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        雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

        2019-09-17 01:21:10張翠湯運(yùn)啟王少白劉宇
        關(guān)鍵詞:肱骨踝關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)

        張翠 湯運(yùn)啟 王少白 劉宇

        1 上海體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)學(xué)院(上海200438)

        2 山東省體育科學(xué)研究中心運(yùn)動生物力學(xué)研究室(濟(jì)南250014)

        3 陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院(西安710021)

        不論全民健身還是競技體育,預(yù)防運(yùn)動損傷和運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練都是不可忽視的重要問題?,F(xiàn)有的運(yùn)動分析技術(shù)和研究雖然為我們認(rèn)識骨、關(guān)節(jié)運(yùn)動以及相關(guān)損傷機(jī)制提供了大量有價(jià)值的參考依據(jù),但仍然存在靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài))、尸體、活體侵入、非正常生理運(yùn)動等條件和技術(shù)瓶頸,因此,研究人員開發(fā)了熒光透視成像系統(tǒng),目前常用的是雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)(dual fluoroscopic imaging system,DFIS)。

        DFIS是將熒光透視成像技術(shù)與影像拍攝技術(shù)相結(jié)合,精準(zhǔn)獲取低速及高速運(yùn)動中在體骨、關(guān)節(jié)的三維運(yùn)動規(guī)律的系統(tǒng),已經(jīng)成功應(yīng)用于運(yùn)動損傷防治領(lǐng)域[1,2]。在以往研究中,研究人員分析了肩關(guān)節(jié)[3,4]、腰椎[5,6]、膝關(guān)節(jié)[7,8]和踝關(guān)節(jié)[9,10]內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特征和受力機(jī)制,探討了不同動作中不同關(guān)節(jié)的損傷機(jī)制及康復(fù)治療效果。本研究在介紹DFIS 結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上,總結(jié)與分析該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的可靠性及其在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,以期為研究人員更深層次地探討引起關(guān)節(jié)損傷的潛在危險(xiǎn)因素和可能致傷機(jī)理,以及動作的規(guī)范化、運(yùn)動損傷的精確診療、個(gè)性化康復(fù)計(jì)劃的制定和運(yùn)動護(hù)具的研制等提供更先進(jìn)的技術(shù)、更可靠的方法和可參考的理論數(shù)據(jù)。

        1 DFIS的結(jié)構(gòu)及功能

        DFIS 由一套運(yùn)動透視影像系統(tǒng)(圖1a)和一套數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)構(gòu)成。其中,運(yùn)動透視影像系統(tǒng)由2 個(gè)高壓發(fā)光器和光源、2個(gè)配對的帶有熒光接收器和圖像增強(qiáng)器的移動機(jī)械臂以及2個(gè)配套的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)共同組成,拍攝范圍直徑可達(dá)40 cm,拍攝時(shí)長可達(dá)1 s,采樣頻率30~1000 Hz,快門速度可達(dá)1/2000 s[1,2]。該運(yùn)動透視影像系統(tǒng)能夠捕捉人體運(yùn)動中關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6自由度(6 degree of freedom,6DOF)運(yùn)動(即沿各關(guān)節(jié)或骨的局部坐標(biāo)系x、y、z 軸的3個(gè)平移運(yùn)動和繞x、y、z軸的3 個(gè)轉(zhuǎn)動[11,12]),彌補(bǔ)傳統(tǒng)動作捕捉系統(tǒng)只能通過體表標(biāo)記點(diǎn)的空間位置來解析人體運(yùn)動,無法獲得骨骼真實(shí)運(yùn)動的數(shù)據(jù),并受到皮膚和軟組織晃動(skin artifact)影響的缺陷;也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)字診療和影像學(xué)技術(shù)——X 線成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)以及磁共振(MRI)成像技術(shù)等僅分析人體骨和關(guān)節(jié)內(nèi)部靜態(tài)成像的缺陷。數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)(圖1b~1e)是一套包括三維建模(3D modeling)[1,13]、二維/三維關(guān)節(jié)自動配準(zhǔn)技術(shù)(2D to 3D image registration)[14,15]和三維運(yùn)動分析(3D motion analysis)[16]的多模塊軟件系統(tǒng),主要完成各獨(dú)立骨節(jié)段三維模型到二維影像投影的配準(zhǔn),獲得關(guān)節(jié)各獨(dú)立骨節(jié)段在三維空間中的精確位置和姿態(tài),并進(jìn)一步量化關(guān)節(jié)相對運(yùn)動和相對角度、關(guān)節(jié)軟骨形變、軟骨接觸點(diǎn)/面及應(yīng)力分布等。總之,DFIS 可直接動態(tài)三維追蹤并量化在體、負(fù)重功能位關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)位置關(guān)系及其6DOF 運(yùn)動。該系統(tǒng)對各獨(dú)立骨段平動位移和轉(zhuǎn)動角度的測試精度達(dá)到亞毫米級,真正實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行不受皮膚、軟組織影響的個(gè)體化關(guān)節(jié)分析,且無創(chuàng),重復(fù)性高[1,14]。

