基于踝关节力矩和剪切波弹性成像的胫骨前肌在体力学特性研究揭示其长度依赖性与收缩强度响应机制

为解决在体肌肉力学特性评估的难题，研究人员通过结合踝关节力矩测量与剪切波弹性成像（SWE）技术，系统研究了胫骨前肌（TA）在不同踝关节角度和收缩强度下的被动与主动力学特性。结果发现TA被动剪切模量随肌肉长度增加而显著上升，且在亚最大收缩中能有效区分不同强度，但在最大自主收缩（MVC）时剪切模量未随角度变化，与基于关节力矩的切线模量存在差异。该研究强调了SWE在量化肌肉力学特性方面的潜力，为肌肉功能评估和临床诊断提供了新思路。

　　

理解肌肉如何贡献于关节力学是生物力学领域的核心问题，但直接测量在体肌肉力量面临巨大挑战。传统方法通过关节力矩反推肌肉力量，但受到协同肌和拮抗肌共同作用、个体肌肉结构差异以及建模假设的限制，准确性存疑。而侵入式的肌腱力量测量虽能提供直接数据，却难以应用于健康人群或自愿活动监测。近年来，剪切波弹性成像（Shear Wave Elastography, SWE）作为一种新兴的非侵入式技术，通过测量肌肉中的剪切波速度来评估局部肌肉硬度，为在体肌肉力学研究带来了新希望。

尽管SWE已在多种肌肉中得到应用，但对踝关节背屈肌群如胫骨前肌（Tibialis Anterior, TA）的研究仍较有限。TA作为主要的踝关节背屈肌，在步态、平衡和足部功能中扮演关键角色，其功能障碍会导致足下垂等严重运动问题。因此，精确表征TA的力学特性对于理解其功能机制以及开发针对性的康复策略具有重要意义。

在此背景下，来自德国斯图加特大学航空航天工程研究所结构力学与动力学系的Cemre Su Kaya Keles等研究人员开展了一项深入研究，旨在评估TA肌肉在被动和主动状态下的在体力学特性，并探索SWE技术与传统关节力矩推导方法在肌肉力量估计中的一致性与差异。该研究于2025年发表在《Scientific Reports》上。

研究人员主要运用了踝关节力矩测量、表面肌电（EMG）记录、超声成像和剪切波弹性成像（SWE）等技术，在14名健康志愿者（7名女性，26.43±3.67岁）中进行了测试。通过定制化的实验装置，在踝关节不同角度（-15°背屈至45°跖屈）下，同步采集了休息、最大自主收缩（MVC）和等长亚最大收缩（25%、50%、75% MVC）时的生物力学与影像学数据。

Anthropometrics and muscular architecture

研究首先详细描述了TA的肌肉结构参数。结果显示，踝关节角度显著影响TA肌肉长度（F(4,52)=122.79, p<0.001），从背屈到跖屈位置，肌肉长度逐渐增加，在45°时达到最大（26.48±1.58 cm），比-15°时长了15.88%。与之相反，肌腱长度未受角度影响（p=0.110）。TA的解剖横截面积（ACSA）和生理横截面积（PCSA）均随跖屈角度增加而减小（p<0.001），表明肌肉在拉伸时变得更加细长。

Passive muscle characteristics

在被动状态下，研究发现了明显的长度依赖性效应。被动踝关节力矩从-15°时的-9.52±2.60 Nm增加到45°时的1.84±4.67 Nm（p<0.001）。TA的被动剪切模量同样随跖屈角度增加而显著上升（F(4,52)=27.27, p<0.001），从0°时的9.67±5.03 kPa增至45°时的33.05±16.29 kPa。这些结果表明，随着肌肉被拉伸，TA的被动刚度明显增加。

Active muscle characteristics

在主动收缩方面，踝关节力矩在MVC时呈现典型的钟形曲线，最低值出现在-15°（21.44±9.39 Nm），峰值出现在15°（50.13±15.54 Nm）。有趣的是，TA的总剪切模量在MVC时却未随踝关节角度变化而改变（F(4,52)=2.33, p=0.068），平均值为122.96±9.87 kPa。与此相反，TA的EMG振幅却显著受踝关节角度影响（p<0.001），在更背屈的位置表现出更高的电活动水平。

在亚最大收缩中，TA的总剪切模量成功区分了不同收缩强度（25%、50%、75% MVC），且这种区分能力受到踝关节角度的影响（交互作用p=0.002）。特别是在25%与50% MVC以及25%与75% MVC之间，所有角度均发现了显著差异，但在50%与75% MVC之间，仅在-15°处存在显著区别。

Tibialis anterior force-length and stress-strain characteristics

通过踝关节力矩推导的TA力量-长度关系显示，主动力量在15°至30°之间达到峰值，且浅层和深层 compartment 之间无显著差异（p=0.534）。应力-应变关系显示TA浅层和深层的最佳应变（ε₀）分别为14.23±5.37%和13.12±5.33%，对应的最大应力分别为96.50±30.41 N/cm2和87.29±18.44 N/cm2。从应力-应变曲线推导出的切线模量则随跖屈角度增加而显著下降（p<0.001），从-15°时的90.51 kPa降至45°时的-37.03 kPa，表明在高度拉伸状态下，TA的刚度反而降低。

讨论与结论

本研究通过多技术融合的方法，全面评估了TA肌肉的在体力学特性。研究发现SWE能够有效捕捉TA被动状态下的长度依赖性硬度变化以及主动状态下的收缩强度差异，证明了其作为非侵入式肌肉力学评估工具的潜力。然而，在MVC时，SWE测得的剪切模量未能反映出基于关节力矩推导的切线模量的变化趋势，这种差异可能源于肌肉间的力量共享策略、收缩速率的影响或SWE技术本身的局限性。

值得注意的是，基于关节力矩的TA力量估计显示其最佳发力角度在15°-30°之间，与先前研究一致。而应力-应变关系中出现的负刚度值（在45°时）可能反映了TA在极端跖屈位置下的生物力学限制，但这并不代表功能性不稳定，因为在自然运动中瞬态动力学占主导地位。

该研究的发现强调了SWE技术在肌肉力学研究中的价值，同时也指出了需要进一步验证和改进的方面。未来研究可通过同时测量多个协同肌的弹性特性，更全面地了解力量共享机制；采用改进的超声系统减少信号饱和问题；结合高密度EMG技术更精确地追踪神经驱动变化。

总之，这项研究为我们理解TA肌肉在踝关节力学中的作用提供了重要见解，展示了SWE在量化肌肉力学特性方面的应用前景。随着技术的不断完善和验证，SWE有望成为肌肉功能评估、运动表现分析和临床诊断的强大工具，为个性化康复策略和运动训练方案的制定提供科学依据。