评估慢性踝关节不稳个体的姿势控制与下肢肌肉激活

摘要

伴有慢性踝关节不稳（CAI）的个体表现出姿势控制能力下降以及下肢肌肉激活延迟。计算机化动态姿势图结合表面肌电图可揭示视觉、躯体感觉和前庭系统与肌肉激活调节之间的协调机制，从而帮助维持CAI个体的姿势稳定性。

摘要

计算机化动态姿势图（CDP）是一种在静态、动态条件及外界干扰下客观评估姿势稳定性的技术。CDP基于倒摆模型，用于追踪压力中心与重心之间的相互关系。CDP可用于分析视觉、本体感觉和前庭感觉在维持姿势稳定性中的相对贡献。慢性踝关节不稳（CAI）的特征包括持续性踝关节疼痛、肿胀、“打软腿”感以及自我报告的功能障碍。由于外侧踝关节韧带复合体损伤，CAI个体的姿势稳定性及腓骨肌激活水平下降。目前极少有研究采用CDP来探讨CAI个体的姿势稳定性，而将CDP与表面肌电图同步用于研究姿势稳定性及相关肌肉激活的研究更为缺乏。本CDP方案包括感觉整合测试（SOT）、运动控制测试（MCT）、适应性测试（ADT），以及单腿站立（US）和稳定性极限（LOS）的测量。表面肌电图系统与CDP同步，以采集测量过程中下肢肌肉的激活数据。该方案提出了一种评估视觉、躯体感觉和前庭系统协调性及其相关肌肉激活以维持姿势稳定性的新方法，同时为CAI个体在应对真实复杂环境时的神经肌肉控制机制提供了新的见解。

引言

计算机化动态姿势图（CDP）是一种在静态、动态条件及外界扰动下客观评估姿势稳定性的技术。CDP基于倒摆模型，用于追踪压力中心（COP）与重心（COG）之间的相互关系。COG是身体质量中心（COM）在垂直方向上的投影，而COM是在全局参考系中等效于全身质量的点。COP是地面垂直反作用力矢量的作用点，代表了与地面接触区域表面所有压力的加权平均值¹。姿势稳定性是指在特定感觉环境下，将身体质量中心（COM）维持在支撑基底范围内的能力，反映了神经系统对中枢神经系统、传入感觉系统（视觉、本体感觉和前庭感觉）以及运动指令输出之间协调控制的能力²。

既往用于评估姿势控制的方法，例如单腿站立时间及Y型平衡测试中的伸展距离，均以结果为导向，无法客观评价感觉系统与运动控制之间的协调性³此外，一些研究采用了便携式计算机化摇板，可在实验室环境之外量化动态平衡表现^4,5,6CDP 与上述测试方法不同，因为它可用于分析视觉、本体感觉和前庭感觉在维持姿势稳定性中的比例，以及评估运动策略（如踝关节主导策略或髋关节主导策略）的占比。CDP 被视为姿势控制测量的金标准。⁷ 因其准确性、可靠性和有效性⁸.

慢性踝关节不稳（CAI）的特点是持续性踝关节疼痛、肿胀以及“打软腿”感，是常见的运动损伤之一⁹。CAI 主要源于踝关节外侧扭伤，导致踝外侧韧带复合体的完整性和稳定性遭到破坏。本体感觉、腓骨肌力量以及距骨的正常运动轨迹均受到影响^10,11。踝关节局部功能薄弱可能导致 CAI 患者的姿势控制能力及肌肉激活模式出现缺陷¹²。然而，目前极少有研究采用计算机化动态姿势图（CDP）来评估 CAI 患者的姿势稳定性^3,13。现有的检测方法很少从感觉分析的角度对 CAI 的姿势控制缺陷进行深入分析。因此，CAI 患者在维持姿势稳定性过程中的感觉整合能力及姿势代偿策略仍需进一步探讨。

肌肉活动是影响姿势稳定性调节的神经肌肉控制的重要组成部分^14,15。然而，临床动态姿势测试（CDP）仅通过测力台监测压力中心（COP）与重心（COG）之间的相互关系，难以用于观察伴有慢性踝关节不稳（CAI）个体下肢肌肉的特定激活水平。目前，很少有研究采用将CDP与肌电图（EMG）相结合的方法来评估CAI个体的姿势稳定性。

因此，本研究建立的实验方案旨在通过结合计算机化动态姿势图（CDP）与表面肌电图系统（sEMG），探索伴有慢性踝关节不稳（CAI）个体的姿势控制及相关肌肉活动。该方案为研究CAI受试者的神经肌肉控制机制（包括感觉整合、姿势控制及相关的肌肉活动）提供了一种新颖的方法。