        圖1 雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)[2,16]

        2 DFIS的起源與發(fā)展

        DFIS 起源于1895年發(fā)明的熒光透視成像技術(shù)[17]。熒光透視成像技術(shù)自發(fā)明以來以其穿透性、無創(chuàng)性在醫(yī)學(xué)成像檢測上獲得了廣泛的應(yīng)用,但是醫(yī)學(xué)成像檢測以靜態(tài)圖像分析為主,應(yīng)用在人體運(yùn)動領(lǐng)域有較大的局限性。所以研究人員將熒光透視成像技術(shù)與影像拍攝技術(shù)相結(jié)合,發(fā)明了單平面熒光透視分析系統(tǒng),并已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[18]和人體低速運(yùn)動領(lǐng)域[19,20],其局限性在于無法量化關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF運(yùn)動,無法準(zhǔn)確分析骨性結(jié)構(gòu)運(yùn)動與損傷的關(guān)系[21,22]。于是,以美國麻省理工學(xué)院、麻省總醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院為主的研究團(tuán)隊(duì),結(jié)合熒光透視成像技術(shù)、2D/3D 配準(zhǔn)技術(shù)和三維運(yùn)動分析技術(shù)(圖1c,1d,1e),開發(fā)了低速DFIS(采樣頻率≤30 Hz),實(shí)現(xiàn)了在體骨、關(guān)節(jié)運(yùn)動的動態(tài)三維追蹤和分析[23-25]。隨后,美國科羅拉多大學(xué)、丹佛大學(xué)、匹茲堡大學(xué)、伊利諾伊州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[26]對雙平面正交熒光成像系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),擴(kuò)大了拍攝范圍,提高了拍攝頻率(采樣頻率≥100 Hz,快門速度≥1/500 s)。目前這些系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于手術(shù)過程中的心臟/腦血管造影成像[27]、關(guān)節(jié)手術(shù)定位[28]、個(gè)性化3D關(guān)節(jié)假體置換[29,30]和人體骨性結(jié)構(gòu)在體負(fù)重功能位運(yùn)動等領(lǐng)域[26,31-33]。

        3 DFIS在運(yùn)動醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

        3.1 DFIS評價(jià)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動的信效度和精度

        DFIS在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用取決于該系統(tǒng)分析人體關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)6DOF 運(yùn)動的信效度和精度。研究人員通過在人體肱骨[34,35]、肩胛骨[14,35]和鎖骨[36]標(biāo)本,羊腰椎[37]標(biāo)本內(nèi)植入鉭珠;在人體腰椎[38]和髖關(guān)節(jié)標(biāo)本[23,29,39]內(nèi)植入鋼珠;在膝關(guān)節(jié)標(biāo)本內(nèi)植入不同材料的球[40];在脛骨、距骨和跟骨標(biāo)本內(nèi)置入銅珠[41];使用腳模和步態(tài)模擬機(jī)器人[42],并利用模型計(jì)算,證實(shí)該系統(tǒng)可用于分析肩關(guān)節(jié)、腰椎、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)內(nèi)部骨性結(jié)構(gòu)的6DOF 常速和高速運(yùn)動,并具有一定有效性、可重復(fù)性以及精確性(見表1)。

