脊髓病手功能評(píng)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)及軟件實(shí)現(xiàn)

侯藏龍，張偉忠，唐沂星，陳智，張帆，王琨，宋慶鑫，沈洪興

第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院脊柱外科，上海 200433

脊髓病手功能評(píng)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)及軟件實(shí)現(xiàn)

侯藏龍，張偉忠，唐沂星，陳智，張帆，王琨，宋慶鑫，沈洪興

第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院脊柱外科，上海 200433

目的 基于數(shù)據(jù)手套（Date-glove）技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)編程軟件，開發(fā)脊髓病手功能評(píng)測(cè)系統(tǒng)（MFS）。方法 分別選取確診脊髓型頸椎?。–SM）患者及健康成年人各20例作為研究對(duì)象，應(yīng)用WiseGlove數(shù)據(jù)手套獲取10 s手屈伸測(cè)試（GRT）掌指關(guān)節(jié)的活動(dòng)動(dòng)態(tài)信號(hào)，以Visual C++為編程工具編寫計(jì)算機(jī)軟件模擬掌指關(guān)節(jié)的角度變化。結(jié)果 CSM組左手10 s GRT平均15.20次/10 s，右手平均15.45次/10 s，健康對(duì)照組左手平均23.42次/10 s，右手平均23.63次/10 s，兩組同側(cè)10 s GRT測(cè)試結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），CSM患者存在不同程度的手部功能下降。結(jié)論 MFS具有集成度高、無創(chuàng)、定量、可靠、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，并首次采用Date-glove技術(shù)對(duì)脊髓病手功能進(jìn)行量化分析。

脊髓型頸椎?。皇止δ苷系K；數(shù)據(jù)手套；功能評(píng)價(jià)；量化評(píng)估；手指屈伸試驗(yàn)

0 前言

脊髓病手（Myelopathy-hand）是繼發(fā)于脊髓型頸椎?。–ervical Spondylotic Myelopathy，CSM）的特征性表現(xiàn)之一，1987年Ono等[1]詳盡地描述了脊髓病手的特征：手部活動(dòng)笨拙，影響精細(xì)動(dòng)作；內(nèi)在肌萎縮，手指無法快速完成屈伸動(dòng)作，伴有痛覺減退。Ono等[1]設(shè)計(jì)了10 s手屈伸測(cè)試（Grip and Release Test，GRT），即囑患者平舉前臂，掌心向下，盡可能快地反復(fù)做手指屈伸動(dòng)作，出現(xiàn)手指屈伸緩慢、困難甚至不完全。成年人在10 s內(nèi)完成20次以上視為正常，通過對(duì)127例CSM患者進(jìn)行10 s GRT發(fā)現(xiàn)脊髓病手的嚴(yán)重程度與患者JOA評(píng)分顯著相關(guān)，能夠量化反映頸脊髓功能。Prabhu等[2]術(shù)后即刻在床邊進(jìn)行快速手指屈伸試驗(yàn)，證實(shí)術(shù)后早期手部功能恢復(fù)是評(píng)價(jià)手術(shù)效果的客觀指標(biāo)之一。

通常，我們采用量表對(duì)CSM的嚴(yán)重程度、手術(shù)效果進(jìn)行大致評(píng)估，如Cooper Myelopathy標(biāo)準(zhǔn)、European Myelopathy評(píng)分和JOA評(píng)分等。但因量表對(duì)疾病的嚴(yán)重程度評(píng)估較為廣泛且無法統(tǒng)一單位而無法實(shí)現(xiàn)完全量化分析、比較，對(duì)于臨床效果的細(xì)微改變?nèi)狈γ舾行?，存在主觀因素，如手部笨拙、步態(tài)異常，排尿功能障礙等，這些指標(biāo)是難以定量的，一類功能障礙往往涵蓋的范圍比較大，這也使得評(píng)分體系的敏感性較差[3]。基于數(shù)據(jù)手套（Cyber-glove）技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)編程，自主開發(fā)了一套脊髓病手功能評(píng)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)克服了以往手功能評(píng)測(cè)設(shè)備精度低、難以量化、設(shè)備復(fù)雜、使用繁瑣等缺陷[3-6]，為CSM診療提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 一般資料

CSM組由2015年1～2月我院門診中30例確診的CSM患者組成，其中男性18例，女性12例，年齡28～75歲，平均56.3歲，見表1。本研究共納入健康志愿者20例，男性12例，女性8例，年齡27～65歲，平均42.1歲，作為對(duì)照組。

表1 脊髓型頸椎病組患者選取標(biāo)準(zhǔn)

