周志鵬 鄭亮亮 孫萌梓 張方同 楊辰 曲峰

1 山東體育學院（濟南250101）

2 北京體育大學（北京100084）

3 南京體育學院（南京210014）

踝關(guān)節(jié)扭傷是日常生活和體育運動中最常見損傷，雖然其疼痛和腫脹等癥狀可較快恢復，但仍有高達70%的患者會留下各種后遺癥并發(fā)展為慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)（chronic ankle instability，CAI）[1，2]。CAI 有踝關(guān)節(jié)本體感覺下降、肌力減退、平衡和姿勢控制異常等癥狀[3]。CAI 引起的神經(jīng)肌肉功能改變不僅會影響踝關(guān)節(jié)，導致運動時踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降和再次扭傷的風險增加[1-3]，同時也可能影響下肢動力鏈的其他環(huán)節(jié)（如膝關(guān)節(jié)）。研究指出，CAI 患者在落地時較正常者有較小的屈膝角[4，5]及較大的水平向后和垂直地面反作用力[6]，從而可能增大前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）的損傷風險。但上述研究均采用雙腳[5]或單腳[4，6]跳躍落地動作進行評價，CAI是否可對變向側(cè)切等其他ACL致傷高風險動作時的下肢生物力學指標產(chǎn)生影響目前仍無定論。由于動作功能不同，變向側(cè)切與跳躍落地在著地時下肢關(guān)節(jié)活動可能存在較大差異。如研究發(fā)現(xiàn)，45°側(cè)切較跳躍落地有更小的屈膝角[7]和更大的垂直地面反作用力[8]。不同變向動作也可能存在差異，如45°側(cè)切時屈膝緩沖幅度小于90°側(cè)切[9]，最大垂直地面反作用力大于180°變向動作[8]。相較于跳躍落地動作而言，變向側(cè)切是導致ACL 損傷風險更高的動作[10]。因此，為更好地制訂傷病預防及康復策略，明確CAI 患者在不同變向側(cè)切時的下肢生物力學特征及如何對ACL損傷風險產(chǎn)生影響具有重要意義。

穿著高幫球鞋是預防踝關(guān)節(jié)扭傷和降低CAI患者再次損傷的常用方法，但其也可能會影響膝關(guān)節(jié)的運動及增大ACL 損傷風險。研究指出，高幫球鞋有助于減少落地時踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度，從而提供更好的側(cè)向穩(wěn)定性和降低踝關(guān)節(jié)扭傷風險[11-13]，但高幫球鞋也可能限制踝關(guān)節(jié)矢狀面運動幅度[12，14]。踝關(guān)節(jié)矢狀面運動受限可能導致落地時更小的屈膝角[15]及膝關(guān)節(jié)所受的負荷增加[16-18]，從而增加ACL 損傷風險。然而，目前有關(guān)穿著高、低幫球鞋對運動時下肢生物力學指標影響的研究對象均選用普通人群[11-14]。CAI 患者穿著不同鞋幫高度球鞋是否會影響踝關(guān)節(jié)的運動，并進一步影響膝關(guān)節(jié)活動及增大ACL損傷風險仍有待進一步研究。

本研究旨在對比CAI業(yè)余籃球運動員與健康對照組運動員穿著高、低幫籃球鞋進行籃球運動中常用的45°側(cè)切和180°側(cè)切動作時下肢生物力學特征。研究假設(shè)：（1）鞋幫高度可對下肢生物力學指標產(chǎn)生影響，CAI 組與健康對照組穿著高幫球鞋較低幫球鞋有更小的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和背屈運動幅度，并有更小的膝關(guān)節(jié)屈角、更大的水平向后和垂直地面反作用力。（2）不同側(cè)切動作可對下肢生物力學指標產(chǎn)生影響，CAI組與健康對照組在45°側(cè)切時較180°側(cè)切有更小的膝關(guān)節(jié)屈角、更大的水平向后和垂直地面反作用力。（3）CAI 可對側(cè)切動作下肢生物力學指標產(chǎn)生影響，CAI組較健康對照組有更小的膝關(guān)節(jié)屈角、更大的水平向后和垂直地面反作用力。

