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

叶东强，孙晓乐，肖松林，张希妮，张 燊，王少白，傅维杰，刘 宇

（上海体育学院 运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海 200438）

近年来，长跑运动（如马拉松）风靡全球，但与之相对应的却是跑步损伤发生率的居高不下（16.7%～79.3%）（van Gent et al.，2007；van Poppel et al.，2021）。已有研究报道了后足过度外翻是引发如跟腱炎、胫骨应力综合征等下肢及足部损伤的诱因之一，包括：1）后足外翻过大可能会使跟腱内侧纤维所受应力分布不均，而跑步支撑期下肢力线的排列不齐（malalignment）则进一步增加了小腿离心收缩时对跟腱施加的负荷，并最终诱发跟腱损伤（Ryan et al.，2009）；2）外翻过大增加了胫骨后肌与比目鱼肌的应力，而由于胫骨骨膜的应力与上述肌肉的应力呈正相关（Bouché et al.，2007），因此，更大的后足外翻可能会致使更大的应力被传递至胫骨骨膜，并最终引发胫骨应力综合征（Becker et al.，2018）；3）有研究在扁平足人群中观察到了更大的后足外翻（Butler et al.，2006），而该类人群患下肢损伤的几率是正常人群的2.4倍（Yokoe et al.，2021）。虽然也有部分报道，如 Nielsen等（2014）与Messier等（2018）均通过前瞻性队列研究发现足部损伤跑者与健康跑者的后足运动并无显著差异，但前者的研究并未通过生物力学手段量化足部运动学，而是将足部姿势指数（foot posture index）作为衡量足部异常的标准，后者则是将后足整体运动作为评价标准。由此可见，技术手段与评价指标的差异造成了关节运动与损伤之间的复杂关系尚不明晰，这其中很重要的一点是传统针对足踝运动学的测量手段只能获取“鞋”运动而非真正包裹在鞋内的后足运动。

现阶段的实验室运动学研究大多基于红外反光点的运动捕捉系统（Langley et al.，2019；Francis et al.，2020）。从本质上讲，通过反光点贴于鞋面的方式所得的运动学特征仅能代表鞋具的运动，而在鞋表面挖洞粘贴反光点（Cigoja et al.，2020）则会破坏鞋的结构，并在运动中不可避免地受到鞋、皮肤、软组织振动与运动伪影等相关因素的干扰。以上因素均使得研究者无法准确测量包裹在鞋内的足部的真实运动。另一方面，踝关节复合体实质是由胫骨、距骨与跟骨构成，并形成距上和距下2个关节。由于距骨周围缺乏可触及的体表标记，造成现阶段对踝关节运动进行测试时会把上述2个关节看成一个整体的运动（Stacoff et al.，2000）。以足外翻为例，研究更多的是基于足部与小腿之间的位置关系或按照国际生物力学学会（International society of biomechanics，ISB）推荐的足刚体模型计算足部运动学（Latorre-Román et al.，2019；Yang et al.，2020），即将后足的运动视作跟骨相对胫骨的运动，并未过多地考虑距上、距下关节，这里面有很大一部分原因是着鞋后无法准确测量。事实上，现有的足踝解剖学及骨骼在体运动的研究表明，足部跖/背屈和内/外翻运动分别由距上和距下2个关节主要承担（Cross et al.，2017；Nichols et al.，2017）。由于传统动作捕捉设备的自身技术限制，如其所得到的“外翻”显然无法反映足部真实的在体外翻运动等，因此，有必要采用更为精准的手段获取跑步中着鞋与否对距上关节与距下关节运动特征的影响，以期深入了解包裹在鞋内的足部运动。

近年来，一种新的医学影像测量技术——双平面荧光透视成像系统（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）已逐步应用于临床医学中进行踝关节在体运动分析（Cao et al.，2019）。DFIS具有不受皮肤等软组织相对运动的影响，无创并能动态捕捉骨骼在体运动的优势（张翠等，2019；叶东强等，2021），其在确定关节平动和转动六自由度（6 degree of freedom，6DOF）运动中的精度达到了亚毫米（＜0.1 mm）、次度级（＜0.1°）（Cross et al.，2017），突破了当前传统测量手段在成像技术与测量精度上的局限，为精准分析包裹在鞋内的踝关节在体位置及运动特征提供了全新的途径。

