雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張翠 湯運(yùn)啟 王少白 劉宇

1 上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院（上海200438）

2 山東省體育科學(xué)研究中心運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究室（濟(jì)南250014）

3 陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院（西安710021）

不論全民健身還是競(jìng)技體育，預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練都是不可忽視的重要問(wèn)題。現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)和研究雖然為我們認(rèn)識(shí)骨、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)以及相關(guān)損傷機(jī)制提供了大量有價(jià)值的參考依據(jù)，但仍然存在靜態(tài)（或準(zhǔn)靜態(tài)）、尸體、活體侵入、非正常生理運(yùn)動(dòng)等條件和技術(shù)瓶頸，因此，研究人員開(kāi)發(fā)了熒光透視成像系統(tǒng)，目前常用的是雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）。

DFIS是將熒光透視成像技術(shù)與影像拍攝技術(shù)相結(jié)合，精準(zhǔn)獲取低速及高速運(yùn)動(dòng)中在體骨、關(guān)節(jié)的三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)損傷防治領(lǐng)域[1，2]。在以往研究中，研究人員分析了肩關(guān)節(jié)[3，4]、腰椎[5，6]、膝關(guān)節(jié)[7，8]和踝關(guān)節(jié)[9，10]內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征和受力機(jī)制，探討了不同動(dòng)作中不同關(guān)節(jié)的損傷機(jī)制及康復(fù)治療效果。本研究在介紹DFIS 結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，總結(jié)與分析該系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性及其在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為研究人員更深層次地探討引起關(guān)節(jié)損傷的潛在危險(xiǎn)因素和可能致傷機(jī)理，以及動(dòng)作的規(guī)范化、運(yùn)動(dòng)損傷的精確診療、個(gè)性化康復(fù)計(jì)劃的制定和運(yùn)動(dòng)護(hù)具的研制等提供更先進(jìn)的技術(shù)、更可靠的方法和可參考的理論數(shù)據(jù)。

1 DFIS的結(jié)構(gòu)及功能

DFIS 由一套運(yùn)動(dòng)透視影像系統(tǒng)（圖1a）和一套數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)構(gòu)成。其中，運(yùn)動(dòng)透視影像系統(tǒng)由2 個(gè)高壓發(fā)光器和光源、2個(gè)配對(duì)的帶有熒光接收器和圖像增強(qiáng)器的移動(dòng)機(jī)械臂以及2個(gè)配套的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)共同組成，拍攝范圍直徑可達(dá)40 cm，拍攝時(shí)長(zhǎng)可達(dá)1 s，采樣頻率30～1000 Hz，快門(mén)速度可達(dá)1/2000 s[1，2]。該運(yùn)動(dòng)透視影像系統(tǒng)能夠捕捉人體運(yùn)動(dòng)中關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6自由度（6 degree of freedom，6DOF）運(yùn)動(dòng)（即沿各關(guān)節(jié)或骨的局部坐標(biāo)系x、y、z 軸的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和繞x、y、z軸的3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)[11，12]），彌補(bǔ)傳統(tǒng)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)只能通過(guò)體表標(biāo)記點(diǎn)的空間位置來(lái)解析人體運(yùn)動(dòng)，無(wú)法獲得骨骼真實(shí)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，并受到皮膚和軟組織晃動(dòng)（skin artifact）影響的缺陷；也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)字診療和影像學(xué)技術(shù)——X 線(xiàn)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)以及磁共振（MRI）成像技術(shù)等僅分析人體骨和關(guān)節(jié)內(nèi)部靜態(tài)成像的缺陷。數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)（圖1b～1e）是一套包括三維建模（3D modeling）[1，13]、二維/三維關(guān)節(jié)自動(dòng)配準(zhǔn)技術(shù)（2D to 3D image registration）[14，15]和三維運(yùn)動(dòng)分析（3D motion analysis）[16]的多模塊軟件系統(tǒng)，主要完成各獨(dú)立骨節(jié)段三維模型到二維影像投影的配準(zhǔn)，獲得關(guān)節(jié)各獨(dú)立骨節(jié)段在三維空間中的精確位置和姿態(tài)，并進(jìn)一步量化關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)角度、關(guān)節(jié)軟骨形變、軟骨接觸點(diǎn)/面及應(yīng)力分布等?？傊珼FIS 可直接動(dòng)態(tài)三維追蹤并量化在體、負(fù)重功能位關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)位置關(guān)系及其6DOF 運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)對(duì)各獨(dú)立骨段平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)試精度達(dá)到亞毫米級(jí)，真正實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行不受皮膚、軟組織影響的個(gè)體化關(guān)節(jié)分析，且無(wú)創(chuàng)，重復(fù)性高[1，14]。