1 方法

1.1 研究對象

選取26名男性業(yè)余籃球愛好者作為測試對象（表1），其中單側(cè)CAI組13人，健康對照組13人。CAI納入標準[3，5，19]：至少1次以上嚴重踝關(guān)節(jié)扭傷，扭傷發(fā)生時間至少在6個月以上，出現(xiàn)疼痛和腫脹等癥狀，不能正常參加活動至少1 天以上；踝關(guān)節(jié)發(fā)生“失控”（giving way）或不穩(wěn)感覺2次及以上；坎伯蘭踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)量表[20]（Cumberland Ankle Instability Tool，CAIT）得分<24分。健康對照組的選取依據(jù)CAI組的年齡、身高、體重和籃球運動年限等進行匹配，其中身高相差不大于5 cm，體重相差不大于5 kg，CAIT 得分大于24分。所有受試者均要求無ACL 損傷史，且測試前6 個月內(nèi)無下肢損傷史，無下肢骨折和手術(shù)史。所有受試者在告知實驗測試流程后簽署知情同意書。

表1 測試對象基本信息

1.2 實驗方案

1.2.1 測試用鞋

選取國內(nèi)知名運動品牌公司生產(chǎn)的專項籃球鞋，同一號碼球鞋除鞋幫高度差約4 cm 及單只球鞋質(zhì)量差約30 g之外，鞋底花紋、大底、中底、鞋墊等其他設(shè)計均相同（圖1）。

圖1 高、低幫測試籃球鞋（左側(cè)為高幫，右側(cè)為低幫）

1.2.2 測試方案

實驗中CAI 組以患側(cè)下肢作為測試腿，健康對照組則選擇匹配側(cè)下肢進行測試。受試者測試時要求穿著緊身短褲，由一名測試人員向受試者講解測試動作及注意事項，待充分熱身及熟悉測試動作后，在身上粘貼27 個反光標志點（粘貼位置為髂后上棘中點、左/右髂前上棘點、左/右股骨外側(cè)髁點、左/右股骨內(nèi)側(cè)髁點、左/右外踝點、左/右內(nèi)踝點、左/右足跟點、左/右足尖點、左/右大腿各3個追蹤點和左/右小腿各3個追蹤點）。

正式測試時要求受試者分別在穿著高、低幫籃球鞋下隨機完成45°側(cè)切和180°側(cè)切各3 次成功的測試動作（圖2）。45°側(cè)切動作要求受試者從測力臺前5米處全力加速跑至測力臺，以測試腿踏在測力臺上完成支撐，再迅速向?qū)?cè)45°側(cè)切變向跑離測力臺，要求跑出至少3 步后再減速緩沖結(jié)束。180°側(cè)切動作要求受試者從測力臺側(cè)方5 米處全力側(cè)滑步加速至測力臺，以測試腿踏在測力臺上完成支撐，再迅速反方向180°蹬離測力臺，要求至少3 步后再減速緩沖結(jié)束。為避免疲勞影響，每次測試之間要求休息至少1 min。