方案

测试前，参与者在了解实验流程的相关信息后签署了知情同意书。本实验已获得上海体育大学伦理委员会的批准。

1. 仪器设置

1. 开启 CDP 系统，完成自校准，并确保仪器以 100 Hz 的采样频率正常运行。
   注意：安装的两个独立测力台各测量三个力（Fx、Fy 和 Fz）及三个力矩（Mx、My 和 Mz）。x 轴为左右方向，垂直于矢状面；y 轴为前后方向，垂直于冠状面；z 轴垂直于水平面。坐标原点位于测力台的中心。
2. 双击 Balance Manager System | Clinical Module，然后点击 New Patient 并建立患者编号。输入准确的身高、体重和年龄。选择 Sensory Organization Test, Unilateral Stance, Limits of Stability, Motor Control Test, 和 Adaption Test。
   注意：此类人口统计学数据也用于与年龄匹配的正常参考值进行诊断分析。
3. 开启表面肌电图（sEMG）系统，双击 EMG Motion Tools 图标。将触发信号设置为 Trigger In (Manual Stop)，建立受试者编号，并将所测肌肉与无线电极匹配。不稳定下肢的肌肉包括股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）、股二头肌（BF）、胫骨前肌（TA）、腓骨长肌（PL）、腓肠肌内侧头（GM）和腓肠肌外侧头（GL）。
   注意：Trigger In (Manual Stop) 表示 CDP 触发 sEMG 系统在测试期间采集肌电信号，但“结束”标志需手动点击以停止数据采集。
4. 通过同步线将 sEMG 系统与 CDP 系统连接。调整 sEMG 系统的摄像头，使其对准 CDP 系统的信号指示灯。
   注意：指示灯视频与 CDP 系统和 sEMG 同步采集，以便根据 CDP 测试裁剪出相应的肌电周期。“灯亮”表示测试正在进行，“灯灭”表示测试暂停或停止。

2. 受试者选择与准备

1. 采用以下标准纳入慢性踝关节不稳（CAI）受试者：（1）35名具有规律日常活动的男性受试者，排除专业运动员或久坐不动者；（2）年龄20–29岁；（3）至少有一次明显踝关节扭伤史，且首次扭伤发生在入组研究前至少12个月；（4）受伤踝关节有“打软腿”感和/或反复扭伤和/或“不稳感”；（5）Cumberland踝关节不稳评估量表得分低于24分¹⁶。
   1. 排除有双侧踝扭伤史、下肢骨折史、手术史、神经系统或前庭系统疾病史，或对贴扎过敏的受试者。此外，招募35名无CAI的男性受试者作为对照组，其人口学数据需与CAI组相匹配。
2. 准备阶段，在目标肌肉肌腹处固定电极片。指导受试者穿戴安全背带，赤足站立于测力台上，面向视觉环绕装置。
   1. 调整受试者双足在测力台上的位置，使内踝尖与水平线对齐，足外侧缘与计算机生成的对应身高线（S、M和T线）对齐。关闭视觉环绕装置中嵌入的屏幕（图1）。
      注意：上述身高分类标准如下：“S”代表“矮”，对应身高范围为76 cm至140 cm；“M”代表“中”，对应身高范围为141 cm至165 cm；“T”代表“高”，对应身高范围为166 cm至203 cm。由于屏幕可提供实时视觉反馈，可能产生学习效应，因此测试过程中应保持屏幕关闭，仅在稳定性极限（LOS）测试期间开启¹⁷。

图1：测量前的受试者准备。 受试者赤脚直立，面向视觉环境，佩戴安全背带，将双脚正确对准测力台，并在腿部固定无线表面肌电（EMG）电极。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 测量步骤

1. CDP 测量
   1. 感觉组织测试
      1. 指导受试者直立站立，并尽可能保持其重心（COG）稳定，以应对来自视觉、本体感觉和前庭感觉的干扰（单独或组合）（表 1）。完成条件 1–6 的测量。每次测试持续 20 秒。每种条件下重复操作三次。
   2. 单腿站立
      1. 指导受试者将双手置于髂前上棘，睁眼/闭眼站立。将不稳定的踝关节侧作为支撑腿。完全伸展支撑腿的膝关节，非支撑腿的膝关节弯曲约 30°。让受试者保持稳定站立 10 秒。每种视觉条件下重复操作三次。
   3. 稳定极限
      1. 指导受试者将重心维持在中央区域。听到提示音后，身体前倾并迅速将重心移至屏幕中指定的目标框内。指导受试者保持稳定 10 秒。完成重心在八个方向上的转移（前、前右、右、右后、后、后左、左、左前）。
         注意：在重心转移过程中，身体保持挺直，脚跟或脚趾不得离开测力台，髋关节不得弯曲。
   4. 运动控制测试
      1. 指导受试者有效反应以恢复身体稳定性，并应对测力台意外滑动。每种滑动条件下重复操作三次。
         注意：测力台在前后方向上以小/中/大振幅滑动。根据受试者的身高，测力台的滑动幅度将自动调整。必须遵循标准程序对齐受试者在测力台上的足部位置。试验之间存在随机延迟。
   5. 适应性测试
      1. 指导受试者有效反应以恢复身体稳定性，并应对以 20°/s 速度连续发生的五次意外旋转。指导受试者脚趾向上或向下转动。