圖1 雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)[2，16]

2 DFIS的起源與發(fā)展

DFIS 起源于1895年發(fā)明的熒光透視成像技術(shù)[17]。熒光透視成像技術(shù)自發(fā)明以來(lái)以其穿透性、無(wú)創(chuàng)性在醫(yī)學(xué)成像檢測(cè)上獲得了廣泛的應(yīng)用，但是醫(yī)學(xué)成像檢測(cè)以靜態(tài)圖像分析為主，應(yīng)用在人體運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域有較大的局限性。所以研究人員將熒光透視成像技術(shù)與影像拍攝技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了單平面熒光透視分析系統(tǒng)，并已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[18]和人體低速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域[19，20]，其局限性在于無(wú)法量化關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF運(yùn)動(dòng)，無(wú)法準(zhǔn)確分析骨性結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與損傷的關(guān)系[21，22]。于是，以美國(guó)麻省理工學(xué)院、麻省總醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院為主的研究團(tuán)隊(duì)，結(jié)合熒光透視成像技術(shù)、2D/3D 配準(zhǔn)技術(shù)和三維運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)（圖1c，1d，1e），開(kāi)發(fā)了低速DFIS（采樣頻率≤30 Hz），實(shí)現(xiàn)了在體骨、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)三維追蹤和分析[23-25]。隨后，美國(guó)科羅拉多大學(xué)、丹佛大學(xué)、匹茲堡大學(xué)、伊利諾伊州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[26]對(duì)雙平面正交熒光成像系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，擴(kuò)大了拍攝范圍，提高了拍攝頻率（采樣頻率≥100 Hz，快門(mén)速度≥1/500 s）。目前這些系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于手術(shù)過(guò)程中的心臟/腦血管造影成像[27]、關(guān)節(jié)手術(shù)定位[28]、個(gè)性化3D關(guān)節(jié)假體置換[29，30]和人體骨性結(jié)構(gòu)在體負(fù)重功能位運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域[26，31-33]。

3 DFIS在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

3.1 DFIS評(píng)價(jià)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的信效度和精度

DFIS在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用取決于該系統(tǒng)分析人體關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)6DOF 運(yùn)動(dòng)的信效度和精度。研究人員通過(guò)在人體肱骨[34，35]、肩胛骨[14，35]和鎖骨[36]標(biāo)本，羊腰椎[37]標(biāo)本內(nèi)植入鉭珠；在人體腰椎[38]和髖關(guān)節(jié)標(biāo)本[23，29，39]內(nèi)植入鋼珠；在膝關(guān)節(jié)標(biāo)本內(nèi)植入不同材料的球[40]；在脛骨、距骨和跟骨標(biāo)本內(nèi)置入銅珠[41]；使用腳模和步態(tài)模擬機(jī)器人[42]，并利用模型計(jì)算，證實(shí)該系統(tǒng)可用于分析肩關(guān)節(jié)、腰椎、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)內(nèi)部骨性結(jié)構(gòu)的6DOF 常速和高速運(yùn)動(dòng)，并具有一定有效性、可重復(fù)性以及精確性（見(jiàn)表1）。

表1 DFIS評(píng)價(jià)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信效度和精度

3.2 DFIS在運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制探討中的應(yīng)用

人體運(yùn)動(dòng)以骨為杠桿、關(guān)節(jié)為支點(diǎn)、骨骼肌收縮為動(dòng)力，關(guān)節(jié)損傷（一般是由動(dòng)作不規(guī)范或高沖擊造成）的機(jī)制一直是研究熱點(diǎn)。常用的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)間接測(cè)得的距下關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度誤差超過(guò)10°[43]，膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)的脛骨移動(dòng)距離大于真實(shí)移動(dòng)距離[1]，由于皮膚和軟組織的誤差，使得探討關(guān)節(jié)損傷機(jī)制時(shí)存在間接推斷的缺陷。DFIS可以動(dòng)態(tài)三維追蹤人體運(yùn)動(dòng)時(shí)在體關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)、韌帶和軟骨的位置關(guān)系和形變，更加直觀、真實(shí)和精確地探討關(guān)節(jié)損傷機(jī)制。研究人員已經(jīng)成功使用DFIS 探討肩關(guān)節(jié)、腰椎、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的部分運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制（其中膝關(guān)節(jié)最受關(guān)注），尚有較多運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制未探明。

