CT联合双X线透视成像评估支具对功能性踝关节不稳患者运动学影响的研究

王 侃 张弓皓 洪 泳

踝关节损伤是临床最常见的关节运动损伤［1］，其中约35%会进展为功能性踝关节不稳（functional ankle instability，FAI））［2］。佩戴支具可有效改善踝关节被动运动中的关节活动度（range of motion，ROM），降低关节的不稳定性［3-4］。目前已有的研究多针对踝关节支具在改善运动以及关节被动活动的作用［5-7］，而对支具是否可改善行走时踝关节运动学指标，尚无明确的结论。常规的影像结构学检查无法评价踝关节行走时的运动学指标，进而支具对异常步态的改善情况无法得知。本研究利用CT 三维重建联合双X线动态透视成像匹配方法，来评估支具对步态周期行走相中踝关节复合体的运动学参数的影响。

方 法

1.临床资料

FAI 患者入组标准：①年龄18～40 岁；②至少1次明确的踝关节扭伤病史，并产生相应的疼痛、肿胀、关节僵硬及本体感觉损伤等，损伤至少在3 周之前；③具有下列症状，即反复出现的踝关节扭伤（同侧踝关节至少扭伤2 次）或打软腿（近6 个月出现超过2 次），在日常生活活动中感觉患侧踝关节不稳定；④Cumberland 踝关节稳定量表（Cumberland ankle instability tool，CAIT）评分低于24分。

正常对照者须满足：①年龄18～40岁；②近2年内无明确的踝关节扭伤病史；③CAIT 评分大于24分。排除标准：下肢骨折或手术史，与踝关节扭伤无关的疼痛病史，近3 个月内发生的踝关节扭伤，距骨倾斜试验或踝关节前抽屉试验阳性，或具有其他平衡相关的疾病。本研究所用支具为半硬支具（Aircast A60 Ankle Support， DJO， Europe），由尼龙主体和高分子聚乙烯材料束带构成，主要设计为限制运动中踝关节的内外翻和内外旋，允许背伸跖屈自由度。

共有8名FAI患者（3男5女，10只脚，其中2例患者为双侧）和10 名正常对照者（6 男4 女，10 只脚）纳入本研究，受试者基本信息见表1。

2.CT扫描及空间坐标系建立

所有受试者通过CT（Brilliance iCT， PHILIPS，256 层，USA）扫描受试一侧下肢，扫描范围为踝关节以上10 cm 至足跟底部。层厚和层距均为0.67 mm。一个特制的负重CT 扫描装置被应用在扫描过程中，以保证足处于中立位置，即小腿和足呈90°夹角，不伴有内外翻或内外旋（图1），一枚克氏针贴附在受试者第二跖骨上，使其与下肢力线重合。同时通过体重计加载与受试者体重相等的推力。所采集的图像经AMIRA 软件（AMIRA， Mercury Computer Systems，Berlin， Germany， version 5.3.2），建立包括胫骨远端、距骨、跟骨在内的骨骼3D 模型（图2），完成后续运动中关节6 个自由度的计算。具体的坐标系建立方法［8］：在3D模型上找到包含距骨滑车表面内外侧最高点的水平面，绘制垂直于上述水平面且同时与距骨穹隆表面轮廓相切的圆，其中圆心最低的圆所在平面定义为距骨坐标系的矢状面，圆心为坐标原点。Y轴（内向外）定义为经过原点垂直于矢状面并指向受试者左边的直线；Z轴（近端向远端）定义为经过原点垂直于水平面并指向近端；X轴垂直于Y和Z轴，方向由右手定则引出，指向踝关节前方。在中立位置时胫骨、距骨、跟骨的坐标系重合。X、Y和Z轴分别代表了踝关节在中立位置时内翻外翻、背伸跖屈和内旋外旋方向的运动轴。骨骼之间的角度和位移依靠骨骼对应坐标系的相对位置进行计算，依照远端相对于近端的原则。所得数据的正负号由右手定则定义方向。