条件	眼睛	测力台	视觉环境	干扰来源	预期反应
1	睁开	固定	固定		本体感觉
2	闭合	固定	固定	视觉	本体感觉
3	睁开	固定	摆动参考	视觉	本体感觉
4	睁开	摆动参考	固定	本体感觉	视觉、前庭觉
5	闭合	摆动参考	固定	本体感觉、视觉	前庭觉
6	睁开	摆动参考	摆动参考	本体感觉、视觉	前庭觉

表1：感觉整合测试中不同的干扰及相应的预期反应。 “摇摆参照”是指力台和视觉环境的运动跟随受试者的重心摇摆而动。

2. 表面肌电测量与数据处理
   1. 在SOT、US、LOS、MCT和ADT过程中由CDP系统触发后，开始自动采集下肢肌肉活动的原始数据。当表面肌电（sEMG）系统指示灯熄灭时，手动停止数据采集。采样频率为1000 Hz。
   2. 进入表面肌电（sEMG）软件的处理窗口。导入肌电原始数据的 C3d 文件和灯光视频的 mp4 文件。截取灯光亮起时的试验周期。
   3. 在“处理流程”操作中，运行流程时需包含以下选项：巴特沃斯滤波器，低通（450 Hz，2阶）和高通（20 Hz，2阶）；50 Hz陷波滤波器；以及100 ms的均方根平滑窗。
      注意：选择巴特沃斯滤波器，低通设置为450 Hz（2阶），高通设置为20 Hz（2阶），以滤除不需要的低频和高频成分。将陷波滤波器设为50 Hz，以去除来自主电源的50 Hz干扰。使用100 ms的均方根平滑窗对噪声信号进行平滑处理。
   4. 在 生成事件 选项包括在运行流程中加入以下事件。“肌肉激活”定义为“所有通道的信号均高于基线噪声标准差的5倍，且持续至少50毫秒”。“肌肉失活”定义为“所有通道的信号均降至基线噪声标准差5倍以下，且持续至少50毫秒”。
   5. 在 生成参数 选项包括在运行流程中加入以下参数：积分肌电图（iEMG）；均方根（RMS）；平均功率频率（MPF）；中位频率（MDF）；以及共激活比率。
      注意：以下是上述参数引用的计算公式（公式 1–4）：
      
      
      
      
   6. 将SOT、US、LOS、MCT和ADT试验的RMS值分别除以各肌肉最大自主等长收缩（MVIC）的RMS值，进行归一化处理（公式5）。
      
      注：MVIC 表示受试者在标准姿势下每块肌肉持续收缩 5 秒所能达到的最大力量 （补充文件 1）¹⁸.

结果

典型的 CDP 结果
感觉整合测试
当环境因外周信号输入发生变化时，系统会评估受试者维持重心（COG）在预定目标区域内的能力。平衡评分（ES）是指在条件1–6下的得分，反映个体协调感觉系统以维持姿势稳定性的能力（公式6）。综合评分（COMP）是所有测试条件得分的加权平均值，尤其重视条件4、5和6的挑战性任务。综合评分的计算方法为：分别对SOT1和SOT2条件的平衡评分取平均值，将这两个平均值与SOT3至SOT6各三个试验的平衡评分相加，再除以实际完成的总试验次数^19,20。图中绿色柱状图表示该受试者协调三种感觉系统的能力及其反应效率优于数据库中同龄人群的正常参考值。红色柱状图表示该受试者的感觉整合能力差于数据库中同龄人群的正常参考值（图 2A）。

讨论

本方案通过同步使用临床动态姿势测试（CDP）与表面肌电图（sEMG），用于测量伴有慢性踝关节不稳（CAI）个体的动态姿势控制能力及相关肌肉活动。CDP可追踪重心（COP）与身体中心（COG）的运动轨迹，揭示感觉信息输入（视觉、本体感觉和前庭觉）与外部环境之间的相互作用^8,21,22。该方法是诊断由感觉或运动系统障碍所致功能活动受限的有效工具。在执行CDP任务期间同步采集肌肉活动数据，以研究下肢的协调性。本方案在特定情况下弥补了以往研究的不足，通过结合CDP与相关肌肉活动，实现对CAI患者神经肌肉控制能力的全面评估。

本方案中的以下步骤对于研究姿势稳定性至关重要，并与信号的准确测量密切相关。预实验结果表明，完成整个测试而不休息需要25分钟。在此过程中，受试者需集中注意力调整运动策略并维持平衡。疲劳会改变中枢神经系统的运动调控策略，并干扰本体感觉、肌肉反应及动态姿势控制

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
NeuroCom Balance Manager SMART EquiTest	Natus Medical Incorporated，美国		其主要组件包括：NeuroCom Balance Manager 软件套件、动态双力板（可旋转） &和翻译），可移动的视觉环绕装置，具有15” LCD 显示屏（可提供受试者的实时显示）’重心以光标形式在任务过程中显示）、照明装置、带患者背带的顶部支撑杆、计算机及其他部件。
无线 Myon 320 sEMG 系统	Myon AG		该系统由16个并行的发射信号通道、接收器组成， "EMG运动工具" 和 "ProEMG" 软件、计算机及其他部件。