前交叉韌帶損傷運動學與動力學評估方法進展

黃文漢，張 余

綜述

前交叉韌帶損傷運動學與動力學評估方法進展

黃文漢，張 余

前交叉韌帶（ACL）損傷臨床常見，相關的運動學和動力學評估有助于更加客觀、全面地認識ACL損傷，并為診斷和治療策略的選擇提供可靠依據。隨著現(xiàn)代測量技術的發(fā)展，ACL損傷運動學和動力學評估研究正從靜態(tài)二維逐步過渡到動態(tài)三維階段。該文綜述基于光學捕捉原理和放射影像學原理的運動學評估、手動測試、機器人輔助分析及有限元分析技術的應用進展、現(xiàn)狀及優(yōu)缺點。

前交叉韌帶；膝損傷；生物力學；步態(tài)；光學捕捉；圖像處理，計算機輔助；運動試驗；機器人；有限元

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是臨床常見的膝關節(jié)疾病[1-3]。據報道，目前美國每年進行ACL重建手術的數(shù)量超過40萬例[4]。我國尚無整體人群發(fā)病率的報道，但有學者對現(xiàn)役集訓運動員進行的調查結果顯示，ACL損傷總體發(fā)病率為0.43%[5]。

為評估ACL損傷患者的運動學和動力學特點，人們最早利用量角器等測量工具在體表測量膝關節(jié)特定屈膝位的屈伸角度等參數(shù)，至今該方法仍在采用；之后的視頻錄制方法可通過分析每一幀視頻圖像中的膝關節(jié)位置，分析膝關節(jié)屈伸角度等的變化。這些方法測量簡便，但精度較低，無法實現(xiàn)對復雜膝關節(jié)運動的分析?，F(xiàn)代測量和診斷技術的進步使ACL損傷的檢測手段逐漸發(fā)展到動態(tài)三維（three-demensional，3D）步態(tài)分析、熒光透視成像、動態(tài)CT和MRI、計算機膝關節(jié)虛擬系統(tǒng)分析等。通過這些測量手段，研究者可以獲得膝關節(jié)運動學與動力學數(shù)據，即膝關節(jié)各組成部分在關節(jié)運動時的時空參數(shù)，包括自由度、對抗力與力矩、運動限度等[6]，從而對ACL損傷有更為客觀、全面的認識，為此類患者的診斷及治療策略的選擇提供可靠依據。目前應用較多的主流技術包括高精度的X線透視成像技術，以及可跟蹤大范圍膝關節(jié)運動的紅外光學跟蹤技術。

1 基于光學捕捉原理的運動學評估

1.1 光學捕捉原理

光學式運動捕捉可通過對目標上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務?？臻g中的一個點，如果能同時被至少兩部相機所見，則可以根據同一時刻兩部相機拍攝的相機參數(shù)來確定這一時刻該點的空間位置。典型的光學式運動捕捉系統(tǒng)通常使用6～8個相機環(huán)繞場地排列，這些相機覆蓋的視野重疊區(qū)域就是受試者的動作范圍。為了便于處理，通常需要受試者穿上純色服裝，在身體的關節(jié)、髖部、肘、腕等關鍵部位貼上特制的標志或剛體，稱為marker。視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標志以得到運動軌跡。

1.2 ACL損傷運動學與動力學評估

利用光學捕捉原理捕獲人體膝關節(jié)運動參數(shù)具有悠久的歷史。從上世紀60年代開始，Begg等[7]首次運用平面定點攝像技術捕獲運動學數(shù)據：將錄像機或高速錄像機的拍攝結果直接輸入電腦，利用圖像軟件按幀解析圖像，再輸入運動解析軟件，按場解析，采集每幅圖像特征點的二維（two-dimensional，2D）圖標，得到速度、加速度等運動學參數(shù)。而以多個紅外線高速攝影機為主的立體3D運動分析系統(tǒng)則可利用光電位置敏感器件所構成的紅外光點攝像機實現(xiàn)位置光電轉換功能，直接記錄并解算標志點的3D空間坐標信息，求得角速度，同時利用逆動力學方法計算動力學指標。Gao等[8]即利用3D運動分析系統(tǒng)測量36例受試對象（正常人、ACL損傷患者、ACL重建患者各12例）上下臺階時的膝關節(jié)時空參數(shù)，結果顯示，ACL損傷患者上臺階時伸膝減少，上下臺階時內翻、脛骨內旋角度均增加。