3.2.1 DFIS在肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

有研究使用DFIS 就肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)造成肩峰下撞擊綜合征的機(jī)制進(jìn)行探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者肩關(guān)節(jié)完全外展時(shí)，肱骨相對(duì)于肩胛骨外旋33.6°[44]，如果此時(shí)肱骨外旋受限，肩峰下組織可能會(huì)與肩峰產(chǎn)生撞擊。受試者肩關(guān)節(jié)處于中立位時(shí)（圖2a），肱骨內(nèi)旋，喙肱距離會(huì)減小（圖2b）[45]，肩峰下組織可能會(huì)與肩峰產(chǎn)生撞擊，通常發(fā)生于肩胛下肌、胸大肌等內(nèi)旋肌肉緊張時(shí)。受試者肩關(guān)節(jié)外展過(guò)程中盂肱關(guān)節(jié)從起始位置到外展105°，肱骨頭中心向上平移2.1 mm；從外展105°到最大外展位置，肱骨下降0.9 mm；盂肱關(guān)節(jié)從起始位置到外展60°，肱骨外旋14°；從外展60°到外展105°，肱骨內(nèi)旋9°[3]。如果肩關(guān)節(jié)外展過(guò)程中，肱骨頭的滾動(dòng)與滑動(dòng)不協(xié)調(diào)，肩峰下組織可能會(huì)與肩峰產(chǎn)生撞擊。所以肩關(guān)節(jié)外展時(shí)肱骨外旋受限、肱骨頭滾動(dòng)與滑動(dòng)不協(xié)調(diào)以及肩關(guān)節(jié)中立位時(shí)肱骨內(nèi)旋都可能是引發(fā)肩峰下撞擊綜合癥的原因。

有研究使用DFIS 就肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)造成肩袖損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者肩關(guān)節(jié)處于內(nèi)收位時(shí)，肱骨外旋，肱骨頭中心向后平移2.5 mm[44]；如果此時(shí)肱骨頭后移受限，會(huì)造成肩關(guān)節(jié)囊后側(cè)緊張，肱骨頭偏向關(guān)節(jié)前方，容易導(dǎo)致肩袖損傷。

尚未發(fā)現(xiàn)使用DFIS 對(duì)肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)等其它肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制的探討。

圖2 肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的研究[45]

3.2.2 DFIS在腰椎運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

有研究使用DFIS 就負(fù)重屈伸動(dòng)作造成腰椎間盤(pán)突出的機(jī)制進(jìn)行了探討。研究人員為腰椎定義了局部坐標(biāo)系（圖3a），發(fā)現(xiàn)受試者舉重物伸展時(shí)，L3～L4椎間盤(pán)承受剪切力和垂直力作用，剪切力最大值為230 N或0.34 倍體重，出現(xiàn)在屈曲位，垂直壓力最大值為1500 N 或2.28 倍體重，出現(xiàn)在垂直位；腰椎主要承受屈伸力矩，直立位屈伸力矩為4.2 Nm（圖3b）[5]，說(shuō)明負(fù)重伸展會(huì)對(duì)椎間盤(pán)造成復(fù)合應(yīng)力，在壓力和剪切力的共同作用下，椎間盤(pán)突出和椎間關(guān)節(jié)錯(cuò)位的發(fā)生率更高；受試者負(fù)重屈曲時(shí)，L4～L5 椎間屈曲角度為6.6°，L5～S1 椎間屈曲角度為5.3°[46]，腰椎屈曲角度越大，椎間盤(pán)前方受到的壓力越大，發(fā)生椎間盤(pán)向后突出損傷的風(fēng)險(xiǎn)越高，因而負(fù)重前屈時(shí)L4～L5 腰椎椎間盤(pán)突出的發(fā)生率可能更高。

有研究使用DFIS 就負(fù)重伸展動(dòng)作造成關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重伸展時(shí)，L4～L5 椎間彎曲角度為-1.8°，L5-S1 椎間彎曲角度為-3.5°[46]，腰椎后伸角度越大，椎間盤(pán)后方受到的壓力越大，發(fā)生腰椎后方結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險(xiǎn)越高，主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎癥和退變，因而負(fù)重后伸時(shí)造成L5～S1關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎癥或退變的幾率更大。

