橈腕關(guān)節(jié)的在體 MRI 三維運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

楊勇 陳山林 李忠哲 田文 白榮杰 錢占華 田光磊

作者單位：100035 北京積水潭醫(yī)院手外科 （楊勇、陳山林、李忠哲、田文、田光磊），放射科 （白榮杰、錢占華）

.上肢外科 Upper limbs surgery.

橈腕關(guān)節(jié)的在體 MRI 三維運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

楊勇 陳山林 李忠哲 田文 白榮杰 錢占華 田光磊

作者單位：100035 北京積水潭醫(yī)院手外科 （楊勇、陳山林、李忠哲、田文、田光磊），放射科 （白榮杰、錢占華）

目的 通過 MRI 技術(shù)探討橈腕關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的在體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律。方法 健康志愿者 12 名，行右腕投擲平面 （橈背伸 25°、50°，掌尺屈 10°、20°）、屈伸平面 （屈曲 0°、25°、50°、75°，背伸 20°、40°、60°） 和橈尺偏 （橈偏 10°、20°，尺偏 20°、40°） 平面運(yùn)動(dòng)模式下共 15 個(gè)體位的 MRI 檢查。MRI圖像數(shù)據(jù)輸入自行研發(fā)的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)測量平臺(tái)軟件，分析舟骨、月骨和三角骨分別相對(duì)于橈骨在橫斷面、矢狀面和冠狀面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果 在投擲平面運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從背伸橈偏位向掌屈尺偏位運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨、三角骨相對(duì)于橈骨的旋后分別為 11°、11°、19°，掌屈 21°、-2°、6°，橈偏 3°、3°、11°。在屈伸平面運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從背伸位向掌屈位運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨、三角骨相對(duì)于橈骨的旋后分別為 9°、7°、9°，掌屈 44°、-4°、11°，橈偏 7°、22°、25°。在橈尺偏平面運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從橈偏向尺偏運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨、三角骨相對(duì)于橈骨的旋后分別為 8°、15°、20°，掌屈 -9°、6°、2°，尺偏 8°、14°、6°。結(jié)論橈腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是在空間中的三維復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以矢狀面的運(yùn)動(dòng)最為顯著。舟骨在矢狀面上運(yùn)動(dòng)幅度明顯大于月骨和三角骨，近排腕骨間存在顯著的適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)。

腕關(guān)節(jié)；磁共振成像；成像，三維；關(guān)節(jié)；運(yùn)動(dòng)

腕關(guān)節(jié)構(gòu)成復(fù)雜，廣義的腕關(guān)節(jié)包括橈腕關(guān)節(jié)、腕中關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)，橈尺遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)。由于腕骨體積小、數(shù)量多，形狀多不規(guī)則，因此腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究相對(duì)復(fù)雜且難度較大。最早的涉及腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的文獻(xiàn)出現(xiàn)于 19 世紀(jì)末期［1］，之后對(duì)腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了多種理論，包括排狀理論、柱狀理論、環(huán)狀理論及復(fù)合運(yùn)動(dòng)理論等［2-7］。

隨著近年來三維成像技術(shù)在腕關(guān)節(jié)研究中的應(yīng)用，學(xué)者們能夠更深入地探究腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最新的研究表明，腕關(guān)節(jié)在不同的運(yùn)動(dòng)模式下，各腕骨在空間中呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)［8-12］。但目前的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究存在樣本量小、檢測體位少、測量結(jié)果表述方式不統(tǒng)一等問題，尚不能全面系統(tǒng)地闡明不同運(yùn)動(dòng)模式下的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特征。

橈腕關(guān)節(jié)是指近排腕骨和橈、尺骨遠(yuǎn)端構(gòu)成的關(guān)節(jié)，是腕關(guān)節(jié)的重要組成部分，其解剖形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與腕中關(guān)節(jié)存在明顯的差異［10-12］。明確橈腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的特點(diǎn)對(duì)腕關(guān)節(jié)疾病的診斷、手術(shù)設(shè)計(jì)以及相關(guān)的基礎(chǔ)研究具有重要的意義。盡管在骨與關(guān)節(jié)成像方面 CT 掃描優(yōu)于 MRI 技術(shù)，但 MRI 檢查無放射線損傷，更適于大樣本、多體位的在體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。

