功能性踝关节不稳单腿落地时性别对下肢生物力学特征的影响及其临床意义

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：The influence of sex on lower limb biomechanical characteristics during single-leg drop landing in individuals with unilateral functional ankle instability

本研究通过生物力学分析揭示了性别在功能性踝关节不稳（FAI）患者单腿落地时下肢代偿策略的关键作用。女性表现为以髋主导（增加屈曲/减少外展）和踝关节内翻增加的代偿模式，且在不稳侧呈现跖屈减少和峰值垂直地面反作用力（vGRF）升高的高风险机制；男性则主要采用关节僵硬策略。研究强调未来FAI康复需区分性别进行针对性干预（如女性侧重跖屈离心控制和臀中肌激活），并为生物力学研究提供了性别分化的理论依据。

　　

引言

踝关节作为人体运动链中承重和动态稳定的关键枢纽，是体育活动中最易受伤的关节之一。研究表明，约40%的踝扭伤患者若未得到及时有效治疗，可能发展为慢性踝关节不稳（CAI）。功能性踝关节不稳（FAI）作为CAI的核心亚型，主要表现为关节稳定性下降、本体感觉缺陷和神经肌肉控制受损。患者虽常无明确结构性损伤，但反复的“打软腿”发作会严重影响运动表现和生活质量，并伴随动态姿势控制能力减弱和再损伤风险升高。这种动态控制缺陷可能迫使FAI患者的中枢神经系统增加对近端关节的依赖，以代偿踝关节本体感觉输入不足，然而这种代偿机制可能加剧患肢异常负荷模式，甚至引发对侧肢体的代偿策略，导致双侧运动链失衡和反复损伤的恶性循环。

落地是篮球、排球、足球等高强度运动中的常见动作，也是踝关节损伤尤其是FAI患者再损伤的高风险场景。瞬间产生的巨大冲击力要求下肢各关节间精确协调以有效缓冲负荷并保持稳定。落地时下肢的生物力学特征直接决定了踝关节及整个下肢运动链的负荷分布和损伤风险。既往对FAI患者落地的研究已揭示了其运动模式和代偿策略的改变，但对这些生物力学适应的全面理解仍有限，需进一步探究。

性别差异是运动生物力学研究中关键且不可回避的因素。男性和女性在激素水平、解剖结构和神经肌肉控制策略上存在系统性差异。例如，在膝关节，前交叉韧带损伤风险的性别差异已被充分记录，常归因于下肢对齐、相对腘绳肌无力以及影响韧带松弛度的激素波动等因素。同样，髋关节在动态任务中的生物力学也表现出性别二态性；例如，女性往往表现出更大的髋内收和更弱的髋外展肌力，这可能影响近端稳定性和代偿机制。这些根本的生物学差异可能导致男性和女性FAI患者在落地冲击时采用不同的代偿策略和运动模式。例如，男性可能利用更优的肌肉刚度和力量，倾向于“僵硬”策略；而女性可能由于更大的韧带松弛度和神经肌肉控制模式差异，更多地依赖近端关节的动态调整或表现出特定的生物力学弱点。然而，现有FAI的实验室研究常常忽视性别相关影响。尤其缺乏专门研究单侧FAI患者在单腿落地任务中性别特异性下肢生物力学特征的工作。同时，文献多聚焦于统计学显著差异，而忽略了非显著结果的价值。因此，全面阐明性别差异对FAI患者下肢生物力学的影响具有重要意义，不仅能深化对FAI性别特异性生物力学表现的理解，也为临床制定个体化康复方案提供关键见解。

方法

参与者

通过G*Power软件（3.1.9.7版）进行先验样本量估算，统计功效（1-β）、I类错误率（α）和效应量（f）分别设为0.8、0.05和0.4，得出最少需16名参与者。根据国际踝关节联盟标准，从苏州大学体育学院招募20名单侧FAI参与者（10男/10女，运动背景和身体特征可比）。纳入基于坎伯兰踝关节不稳定工具（CAIT）评分。临床检查包括前抽屉试验和距骨倾斜试验等物理测试以评估机械不稳，确保参与者符合FAI标准。本研究所有参与者均为优势侧单侧FAI，优势侧通过踢球测试确定。所有评估和筛查由经验丰富的康复治疗师进行。测试前所有参与者充分了解实验程序并签署知情同意书。伦理批准由苏州大学伦理委员会授予（批准号：SUDA20241209H14）。