1.2 數(shù)據(jù)手套和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是近年來的研究熱點(diǎn)之一，目前已廣泛地應(yīng)用在虛擬人體、醫(yī)學(xué)教育、虛擬外科手術(shù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域[7]。以往的對(duì)手部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)評(píng)測(cè)方法至今不完善也無法量化，故我們采用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲，實(shí)時(shí)測(cè)量手部各個(gè)關(guān)節(jié)角度的變化[8-9]。

數(shù)據(jù)手套具有佩戴舒適、簡(jiǎn)便易用、波形系數(shù)小、驅(qū)動(dòng)程序完備等特點(diǎn)。超高的數(shù)據(jù)質(zhì)量、較低的手指間交叉關(guān)聯(lián)、以及高數(shù)據(jù)頻率使該產(chǎn)品成為虛擬現(xiàn)實(shí)交互的理想工具。

數(shù)據(jù)手套夾層中設(shè)有電阻式彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導(dǎo)線連接至信號(hào)處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線。以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。通過手指彎曲位置變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，每個(gè)手指背側(cè)的傳感器分別用來測(cè)量手指關(guān)節(jié)的角度變化。

使用12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。WiseGlove數(shù)據(jù)手套型號(hào)有5、14、18、28傳感器之分，還可配備無線模塊或串口模塊等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)的高頻率傳輸。GRT測(cè)試僅涉及掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況，故采用價(jià)格相對(duì)低廉的5傳感器WiseGlove數(shù)據(jù)手套，見圖1。

圖1 WiseGlove數(shù)據(jù)手套

目前市面上主流計(jì)算機(jī)配置可保證本系統(tǒng)運(yùn)行流暢，為保證系統(tǒng)最佳運(yùn)行效果我們采用了相對(duì)較高的配置。處理器：Intel 酷睿i7 4900MQ，主頻：2.8 GHz，內(nèi)存：16 GB，顯示器：64位，硬盤容量：1TB，軟件開發(fā)及使用均基于Windows 7操作平臺(tái)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)和功能

本軟件的編譯系統(tǒng)選用Microsoft面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)Visual C++，具有程序框架自動(dòng)生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)集成交互操作等優(yōu)點(diǎn)，而且通過設(shè)置可使其生成的程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口、3D控制界面。

本軟件按常規(guī)儀器的界面設(shè)計(jì)，所有操作在一個(gè)界面完成，簡(jiǎn)潔明了。測(cè)試時(shí)實(shí)時(shí)顯示各手指的彎曲角度，描記波形并顯示動(dòng)畫，操作者可直觀地觀察其準(zhǔn)確性。測(cè)量結(jié)果按不同受試者自動(dòng)歸檔，便于日后查詢、比對(duì)、再分析。實(shí)現(xiàn)的功能主要有受檢人員基本信息登記查詢、檢查記錄查詢、手套標(biāo)定、手指彎曲度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)波形圖顯示、實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示、GRT次數(shù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、周期圖、記錄實(shí)時(shí)回放、記錄半速回放等功能，見圖2。

圖2 脊髓病手功能評(píng)測(cè)系統(tǒng)的軟件功能圖

因?yàn)槭茉囌呤值拇笮〔煌?，為了能精確記錄手指的彎曲過程，在每次測(cè)試前我們都需對(duì)手套進(jìn)行個(gè)體化校正，即確定受試者的手指在握拳和自然平伸狀態(tài)下數(shù)據(jù)手套彎曲傳感器所能達(dá)到的彎度極限值。測(cè)試時(shí)系統(tǒng)一旦判斷到受試者開始做屈伸動(dòng)作就自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)裝置，達(dá)到規(guī)定時(shí)間立即停止記錄，并自動(dòng)計(jì)算出GRT次數(shù)。此軟件可以記錄每次測(cè)試的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、受試者的基本信息和測(cè)試日期等，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析創(chuàng)造了條件。

1.4 10 s GRT和數(shù)據(jù)檢測(cè)

（1）錄入患者基本信息：包括姓名、性別、年齡、簡(jiǎn)要病史、住院/手術(shù)日期、可選擇10 s GRT、15 s GRT及RHCT等測(cè)試項(xiàng)目，并可根據(jù)患者實(shí)際情況選擇門診篩查、術(shù)前、術(shù)后等測(cè)試時(shí)機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)手套的佩戴方法：數(shù)據(jù)手套采用彈性布料，能滿足多數(shù)人的手部尺寸，佩戴時(shí)手自然伸入手套五指自然張開，由拇指到小指依次向腕側(cè)牽拉掌面布料（避免使掌背側(cè)的傳感器受到牽拉），確保掌背側(cè)凸起的傳感器與手指中線基本重合，縱向跨越掌指關(guān)節(jié)，前端至遠(yuǎn)近指間關(guān)節(jié)中部位置，為了確保測(cè)試過程中傳感器固定在原有位置，我們?cè)谡?、腕部添加了可黏貼型固定帶，使測(cè)試更加穩(wěn)定。

