视觉反馈对慢性踝关节不稳者落地过程中生物力学的影响

doi:10.12307/2023.784

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (6): 900-904.doi: 10.12307/2023.784

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

视觉反馈对慢性踝关节不稳者落地过程中生物力学的影响

章丽莉1，张兴来2，张杰1，郑洁皎1

1复旦大学附属华东医院，上海市 200040，2上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院，上海市 200437

收稿日期:2022-11-08 接受日期:2023-01-05 出版日期:2024-02-28 发布日期:2023-07-12
通讯作者: 郑洁皎，教授，博士生导师，复旦大学附属华东医院，上海市 200040
作者简介:章丽莉，女，1990年生，江苏省南通市人，汉族，2019年上海体育学院毕业，硕士，主要从事运动姿势控制障碍康复研究。
基金资助:
中枢神经系统疾病引发的姿势控制障碍精准康复策略的多中心临床研究(22Y31900200)，项目参与人：郑洁皎，章丽莉

Effect of visual feedback on landing biomechanics in chronic ankle instability patients

Zhang Lili1, Zhang Xinglai2, Zhang Jie1, Zheng Jiejiao1

1Huadong Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai 200040, China; 2Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200437, China

Received:2022-11-08 Accepted:2023-01-05 Online:2024-02-28 Published:2023-07-12
Contact: Zheng Jiejiao, Professor, Doctoral supervisor, Huadong Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai 200040, China
About author:Zhang Lili, Master, Huadong Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai 200040, China
Supported by:
Multi-Center Clinical Study on Precise Rehabilitation Strategies for Posture Control Disorders Caused by Central Nervous System Diseases, No. 22Y31900200 (to ZJJ, ZLL [project participant])

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

慢性踝关节不稳：泛指踝关节外侧韧带重复发生的不稳定导致受累踝关节反复扭伤的现象，其常见症状包括空虚、机械性不稳定、疼痛、肿胀、无力、反复扭伤以及功能性不稳定等。慢性踝关节不稳造成的踝关节反复扭伤可引发骨关节炎，严重者可引起关节僵硬和关节畸形。
落地试验：是通过模拟运动过程中的落地动作，利用人体仿真模拟观察踝关节损伤患者的踝关节运动及受力情况，分析受试者跳落动作过程中以及落地后动力学和运动学参数，进而探究落地缓冲过程中踝关节扭伤发生的机制。

背景：落地试验可以有效观察慢性踝关节不稳患者的下肢运动生物力学指标，分析影响慢性踝关节不稳姿势稳定性的平衡调节策略，以期为慢性踝关节不稳患者避免再次损伤以及损伤后临床康复提供有价值的参考依据。

目的：通过观察落地过程中睁眼和闭眼时慢性踝关节不稳患者的运动学和动力学指标，分析视觉对慢性踝关节不稳姿势稳定性的影响及平衡调节策略的变化。
方法：31例慢性踝关节不稳患者健、患侧腿分别在睁眼和闭眼条件下，从40 cm跳台单腿落地，采用三维运动捕捉系统采集落地过程中的动力学和运动学数据，配对t 检验比较健、患侧腿在两种条件下落地的差异性。

结果与结论：①动力学指标：闭眼时患侧踝关节前方、后方以及垂直方向地面反作用力峰值相对值大于睁眼条件下，且垂直方向地面反作用力峰值出现时间晚于睁眼时(P < 0.05)；②运动学指标：在闭眼条件下，健、患侧腿膝触地时屈曲角度均大于睁眼条件下(P < 0.05)，患侧膝、踝最大屈曲角度及前馈角度变化大于患侧睁眼条件下(P < 0.05)，落地稳定时间较睁眼时延长(P < 0.05)；③提示在去除视觉输入的条件下，慢性踝关节不稳者在落地过程中地面反作用力峰值增大、落地关节角度增大、维持姿势稳定所需的时间延长，加大了落地损伤的概率，视觉对慢性踝关节不稳患者平衡的维持起到前庭觉和本体感觉不能弥补的作用。

https://orcid.org/0000-0002-6514-043X (章丽莉)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 踝关节不稳, 落地, 视觉, 生物力学, 平衡

Abstract:

