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。

可见-近红外二区双通道荧光成像系统

本文基于光学手段,开发出了一套能够兼顾可见光与近红外二区(NIR-Ⅱ)窗口的双通道宏观成像系统,能够实时输出具有NIR-Ⅱ荧光信息的高质量明场图像,解决了常规的NIR-Ⅱ宏观成像系统提供的荧光图像与明场图像割裂较大的问题。实验中利用不同厚度的脂肪组织测试了吲哚菁绿的NIR-Ⅱ窗口荧光信号分别在1 100~1 700 nm长通滤光片与1 300~1 700 nm长通滤光片下的抗散射能力与成像表现。接着利用所搭建的双通道宏观成像系统分别在小鼠以及大鼠模型上实现了淋巴结成像并模拟进行了淋巴结的切除手术,模拟了对腹腔淋巴结清扫的过程。最后,在大鼠模型上添加了不同厚度的生物脂肪组织,模拟实际手术中脂肪组织覆盖在淋巴结上的情况,观察双通道系统的穿透能力。可见近红外二区双通道荧光成像系统通过给操作者提供直观的影像信息,缩减手术时间、提高患者的预后,在临床手术导航中具有较大的应用潜力。

双能量X线荧光数字直接成像系统及图像分离技术的实现

通过计算机主机控制 X线管电压调整、滤线板切换和图像拍摄 ,采用 2 m m铜板过滤高能 X线 ,较好地实现了高、低能量 X线能谱的分离 ,以“双千伏技术”实现了双能量 X线数字成像 ,能够在 2～ 3s内获得高、低能 X线图像 ,基本克服了两幅图像间的运动伪迹。

双X线透视成像系统进行颈椎在体运动研究方法学的探索

目的观察应用双X线透视成像系统在颈椎在体运动学研究中下颌骨对颈椎图像的干扰度,探索颈椎在体运动学最佳位置的透视方法,为颈椎在体运动学研究提供方法学的可行性论证。方法应用双X线透视成像系统分别在两个C型臂夹角呈正交(90°)位、60°位及45°位采集健康志愿者5名(男4名,女1名)颈椎双平面X线图像,包括中立位、前屈后伸位、左右旋转位、左右侧屈位,比较各个不同位置时下颌骨对颈椎椎体图像的遮挡;采用下颌角对颈椎的干扰程度来作为评价的标准,通过对各个不同位置时下颌骨对颈椎图像干扰程度的评分,筛选最佳角度的透视方法。在做颈椎左右旋转运动透视时,比较躯干固定-头颅旋转模式和头颅固定-躯干旋转模式下下颌骨对颈椎图像的干扰程度,分别采集两种模式下的透视图像。结果 90°、60°和45°位时中立位、前屈后伸位、左右侧屈位、左右旋位透视下颌骨对颈椎图像干扰度均存在显著性差异(P<0.05)。45°位在上述位置时干扰度最小。在相同角度60°位,躯干固定-头颅旋转组与头颅固定-躯干旋转组相比有显著性差异(P<0.05)。结论颈椎在体运动学研究中应用双X线透视成像系统在交角45°位时可以最大限度的减少下颌骨的阻挡,坐位同轴躯干旋转代替头颅旋转可以减少下颌骨的干扰度,基本满足双X线成像系统二维-三维图像的匹配条件。

基于双平面透视成像技术的在体颈椎生物力学研究进展

在体生物力学分析有助于深入了解颈椎不同结构的运动特点,识别异常关节活动和治疗相关疾病。然而,传统的生物力学观测方法一定程度上限制了颈椎的在体生物力学研究。经过近10年的发展,双平面透视成像系统(DFIS)实现了对动态关节运动的非侵入性的精确测量,已广泛应用于影像学评估和临床生物力学评估领域,该方法可以量化各颈椎节段的运动,并分析复杂的骨骼位置和运动模式。该文就基于DFIS技术测量健康人群和手术后患者的颈椎在体运动学研究进行综述。

