摘要
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。
关键词:
高速双平面荧光透视成像系统
6自由度
前掌跑
后跟跑
内侧纵弓
跑步是目前最受欢迎的运动项目之一,而足部的内侧纵弓在其支撑期扮演重要的角色:在缓冲阶段,内侧纵弓的弹性组织吸收并储存弹性能;在蹬伸阶段,内侧纵弓回弹缩短可释放近17%的机械能,内侧纵弓的功能出现从缓冲作用向杠杆功能的过渡 。然而,研究发现,不同触地方式下内侧纵弓的形变不同。在前掌触地模式下,内侧纵弓从触地瞬间开始被拉长,随后回弹起到类弹簧作用;而后跟触地模式下,在全掌着地前纵弓形变很小,影响了其弹性能量储存和释放的程度 。已有研究表明,后跟触地引起的高冲击和高负载率可能是造成髌股关节炎、足底筋膜炎等肌肉骨骼损伤的风险因素 ;而前掌触地通过增加触地时的膝和踝关节的屈曲角度,能够减少部分冲击 。因此,有研究提出由后跟触地转换为前掌触地可减少跑步相关损伤,并尝试探讨后跟触地跑者即刻转换为前掌触地跑姿时下肢生物力学特征的改变 。但跑姿转换如何影响内侧纵弓在体生物力学表现的探索尚不充分,而这也正是深入理解不同跑步触地方式下内侧纵弓运动表现的重要依据。
研究认为,内侧纵弓的运动表现与跑步损伤相关。较大的足弓形变导致了胫骨后肌等肌肉的内旋力矩以及骨膜拉力增加,进而可能增加患胫骨内侧应力综合征的风险 [9-11] 。但较大的足弓形变会增加足底筋膜的应力和应变,可能有利于强化足底筋膜的力学特性,降低筋膜炎的发生率 [12-13] 。以往研究大多采用传统的运动捕捉系统,由于内侧纵弓骨骼结构较为复杂,且着鞋跑时鞋与足部之间存在相对运动,传统的生物力学测量方法难以精准捕捉内侧纵弓的真实运动 。因此,精准测量内侧纵弓的形态变化能为探究其相关的下肢损伤原因和降低损伤风险提供更准确的数据支撑。高速双平面荧光透视成像系统(dual fluoroscopic imaging system,DFIS)结合了透视成像、医学成像和3D-2D模型配准技术,能够动态捕捉骨骼的真实在体运动,且具有无创、兼容性强等优点,可弥补传统运动捕捉方法无法观察鞋内骨骼运动的缺陷,目前已被用于量化足踝运动的研究中 [15-20] 。
本文通过高速DFIS观察着鞋条件下习惯后跟跑者即刻改变触地方式前后内侧纵弓6自由度(six degree of freedom,6 DOF)在体运动学表现,直观阐明内侧纵弓在鞋内的真实形变情况,并分析和总结内侧纵弓对跑姿转换的运动学响应规律,为深入揭示足部在跑步任务中的功能表现提供更可靠的证据。
招募15名健康男性志愿者,年龄(32.7±7.7) 岁,身高(172.9±3.9) cm,体质量(72.9±7.0) kg,周跑量(39.1±17.0) km,均为着鞋后跟跑者。要求受试者近3个月内无下肢损伤,近4周的周跑量大于20 km,优势腿均为右腿,且在实验前24 h内未进行剧烈运动。本研究已通过上海体育学院伦理委员会批准,所有受试者均签署知情同意书。
1 . 2 . 1 电子计算机断层(CT)扫描仪 采用64排128层螺旋CT(SOMATOM,Siemens公司,德国)拍摄受试者右足中立位的断层扫描图像。扫描层厚、层距均为0.6 mm,电压120 kV,电流140 mA,体素的长、宽、高分别设置为0.488、0.488、0.625 mm,图像分辨率为512×512 dpi。