        表1 DFIS評價(jià)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動信效度和精度

        3.2 DFIS在運(yùn)動損傷機(jī)制探討中的應(yīng)用

        人體運(yùn)動以骨為杠桿、關(guān)節(jié)為支點(diǎn)、骨骼肌收縮為動力,關(guān)節(jié)損傷(一般是由動作不規(guī)范或高沖擊造成)的機(jī)制一直是研究熱點(diǎn)。常用的傳統(tǒng)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)間接測得的距下關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度誤差超過10°[43],膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)的脛骨移動距離大于真實(shí)移動距離[1],由于皮膚和軟組織的誤差,使得探討關(guān)節(jié)損傷機(jī)制時(shí)存在間接推斷的缺陷。DFIS可以動態(tài)三維追蹤人體運(yùn)動時(shí)在體關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)、韌帶和軟骨的位置關(guān)系和形變,更加直觀、真實(shí)和精確地探討關(guān)節(jié)損傷機(jī)制。研究人員已經(jīng)成功使用DFIS 探討肩關(guān)節(jié)、腰椎、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的部分運(yùn)動損傷機(jī)制(其中膝關(guān)節(jié)最受關(guān)注),尚有較多運(yùn)動損傷機(jī)制未探明。

        3.2.1 DFIS在肩關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

        有研究使用DFIS 就肩關(guān)節(jié)運(yùn)動造成肩峰下撞擊綜合征的機(jī)制進(jìn)行探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者肩關(guān)節(jié)完全外展時(shí),肱骨相對于肩胛骨外旋33.6°[44],如果此時(shí)肱骨外旋受限,肩峰下組織可能會與肩峰產(chǎn)生撞擊。受試者肩關(guān)節(jié)處于中立位時(shí)(圖2a),肱骨內(nèi)旋,喙肱距離會減?。▓D2b)[45],肩峰下組織可能會與肩峰產(chǎn)生撞擊,通常發(fā)生于肩胛下肌、胸大肌等內(nèi)旋肌肉緊張時(shí)。受試者肩關(guān)節(jié)外展過程中盂肱關(guān)節(jié)從起始位置到外展105°,肱骨頭中心向上平移2.1 mm;從外展105°到最大外展位置,肱骨下降0.9 mm;盂肱關(guān)節(jié)從起始位置到外展60°,肱骨外旋14°;從外展60°到外展105°,肱骨內(nèi)旋9°[3]。如果肩關(guān)節(jié)外展過程中,肱骨頭的滾動與滑動不協(xié)調(diào),肩峰下組織可能會與肩峰產(chǎn)生撞擊。所以肩關(guān)節(jié)外展時(shí)肱骨外旋受限、肱骨頭滾動與滑動不協(xié)調(diào)以及肩關(guān)節(jié)中立位時(shí)肱骨內(nèi)旋都可能是引發(fā)肩峰下撞擊綜合癥的原因。

        有研究使用DFIS 就肩關(guān)節(jié)運(yùn)動造成肩袖損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者肩關(guān)節(jié)處于內(nèi)收位時(shí),肱骨外旋,肱骨頭中心向后平移2.5 mm[44];如果此時(shí)肱骨頭后移受限,會造成肩關(guān)節(jié)囊后側(cè)緊張,肱骨頭偏向關(guān)節(jié)前方,容易導(dǎo)致肩袖損傷。

        尚未發(fā)現(xiàn)使用DFIS 對肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)等其它肩關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷機(jī)制的探討。

        圖2 肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的研究[45]

        3.2.2 DFIS在腰椎運(yùn)動損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

        有研究使用DFIS 就負(fù)重屈伸動作造成腰椎間盤突出的機(jī)制進(jìn)行了探討。研究人員為腰椎定義了局部坐標(biāo)系(圖3a),發(fā)現(xiàn)受試者舉重物伸展時(shí),L3~L4椎間盤承受剪切力和垂直力作用,剪切力最大值為230 N或0.34 倍體重,出現(xiàn)在屈曲位,垂直壓力最大值為1500 N 或2.28 倍體重,出現(xiàn)在垂直位;腰椎主要承受屈伸力矩,直立位屈伸力矩為4.2 Nm(圖3b)[5],說明負(fù)重伸展會對椎間盤造成復(fù)合應(yīng)力,在壓力和剪切力的共同作用下,椎間盤突出和椎間關(guān)節(jié)錯(cuò)位的發(fā)生率更高;受試者負(fù)重屈曲時(shí),L4~L5 椎間屈曲角度為6.6°,L5~S1 椎間屈曲角度為5.3°[46],腰椎屈曲角度越大,椎間盤前方受到的壓力越大,發(fā)生椎間盤向后突出損傷的風(fēng)險(xiǎn)越高,因而負(fù)重前屈時(shí)L4~L5 腰椎椎間盤突出的發(fā)生率可能更高。

