù)字化技術(shù)的研究足底壓力測量技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了足印技術(shù)、足底壓力掃描技術(shù)、力板與測力臺技術(shù)、壓力鞋與鞋墊技術(shù)。三維測力臺雖可以準(zhǔn)確測量地面反作用力及分布，但無法測出“足-鞋界面”的壓力。足底壓力鞋墊很好的解決了這一問題。由于鞋墊與足底貼服，故它可以測量“足-鞋界面”壓力的連續(xù)參數(shù)，并進(jìn)行實時監(jiān)測和反饋。目前，在生物力學(xué)研究中運用最廣泛的鞋墊是比利時F-Scan測力鞋墊和德國Pedar測力鞋墊。設(shè)計者把傳感器按足底的解剖位置排列，加上襯墊，做成鞋墊，當(dāng)人穿此鞋站立或行走時，傳感器的輸出發(fā)生變化，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可以得到連續(xù)的步態(tài)壓力曲線。Fong等通過足底壓力鞋墊3PS對體育運動中踝關(guān)節(jié)后旋力矩進(jìn)行檢測，評估了落地時踝關(guān)節(jié)在不同姿勢的損傷風(fēng)險。

表面肌電的研究體育運動中跳起落地時踝關(guān)節(jié)肌肉的運動可為關(guān)節(jié)運動提供動力并可保證關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性。著陸時，下肢肌肉力量不足會導(dǎo)致落地姿勢動作的不到位，進(jìn)而增加踝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險。另外踝關(guān)節(jié)肌肉的慢性疲勞也是體育人員跳起落地踝關(guān)節(jié)損傷的一個重要因素。Osterberg等人在研究重復(fù)提踵測試時踝關(guān)節(jié)肌肉疲勞的過程中發(fā)現(xiàn)限制提踵動作繼續(xù)完成的并不是肌肉力量的峰值，而是由于肌肉疲勞導(dǎo)致不能維持動作的預(yù)定范圍。表面肌電活性與肌肉的活動狀態(tài)和功能之間存在著一定程度的關(guān)聯(lián)性，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活性。表面肌電圖（sEMG）技術(shù)是通過肌電圖儀采集肌肉表面電信號并加以分析的方法。應(yīng)用sEMG信號特征可以預(yù)測骨骼肌纖維類型，評估力量訓(xùn)練，檢測肌肉損傷，測定人體活動的反應(yīng)時、運動時和電機(jī)械延遲以及其與肌肉組織代謝的關(guān)系。Niu等人通過檢測下肢落地時的表面肌電信號對運動員著陸雙下肢肌電活動的差異進(jìn)行了研究。他指出了運動員著地時的雙側(cè)踝關(guān)節(jié)屈曲肌群活動性存在明顯差異。Lida等。運用表面肌電技術(shù)對著陸緩沖過程的下肢肌肉的協(xié)調(diào)性進(jìn)行了研究，證實了中樞運動控制在對踝關(guān)節(jié)落地運動協(xié)調(diào)上的作用總之，影響體育運動中踝關(guān)節(jié)損傷的影響因素很多，只有對踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性及其影響因素進(jìn)行更深入的研究，才能更好地預(yù)防體育運動中踝關(guān)節(jié)的運動損傷。運用新的技術(shù)方法來對踝關(guān)節(jié)的運動學(xué)、動力學(xué)、表面肌電和有限元法相結(jié)合的方法可以為體育運動中踝關(guān)節(jié)損傷的研究提供有力的幫助。

擴(kuò)展閱讀胡耿丹, 王樂軍, 牛文鑫. 運動生物力學(xué). 同濟(jì)大學(xué)出版社. 2013年12月, 第1版.

Niu WX, Yao J, Chu ZW, Jiang CH, Zhang M, Fan YB. Effects of ankle eversion, limb laterality, and ankle stabilizers on transient postural stability during unipedal standing. Journal of Medical and Biological Engineering. 2015, 35(1): 69-75.

Niu WX, Wang LJ, Feng TN, Jiang CH, Fan YB, Zhang M. Effects of bone Young’s modulus on finite element analysis in the lateral ankle biomechanics. Applied Bionics and Biomechanics. 2013, 10(4): 189-95.

Niu WX, Fan YB*. Terrain stiffness and ankle biomechanics during simulated half-squat parachute landing. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 2013, 84(12): 1262-7.

Niu WX, Chu ZW, Yao J, Zhang M, Fan YB, Zhao QP. Effects of laterality, ankle inversion and stabilizers on the plantar pressure distribution during unipedal standing. Journal of Mechanics in Medicine and Biology. 2012, 12(3): 1250055 (15 pages). (IF 2013 = 0.803)

Niu WX, Wang Y, Yao J, Zhang M, Fan YB, Zhao QP. Consideration of gender differences in ankle stabilizer selection for half-squat parachute landing. Aviat Space Environ Med. 2011, 82(12): 1118-24.

Niu WX, Wang Y, He Y, Fan YB, Zhao QP. Kinematics, kinetics, and electromyogram of ankle during drop landing: A comparison between dominant and non-dominant limb. Hum Mov Sci**.** 2011, 30(3): 614-23.

Niu WX, Wang Y, He Y, Fan YB, Zhao QP. Biomechanical gender differences of the ankle joint during simulated half-squat parachute landing. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 2010; 81(8): 761-7.

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

牛文鑫 - 助理教授 - 同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院