《Journal of Biomechanics》：Feedforward neuromuscular control and dynamic postural stability in people with chronic ankle instability during single-leg landing
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患有慢性踝关节不稳（CAI）的个体在神经肌肉控制和姿势稳定性方面表现出缺陷。反馈机制已被广泛研究，而动态任务中的前馈机制仍研究不足。本研究比较了CAI组、应对者（coper）组和健康组之间的前馈神经肌肉控制和动态姿势稳定性。十五名CAI患者（23.5 ± 2.
患有慢性踝关节不稳（CAI）的个体在神经肌肉控制和姿势稳定性方面表现出缺陷。反馈机制已被广泛研究，而动态任务中的前馈机制仍研究不足。本研究比较了CAI组、应对者（coper）组和健康组之间的前馈神经肌肉控制和动态姿势稳定性。十五名CAI患者（23.5 ± 2.9岁，11男/4女）、十五名应对者（24.1 ± 3.4岁，12男/3女）和十五名健康参与者（25.5 ± 3.5岁，11男/4女）从30 cm高度执行单腿下落着陆。通过测力台记录1秒和3秒内的压力中心总移动量（TOTEX1s和TOTEX3s）、内外侧摆动距离（DML）、峰值垂直地面反作用力（peak vGRF）以及前0.4秒内外侧地面反作用力的均方根（RMS_ML_0.4）。表面肌电图记录着陆前200毫秒内胫骨前肌（TA）、腓骨长肌（PL）和腓肠肌外侧头（GL）的肌肉活动。使用Teager-Kaiser能量算子（TKEO）计算预激活时机。统计分析采用单因素方差分析（α = 0.05）和Tukey事后检验。与健康参与者相比，CAI个体表现出更早的TA（270 ± 73 ms vs. 85 ± 53 ms，p < 0.001）和PL（260 ± 87 ms vs. 102 ± 62 ms，p < 0.001）预激活，同时TA活动更高（76 ± 27% vs. 35 ± 19%，p < 0.001）但PL活动更低（38 ± 14% vs. 77 ± 23%，p < 0.001）。同时观察到更高的RMS_ML_0.4（6.7 ± 1.3%BW vs. 5.6 ± 1.0%BW，p = 0.037）、DML（55.6 ± 15.7 mm vs. 39.5 ± 9.0 mm，p < 0.001）和峰值vGRF（334 ± 44%BW vs. 286 ± 59%BW，p = 0.041）。与CAI个体相比，应对者表现出更早的GL预激活（169 ± 57 ms vs. 108 ± 67 ms，p = 0.021）、更高的活动（155 ± 40% vs. 97 ± 29%，p < 0.001）和更小的DML（42.7 ± 7.0 mm vs. 55.6 ± 15.7 mm，p = 0.008）。CAI表现出姿势控制缺陷和低效的前馈控制，尽管预激活较早但PL活动较低。建议进行发力率训练。GL激活增加可能是应对者在初次踝关节扭伤后的代偿反应。
研究背景：踝关节扭伤是最常见的运动相关损伤之一，其中外侧踝关节扭伤（LAS）占最大比例。近半数LAS发生于落地或突然变向等动态运动过程中，高达70%的个体可能发展为慢性踝关节不稳（CAI），其特征为持续性疼痛、肿胀、功能障碍和反复的踝关节打软腿发作。在落地过程中，内外侧姿势稳定性至关重要，控制不足可使地面反作用力向内偏移，使踝关节处于易受伤的跖屈内翻位并增加扭转力矩。有效的动态姿势稳定性依赖于两种关键运动控制机制：前馈控制（开环、预期性）和反馈控制（闭环、反应性）。前馈控制涉及基于先前经验和任务预期在地面接触前进行的预期性肌肉激活和关节准备。迄今为止，大多数研究集中于反馈控制缺陷，通常采用站立位突然扰动范式评估，然而这些范式依赖突然扰动，可能无法完全反映运动中外侧踝关节扭伤常发生于动态落地任务的情况。相比之下，前馈控制，特别是地面接触前的预激活，受到的关注较少。尽管已有研究报告CAI个体存在落地相关前馈控制缺陷，但关于关键踝关节肌肉（包括胫骨前肌TA、腓骨长肌PL和腓肠肌外侧头GL）激活时机和幅度的详细证据仍然有限。近年研究开始比较CAI个体和应对者在动态任务中的前馈缺陷。应对者定义为有踝关节扭伤史但无残留症状或功能障碍、已恢复至少中等负重体力活动12个月以上的个体。因此，本研究旨在比较CAI个体、应对者和健康对照者在单腿下落着陆过程中的动态姿势稳定性和踝关节前馈神经肌肉控制。研究假设CAI个体将表现出发力延迟和踝外翻肌活动降低，以及内外侧摆动增加所反映的较差姿势稳定性，而应对者与CAI个体相比将表现出更早的前馈激活和更好的姿势控制。