有研究使用DFIS 就負(fù)重伸展動(dòng)作造成神經(jīng)疼痛的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重45°屈曲到全伸展，除了L5～S1，其余椎間孔的面積和寬度都隨著伸展而減小[47]，如果受試者患有椎間盤(pán)突出或骨贅增生，該負(fù)重伸展動(dòng)作則容易壓迫神經(jīng)根（神經(jīng)根從椎間孔穿過(guò)），產(chǎn)生疼痛癥狀。

有研究使用DFIS 就負(fù)重伸展動(dòng)作造成腰椎滑脫或椎弓根裂的機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重45°屈曲到全伸展，下腰椎L4～L5、L5～S1的前后移動(dòng)更大（與上段腰椎相比）[48]，腰椎前后移動(dòng)容易造成腰椎滑脫，因而提重物伸展動(dòng)作造成下腰椎滑脫的可能性更大；另外，該動(dòng)作使腰椎受到的向前剪切力增加，還可能造成椎弓根裂。

圖3 負(fù)重屈伸時(shí)腰椎運(yùn)動(dòng)的研究[5]

3.2.3 DFIS在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

有研究使用DFIS 就負(fù)重屈膝和落地動(dòng)作造成膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重屈膝15°時(shí)ACL后外側(cè)束（posterolateral bundle，PL）達(dá)到相對(duì)伸長(zhǎng)量峰值為5.9%，負(fù)重屈膝30°時(shí)ACL 前內(nèi)側(cè)束（anteromedial bundle，AM）達(dá)到相對(duì)伸長(zhǎng)量峰值為4.4%[49]，說(shuō)明負(fù)重屈膝15°時(shí)ACL 的PL 容易發(fā)生斷裂，負(fù)重屈膝30°時(shí)ACL 的AM 容易發(fā)生斷裂。研究還發(fā)現(xiàn)受試者40 cm 落地時(shí)脛骨前移峰值距離為5.6 mm，大于步行（90 步/分）時(shí)的3.1 mm 和無(wú)負(fù)重伸膝時(shí)的2.6 mm，40 cm 落地、最大等長(zhǎng)伸膝（屈曲70°）和無(wú)負(fù)重伸膝的脛骨內(nèi)旋峰值無(wú)差異（14.5°～19.4°），大于步行的3.9°[7]，說(shuō)明外加負(fù)荷增加，會(huì)增加脛股前移的距離，進(jìn)而增加ACL斷裂風(fēng)險(xiǎn)，該情況與運(yùn)動(dòng)高度和強(qiáng)度增加，肌肉和軟組織負(fù)荷增加有關(guān)。健康受試者直膝和屈膝落地時(shí)，脛股前移距離峰值沒(méi)有顯著差異，但是直膝落地受到的地面反作用力和伸膝力矩比屈膝落地大[26]，膝關(guān)節(jié)向前的被動(dòng)松弛度與落地時(shí)刻的脛骨前移距離峰值有關(guān)[50]。健康受試者脛骨前后移動(dòng)距離與伸膝力矩或前后剪切力不相關(guān)[33，51]，說(shuō)明關(guān)節(jié)松弛可能會(huì)增加落地時(shí)ACL 損傷的風(fēng)險(xiǎn)。受試者落地時(shí)，膝關(guān)節(jié)外翻角度與脛骨前移距離、側(cè)移距離有直接關(guān)系[31]，間接說(shuō)明膝關(guān)節(jié)外翻增加可能會(huì)增加ACL 損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此，受試者負(fù)重屈膝角度不同，ACL韌帶斷裂部位不同；脛骨前移距離增加、膝關(guān)節(jié)外翻角度增加、膝關(guān)節(jié)外加負(fù)荷增加和膝關(guān)節(jié)松弛都可能是造成ACL損傷的原因。

有研究使用DFIS 就落地動(dòng)作造成膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶（medial collateral ligament，MCL）損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MCL 前束相對(duì)伸長(zhǎng)量與屈膝角度正相關(guān)，在支撐中期達(dá)到峰值；后束相對(duì)伸長(zhǎng)量與屈膝角度負(fù)相關(guān)，在伸膝末期/擺動(dòng)前期達(dá)到峰值[52]，說(shuō)明支撐中期MCL 前束斷裂的發(fā)生率增加，伸膝末期或擺動(dòng)前期后束斷裂的發(fā)生率增加。

