双平面透视成像系统及其在膝关节生物力学研究中的应用进展

双平面透视成像系统(DFIS)经过近20年的完善与发展,目前已成为一项较成熟的生物力学研究技术。本文回顾相关文献,对DFIS的发展历史和主要结构功能进行了介绍。DFIS所具有的无创性、精确性和动态性观测的优点,使其在膝关节生物力学研究中得到广泛应用,本文也对DFIS在正常膝关节及膝关节术后生物力学研究中的应用进展进行了总结,并展望了未来可能的研究方向。

基于高速荧光透视成像探究裸足与着鞋对跑步时距上和距下关节在体运动学的影响

目的:采用国内首套高速双平面荧光透视成像系统(dual fluoroscopic imagingsystem,DFIS)独立量化裸足与着鞋跑时距上和距下关节的在体六自由度(6 degree of freedom,6DOF)运动学。方法:选取12名健康男性跑者,通过计算机断层扫描获取踝中立位影像学数据,构建踝关节模型并建立距上、距下关节局部坐标系。利用DFIS采集受试者在裸足与着鞋条件下后跟着地时(3 m/s±5%跑速)的荧光成像,并通过3D-2D图像配准技术获取距上、距下关节的6DOF运动学特征。采用配对样本t检验比较2种条件下距上和距下2个关节的6DOF参数。结果:相比裸足,着鞋跑显著降低了支撑中期距上关节的峰值跖/背屈角度与整个支撑期的屈伸活动度(P<0.05);显著增加了支撑中期距下关节的峰值背屈与峰值外翻角度(P<0.05);在整个支撑期3个平动方向(内外、前后、上下)上的运动学特征无显著性差异。结论:上述发现有效弥补了现阶段采用传统测量技术只能获取单一踝关节运动学结果的缺陷;而着鞋跑显著增加了距下关节的外翻,未来研究可进一步探究距下关节外翻与跑步损伤之间的关联;同时,着鞋对踝运动的影响在距上和距下关节处的不同则强调了采用DFIS捕捉独立关节运动的重要性。

基于双平面荧光透视成像技术的足踝在体生物力学研究进展

传统医学影像方法技术上的缺陷使足踝的在体生物力学研究受到限制。双平面荧光透视成像系统可精确且非侵入性地捕捉动/静态活动中的人体关节运动,并能够量化单个骨骼的运动,分析足踝内形态不一、结构复杂的骨骼位置及运动规律,现已被广泛应用于影像学诊断和临床生物力学领域。本文回顾了双平面荧光透视成像系统于足踝在体生物力学和临床、运动医学领域内的研究与应用,总结了其在实际应用中的优势与局限性,提出今后可深入了解足踝在体运动与损伤的可行性研究方案,并给出具有建设性的意见和建议。

即刻改变触地方式对着鞋跑时内侧纵弓在体运动学的影响

目的探究即刻转换触地方式对着鞋跑步时内侧纵弓在体运动学的影响。方法采用高速双平面荧光透视成像系统采集15名健康男性跑者即刻改变触地方式前后右足在跑步支撑阶段[跑速:(3±0.15)m/s]的荧光图像。根据CT图像重建第1跖骨和跟骨三维骨骼模型及其局部坐标系,并通过3D-2D配准获取内侧纵弓在跑步支撑期的6自由度(six degree of freedom,6 DOF)数据(简化为第1跖骨相对跟骨的运动)。采用一维统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)比较即刻改变触地方式前后内侧纵弓的6 DOF运动趋势,并对其特征值进行配对样本t检验。结果相比后跟跑,即刻前掌跑时,在支撑期的15%~21%第1跖骨相对跟骨的外移、支撑期17%~45%第1跖骨的前移和支撑期的18%~39%第1跖骨的背屈均显著增加(P<0.05)。即刻前掌跑时,第1跖骨相对跟骨的前移最大值、背屈最大值、前后平移活动范围及内侧纵弓压缩变化量均显著增加(P<0.05)。结论由习惯后跟跑即刻转换为前掌跑后,内侧纵弓矢状面的形变显著增加,尤其是内侧纵弓的压缩变化量增加约10%,可能有助于其弹性能量的储存与释放。

腰椎间盘生物力学体内外研究的新进展

进行初步筛选,排除与主题相关度低的文献,最终共纳入67篇文献进行结果分析。结果与结论:①腰椎间盘的生物力学研究目前主要分为体外研究和体内研究;②体外研究包括动物标本实验、人类尸体标本实验、有限元分析,体外实验设计灵活,操作性强,但实验对象脱离人体生理环境,材料的力学特性存在差异,需要经过长期不断验证,筛选出在人体的适用性;③体内研究主要通过影像学手段,实时记录椎间盘在体运动受力形态变化,真实可靠,但受影像技术发展的限制,需要合理运用。最新出现的双平面荧光成像系统以及高速动态立体射线照相系统在这一领域具有独特优势,被越来越多的人所重视。

着鞋与裸足对跑步时第1跖趾关节的在体运动学影响

目的:采用高速双平面荧光透视成像系统(DFIS)探究着鞋与裸足条件下跑步时整个支撑阶段第1跖趾关节在体六自由度(6DOF)运动学差异。方法:招募15名健康男性跑者,通过计算机断层扫描技术重建第1跖趾关节三维骨骼模型,并建立局部坐标系。利用DFIS采集受试者着鞋与裸足下后跟着地时(跑速:3±5%m/s)的荧光成像,通过2D-3D配准技术获取第1跖趾关节支撑期6DOF运动学特征,并采用配对样本t检验比较。结果:相比裸足,着鞋1)降低了支撑期第1跖趾关节峰值内移、后移和上移活动(P<0.05);2)降低了最小、最大伸展角度和屈伸活动范围(P<0.05);3)增加了第1跖趾关节最小内收角度(P<0.05)。结论:着鞋限制了跑步支撑期第1跖趾关节屈伸运动并增加了水平面内收角度,提示着鞋可能会影响其蹬伸效果并增加拇外翻发生的风险。