研究人员开展了以下研究：招募45名体力活动参与者，分为CAI组（N=15）、应对者组（N=15）和健康组（N=15）。CAI组纳入采用Cumberland踝关节不稳工具（CAIT）确定，纳入和排除标准遵循国际踝关节联盟的立场声明。所有参与者完成健康筛查问卷。研究经机构研究伦理与诚信委员会批准（编号：#22164）。参与者从30 cm高台执行裸足单腿下落着陆，双手置于髋部，目光注视墙上固定点，站在台上约2秒后自由下落，着陆后尝试保持单腿站立3秒。使用无线表面肌电系统（Trigno；Delsys Inc.）以2000 Hz采集TA、GL和PL的肌电信号，电极按照SENIAM建议放置。使用测力台（600 mm×900 mm，9287C，Kistler Group）以1000 Hz采集地面反作用力数据，并与Vicon MX Gigamet控制盒同步。使用11台Vicon T系列相机以250 Hz记录踝关节运动标记轨迹。数据分析在Vicon Nexus 2.14中进行，采用零滞后四阶低通Butterworth滤波器（25 Hz）。地面接触以10 N阈值确定。计算RMS_ML_0.4（前0.4秒内外侧地面反作用力的均方根）、峰值垂直GRF、TOTEX1s和TOTEX3s（着陆后1秒和3秒内外侧压力中心总移动量）以及DML（内外侧摆动距离）。排除前20毫秒数据。EMG信号校正48毫秒延迟后整流、带通滤波（低通20 Hz，高通450 Hz）、平滑生成线性包络。分析着陆前200毫秒至初始接触期间的EMG活动，计算均方根振幅，归一化为最后1秒数据的平均EMG百分比。肌肉起始时机使用Teager-Kaiser能量算子确定，起始定义为EMG增加超过基线标准差15倍。CAI和应对者组分析受伤踝，双侧CAI者评估CAIT评分较低侧，评分相同时选择优势侧。健康组评估优势侧。每两项试验的平均值用于统计分析。使用SPSS 29.0.2.0进行统计分析，正态性采用Shapiro-Wilk检验，组间比较采用单因素方差分析，显著性设为p<0.05，效应量使用eta平方计算，事后检验采用Tukey检验。
主要技术方法：表面肌电（sEMG）记录TA、GL和PL肌肉活动，采样率2000 Hz；测力台（Kistler 9287C）采集地面反作用力和压力中心数据，采样率1000 Hz；11台Vicon T系列红外相机运动捕捉系统，采样率250 Hz；Teager-Kaiser能量算子（TKEO）用于肌肉起始时机检测；Vicon Nexus 2.14进行数据处理，采用零滞后四阶低通Butterworth滤波器（25 Hz）；SPSS 29.0.2.0进行单因素方差分析和Tukey事后检验。样本队列来源：45名体力活动参与者，分为CAI组（N=15）、应对者组（N=15）和健康组（N=15），通过社区招募。
研究结果：
3.1 肌肉激活：单因素方差分析显示三组间全部三块肌肉的肌肉反应时间存在显著差异（p<0.05）。CAI组TA和PL肌肉反应时间均快于应对者组（TA：270 ± 73 ms vs. 83 ± 39 ms，P<0.001，Cohen's d=3.22；PL：260 ± 87 ms vs. 164 ± 57 ms，p=0.001，Cohen's d=1.31）和健康组（TA：270 ± 73 ms vs. 85 ± 53 ms，p<0.001，Cohen's d=2.90；PL：260 ± 87 ms vs. 102 ± 62 ms，p<0.001，Cohen's d=2.10）。此外，应对者组PL反应时间快于健康组（p=0.048，Cohen's d=1.05），GL反应时间快于CAI组（169 ± 57 ms vs. 108 ± 67 ms，p=0.021，Cohen's d=0.99）和健康组（169 ± 57 ms vs. 109 ± 57 ms，p=0.025，Cohen's d=1.05）。
3.2 肌肉活动：三组间全部三块肌肉的着陆前肌肉激活存在显著差异（p<0.05）。CAI组TA激活显著大于应对者组（76 ± 27% vs. 47 ± 23%，p=0.003，Cohen's d=1.18）和健康组（76 ± 27% vs. 35 ± 19%，p<0.001，Cohen's d=1.78），但GL激活显著低于应对者组（97 ± 29% vs. 155 ± 40%，p<0.001，Cohen's d=1.65），PL激活低于应对者组（38 ± 14% vs. 55 ± 13%，p=0.019，Cohen's d=1.27）和健康组（38 ± 14% vs. 77 ± 23%，p<0.001，Cohen's d=2.10）。此外，应对者组PL激活显著低于健康组（55 ± 13% vs. 77 ± 23%，p=0.003，Cohen's d=1.19）。