据此，本研究旨在基于DFIS探讨跑步时裸足与着鞋条件下距上和距下关节在体6DOF运动学差异，为深入理解跑步中上述两关节的真实运动并为未来评估跑步中距上/距下关节的异常运动及阐述距上/距下关节的运动特征与损伤之间的潜在关联提供更科学的参考依据。研究假设：与裸足相比，着鞋限制了距上、距下关节在6DOF内的运动，并增加了距下关节内外翻活动度（range of motion，RoM）与外翻角度峰值。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

参照Hoffman等（2015）对样本量的选取要求，本研究招募健康男性跑者12名（表1）。要求受试者均习惯采用后跟触地方式跑步，近3个月内无下肢损伤。受试者的优势腿（踢球腿）均为右腿，且在实验前24 h内避免剧烈运动，测试前了解实验内容及流程，并签署知情同意书。本研究通过了上海体育学院伦理委员会批准（批准号：102772021RT034）。

表1 受试者基本情况Table 1 Basic Information of the Participants

1.2 实验仪器

1.2.1 电子计算机断层扫描仪（CT）

采用德国西门子公司64排128层螺旋CT（SOMATOM，德国）拍摄受试者右侧足中立位状态下的断层扫描图像。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 mm、0.488 mm、0.625 mm，体素大小为512×512×256。

1.2.2 高速双平面荧光透视成像系统（DFIS）

由运动透视系统与数据解析系统构成。其中，前者由2个高压发光器与光源、2个带有荧光接收器与增强器的可移动机械臂以及配套的2台高速摄像机共同组成（图1）。2个高压发光器与接收器之间的距离分别为132.2 cm与128.6 cm，图像接收器之间的夹角为119.6°；拍摄电压为60 kV，电流为63 mA，拍摄频率为100 Hz，曝光速度为1/1 000 s，图像分辨率为1 024×1 024像素。

图1 本研究所采用的双平面荧光透视成像系统和实验架设Figure 1.The Dual Fluoroscopic Imaging System and its Experimental Setup

1.2.3 光栅计时系统

采用意大利Microgate公司生产的Witty Manual光栅计时系统，以记录跑者通过特制跑道的速度。

1.2.4 光栅传感器

采用GJ-2004光栅传感器，受试者跑步经过采集区域，身体阻断传感器发出的红外光时启动DFIS，并完成荧光图像的采集。

1.3 实验用鞋

本研究选取市面上一款常见的跑鞋作为实验用鞋（图2），该跑鞋前后落差为6 mm，平均质量290 g，其中底材料由TPU与EVA构成，无足弓支撑结构。

图2 实验用鞋Figure 2.Running Shoes in the Experiment

1.4 测试流程

1.4.1 足部CT扫描

受试者到指定医院拍摄右侧足部CT影像，同时进一步确认无足部异常。CT扫描期间，受试者仰卧平躺，并利用外部硬质支具将踝关节固定在中立位，保存原始DCM文件用于距上关节与距下关节的三维模型建立。

1.4.2 实验环境搭建与调试

1）确定拍摄范围：固定荧光发射器与图像接收器的位置，并保证上述两者的中心对齐；利用Phantom Camera Control（v.3.3）确认所采集的图像位于拍摄中心。

2）空间标定：使用立方体标定框对拍摄区域进行标定（Kessler et al.，2019），并利用XMAlab（v.1.5.4）计算荧光发射器与图像接收器在空间内的相对位置。

3）畸变矫正：将2个孔阵钢盘贴于图像接收器表面，并利用XMAlab对比计算孔阵钢盘与所捕捉的图像（Fantozzi et al.，2003），以此完成对捕捉图像的畸变矫正。

1.4.3 测试流程

测试前，受试者需更换统一的运动服装。随后受试者进行3 min静态拉伸活动，完成后在跑步机上以3 m/s的速度热身5 min。热身后，实验人员引导受试者在架设有DFIS系统的特定跑道上进行练习，并确保受试者足部处于图像采集区域内（图1）。完成练习后，要求受试者分别在裸足与着鞋条件下（顺序随机）以3 m/s±5%的速度右足成功踏入采集区域，且触地姿势均为自然状态下的后跟触地。为减少总电离辐射，裸足与着鞋条件下各采集1次有效数据（Campbell et al.，2016）。

1.5 数据处理

基于CT影像学数据构建的足部模型被用于在虚拟3D空间内还原距上关节与距下关节在跑步着地过程中的6DOF运动。采用Mimics软件（v.21.0）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胫骨、距骨与跟骨的3D模型，并利用软件自带插件对模型进行填充、平滑等处理。