（3）動(dòng)作校正：正確佩戴手套后，受測(cè)手平舉，掌心向下，點(diǎn)擊軟件中的校正，囑患者進(jìn)行自然平伸手指和握拳動(dòng)作，見圖3。

圖3 手屈伸測(cè)試動(dòng)作校正

（4）校正完畢后點(diǎn)擊測(cè)試開始，受試者標(biāo)準(zhǔn)地做屈和伸的動(dòng)作，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)，10 s后自動(dòng)停止計(jì)數(shù)。

（5）保存結(jié)果。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，組內(nèi)比較用Student t檢驗(yàn)，組間比較采用單因素方差分析(ANOVA)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

測(cè)試結(jié)束后，得到CSM組各手指運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際角度實(shí)時(shí)變化情況波形圖，見圖4。兩組左右手測(cè)試結(jié)果差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其中CSM組波形頻率慢、基底變寬，左手10 s GRT平均15.20次/10 s ，右手平均15.45次 /10 s，見圖4(a)；健康對(duì)照組測(cè)試結(jié)果見圖4(b)，波形頻率快、基底較窄，左手平均23.42次/10 s，右手平均23.63次/10 s，兩組同側(cè)10 s GRT測(cè)試結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。這表明CSM患者存在不同程度的手部功能下降，且與以往文獻(xiàn)中報(bào)道的20次/10 s臨界值相符合。

圖4 脊髓型頸椎病組各手指運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)角度變化波形圖

嚴(yán)重的CSM常常導(dǎo)致患者手部功能不同程度下降，表現(xiàn)為無法快速進(jìn)行手指完全屈伸動(dòng)作，10s GRT測(cè)試＜20 次/10 s；與健康對(duì)照組相比，波形頻率緩慢、基底較寬、形態(tài)不規(guī)則，啟動(dòng)時(shí)間明顯延長(zhǎng)，伴有或（不伴有）手內(nèi)在肌萎縮。

3 討論

對(duì)脊髓病手部功能的相關(guān)研究，起初以主觀判斷為主，直到1990年，為尋求一種客觀、量化、以突出患者手部運(yùn)動(dòng)為主的方法，Kaneko等[10]設(shè)計(jì)了一種手部功能測(cè)試方法，即囑受試者拾起10種大小、形狀、重量各不相同的物體，然后盡快地放到指定地點(diǎn)并分別記錄時(shí)間。Doita 等[11]將這個(gè)測(cè)驗(yàn)應(yīng)用于129名CSM患者中，得出CSM患者的精細(xì)動(dòng)作調(diào)節(jié)能力顯著下降的結(jié)論。為了更加精確、直觀地對(duì)手部功能進(jìn)行臨床分析，Sakai[12]利用無源探測(cè)系統(tǒng)，在拇指和食指的背面以及手背部放置14個(gè)3mm的微反光標(biāo)記，重復(fù)做夾捏小球、硬幣和小棒的動(dòng)作，與此同時(shí)采用4個(gè)紅外線攝像機(jī)記錄這些標(biāo)記的空間向量，通過向量用三維運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算拇指和食指的掌指關(guān)節(jié)和近遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)的屈曲角度，CSM組手指各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度隨著最大伸展角度的增加顯著變大，表明脊髓病手的運(yùn)動(dòng)方式異于常人是因?yàn)槲恢糜X受損，不僅如Ono等[1]報(bào)道的脊髓病手只出現(xiàn)特異性的尺側(cè)2～3個(gè)手指活動(dòng)異常，脊髓病手的拇指、食指均不同程度受到影響，這主要體現(xiàn)在患者進(jìn)行夾捏動(dòng)作時(shí)，拇指、食指的協(xié)調(diào)能力下降，而脊髓病手末端指關(guān)節(jié)屈曲角度比正常人大，這是指深屈肌代償骨間肌和蚓狀肌的結(jié)果。但由于標(biāo)記的黏貼過程復(fù)雜，因而無法在臨床上廣泛應(yīng)用。Kimura等[13]假設(shè)拇指功能的優(yōu)劣可以反映脊髓病手的功能以及脊髓病的嚴(yán)重程度，并設(shè)計(jì)了“計(jì)數(shù)器測(cè)試”，即囑患者用拇指在10 s內(nèi)盡可能快地按動(dòng)計(jì)數(shù)器按鈕，每按動(dòng)一次，表盤上的數(shù)字加1，通過對(duì)CSM組和健康對(duì)照組進(jìn)行測(cè)試得出結(jié)論：CSM組的拇指運(yùn)動(dòng)功能顯著下降。這種測(cè)試方法具有簡(jiǎn)單、客觀、精確、定量等特點(diǎn)，容易發(fā)現(xiàn)脊髓病患者細(xì)微的功能變化。但是測(cè)試結(jié)果可能會(huì)受客觀條件和人為操作的影響。Miwa 等[14]設(shè)計(jì)了一種手指開合運(yùn)動(dòng)磁感應(yīng)分析系統(tǒng)，在CSM患者的指甲上黏貼磁感應(yīng)線圈并囑其在30 s內(nèi)盡快地做拇、食指開合動(dòng)作，線圈發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)外接電腦，并記錄開合頻率、速率，計(jì)算開合間隔的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CSM患者的開合間隔較對(duì)照組長(zhǎng)，手指打開需要伸肌的收縮，屈肌的松弛，手指閉合，無需伸肌的松弛，手指打開比閉合更困難，與本研究中發(fā)現(xiàn)CSM患者在手指打開的速率要明顯低于對(duì)照組的結(jié)果相一致。Yukawa等[4]發(fā)現(xiàn)GRT也受年齡、性別的影響，60歲以上的正常受試者常＜20次/10 s。本研究中，70歲以上的男性平均18.8 次/10 s，女性平均17.9次/10 s，這可能與神經(jīng)功能退化、手內(nèi)在肌力量減退有關(guān)，故進(jìn)行門診篩查時(shí)，年齡、性別均需要考慮。

