代表作单侧功能性踝关节不稳者单足站立的平

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中国运动医学杂志年5月第37卷第5期。

张秋霞，女，博士，教授，博士生导师，运动人体科学系主任，美国宾夕法尼亚州立大学访问学者。研究方向为运动康复生物力学，主讲课程为运动生物力学、运动康复生物力学等。

本研究通过比较单侧功能性踝关节不稳（FunctionalAnkleInstability，FAI）者患侧和对照组的非优势侧静态平衡姿势中压力中心的空间特征，以及Rambling和Trembling轨迹控制特征，来探讨功能性踝关节不稳者的平衡控制策略。

踝关节扭伤是青少年和成年人群体力活动中最常见的一种损伤[1]，32%-47%的踝关节扭伤后发展成功能性踝关节不稳，其中13%-15%的功能性踝关节不稳者有9个月到6.5年的功能限制。在病理学上是指正常踝关节或者反复扭伤的踝关节反复发作的“肌无力感”[2]，关节运动的随意控制失常，肌肉用力的感觉机能较差[3]，关节运动幅度仍然在正常关节活动范围内。功能性不稳踝关节最大的特点就是容易出现反复扭伤且平衡能力较差，姿势平衡控制能力缺失，单足静态平衡能力也弱于健侧足[4]，但是功能性踝关节不稳者的运动控制策略、平衡能力较弱的机制、神经肌肉控制模式如何发生改变，导致功能性不稳踝关节扭伤的风险增加，造成恶性循环——踝关节反复扭伤，这些问题一直不是很明确。

平衡能力是人体姿势控制的基础，而且是体育运动和日常活动的根本。平衡的控制是在中枢和外周神经系统的协同支配下，需要视觉、听觉、本体感觉、前庭觉、触觉等各种感觉信息的整合以及全身各部位肌肉协同活动。在实验室静态平衡的测试中单足站立更能反映平衡问题[5]，对于静态平衡的分析只有一项指标是最为典型的：测力台上足底压力中心（Centerofpressure,COP）的分析,但是对足底压力中心的信号处理和分析方法有很多：比如重现量化分析、样本熵、去趋势波动分析法、最大李亚普诺夫指数等方法[6]，Rambling-Trembling分析方法是基于平衡的原理将压力中心的信号分解为慢成分（Rambling，RM）和快成分（Trembling,TR）信号两部分,分别代表中枢和外周控制机制[7-9]。尽管平衡控制很重要，但是有关功能性踝关节不稳者姿势控制策略问题始终不是很确定，本研究通过对比单侧功能性踝关节不稳者患侧和对照组的非优势侧30秒睁眼和闭眼单足站立时，平衡姿势控制中的空间特征，以及Rambling和Trembling轨迹控制特征，探讨功能性不稳踝关节平衡姿势的可能控制策略，为功能性不稳踝关节的预防和康复训练提供理论依据和实验数据支撑。

1.1研究对象

为了对比单侧功能性踝关节不稳者患侧和对照组的非优势侧两组单足站立过程中压力中心轨迹的空间特征、慢成分和快成分特征，选取有单侧功能性踝关节不稳（FunctionalAnkleInstability,FAI）的受试者12名为FAI组(身高：.6±3.9cm,体重：70.3±8.4kg,年龄：22.3±1.1yr)，同时根据功能性踝关节不稳组受试者的年龄、形态学指标、训练项目和运动成绩等删选14名下肢和踝关节正常健康的受试者为对照组(身高：.5±6.2cm,体重：66.9±6.3kg,年龄：22.1±1.1yr)，功能性不稳踝关节的选取按照Rozzi等提出的需同时满足以下5个条件[10]：①踝关节扭伤2次以上，踝关节功能性的活动中有“肌无力感”。②踝关节功能评价问卷（AnkleJointFunctionalAssessmentTool，AJFAT）得分≤26分。③无下肢手术、骨折等病史。④最后一次踝关节扭伤距实验前的时间≥1个月。⑤前抽屉试验阴性，排除结构性踝关节不稳。对照组通过闭眼单足站立测试，坚持时间长的为优势侧，对侧即为非优势侧。