有研究使用DFIS 就負(fù)重屈曲、行走和蹬踏臺(tái)階動(dòng)作造成膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)常進(jìn)行大幅度屈曲的人，患膝骨關(guān)節(jié)炎的概率為普通人的2 倍，膝關(guān)節(jié)后方承受的壓力比日常行走時(shí)所承受的壓力高58.3%[53]；膝關(guān)節(jié)從全伸到屈曲90°，脛骨和股骨接觸點(diǎn)在脛骨平臺(tái)和股骨髁的內(nèi)側(cè)[3]；大幅度屈曲時(shí)，脛骨和股骨平臺(tái)接觸點(diǎn)偏內(nèi)外側(cè)[54]；膝關(guān)節(jié)軟骨最小形變發(fā)生在屈膝30°時(shí)，最大形變發(fā)生在屈膝120°時(shí)，內(nèi)側(cè)的接觸區(qū)域和形變（見(jiàn)圖4a）大于外側(cè)（見(jiàn)圖4b）[55]，說(shuō)明膝關(guān)節(jié)在大幅度屈曲過(guò)程中，脛骨平臺(tái)內(nèi)后方壓力較大，如果長(zhǎng)期保持屈膝120°以上，內(nèi)側(cè)軟骨損傷發(fā)生率增加。研究發(fā)現(xiàn)受試者進(jìn)行慢速行走蹬地時(shí)（伸膝），股骨內(nèi)側(cè)髁在水平方向的運(yùn)動(dòng)范圍大于股骨外側(cè)髁[56]；蹬踏臺(tái)階伸膝時(shí)，股骨與內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)接觸點(diǎn)后移[32]；矢狀面內(nèi)脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)的接觸半徑大于外側(cè)脛骨平臺(tái)[57]，說(shuō)明蹬伸運(yùn)動(dòng)會(huì)增加膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)軟骨和脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)的損傷率。因此，膝關(guān)節(jié)重復(fù)大幅度屈曲和蹬伸運(yùn)動(dòng)都可能引發(fā)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨損傷。

有研究使用DFIS 就負(fù)重屈曲動(dòng)作造成膝關(guān)節(jié)外側(cè)軟骨損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者單腿負(fù)重站立時(shí)，負(fù)重前20 s內(nèi)膝關(guān)節(jié)軟骨形變快速增加，50 s 后達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定，軟骨最大接觸形變發(fā)生在外側(cè)（內(nèi)側(cè)軟骨接觸形變變化率為1.4%，外側(cè)軟骨接觸形變變化率為3.1%），最大接觸區(qū)域出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)（內(nèi)側(cè)接觸面積變化率為40.6 mm2/s，外側(cè)接觸面積變化率為24.0 mm2/s）[58]，說(shuō)明單腿負(fù)重站立時(shí)前20 s 為主要調(diào)控時(shí)間段；單腿站立時(shí)身體需要橫向傾斜，外側(cè)軟骨損傷發(fā)生率增加。

尚未發(fā)現(xiàn)外加負(fù)荷增加（如高沖擊運(yùn)動(dòng)）造成膝關(guān)節(jié)半月板損傷的機(jī)制研究。

圖4 膝關(guān)節(jié)屈伸時(shí)脛骨和股骨軟骨接觸區(qū)域厚度變化及接觸軌跡[55]

3.2.4 DFIS在踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

有研究使用DFIS 就踝關(guān)節(jié)屈曲、單腿站立和行走動(dòng)作造成踝關(guān)節(jié)韌帶損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者踝關(guān)節(jié)從中立位到最大跖屈，前距腓韌帶伸長(zhǎng)，跟腓韌帶縮短；從中立位到最大背屈位，前距腓韌帶縮短，跟腓韌帶伸長(zhǎng)；從最大旋前位到最大旋內(nèi)位，前距腓韌帶伸長(zhǎng)，跟腓韌帶縮短[59]。這說(shuō)明踝關(guān)節(jié)從中立位到最大跖屈位進(jìn)行旋內(nèi)動(dòng)作時(shí)易發(fā)生前距腓韌帶斷裂；踝關(guān)節(jié)從中立位到最大背屈位易發(fā)生跟腓韌帶斷裂。研究還發(fā)現(xiàn)受試者單腿站立時(shí)，脛距關(guān)節(jié)42.4%的接觸區(qū)域軟骨形變量大于原厚度的15%，最大形變出現(xiàn)在外側(cè)，為原厚度的34.5%[9]；形變和應(yīng)力突變發(fā)生在接觸初期，負(fù)重后0～20 s 接觸應(yīng)力增加24%～38%，20 s后接觸應(yīng)力的變化變小，50 s后接觸應(yīng)力的變化幾乎為零[60]，說(shuō)明受試者單腿站立時(shí)，觸地初期踝關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率增加，軟骨損傷在接觸區(qū)域外側(cè)的發(fā)生率增加。研究還發(fā)現(xiàn)受試者行走支撐中期到后跟離地，距下關(guān)節(jié)內(nèi)旋和內(nèi)翻更多，比脛距關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)大[61]，說(shuō)明受試者支撐后期距下關(guān)節(jié)活動(dòng)受限時(shí)踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻損傷發(fā)生率增加，多傷及兩側(cè)韌帶組織。所以在支撐后期距下關(guān)節(jié)活動(dòng)受限時(shí)，踝關(guān)節(jié)在進(jìn)行最大跖屈并內(nèi)旋，或者進(jìn)行最大背屈時(shí)，踝關(guān)節(jié)韌帶損傷率都可能增加。尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)機(jī)制的研究。