目前，3D運動分析系統(tǒng)如OrthoTrak步態(tài)分析軟件（美國，MotionAnalysis公司）、CODA mpx 30系統(tǒng)（英國，Movement Techniques公司）、3D gait motion analyses system（英國，VICON公司）等已成為采集骨性關節(jié)炎及全膝關節(jié)置換（total knee arthroplasty，TKA）、韌帶修復手術患者關節(jié)運動學參數(shù)的主流步態(tài)分析工具[9]。但上述系統(tǒng)多采用表皮附屬標記方法，表皮的相對移動成了制約測量精度的瓶頸。Corazza等[10]運用虛擬外殼和模擬退火算法免標記捕獲膝關節(jié)的時空參數(shù)，結果表明，膝關節(jié)屈曲平均誤為1.5°±3.9°、內收平均誤為2.0°±2.5°；Schmitz等[11]亦應用單個攝影機免標記運動捕獲系統(tǒng)測量下肢運動學參數(shù)，結果表明，各方向自由度的可靠性相關系數(shù)＜0.5°，信度較高，具有免標記物、精度高、采集數(shù)據快等優(yōu)點，被認為是未來研究在體運動學的主流方法，但由于技術的復雜性，目前尚未應用于包括ACL損傷在內的臨床檢測。

2 基于放射影像學原理的運動學評估

基于放射影像學原理的運動學測量多指利用X線透視成像、CT掃描等對非負重膝關節(jié)準靜態(tài)姿勢逐一成像以重建3D運動過程，其中以2D-3D注冊技術和X線立體測量分析（Roentgen stereophotogrammetric analysis，RSA）技術最為成熟。

2.1 2D-3D注冊技術

2.1.1 步驟 基于2D-3D注冊技術的膝關節(jié)運動在體測量主要有以下步驟：①獲取2D動態(tài)X線透視圖像；②建立膝關節(jié)3D模型；③根據成像系統(tǒng)參數(shù)在計算機上建立虛擬成像空間，構建3D模型與2D圖像的投射關系，調整模型空間位置，實現(xiàn)模型與圖像的注冊；④在重建姿態(tài)的基礎上測量膝關節(jié)的3D運動學參數(shù)。

2.1.2 單平面和雙平面技術 最早的注冊技術以單平面為主，具有測量精度高、輻射劑量小的特點。Miyaji等[12]利用2D-3D單平面注冊技術研究患者的運動參數(shù)，結果表明，ACL損傷患者股骨內旋角度加大，擺動期或站立期患側下肢脛骨前移較健側超過0°～5°，這與其他研究結果類似[13-15]。

Tashman等[16]于2004年提出雙平面2D-3D注冊的概念，注冊精度進一步提高。但雙平面技術操作較為復雜，檢測易受成像空間的限制及場地的制約，僅可測量平地行走、上下樓梯等小范圍內活動，當膝關節(jié)進行大范圍屈伸運動時（如下蹲、彈跳等），X線系統(tǒng)難以捕捉整個運動過程；而單平面技術則可擴大受試者能被系統(tǒng)捕捉到活動過程的范圍。此外，雙平面技術測量股骨與脛骨的時空參數(shù)誤差要求＜0.2 mm，旋轉角度誤差＜0.4°；而單平面技術的時空參數(shù)誤差要求＜0.5 mm，橫斷面旋轉要求＜1.3°[17-18]。但無論單雙平面技術，用于2D成像的C-arm熒光增強器尺寸均有限，不能在更大空間范圍進行測量，這也限制了其使用。