1 . 2 . 2 高速双平面荧光透视成像(DFIS)系统 高速DFIS包含两组荧光透视成像系统,每组系统分别由产生X射线的荧光发射器和接受X射线并成像的图像接收器组成。本研究中,两个荧光发射器与图像接收器间的距离分别为132.2、128.6 cm,图像接收器间夹角为119.6°。设置电压为60 kV,电流为63 mA,曝光速度为1/1 000 s,图像分辨率为1 024×1 024 dpi,采样频率为100 Hz。
1 . 2 . 3 光栅计时系统 采用Witty Manual光栅计时系统(Microgate公司,意大利)记录跑者的速度。
1 . 2 . 4 光栅传感器 采用GJ-2004光栅传感器用于同步触发高速DFIS系统,进行荧光图像的采集。
选取市面上1款常见的普通跑鞋作为实验用鞋,该跑鞋前后跟差为6 mm,单只42码鞋质量为290 g,其中底材料由热塑性聚氨酯橡胶(thermoplastic polyurethanes,TPU)与乙烯-醋酸乙烯共聚(ethylene vinyl acetate copolymer,EVA)构成,无足弓支撑结构。
1 . 4 . 1 足部CT扫描 受试者仰卧位,利用外部硬质支具将踝关节固定在中立位,扫描范围从踝关节上方10 cm处沿小腿横断面向下,至离开支具结束。将扫描的图像保存为DICOM格式,用于建立足部三维模型。
1 . 4 . 2 高速DFIS调试 调整发射器与接收器的位置使两者中心对齐。使用立方体标定架对图像采集区域进行空间标定,并利用XMAlab 1.5.4计算荧光发射器与图像接收器的相对位置 。采集两个孔阵钢盘的图像,利用XMAlab中的矫正模块对每张足部荧光图像进行畸变矫正 。
1 . 4 . 3 跑步测试 测试前,受试者更换统一的运动服装和跑鞋,在跑步机上以3 m/s速度热身5 min。热身后,实验人员讲解动作要求并引导受试者在跑道上进行练习确保受试者足部自然落于图像采集区域内。测试时,要求受试者分别采用习惯的后跟触地和即刻前掌触地以(3±0.15) m/s速度通过特制跑道,利用DFIS系统采集受试者右足支撑期阶段的荧光图像。以采集到受试者在完整跑步支撑期内的足部图像视为有效数据,后跟触地和前掌触地条件下各选取1次有效数据进行分析 。
采用Mimics 21.0(Materialise公司,比利时)处理足踝CT扫描图像,通过阈值提取、多层操作与动态区域增长指令建立第1跖骨与跟骨的3D模型。
将由XMAlab生成的环境标定文件导入Rhinoceros 6.0(Robert McNeel公司,美国),在虚拟空间内还原两对荧光发射器与图像接收器的相对位置,同时导入畸变校准后的足部荧光图像和第1跖骨与跟骨3D模型。第1跖骨和跟骨的坐标系原点位于骨的质心, X - Y - Z 轴与惯性矩张量的主轴对齐,坐标系的内外、前后以及上下方向分别对应 X 、 Y 和 Z 轴 。随后进行3D-2D配准,通过旋转、平移骨骼模型,直到每帧的骨骼模型的投影轮廓与荧光成像中的骨骼轮廓互相对应。
采用MATLAB软件对第1跖骨相对于跟骨的6 DOF数据进行标准化和滤波处理,运动学截止频率为20Hz 。数据采集与处理流程如 图1 所示。
使用Rhinoceros软件中的插件计算第1跖骨相对于跟骨的6 DOF数据,包括在3个方向的平动(内外、前后、上下)以及3个方向的转动(跖/背屈、内/外翻、内/外旋)(见 图2 )。参照Welte等 对内侧纵弓运动的简化,以第1跖骨坐标系相对于跟骨坐标系的运动代表内侧纵弓的运动。选取的参数包括第1跖骨相对于跟骨的6 DOF数据,具体为触地时刻值、最大值和最小值、支撑期6 DOF活动范围、内侧纵弓的压缩变化量(背屈最大值与触地角度的差值);正值代表第1跖骨相对于跟骨向外、向前、向上平移以及背屈、内翻和内旋;负值代表向内、向后、向下平移以及跖屈、外翻与外旋。