3.3 DFIS在關(guān)節(jié)損傷后的運(yùn)動(dòng)及康復(fù)治療研究中的應(yīng)用

關(guān)節(jié)損傷會(huì)影響人體的日?；顒?dòng)，進(jìn)而影響人的生活質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)損傷后關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)位置運(yùn)動(dòng)關(guān)系的變化、韌帶運(yùn)動(dòng)方式和軟骨形變的變化，對(duì)于制定康復(fù)方案有直接指導(dǎo)作用。同時(shí)運(yùn)動(dòng)干預(yù)和佩戴護(hù)具是兩種常用的關(guān)節(jié)功能康復(fù)手段，但是什么方式的運(yùn)動(dòng)、什么類(lèi)型的護(hù)具對(duì)于限制/增加某個(gè)骨性結(jié)構(gòu)位移、韌帶伸長(zhǎng)、減小某個(gè)位置軟骨沖擊和改善姿勢(shì)控制更有效？康復(fù)人員更期望觀察到康復(fù)前后乃至康復(fù)過(guò)程中關(guān)節(jié)內(nèi)部骨性結(jié)構(gòu)以及韌帶和軟骨在人體自然運(yùn)動(dòng)中的活動(dòng)，而不是通過(guò)皮膚標(biāo)記點(diǎn)或者觀察靜態(tài)圖片來(lái)推測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)情況。目前研究人員已成功使用DFIS分析了損傷后上肢關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)6DOF的運(yùn)動(dòng)，步行時(shí)下肢關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF 運(yùn)動(dòng)，護(hù)具對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)6DOF運(yùn)動(dòng)的影響等，為損傷后精細(xì)康復(fù)治療方案的制定和護(hù)具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與使用都提供了非常寶貴的建議。但是有關(guān)關(guān)節(jié)損傷后康復(fù)治療的研究較少，尚未涉及不同運(yùn)動(dòng)或治療方式對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷治療效果的研究。

3.3.1 DFIS在肩關(guān)節(jié)損傷后運(yùn)動(dòng)范圍研究中的應(yīng)用

研究人員使用DFIS 對(duì)受試者肩袖撕裂后的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)患者肩關(guān)節(jié)外展時(shí)，肩胛骨向后傾斜角度變小，肱骨相對(duì)于肩胛骨外旋角度變小[62]；肩關(guān)節(jié)外展80°時(shí)，肱骨頭向上平移0.2 mm（健康受試者肱骨頭向下平移1.2 mm）；肩關(guān)節(jié)外展140°時(shí)，肱骨頭向上平移1.3 mm（健康受試者肱骨頭向下平移0.44 mm）[4]。說(shuō)明肩袖撕裂影響受試者肩關(guān)節(jié)活動(dòng)功能，使肩袖固定肱骨上下活動(dòng)的能力減弱，肱骨頭滑動(dòng)功能減弱，更容易導(dǎo)致肩袖撞擊損傷。

3.3.2 DFIS在腰椎康復(fù)治療中的應(yīng)用

研究人員使用DFIS 對(duì)受試者負(fù)重屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)時(shí)腰椎的活動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)人體無(wú)負(fù)重旋轉(zhuǎn)時(shí)，貢獻(xiàn)最大的是L2-L3，隨后依次是L5-S1、L4-L5和L3-L4，L2-L3 和L3-L4 旋轉(zhuǎn)伴隨對(duì)側(cè)反向彎曲，下腰椎L4-L5、L5-S1 旋轉(zhuǎn)伴隨同側(cè)同向彎曲[6]；L2-L5 腰椎進(jìn)行屈伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)功能性動(dòng)作時(shí)，上層椎骨屈曲范圍大于下層椎骨，上下層椎骨側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)沒(méi)有差異[63]。說(shuō)明人體腰椎運(yùn)動(dòng)是多軸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，完成不同功能性動(dòng)作時(shí)上下層椎骨運(yùn)動(dòng)范圍有差異，在進(jìn)行腰椎康復(fù)治療時(shí)，針對(duì)不同位置椎骨治療時(shí)手法應(yīng)該有所變化，如對(duì)伴隨有同向或反向側(cè)彎的腰椎要選用側(cè)彎加旋轉(zhuǎn)的手法。

