《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Push-off asymmetry and kinetic strategies in functional ankle instability during continuous vertical jump tasks
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本文通过30次连续纵跳任务，系统探究了功能性踝关节不稳（FAI）个体在循环高输出条件下推地阶段的动力学表现、功率衰退轨迹及下肢负荷不对称性特征。研究发现，尽管FAI个体能维持与健康人群相当的整体输出水平，但表现出更高的峰值垂直地面反作用力（vGRF）不对称性（p=0.030）及更平缓的峰值vGRF衰退斜率（p=0.046），揭示了其“整体输出维持-负荷分配偏离-独特衰退节律”的动力学适应策略。这提示，传统的宏观表现指标（如跳跃高度）可能掩盖了由代偿机制维持的潜在控制缺陷，未来评估与康复应更关注双侧负荷分配与疲劳下的输出变化，以更有针对性地改善神经肌肉控制、恢复动力平衡并降低再损伤风险。
1 引言
踝关节扭伤是竞技体育和日常身体活动中发生率最高的下肢损伤之一，占所有运动损伤的16%–40%。尽管大部分人在急性扭伤后临床症状得到短期缓解，但大量研究表明，约30%–70%的患者在伤后数月甚至数年内仍持续经历不同程度的踝关节不稳、反复扭伤或功能下降，可能进展为功能性踝关节不稳（FAI）。FAI通常以主观的踝关节“打软腿”感、反复扭伤史以及动态任务中运动控制能力下降为特征，并伴随有本体感觉减弱、肌肉反应时间延迟和神经肌肉控制不足等深层次功能缺陷。这些持续存在的功能损害不仅增加再损伤风险，还可能导致步态和运动模式的长期代偿，进而影响下肢关节的力学负荷分布，导致日常活动能力和生活质量下降。
纵跳是下肢爆发力输出最典型和基本的形式之一，被广泛用于体能训练、功能评估以及篮球、排球、羽毛球等需要频繁起跳和落地的运动。与单次纵跳任务相比，连续纵跳任务要求在短时间内重复完成高强度起跳和落地，更接近实际比赛中循环高输出的场景（如连续跳跃、抢篮板、封挡），因此能更有效地在短时间内诱发神经肌肉疲劳并放大潜在的控制缺陷。具体而言，推地阶段的峰值垂直地面反作用力（vGRF）和冲量反映了神经肌肉系统的爆发驱动和机械负荷耐受性，而其在重复任务下的衰退轨迹（Slope）是神经肌肉抗疲劳能力的敏感指标。此外，不对称指数（AI）揭示了患侧与健侧之间的代偿性负荷再分配策略。现有利用肌电图和运动学的研究表明，FAI个体在单次跳跃或落地任务中，与健康人群相比，在踝关节肌肉的募集模式、协同控制和预激活方式上存在差异，并伴有动态姿势控制能力受损。研究也报告FAI个体在落地阶段表现出改变的落地姿势、减震能力不足以及关节负荷不对称。当前的单次评估往往难以捕捉到真实体育运动中导致“打软腿”发作的累积性神经肌肉疲劳。因此，研究循环高输出条件下的动力学改变对于识别潜在控制缺陷至关重要。然而，目前关于FAI个体在连续纵跳等循环高输出任务中表现的系统性证据尚缺乏。特别是，FAI个体是否能在连续高强度跳跃中保持稳定的推地动力学，其功率衰退轨迹和负荷分配策略如何演变，这些问题与运动处方制定、功能评估和重返运动决策直接相关。
下肢不对称是评估双下肢功能与负荷分配平衡性的关键维度。基于双侧指标差异构建的不对称指数（AI）被广泛用于量化跳跃高度、地面反作用力、冲量等指标的左右差异。虽然适度的不对称在某些专项技术动作中可能具有功能性（如优势腿承担更多起跳任务），但过度或持续的不对称常与运动表现下降、损伤风险增加以及代偿性运动模式相关，尤其是在累积疲劳或高频重复动作条件下。对于主要以单侧踝关节功能损伤为特征的FAI个体，下肢负荷分配策略的系统性改变极有可能发生。一方面，受伤的踝关节可能因保护策略而减少负荷；另一方面，健康的下肢可能被动承担更大的冲击和推进任务，从而加剧双侧不对称。先前关于FAI个体的研究多集中于单次落地或跳跃任务中的不对称差异，而实际运动中的动作往往是连续且重复的。在连续纵跳这一高频循环任务下，FAI个体与健康人群在推地阶段的动力输出和负荷不对称演变上是否存在差异，以及这种差异是否随跳跃次序的推进而累积或改变，目前尚未阐明。
