基于高速熒光透視成像探究裸足與著鞋對跑步時距上和距下關節在體運動學的影響

健身車排名日期:2022-04-25 19:27
《體育科學》2022年 第1期



基于高速熒光透視成像探究裸足與著鞋對跑步時距上和距下關節在體運動學的影響
葉東強,孫曉樂,肖松林,
張希妮,張燊,王少白,
傅維杰*,劉宇
上海體育學院 運動健身科技省部共建教育部重點實驗室


關鍵詞:雙平面熒光透視成像系統;裸足;著鞋;距上關節;距下關節;在體運動學




近年來,長跑運動(如馬拉松)風靡全球,但與之相對應的卻是跑步損傷發生率的居高不下(16.7%~79.3%)(van Gent et al.,2007;van Poppel et al.,2021)。已有研究報道了后足過度外翻是引發如跟腱炎、脛骨應力綜合征等下肢及足部損傷的誘因之一,包括:1)后足外翻過大可能會使跟腱內側纖維所受應力分布不均,而跑步支撐期下肢力線的排列不齊(malalignment)則進一步增加了小腿離心收縮時對跟腱施加的負荷,并最終誘發跟腱損傷(Ryan et al.,2009);2)外翻過大增加了脛骨后肌與比目魚肌的應力,而由于脛骨骨膜的應力與上述肌肉的應力呈正相關(Bouché et al.,2007),因此,更大的后足外翻可能會致使更大的應力被傳遞至脛骨骨膜,并最終引發脛骨應力綜合征(Becker et al.,2018);3)有研究在扁平足人群中觀察到了更大的后足外翻(Butler et al.,2006),而該類人群患下肢損傷的幾率是正常人群的2.4倍(Yokoe et al.,2021)。雖然也有部分報道,如Nielsen等(2014)與Messier等(2018)均通過前瞻性隊列研究發現足部損傷跑者與健康跑者的后足運動并無顯著差異,但前者的研究并未通過生物力學手段量化足部運動學,而是將足部姿勢指數(foot posture index)作為衡量足部異常的標準,后者則是將后足整體運動作為評價標準。由此可見,技術手段與評價指標的差異造成了關節運動與損傷之間的復雜關系尚不明晰,這其中很重要的一點是傳統針對足踝運動學的測量手段只能獲取“鞋”運動而非真正包裹在鞋內的后足運動。


現階段的實驗室運動學研究大多基于紅外反光點的運動捕捉系統(Langley et al.,2019;Francis et al.,2020)。從本質上講,通過反光點貼于鞋面的方式所得的運動學特征僅能代表鞋具的運動,而在鞋表面挖洞粘貼反光點(Cigoja et al.,2020)則會破壞鞋的結構,并在運動中不可避免地受到鞋、皮膚、軟組織振動與運動偽影等相關因素的干擾。以上因素均使得研究者無法準確測量包裹在鞋內的足部的真實運動。另一方面,踝關節復合體實質是由脛骨、距骨與跟骨構成,并形成距上和距下2個關節。由于距骨周圍缺乏可觸及的體表標記,造成現階段對踝關節運動進行測試時會把上述2個關節看成一個整體的運動(Stacoff et al.,2000)。以足外翻為例,研究更多的是基于足部與小腿之間的位置關系或按照國際生物力學學會(International society of biomechanics,ISB)推薦的足剛體模型計算足部運動學(Latorre-Román et al.,2019;Yang et al.,2020),即將后足的運動視作跟骨相對脛骨的運動,并未過多地考慮距上、距下關節,這里面有很大一部分原因是著鞋后無法準確測量。事實上,現有的足踝解剖學及骨骼在體運動的研究表明,足部跖/背屈和內/外翻運動分別由距上和距下2個關節主要承擔(Cross et al.,2017;Nichols et al.,2017)。由于傳統動作捕捉設備的自身技術限制,如其所得到的“外翻”顯然無法反映足部真實的在體外翻運動等,因此,有必要采用更為精準的手段獲取跑步中著鞋與否對距上關節與距下關節運動特征的影響,以期深入了解包裹在鞋內的足部運動。