BACKGROUND: The landing test can effectively observe the biomechanical indexes of the lower limbs of patients with chronic ankle instability, analyze the balance adjustment strategies that affect the stability of chronic ankle instability posture, and provide a valuable reference for chronic ankle instability patients to avoid re-injury and clinical rehabilitation after injury.
OBJECTIVE: To analyze the effects of vision on the balance of chronic ankle instability and the changes in balance adjustment strategies by observing the kinematics and kinetics of chronic ankle instability patients during landing with and without vision.
METHODS: Totally 31 patients with chronic ankle instability landed on a single leg from a 40 cm platform with their eyes open and closed. The dynamic and kinematic data during the landing process were collected using a three-dimensional motion capture system. The difference in landing between the healthy and the ill side legs under the two conditions was compared by paired t-test.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Dynamic indexes: The relative value of the peak ground reaction force in the front, rear and vertical directions of the affected ankle joint when eyes were closed was greater than that when eyes were open, and the peak ground reaction force in the vertical direction appeared later than that when eyes were open (P < 0.05). (2) Kinematics indexes: The flexion angle of the knee of the healthy and affected sides when touching the ground was greater under the condition of closed eyes than under the condition of open eyes (P < 0.05). The maximum flexion angle and feedforward angle of the affected knee and ankle were greater than those of the affected side with eyes open (P < 0.05). The time of landing stability was longer than that of eye opening (P < 0.05). (3) It is indicated that under the condition of removing visual input, the peak of ground reaction force increases, the contact angle joint increases, and the time to stabilization of chronic ankle instability is prolonged during landing in patients with chronic ankle instability, which increases the probability of landing injury. Visual maintenance of the balance of chronic ankle instability patients cannot compensate for the vestibular sense and proprioception.

Key words: ankle instability, landing, vision, biomechanics, balance

中图分类号:

章丽莉, 张兴来, 张杰, 郑洁皎. 视觉反馈对慢性踝关节不稳者落地过程中生物力学的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(6): 900-904.

Zhang Lili, Zhang Xinglai, Zhang Jie, Zheng Jiejiao. Effect of visual feedback on landing biomechanics in chronic ankle instability patients[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(6): 900-904.

图/表（结果） 6

2.1 受试者一般资料此次研究共纳入31例受试者，其中男17例，女14例，身高(1.72±7.39) m，体质量(68.86±10.63) kg，年龄(23.82±1.53)岁，CAIT得分(16.10±3.75)分。
2.2 试验流程见图1。

2.3 动力学指标闭眼条件下患侧踝关节向前方、后方和垂直方向地面反作用力峰值大于睁眼(P < 0.05)，其他方向受力无统计学差异(P > 0.05)，见表1。

2.4 运动学指标
2.4.1 角度指标在闭眼条件下，当患侧腿落地时，膝触地时屈曲角度和膝最大屈曲角度均大于睁眼条件下(P < 0.05)，且膝前馈角度变化大于睁眼条件下(P < 0.05)；健腿落地时，膝关节触地时屈曲角度大于睁眼条件下(P < 0.05)。在睁眼条件下，患侧腿落地时膝关节最大屈曲角度大于健侧腿(P < 0.05)。其他指标无统计学差异(P > 0.05)。见表2。

在闭眼条件下，当患侧腿落地时，踝关节触地前100 ms跖屈角度小于睁眼时(P < 0.05)，最大背屈角度大于睁眼时(P < 0.05)，且踝关节背屈前馈角度变化大于睁眼时(P < 0.05)；当健侧腿落地时，踝关节触地时角度大于睁眼条件(P < 0.05)。不同视觉条件下健、患侧踝关节角度指标比较无统计学差异(P > 0.05)，见表3。

2.4.2 时间指标在闭眼条件下，健患侧踝关节垂直方向GRF峰值的出现均晚于睁眼时(P < 0.05)，且闭眼较睁眼落地稳定时间延长(P < 0.05)，但双侧比较无统计学差异(P > 0.05)，见表4。