1.2主要实验仪器

瑞士KISTLER多分量测力系统。

1.3数据采集与处理方法

每个受试者在KISTLER三维测力台上分别完成3次睁眼和3次闭眼单足站立30s，期间要求受试者赤足、双手叉腰，睁眼时盯着受试者正前方2米处一个固定的黑色的点，受试者足与测力台的Y轴平行，记录地面反作用力,采样频率为Hz。对压力中心（CenterofPressure,COP）曲线用MATLAB软件进行4阶Butterworth滤波，截止频率为5Hz，压力中心（COP）包括前后方向（X）和左右方向（Y）。COP所形成曲线的95%置信椭圆面积[11,12]用Area表示（图1中的细黑线所包围部分），椭圆面积通过πab计算，a和b的计算公式如下：

其中，Sx和Sy分别表示COP在X和Y方向坐标的标准差，表示置信概率为95%的时候的双侧检验的临界值，和分别表示X、Y方向COP的坐标值，和分别表示X、Y方向COP坐标的平均值。

论文中，COP摆动的总轨迹长度用Lengh_xy表示，COP在前后方向摆动的长度用Length_x表示，COP在左右方向摆动的长度用Length_y表示。

按照Zatsiorsky和Duarte[8,9]对X和Y方向的COP进行分解，得到反映摇晃的慢成分（Rambling）和反映快速调整能力（基于肌肉和关节机械属性,即牵张反射）的快成分（Trembling）。记录受试者作用在测力台水平力的每个方向（X和Y）分力为0的时刻对应的点为平衡点，在压力中心轨迹中这些时刻被标识，然后运用三次样条插值基函数进行插值，插值后的轨迹即为估计的Rambling轨迹，代表的是平衡点的连续变化情况；将Rambling对应时刻的COP轨迹减去Rambling的轨迹，即得到Trembling的轨迹，代表的是绕着Rambling轨迹（平衡点）的摇晃情况。

对Rambling和Trembling的轨迹的X和Y方向进行了如下的时频特征计算：平均摇晃幅度（MeanSwayAmplitude,MSA）,均方根（RootMeanSquare，RMS）,标准差（StandardDeviation,STD）；另外对轨迹的功率谱密度进行分析，采用Welch法（50%重叠，FFT点数为，窗长度为）计算了中位频率（MedianFrequency,MDF）和平均功率频率（MeanPowerFrequency,MPF）。所有轨迹采用MATLABRa程序进行时频分析。

1.4统计方法

对于睁眼和闭眼状态下闭眼单足站立的Rambling和Trembling轨迹特征在功能性踝关节不稳组和对照组之间的差异进行比较，使用SPSS21.0进行混合多元方差分析，其中组别（FAI组和对照组）为被试间因素，视觉（睁眼和闭眼）为被试内因素，检验水准为α=0.05。

2.1FAI组和对照组的单足站立压力中心轨迹的空间特征

表1描述了FAI组和对照组的单足站立压力中心轨迹的空间特征，经过混合多元方差分析比较FAI组和对照组、睁眼和闭眼情况下压力中心轨迹的空间特征，显示主体间组别效应有统计学意义：F=11.30，p=0..05；主体内视觉效应有统计学意义：F=34.35，p=0..05；组别和视觉之间的交互效应也无统计学意义：F=2.78，p=0..05；在单变量检验中，视觉和组别的交互效应在Area和Length_x上有统计学意义：p0.05,而在其他指标上的交互效应无统计学意义（p0.05）。进行简单效应分析时发现：在睁眼时，Area、Length_x、Length_xy和length_y在FAI组和对照组之间的差异无统计学意义（p0.05）；在闭眼时，Area和Length_x在FAI组和对照组之间的差异有统计学意义（p0.05）；另外，不管是FAI组还是对照组，睁眼和闭眼之间的差异均有统计学意义（p0.05）。

表1FAI组和对照组的单足站立压力中心轨迹的空间特征

Table1COPtrajectoryspatialcharacteristicsofsingle-legstandinginindividualswithandwithoutFAI

2.2FAI组和对照组的Rambling和Trembling轨迹的时频特征

表2和表3分别描述了功能性踝关节不稳者睁眼和闭眼情况下单足站立时足底压力中心的Rambling（表2）和Trembling（表3）的时频特征，图2描述了两组中典型的压力中心、Rambling和Trembling轨迹随着时间的变化曲线，结果显示主体间组别效应有统计学意义：F=25.20，p=0..05；主体内视觉效应有统计学意义：F=30.68，p=0..05；但是组别和视觉之间的交互效应无统计学意义：F=1.10，p=0..05。

