運(yùn)動(dòng)學(xué)分析技術(shù)及其在肩關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用

方朝毅 皇甫小橋 戚文瀟 趙金忠

隨著生活水平的提高，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷越來越受到重視。肩關(guān)節(jié)因特殊的解剖結(jié)構(gòu)，即較大的關(guān)節(jié)盂和較小的肱骨頭，成為全身活動(dòng)度最大的關(guān)節(jié)。由外傷骨折、肩袖損傷、肩關(guān)節(jié)脫位、凍結(jié)肩等引起的肩關(guān)節(jié)功能障礙可嚴(yán)重影響患者日常生活。

精確分析肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)，有助于改善患者治療效果。然而，目前對(duì)肩關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和松弛度的臨床評(píng)估多通過體檢獲得，較少使用復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)。究其原因，可能在于測(cè)量所得的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)需進(jìn)一步處理，這限制了該技術(shù)在臨床的應(yīng)用。

與下肢步態(tài)分析類似，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析也需要以運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來模擬其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如目前較常用的盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析方法，以肩胛盂作為參照物，分析肱骨頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將肱骨近似看作剛體，其運(yùn)動(dòng)可以用3個(gè)旋轉(zhuǎn)角(章動(dòng)角、旋進(jìn)角、自轉(zhuǎn)角)和3個(gè)方向(互相垂直的X、Y、Z軸)的平移，即6個(gè)自由度來精確描述，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍可達(dá)210°。與脊柱等相比，觀察肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更為容易。但由于肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)其進(jìn)行定量分析描述較困難[1-3]。目前臨床研究中一般采用放射立體測(cè)量分析(RSA)、運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)、圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)等對(duì)肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。本文對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析技術(shù)及其在肩關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用作一綜述。

1 RSA

RSA是一種通過放射線測(cè)量關(guān)節(jié)骨骼空間位置變化的方法。通過對(duì)校準(zhǔn)裝置(參照物)和金屬標(biāo)記球進(jìn)行X線攝片，獲得關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)影像，再利用計(jì)算機(jī)分析標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡變化，推算受試關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4-7]。

RSA的測(cè)量過程通?？煞譃橐韵?個(gè)步驟。①植入金屬標(biāo)記球。由于金屬鉭硬度適中，生物相容性好，X線透射率低，目前常使用鉭球。對(duì)每一單獨(dú)骨骼(如肱骨、肩胛骨)，至少需植入3枚金屬標(biāo)記球，且不能位于同一直線，但通常會(huì)植入5枚或更多，以防止軟組織擠壓或其他原因?qū)е裸g球位置改變。②X線攝片。通常利用2個(gè)相交的X線發(fā)射球管同時(shí)進(jìn)行攝片，在不同位置或時(shí)間分別曝光，得到受試關(guān)節(jié)在不同空間位置的圖像，攝片時(shí)必須保持參照物空間位置固定。③運(yùn)動(dòng)圖像測(cè)量。對(duì)標(biāo)記點(diǎn)(校準(zhǔn)裝置和金屬標(biāo)記球)進(jìn)行選擇和編碼，通過標(biāo)記物與骨骼的相對(duì)關(guān)系，計(jì)算得到受試關(guān)節(jié)的原始精細(xì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。④數(shù)據(jù)分析。依照研究目的不同，對(duì)前述步驟獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，如位移、旋轉(zhuǎn)角等[5,7-8]。

多學(xué)者采用RSA技術(shù)進(jìn)行了不同研究。Lawrence等[9]對(duì)12例正常受試者與10例肩痛患者進(jìn)行RSA，發(fā)現(xiàn)肩痛患者在前屈90°～120°時(shí)，肱骨向前位移比正常受試者增加1.4 mm；在整個(gè)外展運(yùn)動(dòng)中，其肱骨向下位移較正常受試者平均增加1 mm。Miller等[10]對(duì)5例肩袖損傷患者(均為岡上肌損傷)進(jìn)行為期12周的運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療，分別于治療前后進(jìn)行RSA分析，測(cè)量外展過程中盂肱關(guān)節(jié)位移和肩峰下間隙的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)治療后患者盂肱關(guān)節(jié)接觸路徑長(zhǎng)度占肩胛盂高度的百分比由67.2%降低到43.1%，肩峰下間隙最小距離由0.9 mm小幅增加至1.3 mm，美國(guó)肩肘外科協(xié)會(huì)(ASES)評(píng)分有明顯改善。Streit等[11]對(duì)11例接受全肩關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者(平均年齡60.6歲)采用術(shù)中植入鉭珠的處理，并在術(shù)前和術(shù)后3年對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示患者平均ASES評(píng)分從30.3分升至81.3分，平均疼痛視覺模擬評(píng)分(VAS)自8分降至1分，平均主動(dòng)前屈自109°提高到155°，外旋從28°提高到54°，內(nèi)旋從骶骨水平升高到L3水平。Nuttall等[12]將20例植入鉭珠標(biāo)記的肩關(guān)節(jié)表面置換患者分為兩組，即多孔涂層組和多聚羥基磷灰石組，對(duì)其進(jìn)行術(shù)后隨訪研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后2年，多孔涂層組肱骨頭平均位移(1.0±0.7) mm，多聚羥基磷灰石組肱骨頭平均位移(0.8±0.4) mm；兩組患者VAS、ASES評(píng)分均有顯著改善。Ten-Brinke等[13]對(duì)上肢RSA技術(shù)的準(zhǔn)確性和精密度進(jìn)行分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析使用三維坐標(biāo)系，認(rèn)為該技術(shù)應(yīng)用于肩關(guān)節(jié)位移精確度為0.06～0.88 mm，旋轉(zhuǎn)角精確度為0.05°～10.7°。以上可見，RSA是一種具有高精確度的測(cè)量上肢植入物早期位移的技術(shù)，然而對(duì)部分組件旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量的精確度較差。