3.3.3 DFIS 在膝關(guān)節(jié)損傷后步態(tài)和康復(fù)治療研究中的應(yīng)用

研究人員使用DFIS 對(duì)膝關(guān)節(jié)疼痛的肥胖受試者和ACL 損傷的受試者佩戴護(hù)具后膝關(guān)節(jié)6DOF 運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，以期對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷后的康復(fù)治療提供理論支持。

Li等[64]對(duì)10名膝關(guān)節(jié)疼痛的肥胖受試者走路時(shí)膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)與健康受試者相比，肥胖受試者站立時(shí)膝關(guān)節(jié)過(guò)伸7.4°，輕微外翻，外旋5.6°；步態(tài)支撐期屈膝更多，脛骨前移距離更多，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍減小。說(shuō)明體重增加改變了肥胖受試者膝關(guān)節(jié)的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿勢(shì)控制。為該類(lèi)受試者進(jìn)行康復(fù)時(shí)，要增加膝關(guān)節(jié)各個(gè)方向的活動(dòng)范圍，增加下肢肌肉力量，放松股四頭肌，促進(jìn)步行中膝關(guān)節(jié)伸展策略的使用，爭(zhēng)取改善姿勢(shì)控制策略。

Jalali等[8]對(duì)10名單側(cè)ACL損傷患者佩戴和不佩戴膝關(guān)節(jié)護(hù)具，弓步運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)受試者膝關(guān)節(jié)佩戴護(hù)具離心屈膝45°時(shí)脛骨內(nèi)旋角度為2.4°，小于不佩戴護(hù)具的5.9°，向心屈膝30°時(shí)脛骨內(nèi)旋角度為-1.6°，小于不佩戴護(hù)具的-2.3°，脛骨前移距離和脛骨內(nèi)外翻角度無(wú)差異。說(shuō)明膝關(guān)節(jié)護(hù)具對(duì)ACL損傷患者脛骨前移和內(nèi)外翻的防護(hù)效果有限。因此，即使佩戴膝關(guān)節(jié)護(hù)具，康復(fù)人員使用弓步訓(xùn)練對(duì)膝關(guān)節(jié)前后不穩(wěn)的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)仍應(yīng)格外小心。

3.3.4 DFIS 在踝關(guān)節(jié)損傷后步態(tài)和損傷預(yù)防研究中的應(yīng)用

研究人員使用DFIS 對(duì)踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)受試者的步態(tài)進(jìn)行了研究，也對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋對(duì)踝關(guān)節(jié)的保護(hù)功能進(jìn)行了探討，以期為踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)和預(yù)防提供理論參考。

Roach等[65]對(duì)4名踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的患者（3名女性和1名男性）、5 名健康男性和5 名健康女性受試者完成0.5 m/s 和1.0 m/s 步行（跑步機(jī)）任務(wù)中單腿提踵時(shí)脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，與健康受試者相比，踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)者超慢速步行時(shí)（0.5 m/s），脛距關(guān)節(jié)屈伸角度和距下關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角度不同（有時(shí)相反）；慢速步行時(shí)（1.0 m/s），距下關(guān)節(jié)屈伸和內(nèi)外翻角度不同；兩種慢速步行時(shí)脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)平移都較少；單腿提踵時(shí)脛距關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角度和距下關(guān)節(jié)內(nèi)外翻角度、內(nèi)外旋角度都不同。說(shuō)明與行走動(dòng)作相比（慢速步行），單腿提踵動(dòng)作更多地暴露了踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)患者踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中的問(wèn)題，所以包括關(guān)節(jié)大范圍運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定動(dòng)作可能更適合于臨床評(píng)估該損傷的運(yùn)動(dòng)康復(fù)效果。