单变量方差分析（表2和表3）结果显示：X和Y方向上Rambling和Trembling轨迹的均方根（RMS）和标准差(STD)在不同组别之间的差异有统计学意义（p0.05），而X和Y方向上Rambling和Trembling轨迹的平均摇晃幅度(MSA)、以及中位频率(MDF)和平均功率频率(MPF)在不同组别之间的差异无统计学意义（p0.05）；X和Y方向上Rambling和Trembling轨迹的均方根（RMS）和标准差(STD)、以及中位频率(MDF)和平均功率频率(MPF)在睁眼和闭眼之间的差异有统计学意义（p0.05）；而X和Y方向上Rambling和Trembling轨迹的平均摇晃幅度(MSA)在睁眼和闭眼之间的差异无统计学意义（p0.05）。

表2FAI组和对照组Rambling轨迹的时频特征

Table2Time-frequencyfortheramblingtrajectoriesinindividualswithandwithoutFAI

（a.组间差异p0.05,b.睁眼和闭眼之间差异p0.05)

表3FAI组和对照组Trembling轨迹的时频特征

Table3Time-frequencyforthetremblingtrajectoriesinindividualswithandwithoutFAI

（a.组间差异p0.05,b.睁眼和闭眼之间差异p0.05)

图2FAI组和对照组X方向COP、Rambling和Trembling的典型轨迹Figure2Therepresentativecenterofpressure,rambling,andtremblinganterior-posteriortrajectoriesinindividualswithandwithoutFAI

本研究是基于Rambling-Trembling假说的基础上，通过分析单足站立压力中心的轨迹变化特征，来比较FAI组和对照组在睁眼和闭眼单足站立平衡中的控制策略。在单足站立压力中心的空间特征的混合多元方差分析中发现FAI组和对照组之间的差异有统计学意义，睁眼和闭眼之间的差异有统计学意义，也就是说功能性踝关节不稳和视觉都会引起单足站立的压力中心的空间特征发生改变。由于组别和视觉之间的交互效应存在统计学意义，进一步进行简单效应分析：在睁眼时，Area、Length_x、Length_xy和length_y在FAI组和对照组之间的差异无统计学意义；在闭眼时，Area和Length_x在FAI组和对照组之间的差异有统计学意义；即在睁眼时，可能由于视觉补偿了功能性踝关节不稳的不足，导致了两组足底压力中心的空间特征之间无差异。在闭眼时主要是95%置信椭圆面积和X方向（前后方向）上的摆动长度有组间差异，这与张阳等前期的研究结果一致[4]，在没有视觉功能做补偿的情况下，功能性踝关节不稳者的平衡能力比正常对照组差，踝关节的扭伤对肌肉、韧带、关节囊等软组织和神经组织产生了影响，腱器侦测肌肉张力变化的能力变弱，导致“肌无力感”的发生[13,14]，使得重复扭伤的几率提高。

将足底压力中心信号分解为非振荡的慢成分（Rambling）与带阻尼振荡的快成分（Trembling），因为Rambling的信号相对于Trembling频率更低，因此Rambling又称为慢成分，Trembling又称为快成分[8]。Rambling代表的是中枢神经系统对平衡能力的控制[7]，反映受试者对自己的身体姿势的平衡点进行状态估计所带来的不可避免的误差[15]。姿势调整的策略可能是由于有疼痛反应的深层肌肉组织的损伤影响了肌肉的肌梭和腱器官本体感觉的传入，导致中枢对平衡能力的慢成分的调整不够精确[11]。张秋霞等[16]通过功能性不稳踝关节肌肉疲劳过程中肌电的瞬时中值频率研究得出：功能性踝关节不稳组的受试者中枢控制策略可能发生改变，功能补偿能力存在不足，这与本研究中功能性踝关节不稳者单足站立时的Rambling变化有相通之处。这些结果都表明：对照组和睁眼，相对于功能性踝关节不稳组和闭眼时，中枢神经系统对于身体动力学控制接收了更为精确可靠的信息输入，增强了对于身体整体位置和摇晃速度的判断和控制。