双平面镜系统成像规律及其应用

讨论了双平面镜系统的成像规律，指出了该系统在鱼缸设计中的应用．

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。

双平面荧光成像技术在膝关节运动学研究中的应用

膝关节运动学是运动医学的研究热点。双平面荧光成像技术(dual fluoroscopy imaging technique,DFIT)是一种使用X线测量关节运动的精确无创技术,同时不受皮肤和软组织干扰,对运动无干扰。DFIT近年来被广泛应用于研究膝关节前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)、后交叉韧带(posterior cruciate ligament,PCL)、半月板、髌股关节、胫股关节等结构损伤及术后的运动学改变。DFIT提供了精确的生物力学信息,具有重要的临床意义和应用前景。

基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外成像系统

报道了一种利用MEMS技术制备 ,基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外焦平面阵列 (FPA)并配有可见光读出部分的红外成像系统 ,可以在 8～ 14 μm光谱区得到成像。基于该结构的非制冷红外成像系统利用的是光力学效应原理。我们采用MEMS表面硅工艺制备FPA ,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理 。

应用动态双平面成像技术研究在体肘关节主动屈伸运动特征

目的探讨健康肘关节屈伸运动时关节的相对位移和旋转角度变化,为肘关节不稳以及严重肘关节损伤的治疗提供参考。方法选取10名健康并且无上肢外伤史的受试者。应用动态双平面X线透视成像系统,测量右侧肘关节从旋后最大伸直位至旋后最大屈曲位运动过程中,肱桡与肱尺关节6自由度运动学数据。使用相关性分析评价肘关节不同自由度运动的耦合度。结果从最大伸直位到最大屈曲位,肱尺关节外翻角从15.2°±3.1°降低到5.3°±2.3°,肱桡关节外翻角从19.7°±4.2°减小到8.2°±2.4°,肱尺与肱桡关节外翻角与屈曲角呈线性相关;肱尺关节内外旋角先内旋后外旋,呈二次非线性相关,在屈曲110°时达到最大内旋值(4.0°±4.9°),后达到最大外旋值(5.1°±4.2°);肱桡关节一直呈内旋增大变化,从内旋3.2°±16.0°增加到内旋27.2°±18.0°。结论在正常肘关节屈伸过程中,肱尺关节存在外翻角线性减小、内外旋角先内旋后外旋的非线性变化,肱桡关节存在外翻角线性减小、内旋角线性增大的变化。在屈伸过程中,肘关节并非单纯铰链关节,并且肱尺、肱桡关节存在运动学差异。临床上治疗复杂肘关节损伤、肘关节不稳以及肘关节置换手术时,应考虑关节间不同运动特征,以提高术后临床效果。

数字X线透视摄影系统下气钡双对比灌肠造影的应用价值

数字化成像属于数字荧光摄影，结合了传统影像增强与现代计算机、电视、视频数字器等先进技术。应用数字化图像，可进行图像后处理（窗宽、窗位调整，边缘增强，正负相转换），提高图像分辨率及对比度，对病变显示特别有利。对胃肠道功能异常的发现和研究特别有帮助，是医学影像技术的重要进步。笔者总结2007年，利用东软NAS-1000数字X线透视摄影系统对50例疑有结肠疾病患者行气钡双对比灌肠造影检查，均取得满意效果。

应用光力学效应的非制冷红外成像系统

应用光力学效应的非制冷红外焦平面阵列(FocalPlaneArray-FPA),配有可见光读出部分的红外成像系统,可以在8至14μm光谱区得到热物体成像。其核心部件是双材料悬臂梁结构的焦平面阵列。不同于利用其他效应的非制冷红外成像系统,此种成像系统可以方便的在室温下正常工作,而且省去了相当复杂的信号转换电路,降低了制备复杂程度和成本。采用MEMS表面硅工艺制备FPA,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理、光学读出系统、工艺制备难点,并得到了高温物体红外源的成像响应结果。

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。

红外荧光标记蛋白检测方法的优化

目的应用Odyssey双色红外荧光扫描成像系统定量检测蛋白质,通过对免疫印迹中转印膜和封闭液的筛选及抗体双标记的应用,优化红外荧光标记的蛋白检测方法。方法①差速离心法提取大鼠心肌组织膜蛋白,在转膜和封闭过程中比较了4组方案,通过对不同方案蛋白转印效率和背景噪音强度的差异比较,筛选最佳转印膜和封闭液;②运用抗体双标记的方法来研究不同种或不同形式蛋白在同一泳道的检测情况。结果①PVDF膜和脱脂奶粉封闭液结合应用,蛋白显现更清晰;②双重标记间隙连接蛋白43,同时检测到该蛋白两种形式。结论VDF膜、脱脂奶粉封闭液及抗体双标记的使用可以取得更好的红外荧光标记的蛋白检测结果。