所有的参数采用Shapiro-Wilk检验正态分布。使用一维统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)进行分析,将插值后的6 DOF数据绘制成时间序列曲线,随后使用配对样本 t 检验的开源SPM1d脚本进行统计,设定显著性阈值α=0.05 [25-26] 。对于特征值,均使用均值±标准差表示,并使用SPSS 23.0对数据进行统计学分析,采用配对样本 t 检验比较不同触地方式对内侧纵弓6 DOF数据的影响,设定显著性水平α=0.05。
习惯后跟触地和即刻前掌触地两种模式下内侧纵弓的6 DOF运动特征表现为:在支撑期前50%第1跖骨相对跟骨均向外、向上、向前平移,同时背屈、内翻和外旋;在支撑期约50%达到最大值后第1跖骨相对跟骨向内、向下、向后平移并跖屈、外翻和内旋。使用SPM对内侧纵弓6 DOF运动曲线进行分析发现:相比后跟触地,在即刻前掌触地条件下支撑期15%～21%第1跖骨相对跟骨的向外平移更大( P =0.030),在支撑期17%～45%第1跖骨向前平移显著增加( P <0.001);在即刻前掌触地条件下,支撑期18%～39%第1跖骨相对跟骨的背屈显著增加( P =0.010),而在支撑期83%～92%第1跖骨相对跟骨的内翻显著减少( P =0.035),见 图3
图3 不同触地方式下内侧纵弓6 DOF运动趋势及统计参数映射结果
2.2 不同触地方式下内侧纵弓6 DOF特征值差异
相比后跟触地,即刻前掌触地时,第1跖骨相对跟骨向前平移的最大值(+9%, P =0.028)以及背屈最大角度(+24%, P =0.017)均显著增加,而内翻最大角度显著减小( P =0.042),见 图4
图4 不同触地方式下内侧纵弓6 DOF最大和最小值(
即刻前掌触地条件下,触地时刻第1跖骨相对跟骨的前移减小( P =0.002),而前后平移活动范围显著增加30%( P =0.010);内侧纵弓压缩变化量显著增加10%( P =0.006),见 图5
图5 不同触地方式下内侧纵弓6 DOF触地时刻值和活动范围
本文采用高速DFIS探究习惯后跟触地跑者即刻转换为前掌触地跑对支撑期在体内侧纵弓的6 DOF运动学的影响。研究发现相比习惯后跟触地跑,即刻前掌触地跑时在支撑期15%～21%第1跖骨的外移、在支撑期17%～45%第1跖骨的前移、支撑期18%～39%第1跖骨的背屈均显著增加。此外,第1跖骨相对于跟骨的前移最大值、背屈最大角度、前后活动范围和压缩变化量均显著增加。
研究结果显示,相比后跟触地,即刻前掌触地时第1跖骨相对跟骨的前移最大值、前后活动范围、背屈最大角度和压缩变化量均显著增加,表明即刻前掌触地增加了内侧纵弓矢状面的形变。该结果与Perl等 的研究结果类似。Perl等 采用红外运动捕捉系统发现,相比后跟触地,前掌触地跑者内侧纵弓的形变显著增加。不同触地方式下的内侧纵弓形变特点,可能源于足部受力不同。前掌触地模式在触地瞬间,地面反作用力作用于跖趾关节处,身体重力作用于踝关节,而跟腱向上提拉足后跟并抵抗踝关节背屈,此时在足部形成了三点受力的情况,促使内侧纵弓形变增加 。