鉴于此，本研究以连续纵跳为情景，比较FAI个体与健康对照在推地动力学和下肢负荷不对称方面的差异，并特别关注随跳跃次序推进的动力学衰退特征，旨在揭示FAI个体在循环高输出任务中潜在的动力学局限，为功能评估和训练方案提供依据。本研究提出以下假设：1）在疲劳条件下，FAI个体会表现出与健康对照不同的动力输出和负荷不对称衰退轨迹；2）与健康对照相比，FAI个体会在推地动力学表现和负荷分配模式上存在差异。
2 方法
2.1 受试者
样本量通过GPower 3.1.9软件估算。考虑到GPower基于方差分析（ANOVA）假设，本研究使用F检验族（ANOVA：重复测量，组内-组间交互）作为线性混合模型（LMM）分析的代理。具体参数设置如下：效应量Cohen’s f = 0.40，I类错误概率α = 0.05，检验效能（1?β）= 0.80，组数=2，测量次数=2。计算得出的最小样本量为16人（每组8人）。考虑到约20%的无效样本率，本研究最终根据国际踝关节联合会（International Ankle Consortium）的筛查标准，筛选出11名单侧FAI男性作为实验组。具体选用坎伯兰踝关节不稳量表（CAIT）作为主要的患者报告结局指标（PROM）。此外，进行了临床检查以评估韧带松弛度。值得注意的是，前抽屉试验被用作排除工具，仅有结果为阴性的参与者被纳入，以排除机械性踝关节不稳（MAI）并确保样本为同质性FAI。同时，根据FAI组的形态特征和运动背景，从健康人群中匹配了11名无踝关节损伤史的参与者作为对照组。鉴于92%的踝关节扭伤发生在优势侧，本研究选择优势侧患有FAI的个体，并与对照组的优势侧进行匹配。两组的主导和非主导侧通过踢球测试确定。所有评估和筛查程序均由一名具有丰富临床经验的康复治疗师进行。所有参与者在实验前均被告知测试流程并签署知情同意书。本研究获得了苏州大学伦理委员会的批准（伦理批号：SUDA20241209H14）。参与者基本信息如表1所示。
FAI组的纳入标准包括：①至少有一次显著的踝关节扭伤史，初次扭伤发生在试验前至少12个月，以确保病情已进入慢性阶段并排除急性生理干扰，伴随炎症症状（疼痛、肿胀等），并导致至少1天的体育活动中断；②有踝关节“打软腿”、反复扭伤和/或不稳定感病史；③CAIT评分≤24；④仅单侧踝关节存在FAI。排除标准包括：①下肢有急性踝关节扭伤、手术或骨折史；②正式试验前1个月内其他下肢关节肌肉骨骼结构的急性损伤；③双侧FAI；④先天性关节畸形；⑤距骨倾斜试验或前抽屉试验结果为阳性（表明机械性不稳）。
对照组的纳入标准包括：①CAIT评分≥28；②形态特征和运动背景与FAI组相匹配。排除标准包括：①下肢手术史；②试验前1个月内急性关节损伤；③无法按要求完成评估或在试验中数据缺失。
2.2 实验设计与流程
本研究的所有参与者都需要完成一项包含30次连续垂直跳跃的任务。实验开始前，参与者穿着实验室统一提供的紧身短裤和运动鞋。
2.3 数据采集与分析
所有数据均使用Kistler三维测力台采集，并利用Visual3D软件对采集的原始数据进行动力学分析。采用四阶低通巴特沃斯滤波器平滑测力台数据。下肢关节角度采用欧拉角法计算。起跳和落地瞬间依据垂直地面反作用力（vGRF）超过10 N阈值来确定。鉴于本研究关注纵跳的爆发力产生机制，所有动力学指标均从推地阶段提取。推地阶段定义为接触期中vGRF最早通过局部最小值（缓冲完成）的时刻（推地开始）到起跳瞬间vGRF降至10 N以下（推地结束）的时段。
基于30次连续纵跳中每次完整推地阶段的动力学曲线，提取以下变量：
- 1.