        有研究使用DFIS 就負(fù)重伸展動作造成關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重伸展時(shí),L4~L5 椎間彎曲角度為-1.8°,L5-S1 椎間彎曲角度為-3.5°[46],腰椎后伸角度越大,椎間盤后方受到的壓力越大,發(fā)生腰椎后方結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險(xiǎn)越高,主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎癥和退變,因而負(fù)重后伸時(shí)造成L5~S1關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)炎癥或退變的幾率更大。

        有研究使用DFIS 就負(fù)重伸展動作造成神經(jīng)疼痛的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重45°屈曲到全伸展,除了L5~S1,其余椎間孔的面積和寬度都隨著伸展而減小[47],如果受試者患有椎間盤突出或骨贅增生,該負(fù)重伸展動作則容易壓迫神經(jīng)根(神經(jīng)根從椎間孔穿過),產(chǎn)生疼痛癥狀。

        有研究使用DFIS 就負(fù)重伸展動作造成腰椎滑脫或椎弓根裂的機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重45°屈曲到全伸展,下腰椎L4~L5、L5~S1的前后移動更大(與上段腰椎相比)[48],腰椎前后移動容易造成腰椎滑脫,因而提重物伸展動作造成下腰椎滑脫的可能性更大;另外,該動作使腰椎受到的向前剪切力增加,還可能造成椎弓根裂。

        圖3 負(fù)重屈伸時(shí)腰椎運(yùn)動的研究[5]

        3.2.3 DFIS在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

        有研究使用DFIS 就負(fù)重屈膝和落地動作造成膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者負(fù)重屈膝15°時(shí)ACL后外側(cè)束(posterolateral bundle,PL)達(dá)到相對伸長量峰值為5.9%,負(fù)重屈膝30°時(shí)ACL 前內(nèi)側(cè)束(anteromedial bundle,AM)達(dá)到相對伸長量峰值為4.4%[49],說明負(fù)重屈膝15°時(shí)ACL 的PL 容易發(fā)生斷裂,負(fù)重屈膝30°時(shí)ACL 的AM 容易發(fā)生斷裂。研究還發(fā)現(xiàn)受試者40 cm 落地時(shí)脛骨前移峰值距離為5.6 mm,大于步行(90 步/分)時(shí)的3.1 mm 和無負(fù)重伸膝時(shí)的2.6 mm,40 cm 落地、最大等長伸膝(屈曲70°)和無負(fù)重伸膝的脛骨內(nèi)旋峰值無差異(14.5°~19.4°),大于步行的3.9°[7],說明外加負(fù)荷增加,會增加脛股前移的距離,進(jìn)而增加ACL斷裂風(fēng)險(xiǎn),該情況與運(yùn)動高度和強(qiáng)度增加,肌肉和軟組織負(fù)荷增加有關(guān)。健康受試者直膝和屈膝落地時(shí),脛股前移距離峰值沒有顯著差異,但是直膝落地受到的地面反作用力和伸膝力矩比屈膝落地大[26],膝關(guān)節(jié)向前的被動松弛度與落地時(shí)刻的脛骨前移距離峰值有關(guān)[50]。健康受試者脛骨前后移動距離與伸膝力矩或前后剪切力不相關(guān)[33,51],說明關(guān)節(jié)松弛可能會增加落地時(shí)ACL 損傷的風(fēng)險(xiǎn)。受試者落地時(shí),膝關(guān)節(jié)外翻角度與脛骨前移距離、側(cè)移距離有直接關(guān)系[31],間接說明膝關(guān)節(jié)外翻增加可能會增加ACL 損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此,受試者負(fù)重屈膝角度不同,ACL韌帶斷裂部位不同;脛骨前移距離增加、膝關(guān)節(jié)外翻角度增加、膝關(guān)節(jié)外加負(fù)荷增加和膝關(guān)節(jié)松弛都可能是造成ACL損傷的原因。

        有研究使用DFIS 就落地動作造成膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶(medial collateral ligament,MCL)損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)MCL 前束相對伸長量與屈膝角度正相關(guān),在支撐中期達(dá)到峰值;后束相對伸長量與屈膝角度負(fù)相關(guān),在伸膝末期/擺動前期達(dá)到峰值[52],說明支撐中期MCL 前束斷裂的發(fā)生率增加,伸膝末期或擺動前期后束斷裂的發(fā)生率增加。