通过足底压力中心信号分解的快成分（Trembling）代表的是外周神经系统对平衡能力的控制，快成分反映受试者身体姿势相对于慢成分（平衡点）的偏离[8]，是脊髓反射、以及基于关节和肌肉的力学属性的牵张反射成分[17]，从Trembling轨迹可以看出姿势控制系统中的杂讯或者叫干扰信号的强弱[18]。干扰信号可能来自内部外周神经系统对肌肉的力量、关节本体感觉等的控制、以及外界如测力台等实验器材[19]，生理学上，前者即神经肌肉控制噪音是影响行为表现变异性的主要机制[20,21]，Fitts[22]指出快速的目标运动会受到神经运动控制通路中的一些随机因素的干扰，由于这些干扰信号的存在导致受试者在努力向平衡点移动时，肢体的肌肉用力大小和方向、动作位移和动作时间都会跟平衡点之间有一些随机误差的存在；Yagi等[23]在对功能性踝关节不稳者单足站立起始动作的运动学和动力学研究中发现功能性不稳的那一侧单足站立时髋和躯干的角位移、角速度均大于对侧，这些说明功能性踝关节不稳侧的平衡策略会更多地依赖髋策略，这样势必增加了神经肌肉的信号干扰，本研究中单足站立时足底压力中心Trembling轨迹的时域特征在FAI组和对照组的差异，说明FAI组的干扰信号较强，由于实验都是在同样的测力台上完成，Trembling轨迹的时域特征结果表明功能性踝关节不稳者的外周神经系统对平衡的姿势控制能力较弱，Rhea等[19]在人体姿势控制的噪音和复杂性的研究中也指出噪音即干扰信号的比较可以识别健康和受伤人群的姿势控制。

Rambling和Trembling轨迹的摇晃幅度在X方向的值由于包含前后方向（向后为负，向前为正），在Y方向的值是由于是包含左右方向（向左为负，向右为正），在计算每个方向的摇晃幅度的平均值时，会出现正负值的相互抵消，这样势必造成重测信度差[3]。这也是在平均摇晃幅度的统计学结果在不同组别、睁眼和闭眼之间统计学上没有显著性差异的原因，所以在摇晃幅度的比较时建议采用均方根和标准差来评价。

研究结果还发现功能性不稳踝关节组和对照组的频域指标之间无统计学差异，说明功能性踝关节不稳组和对照组之间压力中心的晃动频率没有差异而晃动位移的变异程度较大，但对于频率的研究未见有相关文献的报道，在后期的研究中将继续增加样本量进行深入研究和探讨。

综上所述，把单足站立的足底压力中心轨迹进行分解后的代表中枢神经系统控制能力的慢成分（Rambling）和外周神经系统控制能力的快成分（Trembling）轨迹的时域特征在两组之间的比较结果正说明功能性踝关节不稳者的平衡的中枢和外周控制能力均较弱，因此建议从中枢和外周控制综合考虑进行功能性不稳踝关节的运动康复训练和治疗。

在单足站立压力中心的空间特征比较中，发现Area和Length_x在睁眼时FAI组和对照组之间无差异，而闭眼时有组间差异；另外，不管是FAI组还是对照组，对于Rambling和Trembling的时频特征，除了摇晃幅度的平均值（MSA）之外，其他指标在睁眼和闭眼之间都有统计学差异，睁眼时的Rambling和Trembling摇晃幅度的均方根、标准差、中位频率、平均功率频率均小于闭眼时，这说明睁眼时中枢和外周控制能力均优于闭眼时，这是由于视觉信息的加入，感觉信息整合使得姿势控制能力大大增强，睁眼时，功能性踝关节不稳者可以通过依赖视觉补偿本体感觉的缺失[24]，进一步说明闭眼单足站立测试更能反映功能性踝关节不稳者的静态平衡功能控制障碍。

4.1单侧功能性踝关节不稳者静态平衡的中枢控制和外周控制能力均弱于对照组，因此不能仅仅将功能性踝关节不稳认为是外周的损伤，而要同时考虑中枢的损伤。

4.2单侧功能性踝关节不稳者可以通过视觉来补偿平衡控制能力的缺失。

4.3单足站立的Rambling和Trembling的频域特征在功能性踝关节不稳组和对照组之间没有差异，但在睁眼和闭眼情况下有显著性差异。

参考文献：（见原文）

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