體育運(yùn)動(dòng)中踝關(guān)節(jié)著陸損傷的生物力學(xué)研究進(jìn)展

膝蓋損傷通常用于體育。據(jù)近期文獻(xiàn)報(bào)道,在所有體育運(yùn)動(dòng)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,Fong等調(diào)查指出體育運(yùn)動(dòng)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(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的正常比賽及訓(xùn)練,如處理不當(dāng)還會(huì)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)損傷機(jī)制的研究一直都為國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究的重點(diǎn),近年來(lái),隨著生物力學(xué)新技術(shù)的出現(xiàn),國(guó)內(nèi)外對(duì)踝關(guān)節(jié)著陸傷機(jī)制的研究也有了更好的理解。本文就體育運(yùn)動(dòng)中踝關(guān)節(jié)著陸損傷的相關(guān)生物力學(xué)文獻(xiàn)綜述如下。1踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的原因踝關(guān)節(jié)包括脛距、脛腓和距腓三個(gè)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(guò)程中,踝關(guān)節(jié)逐漸從跖屈位變換到背伸位,在此過(guò)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(shí),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(guò)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(jiān)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。Boden等認(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(gè)結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)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(shí),三角韌帶對(duì)踝關(guān)節(jié)及小腿的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性會(huì)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(shí),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。2加強(qiáng)對(duì)踝關(guān)節(jié)損傷的生物力學(xué)研究2.1維有限元分析采用生物建模來(lái)對(duì)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(diǎn)。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(cè)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(fèi)用低、應(yīng)用廣、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。陶凱等運(yùn)用三維有限元模型量化了不同姿勢(shì)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(shí)足弓的變形對(duì)足部生物力學(xué)特性的影響。Cheung等運(yùn)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(duì)足底壓力和骨骼應(yīng)力分布的影響。運(yùn)用此技術(shù)可以對(duì)新型運(yùn)動(dòng)鞋墊的設(shè)計(jì)方案提高理論支持。2.2維運(yùn)動(dòng)捕收系統(tǒng)的應(yīng)用體育運(yùn)動(dòng)中踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究早期集中于使用高速攝像來(lái)分析著陸過(guò)程。高速攝影可以得到受試者跳起著地時(shí)踝關(guān)節(jié)的落地速度、角度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間,進(jìn)而可以通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律計(jì)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(duì)著陸傷運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究又有了新的工具。目前運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用較多的是三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)可以通過(guò)受試者身上的標(biāo)記物來(lái)捕捉人體運(yùn)動(dòng)的軌跡。它可以通過(guò)相應(yīng)的軟件精確輸出運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。Yeow等運(yùn)用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)結(jié)合測(cè)力臺(tái)技術(shù)比較了男女運(yùn)動(dòng)員的跳起落地踝關(guān)節(jié)角度和角速度的差異。Ergen等運(yùn)用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)有踝關(guān)節(jié)扭傷的足球運(yùn)動(dòng)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(duì)踝關(guān)節(jié)的防護(hù)的影響。井蘭香等運(yùn)用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)結(jié)合測(cè)力臺(tái)技術(shù)對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員的負(fù)重超等長(zhǎng)訓(xùn)練后下肢踝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)和剛度的變化進(jìn)行研究,指出經(jīng)過(guò)等長(zhǎng)訓(xùn)練后可以提高踝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)和剛性參數(shù),同時(shí)可以降低踝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。2.3維測(cè)力臺(tái)在研究中的應(yīng)用體育運(yùn)動(dòng)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(guò)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(cè)在踝關(guān)節(jié)著陸損傷的研究中占有重要地位。目前,國(guó)內(nèi)外踝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)研究中最常使用的是三維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)。它可以測(cè)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(gè)方向的力矩和壓力中心軌跡。Lida等運(yùn)用三維測(cè)力臺(tái)模擬運(yùn)動(dòng)員跳起著地時(shí)地面沖擊力的吸收過(guò)程,指出了中樞運(yùn)動(dòng)控制對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的影響。Chu等使用三維測(cè)力臺(tái)結(jié)合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)體育運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)節(jié)扭傷的動(dòng)作進(jìn)行研究,得出了各種動(dòng)作下的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度和地面的反作用力。Madigan運(yùn)用三維測(cè)力臺(tái)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(huì)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。2.4鞋墊和鞋墊的選擇和制作足底壓力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了足印技術(shù)、足底壓力掃描技術(shù)、力板與測(cè)力臺(tái)技術(shù)、壓力鞋與鞋墊技術(shù)。三維測(cè)力臺(tái)雖可以準(zhǔn)確測(cè)量地面反作用力及分布,但無(wú)法測(cè)出“足-鞋界面”的壓力。足底壓力鞋墊很好的解決了這一問(wèn)題。由于鞋墊與足底貼服,故它可以測(cè)量“足-鞋界面”壓力的連續(xù)參數(shù),并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。目前,在生物力學(xué)研究中運(yùn)用最廣泛的鞋墊是比利時(shí)F-Scan測(cè)力鞋墊和德國(guó)Pedar測(cè)力鞋墊。設(shè)計(jì)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(shí),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(guò)足底壓力鞋墊3PS對(duì)體育運(yùn)動(dòng)中踝關(guān)節(jié)后旋力矩進(jìn)行檢測(cè),評(píng)估了落地時(shí)踝關(guān)節(jié)在不同姿勢(shì)的損傷風(fēng)險(xiǎn)。2.5表面肌電圖檢測(cè)肌肉功能體育運(yùn)動(dòng)中跳起落地時(shí)踝關(guān)節(jié)肌肉的運(yùn)動(dòng)可為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力并可保證關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性。著陸時(shí),下肢肌肉力量不足會(huì)導(dǎo)致落地姿勢(shì)動(dòng)作的不到位,進(jìn)而增加踝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)重要因素。Osterberg等在研究重復(fù)提踵測(cè)試時(shí)踝關(guān)節(jié)肌肉疲勞的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)限制提踵動(dòng)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(dòng)作的預(yù)定范圍。表面肌電活性與肌肉的活動(dòng)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(guò)肌電圖儀采集肌肉表面電信號(hào)并加以分析的方法。應(yīng)用sEMG信號(hào)特征可以預(yù)測(cè)骨骼肌纖維類型,評(píng)估力量訓(xùn)練,檢測(cè)肌肉損傷,測(cè)定人體活動(dòng)的反應(yīng)時(shí)、運(yùn)動(dòng)時(shí)和電機(jī)械延遲以及其與肌肉組織代謝的關(guān)系。Niu等通過(guò)檢測(cè)下肢落地時(shí)的表面肌電信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)員著陸雙下肢肌電活動(dòng)的差異進(jìn)行了研究。他指出了運(yùn)動(dòng)員著地時(shí)的雙側(cè)踝關(guān)節(jié)屈曲肌群活動(dòng)性存在明顯差異。Lida等運(yùn)用表面肌電技術(shù)對(duì)著陸緩沖過(guò)程的下肢肌肉的協(xié)調(diào)性進(jìn)行了研究,證實(shí)了中樞運(yùn)動(dòng)控制在對(duì)