2.5 不良事件整个试验过程无不良事件发生。

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计对比观察试验，横断面研究，计量资料比较进行t检验，计数资料比较进行χ2检验。
1.2 时间及地点试验于2020年5月至2022年6月在复旦大学附属华东医院康复医学科三维步态实验室完成。
1.3 对象选择复旦大学附属华东医院康复医学科2019-2021年实习学生，根据国际踝关节协会提出的CAI者筛选标准[9]，过汉化的坎伯兰踝关节不稳量表(Cumberland Ankle Instability Tool，CAIT)筛选受试者共31例。所有受试者于参与前均已了解试验内容并签署受试者同意书，试验方案得到复旦大学附属华东医院伦理委员会批准。
1.3.1 纳入标准 ①至少一次严重的踝关节扭伤病史，发生在问卷调查之前12个月以前，出现疼痛、肿胀等炎症症状，不能正常参与日常活动1 d以上；②最近1年内单侧踝关节发生失控和/或扭伤和/或不稳感觉2次及以上；③ CAIT分值小于24分。
1.3.2 排除标准 ①下肢发生过骨折或进行过外科手术；②问卷调查之前1个月内下肢发生过扭伤等急性损伤。
1.4 试验设备
1.4.1 测设设备此次试验采用三维红外运动捕捉与分析系统(VICON T40，英国，16摄像头)捕捉落地过程的运动学指标，采样频率为120 Hz，配套的标志点为直径14 mm 的红外反光Marker球。采用Kistler三维测力台1块(长×宽×高：90 cm×60 cm×10 cm，奇石乐公司，瑞士)对落地后地面反作用力进行采集，采样频率1 200 Hz。
1.4.2 数据处理软件 Marker点运动学数据和测力台数据通过Vicon Nexus处理软件和Visual 3D分析软件(C-Motion，美国)完成处理、计算等。
1.5 方法
1.5.1 Marker点贴放左右髂前上棘、髂后上棘、大腿上1/3处、膝关节内外侧髁、小腿上1/3处、跟骨、内外踝、第5跖骨底、第2跖骨底、第1跖骨底。
1.5.2 落地试验测试 ①静态采集：受试者穿试验用鞋站于两力台中央，两脚分开与肩同宽，眼睛目视正前方，采集200帧左右。②测试动作：受试者站在40 cm的木箱双手叉腰跳台落地，伸出患脚，身体重心逐渐往前移动，当身体重心投影离开木箱时，身体自然落地，然后测试脚落地稳定保持3 s，测试3次，保留有效数据。双侧腿分别在睁眼和闭眼条件下进行测试。
1.6 主要观察指标
1.6.1 动力学指标落地后各方向地面反作用力(ground reaction force，GRF)的峰值相对值，其中，GRF峰值相对值=GRF峰值/受试者体质量，其中向上为正。
1.6.2 运动学指标触地前100 ms膝关节屈曲角度、踝关节背屈/跖屈角度及内外翻角度，触地时膝关节屈曲角度、踝关节背屈/跖屈角度及内外翻角度，膝关节屈曲最大角度及踝背屈最大角度以及前馈阶段内角度变化(前馈阶段为触地前100 ms到触地时)；关节角度是远端环节相对于近端环节旋转的角度，膝关节屈曲角度、踝关节屈曲角度、外翻角度为正。
时间指标：各方向地面反作用力峰值对应时间及落地稳定时间(time to stabilization，TTS)。TTS 是以落地瞬间脚触及测力台时刻为起点，以垂直方向上地面反作用力等于自身体质量、且往后10 ms内GRF的波动范围在体质量5%以内的时刻为终点[10]。
1.7 统计学分析采用SPSS 25.0统计软件，受试者两侧间各指标的差异采用配对t检验进行分析。统计结果以x±s表示，统计学显著性水平设置为α=0.05。文章统计学方法已经复旦大学附属华东医院生物统计学专家审核。