2.2 RSA技術

與2D-3D注冊技術相似，RSA技術亦是通過建模來求得運動學參數(shù)，區(qū)別主要在于建模過程的不同。該技術將直徑為毫米級別的金屬球（鉭珠）植入骨骼表面，結合CT或MRI模型和X線透視成像，通過金屬球透視成像關系逆向求解模型在成像空間的位置，在3D模型姿態(tài)的基礎上測量關節(jié)之間的運動學參數(shù)。Fleming等[19]利用該方法測量ACL受損山羊于30°、60°、90°屈曲位下的脛骨前后位移，測得值分別為（8.8±1.39）、（7.6± 1.32）、（3.1±1.20）mm。與其他傳統(tǒng)測量系統(tǒng)相比，該技術研究精度達到0.1 mm和0.3°以內，相關系數(shù)為0.83。諸多研究結果均證實，該技術準確性和可重復性均較高[16,20-21]。

2.3 動態(tài)MRI檢測

上述放射學檢測方法大都通過CT或MRI建模，采用的是靜態(tài)圖像。而開放性MRI的使用令運動學參數(shù)的測量更加動態(tài)、微觀、直接，且無輻射性。Logan等[22]首先運用開放性MRI檢測ACL損傷患者在0°、20°、45°及90°屈曲位下的膝關節(jié)狀態(tài)，結果顯示，與健側比較，患者股骨外側髁均向后脫位。在精度方面，開放性MRI亦顯示良好的可重復性和可靠性。Okazak等[23-24]對36例ACL重建術前患者、56例ACL術后1年患者模擬slocum前外側旋轉不穩(wěn)定性試驗，在開放性MRI檢測狀態(tài)下對脛骨應用旋轉應力，結果顯示，ACL重建后患膝抑或單純ACL損傷患者的脛骨外側室前移度與軸移試驗得分間均有良好的相關性[25]，而后者被認為是檢測ACL損傷的常用手段[26]。這說明在開放性MRI檢測狀態(tài)下，無論是單純ACL損傷還是損傷重建患者，檢測結果都具有較高的可信度。此外開放性MRI技術還可同時觀察半月板與關節(jié)的接觸面積，更好地分析膝關節(jié)受損后ACL與半月板在不同膝關節(jié)姿勢下的運動學與力學改變。

3 手動測試

軸移試驗和Lachman試驗可動態(tài)檢測膝關節(jié)的前后移動度，測量簡單、成本低，不僅可用于判斷ACL是否損傷，還可評估重建術后的治療效果。缺點在于難以定量，具有主觀性，對檢查者的經驗要求較高[27]，亦無法測量動態(tài)旋轉角度。為定量測量膝關節(jié)的活動度，目前臨床上廣泛使用的有KT-1000膝關節(jié)韌帶動度測量儀、Genucom膝關節(jié)分析系統(tǒng)（美國，F(xiàn)ARO公司），Rolimeter膝關節(jié)檢測儀（德國，Aircast Europe公司）等設備[28]，均具有較高的準確性和良好的可重復性，但僅能測量膝關節(jié)的前后位移，無法評估膝關節(jié)的動態(tài)旋轉功能[29]，肌肉對測量結果的影響亦不容忽視。有鑒于此，學者們相繼開發(fā)用于軸移試驗、評估膝關節(jié)3D運動的3D加速計[30]及電磁裝置[31]，具有非侵入性，精度高，可動態(tài)、定量、客觀測量等特點，已逐漸取代傳統(tǒng)的手動膝關節(jié)測量工具。

4 機器人輔助分析

機器人輔助分析技術是近年來發(fā)展起來的體外高精度運動參數(shù)分析方法，為膝關節(jié)運動學研究提供新的技術手段。機器人/UFS（Ultra Force Moment Sensor萬用力學傳感器）系統(tǒng)[32]采用6自由度機械臂和通用力矩傳感器，可以測量膝關節(jié)3個位移自由度（上下、前后和內外移動）和3個旋轉自由度（旋轉、內外翻轉和屈戊旋轉）的運動，從解剖、生物和功能角度分析膝關節(jié)的動力學與原位應力，還可測量同一受試對象在不同肌肉負載下ACL的原位應力[33]，較好記錄關節(jié)負載變換及關節(jié)運動規(guī)律，評估關節(jié)內骨骼、組織以及移植物的力學特性，因此被認為是目前最能反映膝關節(jié)真實運動的技術。有學者運用機器人測試系統(tǒng)對9具ACL損傷尸體患肢進行脛股骨動力學檢測，結果顯示，ACL損傷不僅使脛骨前移增大，而且增加了脛骨的內旋和內移[34]?？傊瑱C器人輔助分析技術測量直接，可運用相同的病例樣本，降低樣本的變異度；缺點是技術含量高，耗費成本高，目前還很難在臨床上大范圍推廣。