        有研究使用DFIS 就負(fù)重屈曲、行走和蹬踏臺階動作造成膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)常進(jìn)行大幅度屈曲的人,患膝骨關(guān)節(jié)炎的概率為普通人的2 倍,膝關(guān)節(jié)后方承受的壓力比日常行走時(shí)所承受的壓力高58.3%[53];膝關(guān)節(jié)從全伸到屈曲90°,脛骨和股骨接觸點(diǎn)在脛骨平臺和股骨髁的內(nèi)側(cè)[3];大幅度屈曲時(shí),脛骨和股骨平臺接觸點(diǎn)偏內(nèi)外側(cè)[54];膝關(guān)節(jié)軟骨最小形變發(fā)生在屈膝30°時(shí),最大形變發(fā)生在屈膝120°時(shí),內(nèi)側(cè)的接觸區(qū)域和形變(見圖4a)大于外側(cè)(見圖4b)[55],說明膝關(guān)節(jié)在大幅度屈曲過程中,脛骨平臺內(nèi)后方壓力較大,如果長期保持屈膝120°以上,內(nèi)側(cè)軟骨損傷發(fā)生率增加。研究發(fā)現(xiàn)受試者進(jìn)行慢速行走蹬地時(shí)(伸膝),股骨內(nèi)側(cè)髁在水平方向的運(yùn)動范圍大于股骨外側(cè)髁[56];蹬踏臺階伸膝時(shí),股骨與內(nèi)側(cè)脛骨平臺接觸點(diǎn)后移[32];矢狀面內(nèi)脛骨內(nèi)側(cè)平臺的接觸半徑大于外側(cè)脛骨平臺[57],說明蹬伸運(yùn)動會增加膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)軟骨和脛骨內(nèi)側(cè)平臺的損傷率。因此,膝關(guān)節(jié)重復(fù)大幅度屈曲和蹬伸運(yùn)動都可能引發(fā)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨損傷。

        有研究使用DFIS 就負(fù)重屈曲動作造成膝關(guān)節(jié)外側(cè)軟骨損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者單腿負(fù)重站立時(shí),負(fù)重前20 s內(nèi)膝關(guān)節(jié)軟骨形變快速增加,50 s 后達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定,軟骨最大接觸形變發(fā)生在外側(cè)(內(nèi)側(cè)軟骨接觸形變變化率為1.4%,外側(cè)軟骨接觸形變變化率為3.1%),最大接觸區(qū)域出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)(內(nèi)側(cè)接觸面積變化率為40.6 mm2/s,外側(cè)接觸面積變化率為24.0 mm2/s)[58],說明單腿負(fù)重站立時(shí)前20 s 為主要調(diào)控時(shí)間段;單腿站立時(shí)身體需要橫向傾斜,外側(cè)軟骨損傷發(fā)生率增加。

        尚未發(fā)現(xiàn)外加負(fù)荷增加(如高沖擊運(yùn)動)造成膝關(guān)節(jié)半月板損傷的機(jī)制研究。

        圖4 膝關(guān)節(jié)屈伸時(shí)脛骨和股骨軟骨接觸區(qū)域厚度變化及接觸軌跡[55]

        3.2.4 DFIS在踝關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用

        有研究使用DFIS 就踝關(guān)節(jié)屈曲、單腿站立和行走動作造成踝關(guān)節(jié)韌帶損傷的機(jī)制進(jìn)行了探討,結(jié)果發(fā)現(xiàn)受試者踝關(guān)節(jié)從中立位到最大跖屈,前距腓韌帶伸長,跟腓韌帶縮短;從中立位到最大背屈位,前距腓韌帶縮短,跟腓韌帶伸長;從最大旋前位到最大旋內(nèi)位,前距腓韌帶伸長,跟腓韌帶縮短[59]。這說明踝關(guān)節(jié)從中立位到最大跖屈位進(jìn)行旋內(nèi)動作時(shí)易發(fā)生前距腓韌帶斷裂;踝關(guān)節(jié)從中立位到最大背屈位易發(fā)生跟腓韌帶斷裂。研究還發(fā)現(xiàn)受試者單腿站立時(shí),脛距關(guān)節(jié)42.4%的接觸區(qū)域軟骨形變量大于原厚度的15%,最大形變出現(xiàn)在外側(cè),為原厚度的34.5%[9];形變和應(yīng)力突變發(fā)生在接觸初期,負(fù)重后0~20 s 接觸應(yīng)力增加24%~38%,20 s后接觸應(yīng)力的變化變小,50 s后接觸應(yīng)力的變化幾乎為零[60],說明受試者單腿站立時(shí),觸地初期踝關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生率增加,軟骨損傷在接觸區(qū)域外側(cè)的發(fā)生率增加。研究還發(fā)現(xiàn)受試者行走支撐中期到后跟離地,距下關(guān)節(jié)內(nèi)旋和內(nèi)翻更多,比脛距關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)大[61],說明受試者支撐后期距下關(guān)節(jié)活動受限時(shí)踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻損傷發(fā)生率增加,多傷及兩側(cè)韌帶組織。所以在支撐后期距下關(guān)節(jié)活動受限時(shí),踝關(guān)節(jié)在進(jìn)行最大跖屈并內(nèi)旋,或者進(jìn)行最大背屈時(shí),踝關(guān)節(jié)韌帶損傷率都可能增加。尚未發(fā)現(xiàn)對踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)機(jī)制的研究。