跳跃高度：基于飞行时间使用弹道公式计算，单位（cm）。
- 2.
推地阶段vGRF变量：①推地阶段峰值vGRF：推地阶段内vGRF的最大值，单位（N）；②达到峰值vGRF时间（TvGRF）：从推地开始到峰值vGRF的时间，单位（ms）；③推地垂直冲量（Imp）：推地阶段vGRF-时间曲线的积分，单位（N·s）。
- 3.
下肢不对称指数（AI）：为分析FAI参与者在推地阶段的负荷分配策略，分别计算左右脚的峰值力和冲量的不对称性：①峰值vGRF AI；②冲量AI（Imp AI）。更高值表示下肢间负荷分布更不均衡。计算绝对值以评估不对称程度。
- 4.
基于30次连续纵跳，以跳跃次序为连续自变量，分析连续跳跃过程中各动力学变量的轨迹。此外，计算每个参与者的回归斜率，以量化爆发力下降速率、不对称性变化以及疲劳下的神经肌肉输出衰减。
2.4 统计分析
使用SPSS 27进行统计分析。连续变量首先通过Shapiro–Wilk检验正态性。构建线性混合模型（LMM），将组别（FAI和对照）、跳跃次序（1–30）及其交互作用设为固定效应，将参与者ID设为随机截距。为处理连续纵跳序列的时间依赖性，使用一阶自回归模型（AR(1)）对结构进行建模。当固定效应达到预设显著性水平时，采用Bonferroni校正进行事后比较。此外，为量化个体疲劳下降速率，在个体水平上将动力学指标对跳跃次序进行线性回归模型拟合，以提取每个参与者的回归斜率。采用独立样本t检验比较组间斜率差异。双尾检验的显著性水平设为α = 0.05。
3 结果
3.1 跳跃表现与动力学变量趋势
关于跳跃高度，线性混合模型结果显示跳跃次序的主效应具有统计学显著性，表明跳跃高度随着连续跳跃次数的增加而发生系统性变化。组别的主效应不显著，表明FAI组与对照组在整体跳跃高度上无显著差异。此外，组别×跳跃次序的交互效应不显著，表明两组在连续跳跃中跳跃高度的变化轨迹相似。边际均值结果进一步显示，两组在前1–10次跳跃中均保持较高的跳跃高度，随后随着跳跃次序增加呈现下降趋势。在推地峰值vGRF、TvGRF或冲量变量上未观察到统计学差异。
3.2 不对称指数变量
在峰值vGRF AI变量上观察到组别的主效应，表明FAI组与对照组在推地阶段峰值力分配的双侧对称性上存在差异。边际估计均值显示，FAI组的峰值vGRF AI高于对照组，表现出更大的不对称性。跳跃次序的主效应以及组别×跳跃次序的交互效应均未达到显著性。
3.3 连续纵跳过程中的斜率变量
在vGRF峰值斜率变量上观察到两组间存在统计学差异。FAI组的vGRF峰值斜率的下降幅度小于对照组。
4 讨论
本研究代表了FAI研究从“离散结果评估”向“连续过程监测”转变的新尝试。通过基于30次重复连续纵跳任务构建线性混合模型和个体回归斜率分析，旨在量化FAI个体在循环高输出条件下推地动力学的动态衰减轨迹和负荷不对称的演变。与传统的单次纵跳、离散落地测试或静态平衡评估不同，连续纵跳范式结合斜率分析更接近真实运动中重复起跳和落地的情景，从而在捕捉FAI个体在高频、快速转换运动中潜在的神经肌肉调节策略方面提供了更高的敏感性。