讨论

3.1 动力学指标分析地面反作用力可以直观地反映落地缓冲过程中踝关节的受力情况[11-12]。此次研究发现，患侧腿闭眼条件下落地时踝关节前后和垂直方向所受到的GRF峰值相对值较睁眼时增大，该结果与SANTELLO等[13]的研究结果基本一致，他报道在去除视力的情况下，垂直地面反作用力增加，推断CAI患者视觉缺失时踝关节要承受更大的冲击力，更容易受到损伤[14-15]。同时发现，健侧与患侧在闭眼条件下垂直方向GRF峰值出现时间较睁眼条件下早，由于肌肉骨骼系统内潜在的单突触反射在35-40 ms启动[16]，这使得CAI患者在落地超早期只有更短的时间反射性调整踝关节。CAI患者由于反复的踝关节扭伤导致足/踝复合体周围机械感受器受损[17-18]，同时足底皮肤表面的皮肤敏感性也降低[19-20]，因此，踝周本体感受器提交给中枢神经系统的体感信息减少、准确性降低[21]，与未受伤的健侧相比，CAI患者在单肢站立评估期间也更多地依赖视觉信息，这将导致感觉组织策略的更加永久性的改变[22]，这被称之为感官加权，因此，CAI患者在去除视觉输入的情况下更容易造成踝关节损伤[20]。而LIEBERMANN等[7]却发现蒙住眼睛时垂直地面反作用力并没有增大甚至是减小，这可能与受试者已经对落地环境有所熟悉，神经肌肉调节在触地前做出了预测性姿势调整有关。此次研究还发现，健患侧在闭眼时TTS长于睁眼，闭眼条件下踝关节所受到的地面反作用力增大，峰值出现时间也早于对照组，这反映了关节负荷率较大，较高的负荷率增加了维持落地稳定的难度，且踝关节周围神经肌肉调节能力的下降也影响了落地稳定。
3.2 运动学指标分析关节传入神经阻滞理论一直被沿用至今[23]，然而这一理论仅建立在反馈机制作用上，并未考虑到神经肌肉前馈调节作用。触地之前的肌肉关节活动提示着中枢神经系统的运动指令以及外周神经肌肉控制共同决策的对落地方式选择调整、前馈的变化[24-25]。此次研究结果发现，落地前100 ms膝关节和踝关节在视觉输入缺失的情况下，闭眼时患侧膝关节和踝关节前馈时间内角度变化都大于睁眼。HAN等[3]认为在闭眼落地活动中，为了弥补视觉输入的缺失，中枢神经系统的前馈控制对膝关节和踝关节肌肉活动做出了保护性调整，增大触地瞬间下肢关节的位置以维持落地稳定。此次研究还发现，健侧和患侧膝关节触地时角度均大于闭眼条件下，踝关节不稳神经肌肉调控的改变不仅出现在患侧踝关节，整个运动链以及健侧都会发生改变，这也说明了落地过程中姿势稳定性的维持不仅踝周反馈机制参与调节，也是中枢神经调控的结果[26]。有研究者发现在没有视觉信息的情况下着陆时，踝背屈肌在预着陆时的肌电图振幅倾向于比视力着陆时要大，且预着陆活动幅度的趋势随着下降高度的增加而增加[13]，可以推测由于视觉的缺失，中枢神经系统在落地超早期较早地激活了踝背屈肌以增大缓冲角度自我保护，这与此次研究结果一致，闭眼条件下落地前100 ms踝关节的跖屈角度小于睁眼。
由于视觉输入缺失，前庭系统和躯体感觉系统必须承担更大的要求以保持姿势稳定性[27]。此次研究发现闭眼条件下落地过程中，健侧和患侧膝关节和踝关节背屈最大角度大于睁眼，且患侧闭眼条件下膝屈曲角度大于健侧，这可能是因为患侧地面反作用力峰值较大，人体需要更大的屈曲角度和落地稳定时间来缓冲地面反作用力对关节的冲击力，且踝关节在背屈时可有效减少踝外侧韧带被牵拉的可能性，是患者下意识的自我保护功能。当膝关节屈曲角度和踝关节背屈角度增大时，人体重心降低，也有助于维持落地稳定[28]。SANTELLO等[13，29]报道了当视力不可用时，所有关节在足触地时往往比在有视觉输入时更加弯曲，与此次研究结果一致。但研究者CHU等[30]报道，触地时膝关节屈曲角度减小，因为在闭眼落地时可能肌肉紧张度增加导致膝关节僵直，有助于膝关节稳定，但这也降低了膝关节缓冲地面反作用力的能力。研究结果的差异考虑CHU等[30]研究的是训练有素的空军士兵，而此次研究对象是普通踝关节损伤人群，这可能是导致研究结果差异的原因。
综上所述，此次研究探讨了视觉缺失对CAI患者平衡能力的影响，发现在去除视觉输入的条件下，地面垂直反作用力峰值增大，落地关节角度增大，维持姿势稳定所需的时间延长，这加大了落地损伤的概率。与健康人相比，CAI患者在单腿姿势期间的感官组织策略发生了变化，视觉对CAI患者平衡的维持起到前庭觉本体感觉不能弥补的作用[22]。但此次研究也有其局限性，采取同一高度跳落，受试者在多次跳落后会适应该高度从而进行预调整，因此对研究结果有一定影响；其次，只从关节角度的变化上分析了落地前馈的变化，并没有观察肌电的变化，这也是后续研究的重点。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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