目前國外利用 MRI 技術(shù)進(jìn)行橈腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究還不多見，國內(nèi)尚未見相關(guān)報(bào)道。本研究擬通過 MRI 技術(shù)，在建立腕骨骨性標(biāo)記點(diǎn)系統(tǒng)和腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)測量平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)健康志愿者橈腕關(guān)節(jié)的影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，從而闡明橈腕關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和特點(diǎn)。掌握橈腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律，有助于通過影像學(xué)檢查對(duì)腕關(guān)節(jié)不穩(wěn)定進(jìn)行無創(chuàng)和準(zhǔn)確的診斷；為設(shè)計(jì)合理的腕關(guān)節(jié)術(shù)式提供理論依據(jù)；避免影響手術(shù)療效的運(yùn)動(dòng)方式，提高腕關(guān)節(jié)術(shù)后的康復(fù)效果。

資料與方法

一、一般資料

健康志愿者招募標(biāo)準(zhǔn)：年齡 20～30 歲，既往體健，無腕關(guān)節(jié)外傷及腕關(guān)節(jié)疼痛病史；體格檢查腕關(guān)節(jié)活動(dòng)度正常，腕部無壓痛點(diǎn)；X 線檢查排除腕部疾患。本研究共招募志愿者 12 名，男 7 名，女5 名；年齡 20～24 歲，平均 21 歲。于右腕投擲平面 （dart throwing motion，DTM）、屈伸平面（extension-flexion motion，EFM） 和橈尺偏平面（radioulnar deviation，RUD） 3 種運(yùn)動(dòng)模式下共 15 個(gè)體位行 MRI 檢查。獲得的圖像數(shù)據(jù)輸入自行研發(fā)的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)測量平臺(tái)軟件 （清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系研制）。對(duì)舟骨、月骨和三角骨相對(duì)于橈骨在橫斷面、矢狀面和冠狀面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。

二、測量方法

常規(guī) MRI 檢查：采用 Philips Achirva 3.0T 超導(dǎo)MRI 掃描儀，柔線圈 （SENSE-FLEX-M） 掃描。志愿者取俯臥位，被檢側(cè)手臂前伸置于頭側(cè)。將線圈包繞受檢部位，使用綁帶及沙袋固定。

腕關(guān)節(jié)成像參數(shù)如下。掃描序列：質(zhì)子壓脂三維成像 （PDW VISTA：TR 1300 ms，TE 40 ms；體素：掃描體素 0.6 / 0.6 / 0.6 mm，重建體素 0.39 / 0.39 / 0.39 mm）；掃描矩陣 216×215。

均選取右側(cè)腕關(guān)節(jié)行 MRI 檢查。制作 15 個(gè)體位的前臂支具固定腕關(guān)節(jié)，分別固定腕關(guān)節(jié)于中立位、EFM （屈曲 25°、50°、75°，背伸 20°、40°、60°）、RUD （橈偏 10°、20°，尺偏 20°、40°），及DTM （橈背伸 25°、50°，掌尺屈 10°、20°） 15 個(gè)體位。

三、腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)測量平臺(tái)

編程建立腕骨運(yùn)動(dòng)學(xué)測量平臺(tái)。在該平臺(tái)中，建立以橈骨遠(yuǎn)端為基準(zhǔn)的全局坐標(biāo)系，作為整體運(yùn)動(dòng)的參考，測量近排腕骨在該坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)情況。坐標(biāo)系的 3 條軸線分別為：X 軸，經(jīng)過橈骨干中心的橈骨長軸，向近端方向；Y 軸，從原點(diǎn)向橈骨莖突方向，并與 X 軸垂直；Z 軸，從原點(diǎn)向掌側(cè)方向，并與 X 軸和 Y 軸垂直；原點(diǎn)定義為 X 軸與橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面的交點(diǎn)。分別在橈骨遠(yuǎn)端、舟骨、月骨和三角骨選取 3 處骨性標(biāo)記點(diǎn)和原點(diǎn) （圖1～4，表1），利用骨性標(biāo)記點(diǎn)確定腕骨在空間中的位置。

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用 SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件包 （Chicago，IL，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。所有計(jì)量資料均行方差齊性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)。由于舟骨、月骨和三角骨相對(duì)于橈骨旋轉(zhuǎn)各組間的數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)用 M （P25，P75） 表示。各組間比較均采用非參數(shù)檢驗(yàn)Kruskal-Wallis H 檢驗(yàn)，以 P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)　果

一、舟骨、月骨和三角骨相對(duì)于橈骨遠(yuǎn)端的運(yùn)動(dòng)