近年來,一種新的醫學影像測量技術——雙平面熒光透視成像系統(dual fluoroscopic imaging system,DFIS)已逐步應用于臨床醫學中進行踝關節在體運動分析(Cao et al.,2019)。DFIS具有不受皮膚等軟組織相對運動的影響,無創并能動態捕捉骨骼在體運動的優勢(張翠 等,2019;葉東強 等,2021),其在確定關節平動和轉動六自由度(6 degree of freedom,6DOF)運動中的精度達到了亞毫米(<0.1 mm)、次度級(<0.1°)(Cross et al.,2017),突破了當前傳統測量手段在成像技術與測量精度上的局限,為精準分析包裹在鞋內的踝關節在體位置及運動特征提供了全新的途徑。


據此,本研究旨在基于DFIS探討跑步時裸足與著鞋條件下距上和距下關節在體6DOF運動學差異,為深入理解跑步中上述兩關節的真實運動并為未來評估跑步中距上/距下關節的異常運動及闡述距上/距下關節的運動特征與損傷之間的潛在關聯提供更科學的參考依據。研究假設:與裸足相比,著鞋限制了距上、距下關節在6DOF內的運動,并增加了距下關節內外翻活動度(range of motion,RoM)與外翻角度峰值。


研究對象與方法

1.1 研究對象 


參照Hoffman等(2015)對樣本量的選取要求,本研究招募健康男性跑者12名(表1)。要求受試者均習慣采用后跟觸地方式跑步,近3個月內無下肢損傷。受試者的優勢腿(踢球腿)均為右腿,且在實驗前24 h內避免劇烈運動,測試前了解實驗內容及流程,并簽署知情同意書。本研究通過了上海體育學院倫理委員會批準(批準號:102772021RT034)。



1.2 實驗儀器 


1.2.1 電子計算機斷層儀(CT) 



1.2.2 高速雙平面熒光透視成像系統(DFIS) 


由運動透視系統與數據解析系統構成。其中,前者由2個高壓發光器與光源、2個帶有熒光接收器與增強器的可移動機械臂以及配套的2臺高速攝像機共同組成(圖1)。2個高壓發光器與接收器之間的距離分別為132.2 cm與128.6 cm,圖像接收器之間的夾角為119.6°;拍攝電壓為60 kV,電流為63 mA,拍攝頻率為100 Hz,曝光速度為1/1 000 s,圖像分辨率為1 024×1 024像素。



1.2.3 光柵計時系統 


采用意大利Microgate公司生產的Witty Manual光柵計時系統,以記錄跑者通過特制跑道的速度。


1.2.4 光柵傳感器 


采用GJ-2004光柵傳感器,受試者跑步經過采集區域,身體阻斷傳感器發出的紅外光時啟動DFIS,并完成熒光圖像的采集。


1.3 實驗用鞋 


本研究選取市面上一款常見的跑鞋作為實驗用鞋(圖2),該跑鞋前后落差為6 mm,平均質量290 g,其中底材料由TPU與EVA構成,無足弓支撐結構。



1.4 測試流程 


1.4.1 足部CT 



1.4.2 實驗環境搭建與調試 


1)確定拍攝范圍:固定熒光發射器與圖像接收器的位置,并保證上述兩者的中心對齊;利用Phantom Camera Control(v.3.3)確認所采集的圖像位于拍攝中心。


2)空間標定:使用立方體標定框對拍攝區域進行標定(Kessler et al.,2019),并利用XMAlab(v.1.5.4)計算熒光發射器與圖像接收器在空間內的相對位置。


3)畸變矯正:將2個孔陣鋼盤貼于圖像接收器表面,并利用XMAlab對比計算孔陣鋼盤與所捕捉的圖像(Fantozzi et al.,2003),以此完成對捕捉圖像的畸變矯正。


1.4.3 測試流程 


測試前,受試者需更換統一的運動服裝。隨后受試者進行3 min靜態拉伸活動,完成后在跑步機上以3 m/s的速度熱身5 min。熱身后,實驗人員引導受試者在架設有DFIS系統的特定跑道上進行練習,并確保受試者足部處于圖像采集區域內(圖1)。完成練習后,要求受試者分別在裸足與著鞋條件下(順序隨機)以3 m/s±5%的速度右足成功踏入采集區域,且觸地姿勢均為自然狀態下的后跟觸地。為減少總電離輻射,裸足與著鞋條件下各采集1次有效數據(Campbell et al.,2016)。