将由XMAlab生成的环境标定文件导入Rhinoceros软件中（v.6.0），利用其建模模块在虚拟空间内重建拍摄空间并还原2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踝X光图像和胫骨、距骨与跟骨的3D模型。参照前人标准建立胫骨、距骨与跟骨的坐标系（Yamaguchi et al.，2009），坐标系的前后、内外及上下方向分别对应x、y与z轴，而跖/背屈、内/外翻与内/外旋分别被定义为绕内外轴、前后轴与上下轴运动。随后在由Rhinoceros软件重建的三维空间内对导入的骨骼模型进行旋转、平移，直到每帧的骨骼投影与荧光成像中的骨骼轮廓互相对应（图3）。

图3 本实验数据采集和处理过程Figure 3.Date Collection and Process of DFIS

1.6 实验指标

使用Rhinoceros中的坐标系计算插件计算距上关节（距骨相对胫骨）、距下关节（跟骨相对距骨）的6DOF数据（Yamaguchi et al.，2009），其中包括在 3个平动方向（前后、上下、内外）及3个转动方向（跖/背屈、内/外翻、内/外旋）的运动学数据（图4）。具体指标包括触地时刻关节的6DOF运动、峰值角度与关节RoM即最大角度与最小角度的差。其中，正值代表距骨相对胫骨（跟骨相对距骨）向外、向前、向上平移以及背屈、内翻与内旋；负值代表向内、向后、向下平移以及跖屈、外翻与外旋。

图4 胫骨（左）、距骨（中）、跟骨（右）的6DOF运动Figure 4.6DOF Motion of the Tibia（left），Talus（center）and Calcaneus（right）

为便于与已有DFIS研究进行比较，本研究对所采集的右足在足跟触地到采集结束过程中的距上/距下关节运动学数据进行了时间标准化（Hoffman et al.，2015），并采用Matlab软件对研究中所得到的每一时刻的6DOF数据与踝关节中立位时的对应结果进行标准化和滤波处理，其中，运动学截止频率为20 Hz（Welte et al.，2021）。支撑期阶段的划分参照Phan等（2018）的标准，支撑前期被定义为触地期（右足从足跟着地到足趾离地的过程）的0～10%，支撑中期为触地期的10%～80%，支撑后期为触地期的80%～100%。

1.7 统计方法

使用SPSS 25.0对数据进行统计学分析。所有参数均使用平均值±标准差（M±SD）表示。采用描述性分析对距上/距下关节的6DOF在体运动学特性进行呈现；采用配对样本t检验比较裸足与着鞋条件下距上关节与距下关节在体运动学特征的差异，显著性水平α设定为0.05。

2 结果

2.1 距上关节

2.1.1 运动学特征

在内外、前后和上下3个平动方向中，距上关节在支撑期中仅进行细微运动（＜5 mm）；而在转动方向中，其在支撑期的大部分时间内均处于背屈与外翻、外旋状态（图5）。具体表现为：支撑前期，距上关节出现小幅跖屈（＜5°）并伴随内旋活动；支撑中期，距上关节进行背屈并伴随外旋运动，同时逐渐背屈并到达峰值（裸足=35.0°±9.7°vs着鞋=29.2°±10.9°，P＜0.001）；至支撑后期，距上关节逐渐从背屈转换为中立位状态，并由外旋状态过渡为内旋。

图5 支撑期的距上关节6DOF运动Figure 5.6DOF Kinematics of the Tibiotalar Joint during the Period of Support

2.1.2 关节运动学特征值

1）关节平动：在支撑期阶段，裸足与着鞋条件下的距上关节在3个平动方向（左右、前后、上下）内的触地角度、峰值角度与关节RoM均无显著性差异（表2）。

2）关节转动：2种条件在触地时刻的距上关节跖/背屈、内/外翻与内/外旋角度均无显著性差异。但在峰值角度上，裸足跑时的峰值跖屈角度（P=0.008）与峰值背屈角度（P＜0.001）均显著大于着鞋条件；2种条件的峰值内/外翻与内/外旋角度均无显著性差异（图6）。而在关节RoM中，支撑期穿着跑鞋的跖/背屈RoM显著小于裸足条件（P＜0.001），在内/外翻与内/外旋方向上，2个条件下的RoM并无显著性差异（表2）。

图6 裸足与着鞋条件下的距上关节峰值角度Figure 6. Peak Angle of the Tibiotalar Joint in Barefoot and Shod Conditions

表2 距上关节6DOF触地角度与关节活动度（RoM）Table 2 Foot Strike Angle and the 6DOF Range of Motion of the Tibiotalar Joint