圖2 45°側(cè)切動作（左）和180°側(cè)切動作（右）測試

1.3 數(shù)據(jù)采集

所有標志點的運動學數(shù)據(jù)采集通過8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA）完成，采樣頻率設(shè)為200 Hz。地面反作用力數(shù)據(jù)采集通過三維測力臺（Kistler 9281 CA，Switzerland）完成，采樣頻率設(shè)為1000 Hz。運動學和動力學數(shù)據(jù)均通過Cortex 2.6 軟件（Motion Analysis Corp，USA）同步采集。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有標志點的三維坐標采用4階巴特沃斯低通濾波法進行平滑處理，截斷頻率為13 Hz[21]，地面反作用力數(shù)據(jù)不進行平滑。下肢關(guān)節(jié)中心和環(huán)節(jié)坐標系的建立依據(jù)前人研究[22，23]，髖關(guān)節(jié)中心通過髂后上棘和兩側(cè)髂前上棘點計算獲取，膝關(guān)節(jié)中心為股骨內(nèi)外側(cè)髁連線中點，踝關(guān)節(jié)中心為內(nèi)外踝連線中點。采用歐拉角的方法[23]計算下肢三維角度，其中膝關(guān)節(jié)角度定義為小腿坐標系相對于大腿坐標系之間的歐拉角，踝關(guān)節(jié)角度定義為足部坐標系相對于小腿坐標系之間的歐拉角，第1 次轉(zhuǎn)動圍繞x 軸（膝關(guān)節(jié)伸為正，屈為負；踝關(guān)節(jié)背屈為正，跖屈為負），第2 次轉(zhuǎn)動圍繞y 軸（內(nèi)翻為正，外翻為負），第3次轉(zhuǎn)動圍繞z軸（內(nèi)旋為正，外旋為負）。運動生物力學指標的選取依據(jù)以往文獻確定[24-28]，包括：水平向后地面反作用力首次峰值、垂直地面反作用力首次峰值、最大垂直地面反作用力，水平向后地面反作用力首次峰值時刻膝關(guān)節(jié)屈角、踝關(guān)節(jié)跖屈背屈角和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角，及緩沖階段膝關(guān)節(jié)屈曲運動幅度、踝關(guān)節(jié)背屈運動幅度和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度等。地面反作用力指標采用受試者體重（body weight，BW）進行標準化。支撐階段定義為測試腿首次踏上測力臺時刻（垂直地面反作用力≥10 N）至離地時刻（垂直地面反作用力<10 N）。所有數(shù)據(jù)處理通過Visual 3D 6.0 軟 件（C-Motion Inc.，Germantown，USA）完成。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用混合設(shè)計方差分析確定組別（CAI組和健康對照組）、球鞋（高幫和低幫）和動作（45°側(cè)切和180°側(cè)切）對各項運動生物力學指標的影響。自變量中的組別為組間變量，球鞋和動作為組內(nèi)變量，因變量為各項運動生物力學測試指標。如主效應存在交互作用，則采用簡單效應分析來確定各自變量對各項因變量指標的影響。統(tǒng)計學顯著性水平定為一類誤差概率小于0.05，所有統(tǒng)計分析采用SPSS 24.0（IBM，Armonk，USA）完成。

2 結(jié)果

組別、球鞋和動作這3 個因素在地面反作用力測試指標（圖3）、水平向后地面反作用力首次峰值時刻膝關(guān)節(jié)屈角、踝關(guān)節(jié)跖屈背屈角和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角（圖4）及踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度（圖5）等指標上不存在交互作用（P>0.05）。球鞋與動作這兩個因素在膝關(guān)節(jié)屈曲運動幅度（P=0.010）和踝關(guān)節(jié)背屈運動幅度（P=0.001）（圖5）上存在交互作用，對這兩項指標采用了簡單效應分析。

圖3 地面反作用力各項測試指標比較

2.1 穿著高、低幫球鞋時下肢生物力學測試指標結(jié)果對比

穿著高幫球鞋在45°側(cè)切和180°側(cè)切時最大垂直地面反作用力（P=0.039）大于低幫（圖3），踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度（P=0.027）小于低幫（圖5）；同時，穿著高幫球鞋在180°側(cè)切時膝關(guān)節(jié)屈曲運動幅度（P=0.039）和踝關(guān)節(jié)背屈運動幅度（P=0.008）均小于低幫（圖5），其他指標高、低幫球鞋之間無差異（P>0.05）。

2.2 不同側(cè)切動作下肢生物力學測試指標結(jié)果對比

無論穿著高幫或低幫球鞋，45°側(cè)切時水平向后地面反作用力首次峰值（P<0.001）、垂直地面反作用力首次峰值（P<0.001）和最大垂直地面反作用力（P<0.001）均大于180°側(cè)切（圖3），水平向后地面反作用力首次峰值時刻膝關(guān)節(jié)屈角（P=0.001）、踝關(guān)節(jié)跖屈背屈角（P<0.001）（圖4）以及膝關(guān)節(jié)屈曲運動幅度（P<0.001）和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度（P<0.001）（圖5）均小于180°側(cè)切，其他指標不同動作之間無差異（P>0.05）。