4 結(jié)論

CSM病情嚴(yán)重程度的判斷、手術(shù)指征的把握、術(shù)后病情改善的量化研究為目前研究熱點(diǎn)，2010年和2014年的頸椎外科研究學(xué)會(huì)年會(huì)針對(duì)CSM患者手部功能及GRT的臨床意義進(jìn)行了討論。我院基于Cyber-glove技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)編程軟件，自主開發(fā)了一套脊髓病手功能評(píng)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用5傳感器數(shù)據(jù)手套作為測(cè)試前端，對(duì)健康人對(duì)照組和CSM患者進(jìn)行手部功能評(píng)估，具有集成度高、無創(chuàng)、定量、可靠、操作簡(jiǎn)便、易于門診和床邊施行等特點(diǎn)，通過運(yùn)動(dòng)獲取分析系統(tǒng)，獲取、分析正常人群及患病人群手部屈伸動(dòng)作的各指運(yùn)動(dòng)信息，建立標(biāo)準(zhǔn)臨床數(shù)據(jù)庫，為脊髓病手功能評(píng)測(cè)提供了全新的思路。

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Development of Myelopathy-Hand Function Evaluation System and Software Implementation

HOU Cang-long, ZHANG Wei-zhong, TANG Yi-xing, CHEN Zhi, ZHANG Fan, WANG Kun, SONG Qing-xin, SHEN Hong-xing
Department of Spine Surgery, Changhai Hospital, the Second Military Medical University, Shanghai 200433, China

Objective To develop a MFS (Myelopathy-Hand Function Evaluation System) in combination with computer programming based on the data glove technology. Methods Altogether 20 confirmed CSM (Cervical Spondylotic Myelopathy) patients and 20 healthy volunteers were selected respectively in this study. With deployment of the WiseGlove data glove, motion signals of the metacarpophalangeal joint during 10-s GRT (Grip and Release Test) were acquire dand processed by the computer software based on VC++ programming to simulate the angular changes of the metacarpophalangeal joint. Results The average 10-s GRT results of the left and right hands in CSM Group were 15.20 times/10 s and 15.45 times/10 s respectively in contrast with 23.42 times/10 s and 23.63 times/10 s in Control Group. Statistically significant differences existed in the 10-s GRT results of the same-sided hands between two groups (P＜0.05). Hand functions were deteriorated to various degrees in patients with CSM. Conclusion With the fi rst ever adoption of the data glove technology, MFS had demonstrated its highintegration, noninvasive, quantitative, reliable and easy-to-operate features in quantitative analysis of myelopathy-hand functions.

cervical spondylotic myelopathy; hand dysfunction; data glove; function assessment; quantitation evaluation; grip and release tests

R681.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.007

1674-1633(2015)05-0024-04

2015-02-11

2015-03-03

長(zhǎng)海醫(yī)院1255計(jì)劃基金（CH125520900）；上海市新百人計(jì)劃項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目（XBR 2013099）。

沈洪興，副主任醫(yī)師，專業(yè)方向：脊柱外科、頸椎傷病。

通訊作者郵箱：shenhxgk@126.com