关于整体结果，在跳跃高度、vGRF峰值、TvGRF和冲量等关键推地动力学变量上未观察到交互效应。尽管这与我们最初预期FAI会出现快速性能下降的假设（假设1）形成对比，但这为其运动控制策略提供了新的见解。FAI个体似乎优先通过代偿机制维持整体输出水平（跳跃高度），而非立即出现力学失效。此外，由于先前的踝关节损伤，FAI个体可能在局部稳定性、本体感觉和力量控制方面存在不同程度的损伤。因此，在高输出任务中，他们可能更多地依赖其他下肢关节的协同和代偿来抵消患侧贡献不足，从而在短期内维持与健康组相似的输出水平。两组在前1–10次跳跃中均保持较高的表现，随后呈现一致的下降趋势。这种“疲劳-表现下降”模式与先前研究中观察到的间歇运动期间下肢落地力学的逐渐变化结论一致，也与年轻竞技运动员研究中关于疲劳早期阶段爆发性运动中整体表现变化有限，而局部指标和不对称性更为敏感的结论相符。这也呼应了团队运动神经肌肉疲劳监测综述中的观点，即疲劳前的功能表现差异往往不明显，而更深层的控制差异更容易在局部参数或长期代偿模式中显现。
尽管整体动力学轨迹未反映出交互效应，但在vGRF峰值AI和vGRF峰值斜率变量上观察到了组别的主效应。FAI组表现出更高的vGRF峰值AI，表明在推地阶段左右负荷分配更不均衡。这与本研究的假设2一致，即FAI个体在负荷分配模式上与健康人群存在差异。这与先前关于慢性踝关节不稳（CAI）个体在多方向单腿落地任务中踝关节运动学和肌电图的方向依赖性侧向控制结论相符，也与系统综述中指出的CAI个体在单腿落地任务中表现出受损的动态姿势稳定性和异常落地动力学结论一致。一项系统综述和荟萃分析进一步证实了踝关节不稳人群肌肉激活和力学控制的结构性改变，表明其运动控制策略的重构。本研究中观察到的更高vGRF峰值AI与上述结论高度一致，支持了FAI个体在高输出任务中更多地依赖健侧承担推进任务的观点。
值得注意的是，本研究还观察到FAI组在vGRF峰值斜率变量上呈现出更平缓的下降趋势，其下降幅度显著小于健康人群。这一较大的效应量凸显了疲劳反应的显著差异。表面上，这似乎意味着FAI个体在重复跳跃任务中经历了更慢的疲劳衰退；然而，结合其更高的不对称性，这可能暗示了一种潜在的“低幅-低衰”稳定输出策略。尽管由于本研究缺乏神经肌肉数据，此推论具有推测性，但FAI个体有可能从任务开始就采用波动更小的、更保守的输出模式，以减少受伤关节的力学暴露并维持整体稳定性。这使得性能下降的空间更小，从而导致斜率幅度更小。然而，在整体推地vGRF峰值和冲量变量上未观察到组间差异，这意味着FAI个体的较低输出并未直接反映整体峰值力或冲量的降低。原因在于FAI个体的较低输出并非发生在总体水平，而是发生在局部水平，即患侧的贡献减少；同时，健侧的代偿性贡献弥补了整体峰值的不足，从而掩盖了任务水平的差异。因此，这种战略性的“低幅-低衰”模式难以仅依靠整体峰值或整体冲量来识别。它反映了运动控制系统的深刻重塑：中枢神经系统通过限制其输出变异性来优先考虑受伤关节的“安全性”，从而“冻结”了可用的自由度。这种机制需要更敏感的局部动力学指标（如双侧负荷分配）来准确捕捉。换言之，本研究中发现的这种“低幅-低衰”模式很可能源于FAI个体力量输出组织的长期适应，而非绝对的输出不足。这种以“维持整体输出-偏离局部贡献”为特征的适应性代偿，是FAI在动态任务中的一个关键机制特征。