圖4 水平向后地面反作用力首次峰值時刻膝關(guān)節(jié)屈角、踝關(guān)節(jié)跖屈背屈角和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角測試指標比較

圖5 膝關(guān)節(jié)屈曲、踝關(guān)節(jié)背屈和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度測試指標比較

2.3 踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)者與健康對照者下肢生物力學測試指標結(jié)果對比

CAI組與健康對照組無論穿著高、低幫球鞋及在不同側(cè)切動作時下肢生物力學各項測試指標上均無差異（P>0.05）。

3 討論

本研究結(jié)果部分支持鞋幫高度可對CAI患者與健康對照組進行側(cè)切動作時下肢生物力學指標產(chǎn)生影響的研究假設(shè)。本研究發(fā)現(xiàn)，CAI患者與健康對照組穿著高幫球鞋進行45°側(cè)切和180°側(cè)切時最大垂直地面反作用力大于低幫。研究表明，著地時存在較大的垂直地面反作用力可能誘發(fā)更大的股四頭肌收縮和脛骨近端前向剪切力，從而增大ACL 所受的負荷和損傷風險[29，30]。穿著高幫球鞋時存在較大的垂直地面反作用力可能與下肢關(guān)節(jié)活動改變有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，穿著高幫球鞋在180°側(cè)切時存在較大的最大垂直地面反作用力，可能與運動時較小的膝關(guān)節(jié)屈曲運動幅度及較小的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度和背屈運動幅度有關(guān)；而穿著高幫球鞋在45°側(cè)切時存在較大的垂直地面反作用力則主要與較小的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度有關(guān)，這可能與45°側(cè)切時膝關(guān)節(jié)運動幅度相對較小有關(guān)。有研究指出，當膝關(guān)節(jié)屈曲角較小時，股四頭肌的力臂相對較大，其收縮時可對脛骨產(chǎn)生更大的前向剪切力及增加ACL所受的負荷[31]。而落地時屈膝角度的增加則有助于減小地面反作用力，從而有助于減小膝關(guān)節(jié)所受負荷及ACL 損傷風險[32]。此外，踝關(guān)節(jié)運動的改變也可能對膝關(guān)節(jié)活動及垂直地面反作用力造成影響。有研究發(fā)現(xiàn)，穿著高幫球鞋雖可提供更好的踝關(guān)節(jié)側(cè)向穩(wěn)定性和降低扭傷風險[11-13]，但高幫球鞋也可能限制踝關(guān)節(jié)矢狀面運動幅度[12，14]。踝關(guān)節(jié)矢狀面運動受到限制可能會導致運動時存在較小的屈膝角[15]，并增大垂直地面反作用力[13]。因此，綜合以往研究和本研究結(jié)果可知，穿著高幫球鞋進行側(cè)切動作時ACL 損傷風險可能大于低幫。

本研究結(jié)果部分支持不同側(cè)切動作可對CAI組與健康對照組下肢生物力學指標產(chǎn)生影響的研究假設(shè)。本研究發(fā)現(xiàn)，45°側(cè)切動作地面反作用力各項指標均大于180°側(cè)切，水平向后地面反作用力首次峰值時刻膝關(guān)節(jié)屈角和踝關(guān)節(jié)趾屈角、膝關(guān)節(jié)屈曲和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度均小于180°側(cè)切。以往類似研究也發(fā)現(xiàn)，45°側(cè)切動作屈膝緩沖幅度小于90°側(cè)切[9]，最大垂直地面反作用力大于180°變向動作[8]。45°側(cè)切與180°側(cè)切這兩個動作地面反作用力各項指標存在差異可能與動作技術(shù)特點不同有關(guān)。在籃球運動中，45°側(cè)切主要用于進攻，力求快速變向來擺脫防守，從而獲得更有利的位置；180°側(cè)切（側(cè)滑步）則更多用于防守，要求降低身體重心獲取有效的防守姿勢。因此，180°側(cè)切時往往要求更大的屈膝緩沖和踝關(guān)節(jié)活動幅度。而增大屈膝角和屈膝緩沖幅度有助于減小著地時地面沖擊力，從而有助于降低關(guān)節(jié)所受負荷及減少ACL的損傷風險[25，26，33]。因此，綜合以往研究和本研究結(jié)果可知，45°側(cè)切動作ACL損傷風險可能大于180°側(cè)切。