图1 负重CT扫描装置

图2 踝关节复合体三维空间坐标系建立

3.双X线动态透视成像

本研究所建立的双平面动态透视系统由2 台相同型号的C 型臂X 线透视机（BV Pulsera， Phillips Medical， USA）按照特定的高度和摆放位置组成。将定制的木质透视桌放置于2 台C 臂机之间作为测试平台。平台上方放置一块定制长度和宽度的测力板，用于步态周期的划分。本研究采集的透视图像脉冲宽度为8 ms，分辨率为1 024×1 024，增强器直径12 英寸（1英寸=2.54 厘米）。

所有受试者在测试平台上以大约1.2 m/s 的速度行走。一次有效采集定义为包含至少一个完整的步态周期，即受试侧足部从足跟触地相开始到足趾离地相结束。对于正常对照组，每只下肢完成一次有效采集；对于FAI组，未佩戴支具和佩戴支具各须完成一次有效采集。所有试验均在赤足条件下完成。所有受试者在正式有效采集之前均进行过充分的适应性训练，已保证其采集步态接近于平时步态。在采集过程中，C 臂机1 号水平方向以30 Hz 的频率采集踝关节复合体侧方的透视图像，C 臂机2 号与1 号位于同一水平面，二者之间夹角45°左右，以相同频率采集踝关节前侧方透视图像。

4.透视图像选择和匹配

对于每次有效采集，由经验丰富的足踝外科医生和放射科医生从中挑选步态周期的关键7 个步态时相（图3）进行后续分析。该步骤基于前文提到的测力板进行步态周期划分，具体的7 个关键步态周期时相定义［9］：对于每一受试侧别，pose 1 和pose 7 定义为测力板刚开始出现和刚刚结束受力信号时的步态时相；pose 2 定义为受力出现在受试侧足底第一跖骨下方区域；pose 3 定义为受试侧对侧足受力刚刚消失；pose 4 定义为单足站立过程的中间点时相；pose 5 定义为受试侧单足站立结束后受力刚刚从足底后跟部分消失；pose 6定义为受试侧对侧足刚出现受力。

图3 步态周期7个关键时相（第一行左起到第二行右末止依次为pose 1至pose 7）

图4 踝关节复合体动态透视图像匹配

本研究利用3D 模型化系统（Rhinoceros 5.0，Robert McNeel & Associates， Seattle， WA）在计算机中复原了双平面透视系统，完成图像匹配（图4），重现采集当时的每一关键步态的骨骼空间三维位置关系。匹配完成定义为3D 的骨骼模型轮廓与2 个平面的透视图形均完全符合。匹配完成之后，根据骨骼模型上组合的坐标系，可以分别计算出踝关节和距下关节的六自由度（6-degree of freedom，6-DOF）。

5.统计学分析

对于每一个关节，其平均关节活动度在本研究中定义为各个受试者整个步态周期中每个自由度上位移或者旋转的最大值与最小值之差的平均值。关节位置定义为踝关节复合体在任意7 个关键步态时相瞬时的6-DOF，根据前文所述坐标系定义的方向，关节位置在6-DOF 上的正负号及下文所用动作名称的缩写如表2 所示。关节位置差异指标包含2 个时相，从足跟触地相到站立相关节位置差异以及从站立相到足趾离地相关节位置差异定义为该部分步态周期首末时相在6-DOF上位移和旋转的差值，正负号代表的方向和关节位置一致。

表2 六自由度缩写及正负号含义

所有的统计分析在SPSS 22.0 软件中完成。通过Kolmogorov-Smirnov检验，所有的指标均不符合正态分布，所以FAI 佩戴支具前后这2 组相关的数据采用Wilcoxon 秩和检验，其余2 项独立组之间比较采用Mann-WhitneyU检验。P＜0.05 认为差异具有统计学意义。效应大小亦进行了计算以减少第二类错误。

