足踝部關節(jié)在體運動度數字化三維測量新方法的建立及其初步應用研究.pdf

1、研究背景:
　　 由于交通傷、機器傷等各種原因導致的足踝部骨折的增多以及人們對于足踝健康的日益重視，現代足病學得到飛速發(fā)展。隨著平足癥、脛后肌腱功能不全、退行性關節(jié)炎、足部畸形、創(chuàng)傷性及創(chuàng)傷后關節(jié)炎等常見足病的治療理念由非手術治療轉向手術治療，各種新的治療策略和手術方式紛紛涌現。但由于不正確的手術處理以及現有治療方式的局限性等原因，均有可能造成踝關節(jié)力線改變、后足增寬、足弓消失以及內外翻等多種畸形，由此導致足踝部疼痛、功能及行走

2、障礙等亦呈明顯增加趨勢。這迫切要求能夠對正常足和病足的關節(jié)運動進行在體測量，以便了解足踝各關節(jié)在正常和病理狀態(tài)下的運動特點，為深入理解足踝部疾病的發(fā)病機制、制定正確的治療計劃、準確評估手術效果提供指導。但現今足踝運動學研究面臨2個重大難題阻礙了其進一步發(fā)展。首先，早期足踝運動學研究多以尸體標本的足踝運動作為研究對象，這些研究提供了對足踝運動學的最早期認識和了解，但是尸體標本由于喪失了肌肉、肌腱等軟組織的生理活性和重要的血管灌注、神經支配

3、，不能滿足臨床對于活體生理狀態(tài)下的足踝運動學研究。盡管隨著足踝運動學研究的深入和臨床足病學的發(fā)展，對活體生理狀態(tài)下的足踝運動學研究涌現出各種新的研究方法，其中以感應器示蹤標記、紅外線攝影撲捉技術和三維運動分析系統(tǒng)應用最多，但這些對活體生理狀態(tài)下的足踝運動學研究大都具有侵入性，難以被受試者接受。其次，現代足病學的飛速發(fā)展，使得足部運動學的研究內容已不再僅限于對足部運動進行大體的二維模式研究，而是轉向更為精細的骨與關節(jié)的三維運動模式。但由于

4、足踝構成骨均小而不規(guī)則，其骨間關節(jié)運動大多是微動的、三維方向的復合運動，因此準確測量和描述足踝內部各關節(jié)在體三維運動一直是足踝運動學研究方面的難點。隨著影像診斷技術的進步和計算機輔助技術的發(fā)展，通過足踝CT或MRI影像的3D重建對活體足進行在體三維運動測量成為可能。建立一種精確、非侵入性、操作簡單、具有臨床推廣價值的新的足踝在體三維運動測量方法，可以廣泛收集正常足和病足的運動學資料，分析其運動特點，有助于研發(fā)新器械、新技術、新方法;通過

5、對比分析術前、術后足踝關節(jié)最大運動能力，可以評估手術療效，優(yōu)化手術方式。本研究通過MIMICS軟件和GEOMAGIC軟件，結合剛體運動學原理，嘗試建立一種足踝部關節(jié)在體運動度數字化三維測量新方法，通過這種方法對后足內在關節(jié)的在體三維運動進行測量和分析;對內側縱弓各構成關節(jié)的運動變化與內側縱弓變化的關系進行探討，為將來臨床進行病理性足踝關節(jié)的在體三維運動數字化測量和分析提供前期研究。
　　 研究目的:
　　 1.建立一種全

6、新的足踝關節(jié)在體運動度數字化三維測量的技術方法;
　　 2.測量后足內部關節(jié)在體三維運動，明確后足內部各關節(jié)在體三維運動特點;
　　 3.探明內側縱弓各構成關節(jié)在體三維運動度變化及其對內側縱弓變化的影響。
　　 研究方法:
　　 1.足踝部不同體位CT影像學數據采集
　　 足部運動過程是一個連續(xù)性過程，可以將足部這一連續(xù)性運動過程簡化為運動由靜態(tài)的初始體位運動至靜態(tài)的終末體位，將這2個靜態(tài)體位在三

7、維空間的六個自由度的變化來反映足部運動前后的運動變化。
　　 本研究將足由中立位進行最大內翻內收背伸運動簡化為初始體位（中立位）和終末體位（最大內翻內收背伸位）的運動變化，并采集這2個體位的靜態(tài)CT影像，CT掃描斷層數據以.DICOM格式儲存導出。
　　 2.足踝部骨與關節(jié)的數字化三維模型重建
　　 將采集的初始體位和終末體位的靜態(tài)CT影像導入MIMICS10.01軟件進行足踝部各構成骨與關節(jié)的數字化三維模型重建

8、，將重建的骨與關節(jié)數字化模型以.STL格式保存。
　　 3.足踝部關節(jié)在體運動的數字化三維測量
　　 在GEOMAGIC10.0軟件中設立虛擬空間坐標系，將不同體位的骨與關節(jié)的數字化三維模型導入GEOMAGIC10.0軟件中的虛擬空間坐標系，根據剛體運動學原理，通過在GEOMAGIC10.0軟件進行2次配準注冊后，可以通過GEOMAGIC10.0軟件自行計算并讀取出運動前、后足踝部關節(jié)在三維空間的6個自由度的變化數值。<

9、br>　　 4.統(tǒng)計學方法
　　 計量資料以(x)±s表示，選取檢驗水準α=0.05，采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。
　　 脛距關節(jié)旋轉角度(X1)、距下關節(jié)旋轉角度(X2)與踝關節(jié)聯合體旋轉角度(Y)的關系采用多元線性回歸分析。
　　 后足關節(jié)繞冠狀軸旋轉幅度、繞矢狀軸旋轉幅度、繞垂直軸旋轉幅度之間進行LSD多重比較。
　　 采用獨立樣本t檢驗對同一軸線上脛距關節(jié)和距下關節(jié)的旋轉幅度進行對

