基于双荧光成像的静态踝关节前向松驰与单腿落地时距骨前向平移的相关性研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Relationship between anterior ankle laxity and anterior talar translation during landing using dual fluoroscopic imaging

　　

目的：踝关节扭伤是最常见的下肢损伤之一，踝关节前向松驰（anterior ankle laxity）可能影响高冲击任务中的动态稳定性。尽管标准化负荷下的仪器测量可客观评估静态踝关节前向松驰，但被动松驰与在体动态距骨运动之间的关系仍不清楚。本研究旨在利用双荧光成像（dual fluoroscopic imaging）探讨静态踝关节前向松驰与单腿落地任务中距骨前向平移（anterior talar translation）之间的关联。

方法：14名健康男性受试者（年龄21.6 ± 1.3岁）从40 cm平台完成单腿落地任务。采用标准化前抽屉加载方案测量静态踝关节前向松驰，并在90 N负荷点量化位移。从磁共振成像（MRI）扫描中重建受试者特异的三维（3D）胫骨和距骨模型，并将其与双荧光图像配准，以计算六自由度（six-degree-of-freedom）距骨运动学。提取初始接触后前100 ms内的峰值距骨前向平移。采用皮尔逊相关分析评估静态踝关节前向松驰与峰值距骨前向平移之间的关系。

结果：静态踝关节前向松驰平均为7.79 ± 1.32 mm，落地时的峰值距骨前向平移为8.93 ± 1.88 mm，显示出显著的个体间变异性。观察到静态踝关节前向松驰与峰值距骨前向平移之间存在显著正相关（r = 0.818，95% CI 0.51–0.94，p < 0.001）。地面反作用力数据证实了落地期间典型的双峰模式，且前后方向平移是主要自由度。

结论：静态踝关节前向松驰与高冲击落地过程中的距骨前向平移密切相关，提示踝关节的被动力学特性与动态骨运动相关。量化的前抽屉测量可客观评估踝关节松驰，并可能提供与动态踝关节稳定性相关的生物力学信息。

**基于双荧光成像的踝关节前向松驰与距骨动态平移关系解读**

踝关节扭伤是运动与日常活动中最常见的下肢损伤之一。在落地、变向和跳跃等高冲击动作中，踝关节需要在极短时间内承受巨大的地面反作用力，同时维持关节复合体的稳定性。踝关节的机械稳定性主要依赖骨性结构、韧带约束和神经肌肉控制，其中距腓前韧带（anterior talofibular ligament, ATFL）是限制距骨相对胫骨前移的关键结构，尤其在踝关节跖屈时作用更为突出。个体间踝关节前向松驰的差异可能影响高冲击任务中距骨前移的幅度，进而干扰落地阶段的动态稳定性。然而，目前临床上常用的前抽屉试验（anterior drawer test, ADT）存在明显主观性，其结果易受检查者经验、施加力量大小以及受试者肌肉紧张程度的影响。系统综述也指出，尽管ADT对评估机械性踝关节不稳仍有价值，但需结合标准化程序和定量测量方法。数字踝关节测量仪的引入可在标准化前抽屉负荷下连续记录力-位移数据，客观量化前踝松驰，但被动松驰与功能任务中动态骨运动之间的关系仍不明确。传统光学动作捕捉依赖皮肤标记，在足踝区域存在较大软组织伪影，难以准确追踪真实骨运动。双荧光成像（dual fluoroscopic imaging）结合个体化三维（3D）骨模型配准，可在动态任务中直接追踪骨的位置与姿态，实现胫距关节和距下关节的六自由度（six-degree-of-freedom）运动学分析。因此，本研究旨在联合数字踝关节测量仪与双荧光成像系统，探索静态前踝松驰与单腿落地任务中前距骨平移之间的关联，并假设静态前踝松驰更大的个体在落地阶段表现出更大的前距骨平移。

研究人员开展了一项横断面在体生物力学研究，纳入14名健康男性受试者（年龄21.6 ± 1.3岁，身高176.9 ± 4.1 cm，体重69.9 ± 5.5 kg），所有受试者均为右腿优势。受试者从40 cm高台完成单腿落地任务，采用数字踝关节测量仪在标准化90 N负荷点量化静态踝关节前向松驰，同时通过磁共振成像（MRI）重建个体化胫骨和距骨三维模型，并与双荧光图像配准以计算距骨相对胫骨的运动学。结果显示，静态前踝松驰与落地后100 ms内的峰值前距骨平移之间存在显著正相关（r = 0.818，95% CI 0.51–0.94，p < 0.001）。该研究首次直接量化了静态踝关节松驰与高冲击任务中在体骨运动之间的关系，为理解踝关节机械稳定性与动态骨运动学之间的关联提供了重要证据。研究表明，被动力学特性可能反映动态骨运动，量化前抽屉测量可能为动态踝关节稳定性提供生物力学相关信息。