在 DTM 運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從背伸橈偏位向掌屈尺偏位運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨和三角骨相對(duì)于橈骨的運(yùn)動(dòng)為旋后、掌屈和橈偏。矢狀面和橫斷面的旋轉(zhuǎn)幅度大，其中舟骨在矢狀面的掌屈幅度大于月骨和三角骨。在 EFM 運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從背伸位向掌屈位運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨和三角骨相對(duì)于橈骨的運(yùn)動(dòng)為旋后、掌屈和橈偏。矢狀面和冠狀面的旋轉(zhuǎn)幅度大，舟骨的掌屈幅度顯著大于月骨和三角骨。在 RUD 運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從橈偏向尺偏運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨和三角骨選對(duì)于橈骨旋后和尺偏。在矢狀面上舟骨背伸，月骨和三角骨掌屈 （表2）。

二、近排腕骨間的適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)

近排腕骨間的適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)在舟骨和月骨之間。舟骨和月骨在DTM、EFM 和 RUD 運(yùn)動(dòng)模式中旋轉(zhuǎn)幅度的差異分別為橫斷面 0°、2°、7°；矢狀面 23°、48°、15°；冠狀面 0°、15°、6°。兩者間在EFM 運(yùn)動(dòng)模式中的矢狀面上相對(duì)運(yùn)動(dòng)差異最顯著，為 48°。而月骨和三角骨間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在不同的運(yùn)動(dòng)模式下旋轉(zhuǎn)幅度差異均＜10° （表2）。

討　論

理想的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究技術(shù)應(yīng)當(dāng)滿足以下 3 個(gè)條件：體內(nèi)測量、無標(biāo)記物及三維成像［13-15］。近十幾年來，CT 和 MRI 三維成像技術(shù)開始應(yīng)用于腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究［9-11］。盡管 CT 對(duì)骨關(guān)節(jié)的成像效果更好［16］，但受試者會(huì)受到射線輻射，因此不適合進(jìn)行大樣量、多體位、多種運(yùn)動(dòng)模式的研究。MRI 成像原理不同，是一種無創(chuàng)的影像學(xué)檢查方法，對(duì)軟組織有良好的分辨率，能夠精確顯示手部及腕部精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)信息［17-18］，更適合進(jìn)行大樣本的重復(fù)研究。

目前利用影像學(xué)三維重建技術(shù)獲取腕骨精確位置的方法有兩種：腕骨表面重建法［8-12］和腕骨骨性標(biāo)記點(diǎn)法［19］。表面重建法是利用 CT 或 MRI 采集的圖像信息進(jìn)行腕骨表面輪廓重建，并根據(jù)腕骨表面輪廓規(guī)定質(zhì)心和慣量主軸，從而進(jìn)行相關(guān)的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究［11，13］。MRI 的腕骨成像效果不及 CT，圖像分割時(shí)容易丟失數(shù)據(jù)信息，因此 MRI 的測量結(jié)果不適合進(jìn)行表面重建法。骨性標(biāo)記點(diǎn)法只需在三維圖像上找到規(guī)定剛體的數(shù)個(gè)恒定標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)而確定剛體的空間位置。腕骨作為剛體，形狀不規(guī)則，因而容易找到恒定的骨性標(biāo)記點(diǎn)。本研究分別在橈骨遠(yuǎn)端、舟骨、月骨和三角骨上規(guī)定了 3 個(gè)骨性標(biāo)記點(diǎn)，并在 MRI 圖像的橫斷面、矢狀面和冠狀面圖像上找到相應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)，通過這 3 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)確定腕骨在三維空間中的位置，進(jìn)而通過自行研發(fā)的腕關(guān)節(jié)測量平臺(tái)對(duì)腕骨的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

橈腕關(guān)節(jié)是近排腕骨與橈、尺骨遠(yuǎn)端所構(gòu)成的關(guān)節(jié)，其解剖學(xué)形態(tài)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)與腕中關(guān)節(jié)不同。近年來的研究表明，橈腕關(guān)節(jié)和腕中關(guān)節(jié)在不同的運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在顯著差異。腕中關(guān)節(jié)在投擲平面和橈尺偏運(yùn)動(dòng)時(shí)活動(dòng)幅度較大，而橈腕關(guān)節(jié)在屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)活動(dòng)幅度較大［11，20-22］。