        3.3 DFIS在關(guān)節(jié)損傷后的運(yùn)動及康復(fù)治療研究中的應(yīng)用

        關(guān)節(jié)損傷會影響人體的日?;顒?,進(jìn)而影響人的生活質(zhì)量。運(yùn)動損傷后關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)位置運(yùn)動關(guān)系的變化、韌帶運(yùn)動方式和軟骨形變的變化,對于制定康復(fù)方案有直接指導(dǎo)作用。同時(shí)運(yùn)動干預(yù)和佩戴護(hù)具是兩種常用的關(guān)節(jié)功能康復(fù)手段,但是什么方式的運(yùn)動、什么類型的護(hù)具對于限制/增加某個(gè)骨性結(jié)構(gòu)位移、韌帶伸長、減小某個(gè)位置軟骨沖擊和改善姿勢控制更有效?康復(fù)人員更期望觀察到康復(fù)前后乃至康復(fù)過程中關(guān)節(jié)內(nèi)部骨性結(jié)構(gòu)以及韌帶和軟骨在人體自然運(yùn)動中的活動,而不是通過皮膚標(biāo)記點(diǎn)或者觀察靜態(tài)圖片來推測關(guān)節(jié)運(yùn)動功能的康復(fù)情況。目前研究人員已成功使用DFIS分析了損傷后上肢關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)6DOF的運(yùn)動,步行時(shí)下肢關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF 運(yùn)動,護(hù)具對關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)6DOF運(yùn)動的影響等,為損傷后精細(xì)康復(fù)治療方案的制定和護(hù)具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與使用都提供了非常寶貴的建議。但是有關(guān)關(guān)節(jié)損傷后康復(fù)治療的研究較少,尚未涉及不同運(yùn)動或治療方式對關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷治療效果的研究。

        3.3.1 DFIS在肩關(guān)節(jié)損傷后運(yùn)動范圍研究中的應(yīng)用

        研究人員使用DFIS 對受試者肩袖撕裂后的運(yùn)動范圍進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)患者肩關(guān)節(jié)外展時(shí),肩胛骨向后傾斜角度變小,肱骨相對于肩胛骨外旋角度變小[62];肩關(guān)節(jié)外展80°時(shí),肱骨頭向上平移0.2 mm(健康受試者肱骨頭向下平移1.2 mm);肩關(guān)節(jié)外展140°時(shí),肱骨頭向上平移1.3 mm(健康受試者肱骨頭向下平移0.44 mm)[4]。說明肩袖撕裂影響受試者肩關(guān)節(jié)活動功能,使肩袖固定肱骨上下活動的能力減弱,肱骨頭滑動功能減弱,更容易導(dǎo)致肩袖撞擊損傷。

        3.3.2 DFIS在腰椎康復(fù)治療中的應(yīng)用

        研究人員使用DFIS 對受試者負(fù)重屈伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)時(shí)腰椎的活動進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)人體無負(fù)重旋轉(zhuǎn)時(shí),貢獻(xiàn)最大的是L2-L3,隨后依次是L5-S1、L4-L5和L3-L4,L2-L3 和L3-L4 旋轉(zhuǎn)伴隨對側(cè)反向彎曲,下腰椎L4-L5、L5-S1 旋轉(zhuǎn)伴隨同側(cè)同向彎曲[6];L2-L5 腰椎進(jìn)行屈伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)功能性動作時(shí),上層椎骨屈曲范圍大于下層椎骨,上下層椎骨側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)沒有差異[63]。說明人體腰椎運(yùn)動是多軸的復(fù)合運(yùn)動,完成不同功能性動作時(shí)上下層椎骨運(yùn)動范圍有差異,在進(jìn)行腰椎康復(fù)治療時(shí),針對不同位置椎骨治療時(shí)手法應(yīng)該有所變化,如對伴隨有同向或反向側(cè)彎的腰椎要選用側(cè)彎加旋轉(zhuǎn)的手法。