2.2 距下关节

2.2.1 运动学特征

与距上关节一致，在跑步触地过程中，距下关节在3个平动方向上仅存在细微运动（＜5 mm）；而在转动方向上，距下关节在支撑期的绝大部分时间内均处于背屈、外翻、外旋状态（图7）。具体表现为：在足跟触地后，距下关节进行背屈并伴随外翻、外旋运动，并在支撑中期达到峰值背屈、外翻与外旋，随后距下关节进行跖屈并伴随内翻、内旋活动，并在支撑后期逐渐由外旋状态转变为中立位状态。

图7 支撑期的距下关节6DOF运动Figure 7.6DOF Kinematics of the Subtalar Joint during the Period of Support

2.2.2 关节运动学特征值

1）关节平动：在支撑期阶段，裸足与着鞋条件下的距下关节在3个平动方向（左右、前后、上下）内的触地角度、峰值角度与关节RoM均无显著性差异（表3）。

表3 距下关节6DOF触地角度与RoMTable 3 Foot Strike Angle and the 6DOF Range of Motion of the Subtalar Joint

2）关节转动：2种条件在距下关节跖/背屈、内/外翻与内/外旋方向上的触地角度与RoM均无显著性差异（P＞0.05）。然而，在峰值角度中，相比裸足条件，着鞋显著增加距下关节的峰值背屈角度（=0.027）；此外，着跑鞋条件下的峰值外翻角度显著增加12.9%（=0.043），2种条件在其余转动方向上的峰值角度均无显著性差异（图8）。

图8 裸足与着鞋条件下的距下关节峰值角度Figure 8. Peak Angle of the Subtalar Joint in Barefoot and Shod Conditions

3 讨论

本研究从关节真实在体运动出发，采用国内首套高速DFIS对跑步过程中裸足与着鞋条件下的距上/距下关节在体运动学进行了独立量化，研究主要发现：着鞋限制了距上关节的屈伸活动，包括峰值跖/背屈角度与屈伸RoM，同时增加了距下关节的峰值背屈角度并增加支撑中期的峰值外翻角度。

3.1 距上关节

本研究结果发现，跑步过程中穿着跑鞋限制了距上关节的背屈活动，而在其余3个平动方向（左右、前后、上下）与2个转动方向（内/外翻、内/外旋）上的位移并无显著性差异。这意味着鞋限制了踝在矢状面内的运动，部分验证了本研究假设前半部分，并与前人采用DFIS所得到的结果类似（Roach et al.，2017）。上述发现与距上关节的解剖结构有着直接的关系：距上关节的关节囊前后较薄、两侧较厚，并有三角韧带加强，距骨被胫骨、腓骨与内外踝关节面构成的关节窝所固定，此结构有利于距上关节在矢状面上的活动，同时限制了距上关节在3个平动方向上的运动，而鞋结构如鞋舌则阻碍了距上关节的背屈活动（Yang et al.，2020），出现了更小的屈伸RoM，这或许会影响特定项目中的运动表现，尤其是强调足部灵活性的运动。提示，鞋具在设计时应考虑项目的特定需求。另一方面，在支撑期运动特征上，本研究发现，2种条件下后跟触地后距上关节大部分时间处于背屈状态。但在支撑前期，距上关节均出现小幅的跖屈运动，随后进行背屈，并在支撑中后期即跑步蹬伸期逐渐由背屈转换成跖屈状态，这与Peltz等（2014）采用DFIS所得到的部分研究结果类似，该研究也发现距上关节在触地初期存在小幅跖屈运动。我们认为，这或许是一种足部姿态的调整策略，即支撑前期距上关节出现的小幅跖屈运动可能是足部为着地时稳定关节而进行的策略性调整。此外，距上关节在支撑期的绝大部分时间内均处于外旋状态，其在触地后先进行小幅内旋活动，在支撑中期开始进行外旋，随后又在支撑后期由外旋状态转变成内旋状态。而Peltz等（2014）的研究并未观察到距上关节支撑后期向内旋状态转变的过程，这可能与该研究并未采集完整支撑期因而无法获取支撑后期的荧光成像有关，而本研究采集了超过90%的支撑期图像，因而能更全面地呈现关节的真实在体运动。