10、比，其自由度為16。
　　 內側縱弓各構成關節(jié)在體三維運動變化與足內弓頂角變化相關性采用pearson相關分析。
　　 結果:
　　 1.足踝部關節(jié)在體運動度數字化三維測量新方法的建立
　　 利用MIMICS軟件的數字化三維重建、GEOMAGIC軟件的虛擬三維空間設立等數字化技術結合剛體運動學原理，建立一種足踝部關節(jié)在體運動度數字化三維測量新方法，通過這種方法測量了后足關節(jié)及內側縱弓各構成關節(jié)的運動變化。

11、
　　 2.后足內部各關節(jié)在體三維運動分析
　　 2.1.后足內部各關節(jié)在體三維運動特點
　　 足由中立位進行內翻、內收、背伸運動時，脛距關節(jié)背伸10.77±5.70°、外翻3.89±2.77°、外展5.29±4.47°，向足外側位移0.78±0.59mm、向后足位移0.18±0.75mm、向肢體近側位移0.65±0.71mm;距下關節(jié)跖屈6.33±4.32°、內翻16.46±2.94°、內收12.77±1.81

12、°，向足內側位移5.50±1.45mm、向前足位移1.96±1.77mm、向肢體遠側位移0.43±1.18mm;距舟關節(jié)跖屈5.09±6.89°、內翻38.82±5.98°、內收19.71±6.33°，向足內側位移9.77±1.73mm、向后足位移3.13±1.29mm、向肢體近側位移4.64±1.42mm。
　　 2.2.后足內部各關節(jié)在體三維運動分析
　　 脛距關節(jié)主要繞冠狀軸旋轉，距下關節(jié)和距舟關節(jié)主要繞矢狀軸旋轉

13、;踝關節(jié)在冠狀軸線上的旋轉運動主要由脛距關節(jié)和距下關節(jié)聯合完成，而踝關節(jié)在矢狀軸和垂直軸的旋轉運動則主要依靠距下關節(jié)完成。
　　 3.內側縱弓各構成關節(jié)在體三維運動變化對內側縱弓變化的影響
　　 3.1.內側縱弓變化
　　 足由中立位進行內翻、內收、背伸運動時，運動終末體位內弓頂角(111.20±5.46)與運動起始體位內弓頂角(117.61±3.47)的角度差值（-6.41±4.60）是負值，說明足內翻內收背伸

14、運動時足弓高度是增加的。
　　 3.2.內側縱弓各構成關節(jié)在體三維運動變化
　　 足由中立位進行內翻、內收、背伸運動時，距下關節(jié)跖屈6.33±4.32°、內翻16.46±2.94°、內收12.77±1.81°，向足內側位移5.50±1.45mm、向前足位移1.96±1.77mm、向肢體遠側位移0.43±1.18mm;距舟關節(jié)跖屈5.09±6.89°、內翻38.82±5.98°、內收19.71±6.33°，向足內側位移9.

15、77±1.73mm、向后足位移3.13±1.29mm、向肢體近側位移4.64±1.42mm;舟楔關節(jié)跖屈5.33±6.56°、外翻2.62±3.93°、內收1.20±3.54°，向足外側位移0.04±1.18mm、向后足位移1.65±1.59mm、向肢體遠側位移1.80±1.91mm;第1跖跗關節(jié)跖屈0.32±1.61°、內翻1.18±2.69°、內收0.43±2.65°，向足內側位移0.46±1.08mm、向后足位移0.48±0.34

16、mm、向肢體遠側位移0.28±1.04mm。
　　 3.3.內側縱弓各構成關節(jié)在體三維運動變化對內側縱弓變化的影響
　　 距舟關節(jié)在冠狀軸上向內側位移與足內弓頂角變化的相關性較大（相關系數r絕對值＞0.5），具有顯著性差異（P＜0.05);舟楔關節(jié)的跖屈、內收旋轉和向足外側、向后足、向肢體遠側位移與足內弓頂角變化的相關性較大（相關系數r絕對值＞0.5），其中舟楔關節(jié)的內收旋轉和向外側位移具有顯著性差異（P＜0.05);距

17、下關節(jié)、第1跖跗關節(jié)在體三維運動的6個自由度變化與足內弓頂角變化的相關性較小（相關系數r絕對值＜0.5），且其對足內弓項角變化相關性均不具有顯著性差異(P＞0.05)。
　　 結論:
　　 1.建立了全新的足踝部關節(jié)在體運動度數字化三維測量方法，該方法具有精確、非侵入性、操作簡單、具有臨床推廣價值等優(yōu)點。
　　 2.足由中立位進行內翻、內收、背伸運動時，踝關節(jié)在冠狀軸線上的旋轉運動主要由脛距關節(jié)和距下關節(jié)聯合完成

18、，而踝關節(jié)在矢狀軸和垂直軸的旋轉運動則主要依靠距下關節(jié)完成。
　　 3.足由中立位進行內翻、內收、背伸運動時，脛距關節(jié)主要繞冠狀軸旋轉，距下關節(jié)和距舟關節(jié)主要繞矢狀軸旋轉。
　　 4.足由中立位進行內翻、內收、背伸運動時，內側縱弓各構成關節(jié)中距舟關節(jié)和舟楔關節(jié)是導致足內側縱弓變化的主要關節(jié)，距下關節(jié)和第一跖跗關節(jié)則對足內側縱弓變化的影響相對要小。這一結果暗示在足內側縱弓各構成骨中足舟骨的三維空間位置變化對足內側縱弓角度變