        3.3.3 DFIS 在膝關(guān)節(jié)損傷后步態(tài)和康復(fù)治療研究中的應(yīng)用

        研究人員使用DFIS 對膝關(guān)節(jié)疼痛的肥胖受試者和ACL 損傷的受試者佩戴護(hù)具后膝關(guān)節(jié)6DOF 運(yùn)動進(jìn)行了分析,以期對膝關(guān)節(jié)損傷后的康復(fù)治療提供理論支持。

        Li等[64]對10名膝關(guān)節(jié)疼痛的肥胖受試者走路時(shí)膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF運(yùn)動進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)與健康受試者相比,肥胖受試者站立時(shí)膝關(guān)節(jié)過伸7.4°,輕微外翻,外旋5.6°;步態(tài)支撐期屈膝更多,脛骨前移距離更多,膝關(guān)節(jié)活動范圍減小。說明體重增加改變了肥胖受試者膝關(guān)節(jié)的形態(tài)和運(yùn)動時(shí)的姿勢控制。為該類受試者進(jìn)行康復(fù)時(shí),要增加膝關(guān)節(jié)各個(gè)方向的活動范圍,增加下肢肌肉力量,放松股四頭肌,促進(jìn)步行中膝關(guān)節(jié)伸展策略的使用,爭取改善姿勢控制策略。

        Jalali等[8]對10名單側(cè)ACL損傷患者佩戴和不佩戴膝關(guān)節(jié)護(hù)具,弓步運(yùn)動時(shí)膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的6DOF運(yùn)動進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)受試者膝關(guān)節(jié)佩戴護(hù)具離心屈膝45°時(shí)脛骨內(nèi)旋角度為2.4°,小于不佩戴護(hù)具的5.9°,向心屈膝30°時(shí)脛骨內(nèi)旋角度為-1.6°,小于不佩戴護(hù)具的-2.3°,脛骨前移距離和脛骨內(nèi)外翻角度無差異。說明膝關(guān)節(jié)護(hù)具對ACL損傷患者脛骨前移和內(nèi)外翻的防護(hù)效果有限。因此,即使佩戴膝關(guān)節(jié)護(hù)具,康復(fù)人員使用弓步訓(xùn)練對膝關(guān)節(jié)前后不穩(wěn)的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)仍應(yīng)格外小心。

        3.3.4 DFIS 在踝關(guān)節(jié)損傷后步態(tài)和損傷預(yù)防研究中的應(yīng)用

        研究人員使用DFIS 對踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)受試者的步態(tài)進(jìn)行了研究,也對運(yùn)動鞋對踝關(guān)節(jié)的保護(hù)功能進(jìn)行了探討,以期為踝關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷的康復(fù)和預(yù)防提供理論參考。

        Roach等[65]對4名踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的患者(3名女性和1名男性)、5 名健康男性和5 名健康女性受試者完成0.5 m/s 和1.0 m/s 步行(跑步機(jī))任務(wù)中單腿提踵時(shí)脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),與健康受試者相比,踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)者超慢速步行時(shí)(0.5 m/s),脛距關(guān)節(jié)屈伸角度和距下關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角度不同(有時(shí)相反);慢速步行時(shí)(1.0 m/s),距下關(guān)節(jié)屈伸和內(nèi)外翻角度不同;兩種慢速步行時(shí)脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)平移都較少;單腿提踵時(shí)脛距關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角度和距下關(guān)節(jié)內(nèi)外翻角度、內(nèi)外旋角度都不同。說明與行走動作相比(慢速步行),單腿提踵動作更多地暴露了踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)患者踝關(guān)節(jié)運(yùn)動中的問題,所以包括關(guān)節(jié)大范圍運(yùn)動的不穩(wěn)定動作可能更適合于臨床評估該損傷的運(yùn)動康復(fù)效果。