3.3 动态姿势控制：三组间RMS_ML_0.4（F=3.376，p=0.044，η2=0.138）、峰值垂直GRF（F=4.408，p=0.018，η2=0.173）和DML（F=8.698，p<0.001，η2=0.293）存在显著差异。CAI组RMS_ML_0.4显著大于健康组（6.7 ± 1.3%BW vs. 5.6 ± 1.0%BW，p=0.037，Cohen's d=0.93），峰值垂直GRF大于应对者组（334 ± 44%BW vs. 284 ± 52%BW，p=0.031，Cohen's d=1.04）和健康组（334 ± 44%BW vs. 286 ± 59%BW，p=0.041，Cohen's d=0.92）。此外，CAI组DML大于应对者组（55.6 ± 15.7 mm vs. 42.7 ± 7.0 mm，p=0.008，Cohen's d=1.06）和健康组（55.6 ± 15.7 mm vs. 39.5 ± 9.0 mm，p<0.001，Cohen's d=1.26）。TOTEX1s和TOTEX3s组间无显著差异。
讨论部分总结：本研究比较了CAI、应对者和健康三组间的神经肌肉和姿势控制。大多数假设得到支持。应对者组在着陆时的峰值垂直GRF和内外侧摆动与健康参与者相似，但小于CAI组。此外，CAI组在单腿下落着陆中表现出PL和GL预激活降低，但测量到更早的PL和GL激活，研究关于踝外翻肌预激活延迟的假设被拒绝。CAI个体在着陆前表现出更早的PL和TA预激活，伴随显著大于应对者和健康对照的TA激活。这种增强的准备性肌肉活动反映了保护性前馈机制。CAI个体中正常的反应性（反馈）肌肉反应通常太慢，无法在动态任务中防止踝关节进入易受伤位置。为补偿这种延迟，他们采用中枢介导的前馈神经适应，导致踝关节肌肉近端和远端的预激活增强。然而，更早的激活不一定表明更有效的肌肉准备。尽管CAI个体表现出更优的预激活时机，但其着陆前PL活动弱于应对者和健康对照，表明虽能更早启动肌肉活动，但激活质量和幅度可能仍受损。这种激活幅度受损可能导致发力率（RFD）障碍。大多数踝关节扭伤发生在接地后50毫秒内，因此借助早期激活优势，改善RFD能力可能有助于产生肌肉力以实现稳定着陆。CAI组表现出更早且更显著的TA着陆前激活，约早200毫秒且幅度约为应对者和健康组的兩倍。CAI组中TA激活先于PL和GL激活，而应对者和健康组中PL和GL激活几乎同时发生并先于TA激活。这种改变了的激活顺序可能通过降低踝关节产生外翻力矩以对抗增加的内翻力矩的能力而增加外侧踝关节扭伤风险。然而，观察到的激活模式应结合着陆任务的需求进行解释。参与者落在平坦、可预测的表面，无外部施加的内翻扰动，TA活动升高可能反映了针对任务预期需求的预期性策略。CAI组与健康组相比表现出较差的姿势控制，具有更大的垂直和内外侧GRF以及更大的内外侧摆动距离。较高的峰值垂直GRF表明缓冲效应降低，是外侧踝关节扭伤的已知高风险指标。相反，与CAI组不同，应对者组表现出与健康个体相似的动态姿势控制性能。应对者组还表现出低于CAI组的内外侧摆动。这些发现表明应对者在初次踝关节扭伤后可能保留了相对良好的动态姿势控制。然而，这种姿势控制优势并未转化为简单介于CAI和健康组之间的前馈神经肌肉模式。应对者表现出比CAI个体更早且更大的着陆前GL激活，其GL激活幅度也超过健康组。这种模式连同应对者相对健康参与者较弱的PL预激活，表明应对者可能依赖以GL为中心的代偿性前馈策略来抵消持续的踝外翻肌激活缺陷。GL肌肉跨越膝和踝关节，参与膝关节屈曲和踝关节跖屈。更大的膝关节屈曲被认为是衰减垂直地面反作用力和实现较软着陆的策略。应对者组可能采用了涉及增加膝关节屈曲的平衡策略以减少传递至踝关节的着陆力和应力。由于本研究未测量矢状面膝关节运动学，该机制仍为推断性的。这种GL介导的前馈适应可能是区分应对者和进展为CAI个体的关键神经肌肉因素。研究存在以下局限性：第一，未测量关节角度和角速度等运动学数据，限制了直接反映神经肌肉和姿势控制障碍与着陆策略之间因果关系的能力。第二，尽管遵循标准表面EMG程序，信号质量可能受串扰和噪声影响。第三，由于男女参与者分布不均，未检查性别差异，可能限制结果的普适性。
结论翻译：总之，CAI在单腿着陆过程中表现出更早但效果较差的前馈控制，TA和PL激活更早、PL活动降低且内外侧稳定性较差。因此康复应针对动态任务中快速外翻肌发力率和前馈控制，而非仅进行力量训练。相反，应对者表现出更早且更大的GL激活，可能有助于在初次扭伤后衰减地面冲击力并维持稳定性。未来研究应检验改善外翻肌发力率是否能增强着陆控制并降低损伤风险。