FAI组的纳入和排除标准与既往研究一致。纳入标准：1) 至少有一次重大单侧踝扭伤史，初次受伤距测试≥12个月，伴有炎症后遗症（如疼痛、肿胀）导致≥1天身体活动中断；2) 有“打软腿”和/或反复扭伤和/或患踝感知不稳史；3) CAIT评分≤24；4) FAI症状仅限于一侧踝关节；5) 每周进行体育锻炼≥3次。排除标准：1) 有急性踝扭伤、手术或骨折史；2) 测试前1个月内其他下肢关节急性肌肉骨骼损伤；3) 双侧FAI；4) 先天性关节畸形；5) 距骨倾斜或前抽屉试验阳性提示机械不稳；6) CAIT评分>24；7) 女性参与者测试当日正值月经期。

仪器

使用Vicon红外三维运动捕捉系统，包括8台红外相机（型号：MX13，英国）、MX Net、MX Control、PC工作站、校准套件和标准附件。数据采集频率为100 Hz。采用Vicon CGM 2.3下肢模型。两块Kistler测力台（90 cm × 60 cm × 10 cm，型号：9287B，瑞士）嵌入实验室地面与运动捕捉体积中心齐平。测力台数据采样频率为1000 Hz。通过模数转换器实现Kistler测力台与Vicon运动捕捉系统的同步。

实验设计与程序

每次测试前，参与者穿着标准化实验服装（紧身短裤和运动鞋），按个人尺寸确保舒适。标准化热身後，根据CGM 2.3下肢模型协议在解剖标志点粘贴28个反光标记（直径14 mm）。所有标记放置由同一名经验丰富的技术员完成以确保一致性。

单腿落地方案

单腿落地任务改编自先前描述的方案。参与者执行“趾-跟”式单腿落地，双手叉腰以最小化手臂摆动。正式测试前，所有参与者进行充分练习以熟悉和掌握落地动作。如果参与者（a）对侧肢体接触地面或测力台，（b）落地后发生任何跳跃、跨步或手臂外展，或（c）手离开腰部，则试验作废并重复。稳定侧和不稳定侧的测试顺序交替进行。为减少随机误差和提高数据可靠性，参与者每种落地条件（不稳定侧落地、稳定侧落地）进行三次成功试验。三次试验的平均值用于后续分析。

数据处理与分析

使用Visual 3D软件处理和分析Vicon系统的原始运动学数据和测力台的动力学数据。三维坐标数据使用截止频率10 Hz的四阶低通巴特沃斯滤波器平滑。测力台数据使用相同滤波器，截止频率50 Hz。下肢关节角度使用X-Y-Z卡丹旋转序列（欧拉角）计算。初始接触（IC）定义为垂直地面反作用力（vGRF）首次超过10 N的时刻。

鉴于FAI患者在落地时IC、峰值vGRF时刻以及踝关节处于跖屈和内翻位时损伤脆弱性升高，本研究的主要结局指标为：1. IC和峰值vGRF时刻髋、膝、踝关节在矢状面和额状面的角度（°）；2. 峰值vGRF，归一化至体重（BW）；3. 达峰值vGRF时间（T_vGRF, ms）；4. 垂直加载率（LR, BW/ms），计算公式：LR = 峰值vGRF / T_vGRF；5. 下肢长度变化（ΔL, m），定义为从IC到落地阶段最低点大转子标记点的位移；6. 下肢刚度（K_leg, BW/m），计算公式：K_leg = 峰值vGRF / ΔL。

统计分析

使用SPSS软件（27.0版）进行统计分析。描述性统计以均值±标准差（M ± SD）表示。使用Shapiro-Wilk检验评估数据分布正态性，使用Levene检验评估方差齐性。采用2（性别：男、女）×2（侧别：不稳、稳定）混合设计方差分析（ANOVA）分析运动学和动力学变量。使用Mauchly球形检验评估球形假设；若违反此假设，则采用Greenhouse-Geisser校正调整自由度和F值。统计显著性设为α = 0.05。若检测到显著交互效应，则进行简单主效应分析。简单效应内的多重两两比较采用Bonferroni校正，调整后显著性水平为p < 0.0125。

结果

髋关节角度特征

在IC和峰值vGRF时刻，髋屈曲和髋外展角度均存在显著的性别主效应。女性FAI个体在两个时间点均表现出显著大于男性的髋屈曲角度和小于男性的髋外展角度。

膝关节角度特征

在IC和峰值vGRF时刻，任何膝关节角度测量（屈/伸、内翻/外翻）在性别、侧别或其交互作用上均未观察到统计学显著差异。

踝关节角度特征

在IC时踝跖屈角度存在显著的性别×侧别交互效应。简单效应分析显示，女性FAI个体在其不稳定侧的跖屈角度显著小于稳定侧。在IC时踝内翻角度存在显著的性别主效应，女性FAI个体表现出比男性更大的内翻角度。