1.5 數據處理 



將由XMAlab生成的環境標定文件導入Rhinoceros軟件中(v.6.0),利用其建模模塊在虛擬空間內重建拍攝空間并還原2對熒光發射器與圖像接收器的相對位置,同時導入畸變校準后的足踝X光圖像和脛骨、距骨與跟骨的3D模型。參照前人標準建立脛骨、距骨與跟骨的坐標系(Yamaguchi et al.,2009),坐標系的前后、內外及上下方向分別對應x、y與z軸,而跖/背屈、內/外翻與內/外旋分別被定義為繞內外軸、前后軸與上下軸運動。隨后在由Rhinoceros軟件重建的三維空間內對導入的骨骼模型進行旋轉、平移,直到每幀的骨骼投影與熒光成像中的骨骼輪廓互相對應(圖3)。



1.6 實驗指標 


使用Rhinoceros中的坐標系計算插件計算距上關節(距骨相對脛骨)、距下關節(跟骨相對距骨)的6DOF數據(Yamaguchi et al.,2009),其中包括在3個平動方向(前后、上下、內外)及3個轉動方向(跖/背屈、內/外翻、內/外旋)的運動學數據(圖4)。具體指標包括觸地時刻關節的6DOF運動、峰值角度與關節RoM即最大角度與最小角度的差。其中,正值代表距骨相對脛骨(跟骨相對距骨)向外、向前、向上平移以及背屈、內翻與內旋;負值代表向內、向后、向下平移以及跖屈、外翻與外旋。



為便于與已有DFIS研究進行比較,本研究對所采集的右足在足跟觸地到采集結束過程中的距上/距下關節運動學數據進行了時間標準化(Hoffman et al.,2015),并采用Matlab軟件對研究中所得到的每一時刻的6DOF數據與踝關節中立位時的對應結果進行標準化和濾波處理,其中,運動學截止頻率為20 Hz(Welte et al.,2021)。支撐期階段的劃分參照Phan等(2018)的標準,支撐前期被定義為觸地期(右足從足跟著地到足趾離地的過程)的0~10%,支撐中期為觸地期的10%~80%,支撐后期為觸地期的80%~100%。


1.7 統計方法 


使用SPSS 25.0對數據進行統計學分析。所有參數均使用平均值±標準差(M±SD)表示。采用描述性分析對距上/距下關節的6DOF在體運動學特性進行呈現;采用配對樣本t檢驗比較裸足與著鞋條件下距上關節與距下關節在體運動學特征的差異,顯著性水平α設定為0.05。


2 結果


2.1 距上關節 


2.1.1 運動學特征 


在內外、前后和上下3個平動方向中,距上關節在支撐期中僅進行細微運動(<5 mm);而在轉動方向中,其在支撐期的大部分時間內均處于背屈與外翻、外旋狀態(圖5)。具體表現為:支撐前期,距上關節出現小幅跖屈(<5°)并伴隨內旋活動;支撐中期,距上關節進行背屈并伴隨外旋運動,同時逐漸背屈并到達峰值(裸足=35.0°±9.7° vs著鞋=29.2°±10.9°,P<0.001);至支撐后期,距上關節逐漸從背屈轉換為中立位狀態,并由外旋狀態過渡為內旋。



2.1.2 關節運動學特征值 


1)關節平動:在支撐期階段,裸足與著鞋條件下的距上關節在3個平動方向(左右、前后、上下)內的觸地角度、峰值角度與關節RoM均無顯著性差異(表2)。



2)關節轉動:2種條件在觸地時刻的距上關節跖/背屈、內/外翻與內/外旋角度均無顯著性差異。但在峰值角度上,裸足跑時的峰值跖屈角度(P=0.008)與峰值背屈角度(P<0.001)均顯著大于著鞋條件;2種條件的峰值內/外翻與內/外旋角度均無顯著性差異(圖6)。而在關節RoM中,支撐期穿著跑鞋的跖/背屈RoM顯著小于裸足條件(P<0.001),在內/外翻與內/外旋方向上,2個條件下的RoM并無顯著性差異(表2)。



2.2 距下關節 


2.2.1 運動學特征 


與距上關節一致,在跑步觸地過程中,距下關節在3個平動方向上僅存在細微運動(<5 mm);而在轉動方向上,距下關節在支撐期的絕大部分時間內均處于背屈、外翻、外旋狀態(圖7)。具體表現為:在足跟觸地后,距下關節進行背屈并伴隨外翻、外旋運動,并在支撐中期達到峰值背屈、外翻與外旋,隨后距下關節進行跖屈并伴隨內翻、內旋活動,并在支撐后期逐漸由外旋狀態轉變為中立位狀態。