关键技术方法方面，样本来自上海体育学院伦理委员会批准招募的健康青年男性。静态前踝松驰采用Ligs数字踝关节测量仪（Innomotion Inc.，中国）进行标准化前抽屉加载，记录90 N负荷点位移。骨模型基于3.0 T MRI（MAGNETOM Prisma，Siemens Healthcare，德国）T₁加权三维序列，使用Amira软件逐层分割并重建胫骨和距骨。动态数据通过高速双荧光成像系统（DFIS）以250帧/秒采集，并与三维力台（Kistler 9286BA，1,000 Hz）硬件同步。采用Rhinoceros 7.0进行逐帧2D-3D配准，计算六自由度胫距关节运动学，并采用皮尔逊相关分析检验静态松驰与动态平移的关系。

**3 研究结果**

**3.1 单腿落地期间的地面反作用力**
通过三维力台同步记录发现，所有受试者落地后垂直地面反作用力（vertical ground reaction force, vGRF）呈现典型的双峰模式：第一峰值出现在初始接触后11.43 ± 1.65 ms，大小为体重的1.258 ± 0.324倍；第二峰值出现在43.43 ± 5.94 ms，大小为体重的3.545 ± 0.536倍。该结果确认了落地冲击负荷特征，为后续运动学分析提供了时间参考。

**3.2 落地期间胫距关节运动学**
基于双荧光成像与2D-3D配准，分析初始接触后100 ms内距骨相对胫骨的运动。前后方向为最主要的平移自由度，活动范围（range of motion, ROM）为16.65 ± 1.85 mm；内侧-外侧平移为3.13 ± 0.58 mm，上下平移为2.95 ± 1.16 mm。旋转方面，跖屈-背屈活动范围最大（42.53° ± 4.74°），内翻-外翻为6.15° ± 1.73°，内旋-外旋为9.07° ± 3.33°。重复配准检验显示前后平移的平均绝对差异为0.27 mm，均方根差异为0.34 mm，表明测量可靠性良好。

**3.3 前踝松驰与前距骨平移的关系**
在90 N负荷点处，静态踝关节前向松驰平均为7.79 ± 1.32 mm；落地后前100 ms内峰值距骨前向平移平均为8.93 ± 1.88 mm，均表现出明显个体间差异。皮尔逊相关分析显示两者存在显著正相关（r = 0.818，95% CI 0.51–0.94，p < 0.001），即静态前踝松驰越大，落地时前距骨平移越大。

讨论部分指出，被动机械稳定性主要由骨性匹配、关节囊和韧带复合体维持，其中距腓前韧带（ATFL）是限制前距骨平移的关键结构。本研究中静态前踝松驰与动态峰值距骨前移显著相关，可能提示较大的被动松驰允许高冲击负荷下更大的距骨运动。但该相关性的决定系数r²为0.669，说明仍约有三分之一的前距骨平移变异未能由静态松驰解释，动态骨运动还受神经肌肉控制等因素影响。传统手法前抽屉试验受检查者与受试者因素干扰，而标准化仪器测量可实现客观量化，先前研究显示其对慢性踝关节不稳具有较高诊断效能（AUC ≈ 0.92）。类似关系也见于膝关节：有研究采用双平面荧光成像发现被动前膝松驰与落地时前胫骨平移显著正相关。该研究进一步支持被动关节松驰与动态骨运动之间的联系，但本研究为横断面设计，尚不能推断前踝松驰对运动损伤风险的预测价值，未来需开展前瞻性临床研究。

**5 结论**
本研究表明，静态踝关节前向松驰与单腿落地任务中的峰值距骨前向平移密切相关。被动前向松驰较大的个体在高冲击条件下表现出更大的距骨位移，提示踝关节的被动力学特性与动态骨运动相关。量化的前抽屉测量可客观评估踝关节松驰，并可能提供与动态踝关节稳定性相关的生物力学信息。上述发现为被动踝关节松驰与落地时在体距骨运动的关联提供了进一步生物力学证据，并强调了未来开展前瞻性研究以确定该关联临床相关性的必要性。