而后跟触地模式下,在冲击阶段,地面反作用力作用于踝关节下后方,与身体重力方向相反,胫骨前肌肌力作用于内侧楔骨,内侧纵弓几乎未受到压力,故形变很小 [3-4,8] 。前掌触地跑时,内侧纵弓的形变更大,增加了足底筋膜的应力和应变,可能有利于强化足底筋膜的力学特性,减少足底筋膜炎的发生率 [12-13] 。研究发现,后跟跑者足底筋膜炎的发生率约是前掌跑者的2.7倍,较大的应力和应变或许是其损伤发生率较低的一个重要原因 。但有研究发现,较大的足弓形变增加了第1跖骨的位移以及胫骨后肌等肌肉的内旋力矩,从而增加了胫骨筋膜的拉力 。Bouché等 提出的胫骨-筋膜牵拉理论认为,胫骨内侧应力综合征是由胫骨内侧交界处的筋膜拉力所致。因此,胫骨骨膜拉力增加,可能增加患胫骨内侧应力综合征的风险 [10-11] 。目前鲜有研究证实足弓的形态变化直接导致下肢损伤,故需进一步探究其与跑步损伤间的关系。此外,内侧纵弓的形变与弹性能量的储存与释放相关。有研究认为,约17%的跑步机械能可通过内侧纵弓的压缩与回弹在支撑期进行储存与释放,从而节省了激活肌肉组织所需的机械功,减少跑步的代谢成本 [1,29] 。类似地,Stearne等 发现,通过使用定制鞋垫将内侧纵弓的压缩限制在原压缩量的80%和60%时,代谢成本分别增加了1%和2.5%。因此,本文推测,前掌触地模式下内侧纵弓的形变增加有助于能量的储存与释放,并潜在减少跑步时的代谢成本。
此外,本文发现,即刻前掌触地与后跟触地条件下,触地时刻第1跖骨相对于跟骨的背屈角度无显著差异;而Kelly等 认为,前掌触地模式下触地时刻足中部跖屈增加,并引起内侧纵弓高度增加。上述研究结果存在差异的原因可能是Kelly等 测试时为裸足跑,而本文测试条件为穿鞋跑,鞋面包裹可能限制了足前掌的运动,导致跖骨的活动受限 。此外,Kelly等 还认为,内侧纵弓的最大压缩值并不受触地方式的影响;而本文发现,即刻前掌触地后内侧纵弓压缩最大值更大。本文推测,造成研究结果不一致的原因是传统的运动捕捉方法存在技术手段限制,如反光标记物大小、粘贴位置、软组织伪影等都会造成测量误差,无法真实反映包裹于鞋内骨骼的运动 [15-16] 。
综上所述,本文使用高速DFIS为分析内侧纵弓的在体运动提供了新的测量方法 。同时,使用SPM对习惯后跟触地和即刻前掌触地两种模式下内侧纵弓在体6 DOF真实运动规律进行分析,可以提供更多关于不同触地模式支撑阶段内侧纵弓在体运动表现的信息,同时也为探究与内侧纵弓相关的下肢损伤(如足底筋膜炎、胫骨内侧应力综合征等)的原因和降低损伤风险提供应用参考。然而,本研究仍存在一定局限性,如主要关注内侧纵弓的在体运动学参数,未对相关动力学数据进行分析。后续研究可基于高速DFIS结合动力学数据,深入理解不同触地方式对内侧纵弓的力学影响。
本研究创新性地采用高速双平面荧光透视成像系统获取习惯后跟跑者即刻转换为前掌跑时,支撑期内侧纵弓在鞋内的真实形变(第1跖骨相对于跟骨的6 DOF运动)。结果表明,前掌触地增加了内侧纵弓的形变,尤其是矢状面内第1跖骨相对于跟骨的最大背屈角度(+24%)、最大向前平移(+9%)和内侧纵弓压缩变化量(+10%),提示前掌跑可能有助于内侧纵弓弹性能量的储存与释放,从而节省跑步时的代谢成本。研究结果为进一步理解足弓在不同触地模式任务中的力学表现提供了真实的在体运动学依据。
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