本研究結(jié)果不支持CAI可對側(cè)切動作時下肢生物力學指標產(chǎn)生影響的研究假設(shè)。有研究表明，CAI可能導致踝關(guān)節(jié)肌力、本體感覺和神經(jīng)肌肉控制能力等功能下降[1-3]，從而導致跳躍落地時動態(tài)穩(wěn)定性下降和再次扭傷風險增大[4，34]。此外，CAI 也可能對下肢關(guān)節(jié)的活動造成影響，如導致跳躍落地時存在較大的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動幅度和較小的踝關(guān)節(jié)背屈運動幅度[6]，并可導致落地存在較小的屈膝角[4，5]、較大的水平向后地面反作用力和垂直地面反作用力[6]。但也有研究顯示，CAI患者在運動時的踝關(guān)節(jié)額狀面[35]和矢狀面[34，35]運動幅度、膝關(guān)節(jié)屈曲角[36]和地面反作用力[35]等指標與健康對照組均無差異。上述結(jié)果存在差異的原因可能與不同研究采用的測試動作不同有關(guān)。以往研究大多采用雙腳[5]或單腳[4，6，34，36]跳躍落地動作，本研究則采用側(cè)切變向動作。由于動作功能不同，跳躍落地和側(cè)切變向在著地時下肢動作模式可能存在較大差異[7-9]。相較于跳躍落地，側(cè)切變向動作著地時可能對下肢非矢狀面活動的要求更高。本研究結(jié)果也與以往類似研究相一致，以往研究也發(fā)現(xiàn)CAI 組與健康對照組在變向側(cè)切著地早期的踝關(guān)節(jié)跖屈背屈和內(nèi)翻角、膝關(guān)節(jié)屈曲角及地面反作用力等指標上均無差異[35]。因此，綜合以往研究和本研究結(jié)果可知，CAI組與健康對照組在進行側(cè)切變向時ACL損傷風險可能并無差異。

本研究雖未發(fā)現(xiàn)CAI患者與健康對照組在進行側(cè)切變向時膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)等生物力學指標存在差異，但這并不代表踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)者的神經(jīng)肌肉控制能力未受到傷病影響。以往研究表明，CAI不僅會影響踝關(guān)節(jié)周圍肌群的神經(jīng)肌肉活動（如腓骨長肌預激活水平下降等[6]），還可能對膝關(guān)節(jié)周圍肌肉活動產(chǎn)生影響，如增大著地時股四頭肌/腘繩肌共激活水平[37]，從而導致ACL損傷風險有所增加[38]。因此，建議后續(xù)研究中納入肌電學指標測試，以便更全面地了解CAI 患者運動時下肢相關(guān)肌群的神經(jīng)肌肉活動特征，從而為理解損傷的發(fā)病機制和制訂傷病預防策略提供參考依據(jù)。

本研究存在以下局限：首先，本研究選用籃球鞋的鞋幫高度差為4 cm，以往研究所用鞋幫高度差在4.3～8.5 cm 之間[11，12，14]，不同鞋幫高度差也可能對踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)活動造成影響，建議今后研究納入不同鞋幫高度差的比較。其次，本研究測試對象均為男性，而以往研究發(fā)現(xiàn)女性可能更易發(fā)生ACL 損傷[25，30，38]，建議在今后研究中納入男女性別的對比。

4 結(jié)論

（1）穿著高幫球鞋會減小踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和膝關(guān)節(jié)屈曲運動幅度，并可增大地面反作用力，提示穿著高幫球鞋可能增大前交叉韌帶損傷風險。（2）無論穿著高幫或低幫球鞋，45°側(cè)切時較180°側(cè)切均具有更小膝關(guān)節(jié)屈角和更大地面反作用力，提示45°側(cè)切動作具有更大前交叉韌帶損傷風險。（3）無論穿著高幫或低幫球鞋，踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)者在側(cè)切時下肢生物力學特征與健康者并無差異，提示踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)可能不會增大前交叉韌帶損傷風險。