        踝關(guān)節(jié)損傷在跑步和籃球等落地頻繁的運(yùn)動中發(fā)生率較高。運(yùn)動鞋是防止該損傷最常用的護(hù)具。研究發(fā)現(xiàn),裸足行走時(shí),踝關(guān)節(jié)背屈峰值為9.1°,大于穿鞋時(shí)的5.7°,脛骨內(nèi)旋角度為5.1°,大于穿鞋時(shí)的3.6°,踝關(guān)節(jié)中立位出現(xiàn)時(shí)刻更晚[10];裸足跑步時(shí),支撐期脛距關(guān)節(jié)屈伸范圍為28.2°,大于穿鞋時(shí)的15.1°,支撐期脛距關(guān)節(jié)內(nèi)外旋范圍為7.0°,大于穿鞋時(shí)的4.3°;著地時(shí)脛距關(guān)節(jié)跖屈角度為2°,小于穿鞋時(shí)的16.5°,著地時(shí)脛距關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度為12.9°,大于穿鞋時(shí)的10.6°;支撐早期的某些時(shí)刻距下關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)外翻和內(nèi)外旋角度有微小差異[66];說明穿著運(yùn)動鞋限制了脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動,一定程度保護(hù)了踝關(guān)節(jié),也限制了踝關(guān)節(jié)功能。同時(shí)也有人發(fā)現(xiàn)受試者完成快速側(cè)切動作時(shí)運(yùn)動鞋的外翻角度未發(fā)生變化,而踝關(guān)節(jié)的外翻角度已發(fā)生明顯變化(見圖5)[67],說明被測運(yùn)動鞋不能很好地貼合并限制踝關(guān)節(jié)快速大范圍的運(yùn)動。所以穿著運(yùn)動鞋可以限制踝關(guān)節(jié)慢速運(yùn)動時(shí)的活動范圍,但是對快速、大范圍的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動限制有限(僅針對測試鞋)。

        圖5 側(cè)切動作中運(yùn)動鞋內(nèi)翻與踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻對比圖及小腿、踝關(guān)節(jié)、運(yùn)動鞋內(nèi)翻角度表[67]

        4 結(jié)論與展望

        雙平面正交熒光透視成像系統(tǒng)(DFIS)是由一套運(yùn)動透視影像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)構(gòu)成的不受皮膚、軟組織誤差影響,對運(yùn)動無干擾、精度高、重復(fù)性高的新型非侵入性骨骼運(yùn)動分析系統(tǒng),已經(jīng)初步應(yīng)用于動態(tài)三維追蹤在體、負(fù)重功能位肩關(guān)節(jié)、腰椎、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)位置關(guān)系及其6DOF 運(yùn)動,計(jì)算軟骨形變、接觸面積/軌跡和韌帶應(yīng)變,探討部分關(guān)節(jié)損傷機(jī)制、關(guān)節(jié)損傷后的運(yùn)動以及康復(fù)治療和預(yù)防。目前尚有較多關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷機(jī)制未探究,特別是高速、高沖擊運(yùn)動下關(guān)節(jié)內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制;同時(shí)涉及關(guān)節(jié)損傷后康復(fù)治療的研究也較少,尚未發(fā)現(xiàn)不同運(yùn)動或治療方式對關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷治療效果的研究。

        該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是動態(tài)追蹤,非侵入,不受皮膚、軟組織影響,測試在體、負(fù)重關(guān)節(jié)內(nèi)組織結(jié)構(gòu)運(yùn)動,有助于科研人員分析運(yùn)動中關(guān)節(jié)內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特征和受力機(jī)制,更深層次地探討引起關(guān)節(jié)損傷的潛在危險(xiǎn)因素和可能的致傷機(jī)理,可為動作的規(guī)范化、運(yùn)動損傷的精確診療、個(gè)性化康復(fù)計(jì)劃的制定和運(yùn)動護(hù)具的研制等提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)、更先進(jìn)的技術(shù)和更可靠的方法。該系統(tǒng)缺點(diǎn)是拍攝范圍受限、建模和配準(zhǔn)過程復(fù)雜。如果能夠擴(kuò)大運(yùn)動透視影像系統(tǒng)的拍攝范圍,開發(fā)骨骼應(yīng)力算法模塊,并結(jié)合有限元模型進(jìn)行分析,將有助于全面地獲取在體關(guān)節(jié)高速與高沖擊運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)內(nèi)部的精細(xì)變化,如骨間應(yīng)力/負(fù)荷、關(guān)節(jié)擠壓等,也將在運(yùn)動醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域擁有更好的應(yīng)用前景,特別是運(yùn)動損傷防治和運(yùn)動護(hù)具研制方面。

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