3.2 距下关节

本研究发现，裸足与着鞋对距下关节平移运动的影响是类似的，受限于距下关节外部软组织包裹的影响，其平动位移较小（＜5 mm）。然而，本研究也发现，相比着鞋跑，裸足跑显著降低了距下关节的峰值背屈角度，可能与跑者在裸足跑触地期间足部的“主动保护”有关。虽然本研究要求跑者在裸足跑期间采用后跟触地，但通过高速荧光成像观察到了跑者为缓冲触地冲击而出现距下关节跖屈增加的运动表现；此外，鉴于着鞋限制了距上关节的背屈运动，推测距下关节可能在支撑期中需承担部分背屈运动的任务，这或许是导致距下关节有着更大峰值背屈角度的原因。结合跑鞋对距上关节6DOF运动特征的影响，这一结果有效补充了基于传统标记点的运动捕捉系统所得到的结果，即跑鞋对踝矢状面运动的限制主要集中于距上关节处。同时，本研究结果为探究包裹在鞋内的后足运动提供了新视角，即当距上关节屈伸活动受限时，距下关节可能会承担一部分屈伸任务以更好地执行足部保护、缓冲等功能。

本研究部分验证了研究假设的后半部分，即相比裸足，着鞋时的距下关节峰值外翻角度显著增加12.9%。作为足部的主要活动，足外翻在跑步进程中起着重要的耦合（coupling）作用（Czerniecki.1988）。一方面，部分研究报道了后足的过度外翻是引发如跟腱炎、胫骨应力综合征等下肢与足部损伤的诱因之一（Ryan et al.，2009；Becker et al.，2018），但也有部分学者通过前瞻性队列研究未发现损伤跑者与健康跑者在足外翻上的差异（Nielsen et al.，2014；Messier et al.，2018）。另一方面，以往研究在测量方法与具体指标上无统一标准，使得国际上尚未有针对后足过度外翻乃至距下关节过度外翻的明确定义，因此，现阶段关于后足以及距下关节运动特征与损伤间的复杂关系仍无定论，未来的研究需明确过度外翻的取值范围，并进一步探究关节运动特征与损伤之间的关联。另外，本研究并未观察到裸足与着鞋在内/外翻RoM中的显著性差异（P=0.084），这一结果支持前人研究（Peltz et al.，2014）。而在运动特征上，本研究观察到的距下关节跖/背屈和内/外旋活动与前人研究（Peltz et al.，2014）相似，但在 3个转动方向（跖/背屈、内/外翻、内/外旋）上的运动幅度更大，这或许与实验中所选用的跑步速度有关。在此前的实验中，受试者采用较低的自选速度（1.5～2 m/s），而本研究中的跑者需在较高的特定速度（2.85～3.15 m/s）下通过跑道。提示，足踝部的肌肉通过更大的激活以应对触地阶段的冲击负荷（Dorn et al.，2012），因而有着更大的运动幅度。而在内/外翻运动趋势上，本研究所观察到的运动趋势与采用传统运动捕捉测量方法得到的结果类似。Becker等（2020）比较了缓冲跑鞋、极简鞋与传统跑鞋在下肢运动学中的差异，发现跑者在着缓冲跑鞋触地过程中，足部从内翻状态逐渐过渡到外翻状态，并在支撑中期达到峰值外翻角度，随后进行内翻活动并在支撑后期达到内翻状态。然而，本研究观察到跑者在触地时刻与支撑后期，距下关节仍处于外翻状态，与前述研究结果不一致，这或许与实验所选用静态参考系的不同有关。传统测量方法通常将踝关节视作一个刚体而并非单独距上/距下关节的独立运动，所选取的静态参考系并未将距骨涵盖在内，这使其难以真实反映距上、距下关节的在体运动（Stacoff et al.，2000）。

3.3 研究局限

采用高速DFIS有助于进一步深入了解着鞋跑对距上关节与距下关节运动学的真实影响，但也存在一定局限，如电离辐射和拍摄范围的限制。同时，本研究仅针对男性跑者，并未对着鞋对距上/距下关节在体运动学效果的性别差异进行探究。

4 结论

本研究采用国内首套高速DFIS比较了跑步支撑期内裸足与着鞋条件下距上和距下关节的运动学，研究发现：一方面，跑步中着鞋限制了距上关节屈伸的同时增加了距下关节的背屈峰值角度，这有效弥补了先前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，并为改进鞋型设计提供一定参考；另一方面，着鞋显著增加了距下关节的外翻（12.9%），未来研究应更多聚焦距下关节外翻与跑步损伤之间的关联。综上结果提示，着鞋对踝关节运动的影响在距上关节与距下关节处差别较大，这强调了采用DFIS捕捉独立关节运动的重要性，以促进对鞋内足部真实关节运动的理解并为未来阐述足部运动特征与损伤间的潜在联系奠定基础。