基于2D-3D配准技术的胫腓骨相对运动模式在步态周期中的动态分析及其临床意义

本文通过创新性应用2D-3D配准技术，首次系统量化了健康成人步态周期中胫腓骨六自由度（6-DOF）三维相对运动规律。研究发现腓骨存在显著的内外旋转（1.18°±0.62°）及多向位移（近端前后位移达2.84±1.13 mm），揭示了步态支撑相与推进相中腓骨的协同运动模式。该研究为胫腓联合损伤（如高位踝扭伤）的诊断提供了动力学依据，对弹性固定与螺钉固定等术式选择具有重要指导价值。

　　

引言

胫骨与腓骨通过近端和远端胫腓关节以及骨间膜构成力学整体，其三维运动与膝踝关节功能密切相关。传统研究多局限于尸体标本或单一关节观察，缺乏在体动态监测数据。2D-3D影像配准技术的发展为在体骨运动研究提供了新途径，其单平面配准精度可达位移误差<0.5 mm、旋转误差<1°，为本研究奠定技术基础。

材料与方法

研究纳入16名健康成人（8男8女，平均年龄38.75±16.18岁），采用Discovery CT750HD扫描仪（层厚0.625 mm）重建胫腓骨三维模型。通过岛津数字化多功能X线透视系统采集步态周期7个关键时相影像：①左足预触地 ②左足跟触地 ③左足支撑中期 ④右足摆动期 ⑤左足跟离地 ⑥右足跟触地 ⑦左趾离地。

采用Mimics Innovation Suite 21进行三维模型分割（Dice相似系数>0.9），通过五步配准法实现2D-3D注册：手动X线配准→手动骨轮廓配准→自动轮廓特征配准→胫骨3D-3D注册→腓骨跟随注册。建立符合ISB标准的解剖坐标系，按右手规则定义XYZ轴方向：X轴（内外侧）、Y轴（前后向）、Z轴（上下向），旋转角度定义为α（跖屈/背屈）、β（内翻/外翻）、γ（外旋/内旋）。

结果

运动范围

腓骨旋转运动范围分别为：背屈/跖屈0.67°±0.27°、内翻/外翻0.18°±0.10°、内旋/外旋1.18°±0.62°。位移测量显示近端腓骨内外移位1.79±0.64 mm、前后移位2.84±1.13 mm、上下移位1.89±1.21 mm；远端腓骨对应位移分别为1.95±0.79 mm、2.65±1.13 mm、1.91±1.12 mm。

步态时相动力学

从足跟预触地到支撑中期（姿势1-4），腓骨呈现0.46°背屈、0.09°外翻及0.27°外旋趋势。近端腓骨外移1.07 mm、后移0.69 mm、上移0.33 mm；远端腓骨外移1.8 mm、前移1.91 mm、上移0.29 mm。

从支撑中期到趾离地期（姿势4-7），腓骨转为0.01°跖屈、0.04°内翻及0.13°内旋。近端腓骨内移0.99 mm、后移0.93 mm、下移0.09 mm；远端腓骨内移1.44 mm、后移0.88 mm、下移0.52 mm。

讨论

本研究首次通过动态在体测量揭示胫腓骨复杂运动模式。腓骨内外旋转（1.18°）显著大于其他平面运动，印证了Alves等关于骨间膜限制旋转的发现。远端腓骨前移幅度（最大1.91 mm）与Chen Wang报告的2-4 mm范围一致，但较尸体研究数据更大，证实负重与肌肉收缩对腓骨动力学的显著影响。

临床意义上，腓骨在步态支撑相的外旋-外移-上升与推进相的内旋-内移-下降模式，为胫腓联合损伤机制提供新解读。研究发现支撑相腓骨外旋达0.5°±0.41°，而弹性固定装置通常允许1-2°旋转，说明弹性固定可能更符合生理力学环境。近端腓骨2.84 mm前后位移提示膝关节外侧室病变可能涉及腓骨动力学异常。

技术层面，单平面配准虽存在局限，但附录验证实验显示其精度满足研究需求：位移误差<0.2 mm，旋转误差除内外旋（0.43°±0.14°）外均<0.1°。虽内外旋测量存在边际误差，但显著小于实际测量值（1.18°），不影响结论可靠性。

结论

胫腓骨在步态周期中呈现规律性三维运动：支撑相以腓骨背屈-外翻-外旋伴近端外后上移、远端外前上移为特征；推进相转为跖屈-内翻-内旋伴近端内后下移、远端内后下移。内部旋转（1.18°）与前后位移（2.84 mm）是主要运动形式，这些发现为胫腓联合损伤的精准诊疗建立了动力学基线。

附录验证

通过植入8枚2.5 mm钛珠的下肢模型进行三维立体计量分析（RSA）验证，显示单平面配准技术精度可靠：胫骨位移误差0.13-0.19 mm，腓骨位移误差0.09-0.18 mm；旋转误差除腓骨内外旋（0.43°）外均低于0.11°。证实该技术可准确再现胫腓骨在体运动学特征。