相比之下，未显示组间差异的变量，如TvGRF、冲量和跳跃高度，可能反映了两组在整体爆发节奏、关节伸展时机和力量整合效率上的一致性。先前研究也指出，在跳跃高度等综合性指标上，FAI与健康组之间的差异通常不如落地控制和负荷不对称等局部指标敏感。因此，本研究中部分指标显示差异而其他指标保持一致的现象表明，FAI的动力学缺陷具有一定的选择性，更可能集中在负荷分配策略和局部输出调节上，而非整体输出能力本身。这一推论得到了肌电图证据的支持，该证据表明踝关节不稳个体表现出改变的肌肉募集模式和多关节协调缺陷。这些神经肌肉适应很可能作为代偿机制，在局部功能受损的情况下维持任务完成，而非直接表现为整体爆发力的下降。
总之，FAI个体在循环高输出任务中表现出“整体输出维持、负荷分配偏离、独特衰退节律”的动力学特征。尽管其爆发力水平与健康人群相似，但他们依赖代偿性负荷分配和输出节奏调整来弥补患侧的控制缺陷，反映了稳定但长期存在的运动控制偏差。临床上，这提示从业者不应仅依赖跳跃高度等宏观指标来评估恢复情况，因为这些指标可能因代偿策略而掩盖潜在缺陷。相反，训练和康复应侧重于恢复动力输出的对称性和力量衰减速率的稳定性。通过加强患侧的力量、神经肌肉控制和下肢协同来改善侧向依赖，对于打破“低幅-低衰”的代偿循环至关重要。同时，结合高重复次数或连续跳跃训练有助于提高疲劳下的控制能力，为重返运动评估和损伤预防提供更有针对性的依据。
本研究存在一定局限性。1) 尽管样本量（每组n=11）超过了先验功效分析的要求（每组n=8），但估算是基于重复测量方差分析（RM-ANOVA）假设（G*Power），这仅是一个近似值，可能无法完全捕捉线性混合模型结构（如随机斜率）的复杂性。虽然37.5%的样本盈余有助于缓解此问题，但本研究检测较小组别×跳跃次序交互效应的统计功效可能仍然有限。建议未来研究采用更大样本并进行基于模拟的功效分析以验证这些发现；2) 参与者均为男性，这可能限制结果对不同性别、年龄和训练背景人群的普适性；3) 尽管30次连续纵跳可诱发初步疲劳，但可能仍不足以暴露更深的运动控制差异。此外，为避免过度累积疲劳可能改变自然运动策略，仅进行了一次30次跳跃的试验，这限制了对试验间可靠性的评估；4) 采集时未同步肌电图或中枢控制指标，因此无法全面解释代偿策略背后的神经肌肉机制。未来研究应结合肌电图、关节协同、神经驱动等多模态数据，以帮助构建更完整的FAI控制模型。
5 结论
本研究确定了FAI个体在30次重复连续纵跳任务中独特的动力学适应。尽管整体功率输出轨迹与健康对照组相似，但FAI组表现出显著更高的峰值力量不对称性和更平缓的输出衰退斜率。这些发现表明了一种“维持输出-偏离负荷”的策略。临床上，这表明宏观表现指标可能掩盖潜在缺陷。因此，康复和重返运动评估应优先监测双侧负荷分配和疲劳诱导的动力学变化，以有效针对神经肌肉控制缺陷并降低再损伤风险。