2.2.2 關節運動學特征值 


1)關節平動:在支撐期階段,裸足與著鞋條件下的距下關節在3個平動方向(左右、前后、上下)內的觸地角度、峰值角度與關節RoM均無顯著性差異(表3)。



2)關節轉動:2種條件在距下關節跖/背屈、內/外翻與內/外旋方向上的觸地角度與RoM均無顯著性差異(P>0.05)。然而,在峰值角度中,相比裸足條件,著鞋顯著增加距下關節的峰值背屈角度(P=0.027);此外,著跑鞋條件下的峰值外翻角度顯著增加12.9%(P=0.043),2種條件在其余轉動方向上的峰值角度均無顯著性差異(圖8)。



3 討論

本研究從關節真實在體運動出發,采用國內首套高速DFIS對跑步過程中裸足與著鞋條件下的距上/距下關節在體運動學進行了獨立量化,研究主要發現:著鞋限制了距上關節的屈伸活動,包括峰值跖/背屈角度與屈伸RoM,同時增加了距下關節的峰值背屈角度并增加支撐中期的峰值外翻角度。


3.1 距上關節 


本研究結果發現,跑步過程中穿著跑鞋限制了距上關節的背屈活動,而在其余3個平動方向(左右、前后、上下)與2個轉動方向(內/外翻、內/外旋)上的位移并無顯著性差異。這意味著鞋限制了踝在矢狀面內的運動,部分驗證了本研究假設前半部分,并與前人采用DFIS所得到的結果類似(Roach et al.,2017)。上述發現與距上關節的解剖結構有著直接的關系:距上關節的關節囊前后較薄、兩側較厚,并有三角韌帶加強,距骨被脛骨、腓骨與內外踝關節面構成的關節窩所固定,此結構有利于距上關節在矢狀面上的活動,同時限制了距上關節在3個平動方向上的運動,而鞋結構如鞋舌則阻礙了距上關節的背屈活動(Yang et al.,2020),出現了更小的屈伸RoM,這或許會影響特定項目中的運動表現,尤其是強調足部靈活性的運動。提示,鞋具在設計時應考慮項目的特定需求。另一方面,在支撐期運動特征上,本研究發現,2種條件下后跟觸地后距上關節大部分時間處于背屈狀態。但在支撐前期,距上關節均出現小幅的跖屈運動,隨后進行背屈,并在支撐中后期即跑步蹬伸期逐漸由背屈轉換成跖屈狀態,這與Peltz等(2014)采用DFIS所得到的部分研究結果類似,該研究也發現距上關節在觸地初期存在小幅跖屈運動。我們認為,這或許是一種足部姿態的調整策略,即支撐前期距上關節出現的小幅跖屈運動可能是足部為著地時穩定關節而進行的策略性調整。此外,距上關節在支撐期的絕大部分時間內均處于外旋狀態,其在觸地后先進行小幅內旋活動,在支撐中期開始進行外旋,隨后又在支撐后期由外旋狀態轉變成內旋狀態。而Peltz等(2014)的研究并未觀察到距上關節支撐后期向內旋狀態轉變的過程,這可能與該研究并未采集完整支撐期因而無法獲取支撐后期的熒光成像有關,而本研究采集了超過90%的支撐期圖像,因而能更全面地呈現關節的真實在體運動。


3.2 距下關節 


本研究發現,裸足與著鞋對距下關節平移運動的影響是類似的,受限于距下關節外部軟組織包裹的影響,其平動位移較?。ǎ? mm)。然而,本研究也發現,相比著鞋跑,裸足跑顯著降低了距下關節的峰值背屈角度,可能與跑者在裸足跑觸地期間足部的“主動保護”有關。雖然本研究要求跑者在裸足跑期間采用后跟觸地,但通過高速熒光成像觀察到了跑者為緩沖觸地沖擊而出現距下關節跖屈增加的運動表現;此外,鑒于著鞋限制了距上關節的背屈運動,推測距下關節可能在支撐期中需承擔部分背屈運動的任務,這或許是導致距下關節有著更大峰值背屈角度的原因。結合跑鞋對距上關節6DOF運動特征的影響,這一結果有效補充了基于傳統標記點的運動捕捉系統所得到的結果,即跑鞋對踝矢狀面運動的限制主要集中于距上關節處。同時,本研究結果為探究包裹在鞋內的后足運動提供了新視角,即當距上關節屈伸活動受限時,距下關節可能會承擔一部分屈伸任務以更好地執行足部保護、緩沖等功能。