踝關(guān)節(jié)損傷在跑步和籃球等落地頻繁的運(yùn)動(dòng)中發(fā)生率較高。運(yùn)動(dòng)鞋是防止該損傷最常用的護(hù)具。研究發(fā)現(xiàn)，裸足行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)背屈峰值為9.1°，大于穿鞋時(shí)的5.7°，脛骨內(nèi)旋角度為5.1°，大于穿鞋時(shí)的3.6°，踝關(guān)節(jié)中立位出現(xiàn)時(shí)刻更晚[10]；裸足跑步時(shí)，支撐期脛距關(guān)節(jié)屈伸范圍為28.2°，大于穿鞋時(shí)的15.1°，支撐期脛距關(guān)節(jié)內(nèi)外旋范圍為7.0°，大于穿鞋時(shí)的4.3°；著地時(shí)脛距關(guān)節(jié)跖屈角度為2°，小于穿鞋時(shí)的16.5°，著地時(shí)脛距關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度為12.9°，大于穿鞋時(shí)的10.6°；支撐早期的某些時(shí)刻距下關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)外翻和內(nèi)外旋角度有微小差異[66]；說(shuō)明穿著運(yùn)動(dòng)鞋限制了脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，一定程度保護(hù)了踝關(guān)節(jié)，也限制了踝關(guān)節(jié)功能。同時(shí)也有人發(fā)現(xiàn)受試者完成快速側(cè)切動(dòng)作時(shí)運(yùn)動(dòng)鞋的外翻角度未發(fā)生變化，而踝關(guān)節(jié)的外翻角度已發(fā)生明顯變化（見(jiàn)圖5）[67]，說(shuō)明被測(cè)運(yùn)動(dòng)鞋不能很好地貼合并限制踝關(guān)節(jié)快速大范圍的運(yùn)動(dòng)。所以穿著運(yùn)動(dòng)鞋可以限制踝關(guān)節(jié)慢速運(yùn)動(dòng)時(shí)的活動(dòng)范圍，但是對(duì)快速、大范圍的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)限制有限（僅針對(duì)測(cè)試鞋）。

圖5 側(cè)切動(dòng)作中運(yùn)動(dòng)鞋內(nèi)翻與踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻對(duì)比圖及小腿、踝關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)鞋內(nèi)翻角度表[67]

4 結(jié)論與展望

雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)（DFIS）是由一套運(yùn)動(dòng)透視影像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)構(gòu)成的不受皮膚、軟組織誤差影響，對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)干擾、精度高、重復(fù)性高的新型非侵入性骨骼運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，已經(jīng)初步應(yīng)用于動(dòng)態(tài)三維追蹤在體、負(fù)重功能位肩關(guān)節(jié)、腰椎、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)位置關(guān)系及其6DOF 運(yùn)動(dòng)，計(jì)算軟骨形變、接觸面積/軌跡和韌帶應(yīng)變，探討部分關(guān)節(jié)損傷機(jī)制、關(guān)節(jié)損傷后的運(yùn)動(dòng)以及康復(fù)治療和預(yù)防。目前尚有較多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制未探究，特別是高速、高沖擊運(yùn)動(dòng)下關(guān)節(jié)內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制；同時(shí)涉及關(guān)節(jié)損傷后康復(fù)治療的研究也較少，尚未發(fā)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)或治療方式對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷治療效果的研究。

該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)追蹤，非侵入，不受皮膚、軟組織影響，測(cè)試在體、負(fù)重關(guān)節(jié)內(nèi)組織結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有助于科研人員分析運(yùn)動(dòng)中關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征和受力機(jī)制，更深層次地探討引起關(guān)節(jié)損傷的潛在危險(xiǎn)因素和可能的致傷機(jī)理，可為動(dòng)作的規(guī)范化、運(yùn)動(dòng)損傷的精確診療、個(gè)性化康復(fù)計(jì)劃的制定和運(yùn)動(dòng)護(hù)具的研制等提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)、更先進(jìn)的技術(shù)和更可靠的方法。該系統(tǒng)缺點(diǎn)是拍攝范圍受限、建模和配準(zhǔn)過(guò)程復(fù)雜。如果能夠擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)透視影像系統(tǒng)的拍攝范圍，開(kāi)發(fā)骨骼應(yīng)力算法模塊，并結(jié)合有限元模型進(jìn)行分析，將有助于全面地獲取在體關(guān)節(jié)高速與高沖擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)內(nèi)部的精細(xì)變化，如骨間應(yīng)力/負(fù)荷、關(guān)節(jié)擠壓等，也將在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域擁有更好的應(yīng)用前景，特別是運(yùn)動(dòng)損傷防治和運(yùn)動(dòng)護(hù)具研制方面。