正常国人盂肱关节在不同手臂抬高平面的运动学研究

目的探究正常国人盂肱关节在外展、肩胛平面外展和前屈时的相对位移,为盂肱关节不稳及肩峰下撞击等疾病的诊断、治疗和随访提供参考依据。方法采用双平面系统结合模型-图像配准技术,测量13名健康志愿者在手臂外展、肩胛平面外展和前屈的整个过程中肱骨相对于肩胛骨的上下、前后的平移数据。结果志愿者在手臂外展、肩胛平面外展和前屈时肱骨在前后方向上的总平移量分别为(4.0±1.3)、(4.1±1.5)、(4.8±1.9)mm,上下方向的总平移量分别为(3.0±1.0)、(3.1±1.1)、(3.3±1.5)mm。在整个运动过程中,不同手臂抬高角度的上下平移量具有显著性差异,但未发现其他显著性差异。结论正常国人手臂抬高过程中,肱骨头平均位于肩胛盂的后上方,且前屈时的肱骨在上下、前后的运动范围均最大。在临床的诊断、治疗和随访过程中,患者行前屈位可能会获得更好的评估效果。

长跑致黑踇趾损伤的生物力学机制研究

目的探究长跑致黑踇趾损伤的生物力学机制,为长跑黑踇趾损伤预防和防护跑鞋设计提供参考。方法选取10名男性半职业马拉松跑者为受试者,采集跑前、5 km跑后即刻以及10 km跑后即刻的相关参数进行单因素重复测量方差分析,三维足形扫描仪进行足形参数测量,红外热像仪进行足部各区域温度测量,高速双平面荧光透视成像系统(DFIS)测量大踇趾远端与鞋头距离。基于黑踇趾损伤机制设计防护跑鞋,采集跑鞋优化前后踇趾-鞋面接触力以及大踇趾应力。结果随着跑步距离增加,10 km后的前足足掌宽以及足弓高度显著下降。足部分区温度在5 km和10 km跑后均显著上升,其中10 km跑后的大踇趾足背区温度上升明显,与5 km跑后即刻呈现显著差异。跑后的大踇趾主观舒适度显著降低。着地即刻的足-鞋相对距离在10 km跑后较5 km显著增加,而增加的距离在支撑中期较跑前以及5 km跑后又显著降低。防护跑鞋提升了踇趾主观舒适度的同时使得作用力在接触期的0%~80%显著减小且压力分布更加均匀。结论10 km跑后足前掌宽度、足弓高度显著下降而大踇趾足背区温度明显上升,伴随跑者大踇趾主观舒适度降低和足-鞋相对位移增加,表明长跑后足部形态与功能改变可能是黑踇趾损伤的生物力学机制。

高跟鞋步行对第一跖趾关节的在体运动学影响

目的穿高跟鞋会改变足部的生物力学,改变足部负荷分布,导致前足肌肉骨骼疾病。穿高跟鞋时,跖趾关节被动屈曲,应力应变增加。以往关于足部关节的研究大都基于传统的皮肤标记捕捉,易受软组织影响,难以观察到真实的跖趾关节运动。因此,本研究通过双平面荧光透视成像系统探究穿着高跟鞋步行对第一跖趾关节的在体运动学影响。方法招募15名健康女性受试者。先用MRI扫描足踝图像。然后使用DFIS采集足部运动X线图。数据采集后将三维骨模型和荧光图像导入MATLAB软件,进行2D-3D配准,计算第一跖趾关节6DOF和运动学数据。数据通过配对样本t检验进行统计分析,显著性水平设置为P<0.05。结果第一跖趾关节的在体运动学变化结果如下:与裸足相比,穿着高跟鞋步行时近节趾骨相对于第一跖骨在330~561 ms更外移(P<0.05);在132、660 ms更后移(P<0.05);在33、660 ms更内旋(P<0.05);在33 ms更内翻(P=0.015);在627~660 ms更背屈(P<0.05)。结论与裸足相比,穿着高跟鞋后近节趾骨相对于第一跖骨外移、后移、内翻、内旋、背屈活动度均在一定程度上增加。

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。

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。