动力学特征

峰值vGRF存在显著的性别×侧别交互效应。随后的简单效应分析显示，在不稳定侧，女性FAI个体的峰值vGRF值显著高于男性。此外，女性FAI个体在不稳定侧的峰值vGRF显著高于其自身的稳定侧。T_vGRF、LR、ΔL或K_leg未观察到显著差异。

讨论

性别差异对FAI患者落地时下肢运动策略的影响

本研究从生物力学角度阐明了单侧FAI患者在单腿落地时采用的性别特异性代偿模式。结果表明，与男性相比，女性FAI个体在IC和峰值vGRF时刻表现出显著更大的髋屈曲和更小的髋外展角度，同时在IC时伴有更高的踝内翻角度。这些发现有力支持了假设1，证实了男性和女性FAI个体采用不同的下肢生物力学策略来代偿受损的踝关节稳定性。

具体而言，女性FAI个体似乎通过增强动态髋屈曲控制来抵消踝关节不稳缺陷，而男性FAI个体可能利用其固有的更大肌肉刚度采用更“僵硬”的支撑策略。既往研究记载，由于踝关节损伤，FAI患者在动态任务中增加对髋屈曲的依赖以进行冲击缓冲。当前结果表明这种行为在女性中更为明显，突出了性别差异在FAI代偿力学中的关键作用。

从解剖学角度看，女性通常拥有更宽的骨盆、更大的Q角以及由雌激素介导的更大韧带松弛度。这些特征可能使女性在动态任务中更依赖髋外展肌群的主动控制（如臀中肌的神经肌肉激活和协调）以维持近端稳定性。观察到的女性FAI患者髋外展角度减小可能表明这些肌肉激活不足。这种受损的激活会损害额状面稳定性并增加损伤风险，且与女性髋外展减弱的已知基线趋势一致。此外，现有研究表明男性体内的睾酮促进肌纤维肥大并增加II型快肌纤维比例，从而显著增强肌肉刚度和爆发力。这种生理优势可能促使男性在遇到高冲击落地任务时倾向于采用减少关节活动范围的“僵硬”代偿。值得注意的是，这些性别差异的起源不仅归因于解剖学差异，还与激素波动和神经肌肉控制策略密切相关。研究揭示女性在体育活动中表现出更高的韧带松弛度，与内源性雌激素水平的周期性波动密切相关。这种生理特性可能使女性在高冲击落地时需要更多地依赖涉及髋外展肌的保守控制策略来维持动态稳定性。然而，髋外展角度减小间接表明臀中肌激活欠佳，可能损害额状面稳定性，增加代偿性骨盆倾斜风险，并引发运动链失衡。这一观察与Hunter的 proposition 一致，即固有的生理和解剖性别差异是男女性神经肌肉表现差异的关键决定因素。同时，Jacobs等人的研究表明女性在落地时产生的峰值髋外展扭矩显著低于男性，进一步强调了髋外展肌功能在女性运动控制中的关键作用。Gehring等人的发现，即女性在跑步任务中表现出更大的髋内收角度，为髋外展控制存在显著性别差异的观点提供了额外支持。本研究结果证实了先前关于性别差异对运动执行影响的结论，表明尽管FAI导致本体感觉缺陷和神经肌肉控制减弱，但髋关节力学中的性别特异性差异仍然存在。

尽管在髋和踝关节运动学上观察到性别差异，但本研究未检测到膝关节角度的显著差异。这种现象可能归因于膝关节独特的生物力学作用。适当调节膝关节屈曲角度可有效放大落地时的冲击缓冲，从而增强姿势稳定性以代偿踝关节稳定性降低。Blackburn和Padua的研究表明，膝关节屈曲角度的适度增加有助于在落地支撑阶段有效吸收冲击能量，增强缓冲能力和稳定性。然而，当前研究结果表明，在这种高冲击任务中，男性和女性FAI个体在膝关节屈曲和额状面（内翻/外翻）角度调整上采用了统计学上无法区分的策略。这表明在此特定实验条件下，两性间的膝关节控制策略可能相似。但这一结果不能外推意味着FAI患者的膝关节生物力学与健康对照组一致；它仅表明在此特定任务参数内，膝关节代偿策略缺乏性别分化。

不稳定肢体的性别特异性生物力学适应与损伤风险

本研究进一步揭示，女性FAI个体在单腿落地任务中，其不稳定肢体内部表现出独特的生物力学特征。具体而言，不稳定踝表现出与稳定侧相比跖屈减少，并伴有峰值vGRF升高。此外，女性不稳定肢体的峰值vGRF显著高于男性。这一结果验证了假设2，揭示了女性FAI个体落地时独特的生物力学弱点。