本研究結(jié)果表明，橈腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是在空間中的三維復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以矢狀面的運(yùn)動(dòng)最為顯著。在投擲平面運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從背伸橈偏位向掌屈尺偏位運(yùn)動(dòng)時(shí)舟骨、月骨、三角骨相對(duì)于橈骨的旋后分別為 11°、11°、19°，掌屈 21°、-2°、6°，橈偏3°、3°、11°。在屈伸平面運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從背伸位向掌屈位運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨、三角骨相對(duì)于橈骨的旋后分別為 9°、7°、9°，掌屈 44°、-4°、11°，橈偏 7°、22°、25°。在橈尺偏平面運(yùn)動(dòng)模式中，當(dāng)腕關(guān)節(jié)從橈偏向尺偏運(yùn)動(dòng)時(shí)，舟骨、月骨、三角骨相對(duì)于橈骨的旋后分別為 8°、15°、20°，掌屈 -9°、6°、2°，尺偏 8°、14°、6°。

此外，本研究結(jié)果還顯示舟骨、月骨和三角骨的運(yùn)動(dòng)并非完全同步，三者間存在適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)。近排腕骨間的適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在舟骨和月骨之間。舟骨與月骨在 DTM、EFM 和 RUD 運(yùn)動(dòng)模式中差異分別為橫斷面 0°、2°、7°；矢狀面 23°、48°、15°；冠狀面 0°、15°、6°。而月骨和三角骨間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在不同的運(yùn)動(dòng)模式下旋轉(zhuǎn)幅度差異均＜10°。由于橈腕和腕中關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在顯著差異，因此，近排腕骨間的適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)有助于維護(hù)腕關(guān)節(jié)整體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)。

本研究的局限性包括：樣本量少，僅對(duì) 12 名志愿者的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集；對(duì)橈腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)本研究僅測量了腕骨的旋轉(zhuǎn)角度，而未對(duì)腕骨的移位情況進(jìn)行研究。今后的研究擬進(jìn)一步完善腕關(guān)節(jié)測量平臺(tái)的相關(guān)程序設(shè)計(jì)，并增加樣本量，進(jìn)而獲得更為全面的橈腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。

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（本文編輯：李貴存）

In vivo three-dimensional kinematics of the radiocarpal joint

YANG Yong， CHEN Shan-lin， LI Zhong-zhe， TIAN Wen， BAI Rong-jie， QIAN Zhan-hua， TIAN Guang-lei.
Department of Hand Surgery， Beijing Jishuitan Hospital，Beijing， 100035， PRC

ObjectiveTo analyze the in vivo three-dimensional kinematics of the radiocarpal joint and to explore the characteristics and regularity of the radiocarpal joint in different movement patterns. MethodsWe studied the in vivo three-dimensional kinematics of the radiocarpal joint with a markerless bone registration technique. Magnetic resonance images of twelve healthy volunteers’ wrist were acquired during motion patterns of dart throwing motion （DTM）， extension-flexion motion （EFM）， and radioulnar deviation （RUD）. A total of fifteen wrist positions were performed on each volunteer. Image data were input to the software of carpal kinematics measurement platform. The motions of the scaphoid， lunate and triquetrum relative to radius in cross-sectional， sagittal and coronal planes were analyzed. ResultsIn DTM pattern， during the wrist rotated from radial extension to ulnar flexion， the motions of the scaphoid， lunate， and triquetrum relative to radius were supination 11°， 11°， 19°， flexion 21°， -2°， 6°， and radial deviation 3°， 3°， 11°. In EFM， during the wrist rotated from extension to flexion， the motions of the scaphoid， lunate，and triquetrum relative toradius were supination 9°， 7°， 9°， flexion 44°， -4°， 11°， radial deviation 7°， 22°， 25°. In RUD，during the wrist rotated from radial deviation to ulnar deviation， the motions of the scaphoid， lunate， and triquetrum relative toradius were supination 8°， 15°， 20°， flexion -9°， 6°， 2°， ulnar deviation 8°， 14°， 6° respectively. Conclusions Radiocarpal joint motion is a three-dimensional composite movement， which indicates that the range of motion in sagittal plane is the most significant. The scaphoid motion in the sagittal plane is greater than the lunate and triquetrum. Adaptive motion exists between the proximal carpal row.

Wrist joint；Magnetic resonance imaging；Imaging， three-dimensional；Joints；Motion

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.09.006

R445.2

北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃 （2015-03-036）；教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金 （195-02）

2016-04-26）