本研究部分驗證了研究假設的后半部分,即相比裸足,著鞋時的距下關節峰值外翻角度顯著增加12.9%。作為足部的主要活動,足外翻在跑步進程中起著重要的耦合(coupling)作用(Czerniecki. 1988)。一方面,部分研究報道了后足的過度外翻是引發如跟腱炎、脛骨應力綜合征等下肢與足部損傷的誘因之一(Ryan et al.,2009;Becker et al.,2018),但也有部分學者通過前瞻性隊列研究未發現損傷跑者與健康跑者在足外翻上的差異(Nielsen et al.,2014;Messier et al.,2018)。另一方面,以往研究在測量方法與具體指標上無統一標準,使得國際上尚未有針對后足過度外翻乃至距下關節過度外翻的明確定義,因此,現階段關于后足以及距下關節運動特征與損傷間的復雜關系仍無定論,未來的研究需明確過度外翻的取值范圍,并進一步探究關節運動特征與損傷之間的關聯。另外,本研究并未觀察到裸足與著鞋在內/外翻RoM中的顯著性差異(P=0.084),這一結果支持前人研究(Peltz et al.,2014)。而在運動特征上,本研究觀察到的距下關節跖/背屈和內/外旋活動與前人研究(Peltz et al.,2014)相似,但在3個轉動方向(跖/背屈、內/外翻、內/外旋)上的運動幅度更大,這或許與實驗中所選用的跑步速度有關。在此前的實驗中,受試者采用較低的自選速度(1.5~2 m/s),而本研究中的跑者需在較高的特定速度(2.85~3.15 m/s)下通過跑道。提示,足踝部的肌肉通過更大的激活以應對觸地階段的沖擊負荷(Dorn et al.,2012),因而有著更大的運動幅度。而在內/外翻運動趨勢上,本研究所觀察到的運動趨勢與采用傳統運動捕捉測量方法得到的結果類似。Becker等(2020)比較了緩沖跑鞋、極簡鞋與傳統跑鞋在下肢運動學中的差異,發現跑者在著緩沖跑鞋觸地過程中,足部從內翻狀態逐漸過渡到外翻狀態,并在支撐中期達到峰值外翻角度,隨后進行內翻活動并在支撐后期達到內翻狀態。然而,本研究觀察到跑者在觸地時刻與支撐后期,距下關節仍處于外翻狀態,與前述研究結果不一致,這或許與實驗所選用靜態參考系的不同有關。傳統測量方法通常將踝關節視作一個剛體而并非單獨距上/距下關節的獨立運動,所選取的靜態參考系并未將距骨涵蓋在內,這使其難以真實反映距上、距下關節的在體運動(Stacoff et al.,2000)。


3.3 研究局限


采用高速DFIS有助于進一步深入了解著鞋跑對距上關節與距下關節運動學的真實影響,但也存在一定局限,如電離輻射和拍攝范圍的限制。同時,本研究僅針對男性跑者,并未對著鞋對距上/距下關節在體運動學效果的性別差異進行探究。


4 結論


本研究采用國內首套高速DFIS比較了跑步支撐期內裸足與著鞋條件下距上和距下關節的運動學,研究發現:一方面,跑步中著鞋限制了距上關節屈伸的同時增加了距下關節的背屈峰值角度,這有效彌補了先前采用傳統測量技術只能獲取單一踝關節運動學結果的缺陷,并為改進鞋型設計提供一定參考;另一方面,著鞋顯著增加了距下關節的外翻(12.9%),未來研究應更多聚焦距下關節外翻與跑步損傷之間的關聯。綜上結果提示,著鞋對踝關節運動的影響在距上關節與距下關節處差別較大,這強調了采用DFIS捕捉獨立關節運動的重要性,以促進對鞋內足部真實關節運動的理解并為未來闡述足部運動特征與損傷間的潛在聯系奠定基礎。






轉載來源:體育總局科研所書刊部
原文制作:馬小涵
原文校對:丁   合  高天艾
原文監制:邱劍榮

學會編輯:劉天宇   王媛鳳

排版初審:許亞璇   韓   煒
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