既往研究证实，FAI中的踝关节损伤损害本体感觉和神经肌肉控制，不利影响肌肉反应时间和协调性，并削弱关节位置和运动感知。本研究结果强调了这种缺陷在女性FAI个体中的表现，表明她们可能采用更保守的运动策略以减轻受损踝关节的负荷。矛盾的是，结果表明这种保守方法未能有效缓解不稳定肢体的异常负荷。IC时踝跖屈不足可能改变足地相互作用， potentially reducing the time available for eccentric energy absorption by the plantarflexors. 由于随后向背屈的过渡对于落地时冲击力的衰减至关重要，女性FAI个体观察到的跖屈减少可能损害这一能量吸收阶段。这可能损害腓肠肌-比目鱼肌复合体的离心能量吸收能力，并 potentially facilitate the transmission of impact forces proximally. 这一解释与观察到的女性FAI个体比男性更大的髋屈曲和更小的髋外展角度一致。

从神经生理学角度，Ingalhalikar等人对428名男性和521名女性的脑连接分析显示，男性在幕上区域的半球内连接显著更强，而女性则表现出更明显的半球间连接。这表明男性运动协调效率更高，而女性可能在语言-情感表达和感知处理方面具有优势。这些不同的脑连接模式可能影响FAI个体对运动策略的选择。女性FAI个体可能利用其感知/情感处理优势，表现出更倾向于采用保守策略以避免损伤；而男性则受益于高效的运动协调，通过肌肉僵硬实现更均匀的负荷分布。这可能是导致性别分化运动控制策略的更深层神经生理因素，尽管其与落地冲击时特定生物力学表现的确切联系需要在未来研究中直接验证。

进一步分析表明，这种适应不良生物力学的潜在机制也可能在于FAI中受损的本体感觉-运动控制环路。不稳定踝关节减弱的本体感觉输入可能损害下肢肌肉有效招募以进行能量吸收，导致不稳定肢体局部冲击负荷，这种有害状态在女性FAI个体中被显著放大。尽管观察到的女性近端代偿策略（增强髋屈曲）可能 confer short-term postural stability，但它可能诱发有害的级联效应。髋、膝、踝作为下肢运动链中相互依赖的组成部分，一个关节的功能障碍 often precipitates altered movement patterns， engaging adjacent or proximal joints to compensate for the impaired segment. 虽然此类代偿机制可能 acute facilitate task completion，但长期使用 risks disrupting kinetic chain coordination and elevating re-injury susceptibility. 此外，T_vGRF、LR和K_leg无显著差异表明，尽管峰值vGRF和踝关节角度存在性别差异，但男性和女性FAI个体在冲击吸收过程中的力发展速率和整体下肢变形/刚度控制上可能采用 comparable strategies.

局限性

1. 1.
   相对较小的样本量和参与者队列的高度同质性可能限制统计效能，并影响研究结果向更广泛FAI人群的推广性。2) 标准化的30 cm单腿落地任务采用规定的“趾-跟”模式，虽确保了实验控制，但与真实运动场景的复杂多变需求不同，可能影响生态效度。3) 缺乏同步表面肌电图（sEMG）数据阻碍了对观察到的运动学和动力学性别差异 underlying neuromuscular control 的确定性机制解释。未来研究应努力招募更大、更多样化的样本，模拟生态效度高的运动特异性落地场景，并整合sEMG以全面探索FAI的性别特异性生物力学特征。此外，未来研究应纳入踝关节力矩测量（归一化至体重），以更好地量化与性别差异和体型变异相关的关节负荷。

结论

本研究阐明了性别差异对单侧FAI患者单腿落地时下肢生物力学的影响。女性FAI个体表现出独特的生物力学特征：比男性更大的踝内翻；与自身稳定侧相比，不稳定肢体的跖屈减少；以及不稳定肢体更高的峰值vGRF。这些发现表明其对动态不稳和再损伤的脆弱性升高。此外，研究识别出不同的代偿策略：女性FAI个体表现为近端（髋主导）代偿倾向，证据是更大的髋屈曲和更小的外展；而男性FAI个体主要采用涉及关节活动受限的僵硬策略。因此，FAI康复需要性别特异性的方法。女性方案应强调跖屈离心控制和臀中肌激活训练以改善负荷分布。男性方案在优化僵硬策略内能量传递效率的同时，必须纳入防护措施以应对潜在的局部应力集中风险（如跟腱）。基于本研究结果，未来研究应将性别作为生物力学研究设计和分析的关键因素，以进一步阐明FAI的机制。