RSA技術(shù)出現(xiàn)最早，隨著研究深入和技術(shù)的改善，其精確度越來越高，但在肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析領(lǐng)域該技術(shù)仍存在諸多限制。RSA為侵入性技術(shù)，多用于體外標(biāo)本的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在臨床研究中，該技術(shù)主要應(yīng)用于部分手術(shù)患者，一般于手術(shù)同時(shí)植入標(biāo)記物以避免額外的侵入性操作[8,14]。近年來，有學(xué)者[15]開發(fā)出可用于RSA的不透明生物活性玻璃標(biāo)記物，可避免取出標(biāo)記物的二次創(chuàng)傷。

2 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)依靠傳感器發(fā)射信號(hào)，隨后跟蹤記錄部分關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過算法處理模擬實(shí)體運(yùn)動(dòng)軌跡，具有無創(chuàng)、快速和方便等特點(diǎn)。根據(jù)其工作原理可分為4類：機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉、聲學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉和電磁運(yùn)動(dòng)捕捉。目前電磁運(yùn)動(dòng)捕捉和光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在生物力學(xué)研究中應(yīng)用較多[16-18]。

電磁式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、技術(shù)成熟、實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)是對(duì)金屬敏感，易引起電磁場(chǎng)畸變而影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，采樣頻率低[19-21]。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)記點(diǎn)佩戴方便、運(yùn)動(dòng)受限小、采樣頻率高，缺點(diǎn)是成本昂貴、標(biāo)記點(diǎn)易混淆遮擋、皮膚軟組織偽影易產(chǎn)生誤差[17,20,22]。

Ogston等[23]對(duì)26例肩關(guān)節(jié)多向不穩(wěn)患者與26例正常人采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在肩胛骨平面外展時(shí)，肩關(guān)節(jié)多向不穩(wěn)患者肩胛骨上旋明顯減少(8°)，內(nèi)旋明顯增加(12.2°)，而肱骨頭位移變化則無明顯差異。Rundquist等[24]對(duì)健康受試者部分日常動(dòng)作(搓背、梳頭)采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)完成搓背動(dòng)作的平均內(nèi)旋角度為85°±24°，完成梳頭動(dòng)作的平均外展角度為119°±10°。Charbonnier等[25]對(duì)10例職業(yè)網(wǎng)球選手采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)球動(dòng)作時(shí)肩峰內(nèi)撞擊比肩峰下撞擊更常見，模擬運(yùn)動(dòng)過程計(jì)算出的內(nèi)撞擊區(qū)主要位于肩胛盂后上區(qū)域，與網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員常見的肩袖損傷和上盂唇從前到后的損傷(SLAP)有關(guān)。L?dermann等[26]采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)10例網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)愛好者外展動(dòng)作進(jìn)行研究，并結(jié)合其MRI影像對(duì)撞擊類型和頻率進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果MRI圖像顯示5例出現(xiàn)SLAP，6例輕度肩袖損傷；運(yùn)動(dòng)模擬顯示7例撞擊區(qū)位于后上方，3例位于前下方。Maier等[27]對(duì)8例接受半肩關(guān)節(jié)置換術(shù)的盂肱關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析研究，于術(shù)前1 d、術(shù)后6個(gè)月和術(shù)后3年觀察其外展、內(nèi)收、外旋、內(nèi)旋動(dòng)作，結(jié)果顯示患者外展自50.5°增加至72.4°，內(nèi)收自6.2°增加至 66.7°，外旋自15.1°增加至50.9°，內(nèi)旋自-0.6°增加至35.8°。Klotz等[28]對(duì)15例上肢偏癱成年患者與年齡匹配的正常人進(jìn)行日常生活動(dòng)作對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)兩者軀干、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度均有明顯差異，最嚴(yán)重的是肩關(guān)節(jié)外展和屈肘動(dòng)作，患者較正常人分別減少70°和45°。

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用已近半個(gè)世紀(jì)，雖然精確度不及RSA技術(shù)，但因無創(chuàng)、方便、快速的特點(diǎn)，在臨床上適用范圍更廣，尤其在研究正常人運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)時(shí)更易為受試者接受。

3 圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)

圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)通過X線獲取關(guān)節(jié)影像投影，依靠計(jì)算機(jī)在虛擬空間中與三維模型的投影相匹配，從而模擬實(shí)體運(yùn)動(dòng)過程，可分為單平面法和雙平面法。單平面法僅用1臺(tái)設(shè)備進(jìn)行單一角度攝片，配準(zhǔn)結(jié)果平面內(nèi)誤差較小，但離平面誤差較大。雙平面法采用2臺(tái)正交設(shè)備同步攝片，在虛擬三維空間的不同平面同時(shí)配準(zhǔn)，具有較高的精確度[29-31]。

雙平面圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)的測(cè)試過程如下。①定位和校正。通常采用圓盤校正器和方板定位器，校正時(shí)2臺(tái)設(shè)備分別靜態(tài)攝片，定位時(shí)2臺(tái)設(shè)備同時(shí)靜態(tài)攝片，得到的影像用于后續(xù)虛擬空間定位和校正。②X線攝片。受試者在限定區(qū)域內(nèi)完成既定動(dòng)作，2臺(tái)設(shè)備同步記錄動(dòng)態(tài)影像。③建立虛擬空間和三維模型。利用前述定位和校正圖像，在計(jì)算機(jī)軟件建立的虛擬空間中確定唯一的光源發(fā)射點(diǎn)和接收平面，然后利用CT或MRI影像重建三維骨模型，將模型置入限定區(qū)域。④圖像-模型配準(zhǔn)。在2個(gè)正交的接收平面導(dǎo)入動(dòng)態(tài)圖像的某一幀，調(diào)整三維模型在空間的位置和方向，使模型投影與圖像輪廓完全重合，還原真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程中的空間位向，逐幀或間隔一定幀數(shù)完成配準(zhǔn)。⑤數(shù)據(jù)輸出。利用骨模型坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，獲得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)6個(gè)自由度的數(shù)據(jù)[32-35]。

Kim等[36]對(duì)20例初發(fā)型肩關(guān)節(jié)前脫位患者使用雙平面圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將其患側(cè)與健側(cè)進(jìn)行對(duì)比，分別進(jìn)行外展、外旋運(yùn)動(dòng)和“恐懼征”測(cè)試，結(jié)果顯示在上述檢測(cè)中患側(cè)與健側(cè)肱骨頭前后位移和上下位移均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Peltz等[37]對(duì)11例接受關(guān)節(jié)鏡下Bankart修補(bǔ)術(shù)的患者與11位健康者應(yīng)用雙平面圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)與健康者相比，接受手術(shù)患者的術(shù)前盂肱關(guān)節(jié)接觸點(diǎn)(肱骨頭離肩胛盂最近的點(diǎn))更偏前(占盂唇寬度的7.9%，2.1 mm)，而術(shù)后該接觸點(diǎn)更偏后(占盂唇寬度的4.7%，1.1 mm)；術(shù)后接受手術(shù)患者的盂肱關(guān)節(jié)接觸點(diǎn)范圍明顯小于術(shù)前和健康者。Kijima等[38]對(duì)5例有癥狀的肩袖損傷患者、7例無癥狀的肩袖損傷患者和7位健康志愿者應(yīng)用雙平面圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，記錄其外展期間運(yùn)動(dòng)過程，發(fā)現(xiàn)有癥狀的肩袖損傷患者肩胛骨后傾角(3.1°±1.8°)明顯小于健康者(10.4°±0.8°)，外旋角度也明顯小于無癥狀的肩袖損傷患者和健康者；無癥狀的肩袖損傷患者與健康者間則無顯著性差異。Dal-Maso等[39]研究健康者外展和投擲動(dòng)作，結(jié)果表明外展過程中最大上方位移可達(dá)7.5 mm，投擲動(dòng)作中最大上方位移可達(dá)8.6 mm。Baumer等[40]納入25例肩袖損傷患者和25例年齡匹配的健康志愿者，對(duì)其肩關(guān)節(jié)外展、內(nèi)外旋動(dòng)作和肩胛骨后傾角進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示肩袖損傷患者肩關(guān)節(jié)活動(dòng)度和肩胛骨后傾角均明顯小于健康者。

圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)雖出現(xiàn)較晚，但其精確度很高。Shortis等[41]對(duì)雙平面圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)定位和定向誤差進(jìn)行研究，結(jié)果顯示定位誤差為0.01 mm，定向誤差為0.02°。然而，該技術(shù)操作過程復(fù)雜費(fèi)時(shí)，且受試空間范圍狹小，可完成的動(dòng)作類型有限，如只能完成簡(jiǎn)單的內(nèi)收外展、內(nèi)旋外旋等，而日常生活動(dòng)作如梳頭等則無法有效完成。

4 結(jié)語

了解肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)能幫助臨床醫(yī)師更好地進(jìn)行診斷和療效評(píng)估。以上介紹的3項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)研究目的選擇適當(dāng)?shù)姆椒ā４送?，在?shí)際應(yīng)用中可以組合應(yīng)用多種檢測(cè)技術(shù)，以得到更好的結(jié)果。