摘要
人体足部作为行走过程中唯一与地面接触的部位，经过漫长的自然进化过程形成了有别于灵长类和其他动物独特的足部结构，使得人两足直立行走既具有稳定性，又具有灵活性，在步态过程中足部表现为可刚可柔、可软可硬。骨骼在肌肉和韧带的包裹下形成了人体特有的足弓结构，而足弓的主要结构是关节。其中，后足关节（胫距关节和距下关节）在步态初期承受巨大的触地冲击力，在步态过程中，关节姿态具有运动调控功能，对于步态的柔顺和平稳具有重要作用。此外，胫距关节和距下关节易发多种足踝疾病，如踝关节炎、踝关节扭伤等，而足踝疾病又会不同程度地改变后足关节的运动。对后足关节的详细三维运动学进行量化，对于理解复杂的足弓结构在产生稳定高效的两足运动时的生物力学功能是非常关键的。在工程上，可以为康复辅具的开发和双足机器人的足部设计提供详实的参考；在临床上，对踝关节疾病的术前诊断和术后评估具有重要指导意义。 本文利用国际先进设备双平面动态X光系统研究人体后足关节三维6自由度运动变化规律。研究了受试者常速步行和负重步行状态下的触地阶段的胫距关节和距下关节运动，以及一种特殊运动状态（足跟抬起-落下）下的后足关节运动。并成功探索了基于骨轮廓和灰度强度的3D-2D配准及半自动追踪技术，开发了基于半自动追踪数据的关节运动计算算法，提高了图像处理的精度和效率，对于双平面动态X光系统在生物力学领域的应用具有重要意义。本文主要工作与结论如下： （1）3D-2D半自动配准方法的探索与应用 基于足部CT图像完成图像分割与模型重建，得到用于半自动配准的虚拟模型。使用畸变矫正后的足部双平面X光图像序列和标定文件重建虚拟双平面三维环境，在足中立位置手动完成初始帧的配准，利用下坡单纯形优化算法或粒子群优化算法来寻找虚拟模型与X射线图像最匹配的骨骼位置，分阶段对图像序列执行自动优化算法和插值，完成半自动配准，得到骨骼在实验室坐标系下的转换矩阵。 （2）基于三维动态X光数据的足部关节三维运动求解算法 基于模型重建的后足骨骼实体模型，自定义解剖学局部坐标系。利用坐标系之间的关系，完成由解剖学坐标系向技术坐标系的转化，再由技术坐标系向实验室坐标系转化。利用从关节近端到远端的整体转换来确定关节角，将远端ACS原点至近端ACS原点间的向量投影到近端骨骼ACS的每个轴线上，以量化关节平移。 （3）步态触地阶段和足跟抬起-落下运动过程中的运动学研究。本文采集了健康受试者在常速行走（负重和非负重）步态触地阶段以及足跟抬起-落下运动过程的足部双平面X光图像，并完成了后足两个关节的三维6自由度分析。研究发现，后足的两个关节在矢状面内的背屈/跖屈和额状面内的内翻/外翻旋转存在运动耦合性。在整个步态触地阶段，胫距关节的矢状面内的背屈/跖屈ROM最大，额状面内的内翻/外翻ROM最小，且负重显著增加了内翻/外翻ROM。矢状面内呈现背屈-跖屈-背屈的运动模式，额状面呈现外翻-内翻-外翻的运动模式，横断面内的旋转运动表现为先内收，后外展。负重会增大最大跖屈角、最大内翻角和减小最大背屈角，还会导致较早达到内收0°。负重会显著增大内/外侧平移ROM，非负重状态下距骨相对于胫骨表现为向外、向后和向下移动；负重状态下距骨相对于胫骨表现向内、向前和向下移动。距下关节额状面的内翻/外翻ROM最大，且负重会增大内翻/外翻ROM。整个步态触地阶段跟骨相对于距骨表现为中立偏跖屈、内翻和外展。距下关节内/外侧平移ROM最大，上/下方平移ROM最小。在整个步态触地阶段，跟骨相对于距骨主要表现为向内、向前和向下移动，且负重会导致全足着地阶段跟骨相对于距骨较晚发生前移。在足跟抬起-落下这一运动过程中，胫距关节表现为距骨相对于胫骨跖屈、内翻和内收，距下关节表现为跟骨相对于距骨内翻和内收，且对应的旋转角先增大，后减小。足跟抬起-落下运动过程中胫距关节的背屈/跖屈ROM最大，内翻/外翻ROM最小，距下关节内翻/外翻ROM最大，背屈/跖屈ROM最小。胫距关节的前后方平移ROM最大，而距下关节内外侧平移ROM最大。
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