结 果

本研究中踝关节和距下关节的平均活动度计算结果见表3。

表3 行走中胫距关节和距下关节活动度

对于胫距关节，FAI 未佩戴支具组的内外位移（P=0.023）、前后位移（P=0.005）自由度上的关节活动度明显大于正常对照组。相比较而言，这2 组之间旋转自由度上的关节活动度未见明显统计学差异。然而FAI佩戴支具组的内外翻自由度上的关节活动度明显减少（P=0.037）。更进一步比较FAI 佩戴支具组和正常对照组，可以发现FAI 佩戴支具组的前后（P=0.002）、内外（P=0.001）、近远（P=0.041）自由度上的位移与正常相比仍较大。

对于距下关节，FAI未佩戴支具组的内外翻（P=0.004）、内外位移（P=0.001）自由度上的关节活动度明显大于正常对照组。然而FAI 佩戴支具组与FAI未佩戴支具组相比，具有显著较小的内外翻自由度上的关节活动度（P=0.007）。更进一步比较FAI 佩戴支具组和正常对照组，可以发现FAI佩戴支具组的内外（P=0.001）、近远（P=0.008）自由度上的位移与正常相比仍较大。

讨 论

CT 是踝关节损伤常用的检查手段，可以清楚显示踝关节解剖、骨质情况，操作方便，成像速度快，但CT 不能显示踝关节动态成像。双X 线透视成像目前常用于临床术前制定手术计划和术中导航［10］，可在手术过程中跟踪手术器械并将手术器械的位置在患者术前或术中的影像上实时更新显示，该技术具有操作安全简单、手术精度高、对患者和医务人员的辐射剂量小等优点，但单独使用双X线透视成像无法准确计算踝关节运动度。因此本研究利用双X线透视成像显示踝关节动态成像，融合踝关节标准静止态CT 模型，用于评估佩戴支具前后踝关节运动指标变化。对于每一个关节，平均活动度在本研究中定义为各个受试者整个步态周期中每个自由度上位移或者旋转的最大值与最小值之差的平均值。

本研究发现，与正常对照人群相比，FAI 患者未佩戴支具时踝关节稳定性较差，主要表现在胫距关节内外位移，前后位移自由度上活动度增加。这与之前的研究关于FAI 的异常步态存在一些矛盾。Monaghan等［11］认为慢性踝关节不稳的患者在步态周期早期冠状面上踝关节更内翻，然而De Ridder［12］等的研究表明，慢性踝关节不稳的患者在整个步态周期中踝关节均处于较为外翻的位置。考虑到上述先前的研究都是基于精度有限的体表标志-光运动捕捉系统，且无法同时分开得到胫距关节和距下关节的运动学数据，因此，本实验的研究结果准确度优于先前的研究。

此外，本研究发现佩戴支具可有效地限制FAI患者行走步态中胫距关节和距下关节的内外翻活动度，然而对于多数的位移自由度，踝关节支具无法起到有效的活动度限制作用，这一结论解释了支具的“矫正”作用。此外，FAI 患者佩戴支具后其胫距关节在整个步态周期中向背伸和后方有更多的移动，从足跟触地相到中立相向外翻方向更多移动，以及从中立相到足趾离地相向内翻和近端移动。而对于其距下关节，本研究发现从足跟触地相到中立相向更跖屈、内旋、后方和远端方向移动，从中立相到足趾离地相向更背伸、外翻、内旋方向移动。

本部分研究存在一定的不足。①双平面X线透视系统采集频率有限，本研究只采集连续7 个关键时相结构，得到近似连续变化。②本研究应用的双平面X线透视匹配技术，虽然软件可实现半自动匹配，仍需手动校正，易产生一定误差，消耗了大量的人力，这也是本研究纳入的样本量较低的主要原因。③本研究采用临床上应用最广泛的半硬结构的支具Aircast A60，与其他支具结构不同，因此不能代表其他支具对踝关节损伤运动影响。

因此，我们认为CT 三维重建联合双X 线动态透视成像匹配方法，能准确反映支具对踝关节限制FAI患者胫距关节和距下关节行走中过度的内外翻活动度的矫正作用，并准确评估支具对胫距关节和距下关节行走中的作用，该结论可以为FAI患者日常行走佩戴踝关节支具提高关节稳定性这一观点提供理论依据。