5 有限元分析

作為一個具有理論基礎和廣泛應用效力的數(shù)值分析方法，有限元分析可以求解過去用解析方法無法求解的問題。對于如ACL等邊界條件和結構形狀均不規(guī)則的復雜問題，有限元方法是一種行之有效的描繪ACL在負載和脛股骨移動時應力分布表現(xiàn)的方法。Song等[34]應用3D有限元法對ACL前內束和后外束前向負荷中的應力分布進行計算，以此對尸體膝關節(jié)標本多個自由度的運動用傳感器進行力學監(jiān)測，其所建立的3D有限元模型具有較高的有效性，為ACL生物力學有限元分析的深入研究提供范例。

近年來有限元分析在ACL重建術中的應用逐漸受到學者的關注，通過了解ACL的應力空間分布，可以解釋其在極限狀態(tài)下發(fā)生斷裂或損傷的關鍵因素，同時掌握尋找ACL理想替代物前所必須獲得的數(shù)據[35]。該技術的缺點是：作為一種非線性高黏彈性體，韌帶組織材料力學性能、本構方程復雜，相對于骨骼等硬組織來說建模更為困難，模型的驗證缺乏大樣本數(shù)據，目前尚未得到廣泛推廣。

6 小結與展望

ACL損傷的診斷、功能與療效評價需要多方面、多角度的評估。隨著技術手段的演進，目前ACL損傷的運動學和動力學評估正逐步從靜態(tài)2D過渡到動態(tài)3D階段，并以智能化、個體化、遠程化為發(fā)展方向，致力于提高測量精度，減少檢查輻射量，增強圖像分辨率，以獲得客觀、精確的評估結果，更好地服務于ACL損傷患者的診療和康復決策過程。我國大部分醫(yī)院目前仍停留在手工測試評估的階段，因此有必要進一步普及和推廣數(shù)字化檢測手段，更好地踐行新時代數(shù)字醫(yī)學的理念。

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（本文編輯：張 輝）

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Progress of assessment of kinematics and dynamics of anterior cruciate ligament injury

HUANG Wenhan*,ZHANG Yu.*Postgraduate School of Southern Medical University,Guangzhou, Guangdong 510515,China.

Anterior cruciate ligament(ACL)injury is common in clinical practice,the relative evaluation of kinematics and dynamics is helpful to understand ACL injury more objectively and comprehensively,and to provide reliable references for the choice of diagnosis and treatment strategy.With the development of modern measurement techniques,assessment of kinematics and dynamics of ACL injury has improved from static and 2-dimensional to dynamic and 3 dimensional stages.In this paper,the development,current researches, advantages and disadvantages of the assessment methods based on optical capture and radiological principles, manual test,robot-assisted analysis and finite element analysis were reviewed.

Anterior cruciate ligament;Knee injuries;Biomechanics;Gait;Optical capture;Image processing,computer-assisted;Robotics;Finite element

R356，R684

A

1674-666X（2014）01-0049-06

2013-11-08；

2013-12-20）

10.3969/j.issn.1674-666X.2014.01.010

國家自然科學基金面上項目（81271957）；全軍醫(yī)學科研“十二五”面上課題（CWS11C268）；廣東省矯形技術與植入材料重點實驗室建設基金（[2011]233-32）

510515廣州，南方醫(yī)科大學研究生學院（黃文漢）；510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨病關節(jié)科（張余）

E-mail：wenhanx@126.com