大鼠眼瞼運動加速度及角加速度的三維動態(tài)定量測量

莊園馮國棟高志強

1中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院耳鼻咽喉科 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院（北京100730）

2北京醫(yī)院耳鼻咽喉科（北京100730）

面癱為臨床常見疾病，面神經(jīng)走行骨管狹窄、曲折，炎癥、外傷、腫瘤等多種顱內(nèi)、外病理因素均可能影響其完整性及功能，引起面神經(jīng)麻痹。面神經(jīng)支配面部表情肌肉運動、淚腺及鼻腔粘膜腺體分泌、味覺等，其中面部表情肌肉的運動最能夠直觀的反映面神經(jīng)功能，但其定量測量困難，目前尚未見有面癱動物面部肌肉運動的動態(tài)客觀測量的方法報道。近年來，得益于計算機技術(shù)的進步，依靠多目視覺技術(shù)的空間運動捕捉及三維定量測量日益完善，該技術(shù)可利用多臺攝像機捕捉空間中運動的標(biāo)記點，重現(xiàn)其運動軌跡，實時三維定量的測量運動各項參數(shù)，已廣泛運用于三維動畫及游戲制作、交通、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)中，已有研究團隊將該技術(shù)運用于步態(tài)分析[1-5]、神經(jīng)行為測量[6-8]、競技運動運動員的姿勢分析[9,10]等，但其評估的多為大關(guān)節(jié)運動。我們利用一套自主研發(fā)的測量系統(tǒng)及方法，可測量面部表情肌肉的細小運動，并已在人體的測量中獲得了較好的結(jié)果[11-13]。

本次實驗將這一測量系統(tǒng)引入更加微小的實驗動物頭面部肌肉運動的測量中，以期建立在三維空間中無創(chuàng)的實時的定量的測量面神經(jīng)功能的新方法，彌補既往測量方案客觀性差、侵入性強、實時性差等局限。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

健康雌性Wistar大鼠54只，購自北京市維通利華實驗動物技術(shù)有限公司，由中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所動物實驗中心飼養(yǎng)，倫理審批編號002488。

1.2 周圍性面癱大鼠建模

體重300±30g，稱重后隨機分入實驗組及對照組，對照組10只，實驗組44只。利用濃度為10%的水合氯醛溶液3-5m l/1kg腹腔注射麻醉，于右側(cè)耳廓的下方做橫行手術(shù)切口，尋找并于面神經(jīng)出莖乳孔處切斷面神經(jīng)主干，麻醉清醒后可見觸須、眼瞼及耳廓運動不對稱，待大鼠耳后手術(shù)切口愈合后，術(shù)后第4周內(nèi)完成測量。

1.3 大鼠頭面部肌肉運動的誘發(fā)及數(shù)據(jù)采集

適當(dāng)束縛大鼠，僅暴露大鼠頭部，使用不褪色顏料標(biāo)記后，黏貼反光的標(biāo)記小球（直徑3mm），以確保每次黏貼標(biāo)記小球的位置與前次測量相同。標(biāo)記點位置如圖1：

圖1 大鼠面部標(biāo)記點（O-鼻尖，A/a-右/左側(cè)內(nèi)眥，B/b-右/左側(cè)上瞼中點，D/d-右/左側(cè)下瞼中點）：左圖為實驗用大鼠面部標(biāo)記點位置，右圖為成像系統(tǒng)采集標(biāo)記點位置數(shù)據(jù)并三維重建后的界面示例。Fig.1 Landmarks on the Rat:O-Apex nasi;A/a-Right/Left inner canthus;B/b-Right/Left upper eyelid midpoint;D/d-Right/Left lower eyelid midpoint.The figure on the left shows the locations of the landmarks on the rats’head.The figure on the right shows the interface after the imaging system acquiresmarkers’position dataand 3D reconstruction.

實驗中，為增加測量穩(wěn)定性，減少誤差，每個大鼠測量時均會給予其角膜三次氣流刺激，誘發(fā)三次眼瞼反射性閉合運動，使用已建立的動態(tài)三維定量測量系統(tǒng)記錄相應(yīng)標(biāo)記點的運動數(shù)據(jù)，之后通過軟件重建每個標(biāo)記點空間運動坐標(biāo)。系統(tǒng)采集的標(biāo)記點的空間分布見圖1。

1.4 數(shù)據(jù)運算與統(tǒng)計方法

通過系統(tǒng)軟件輸出每個標(biāo)記點在每個時間點的空間坐標(biāo)（x,y,z），利用物理公式可計算標(biāo)記點在每個時間點的相互間距離、相對運動速率、角度、角速度、加速度、角加速度等運動參數(shù)。通過MatlabR2015b可編程計算各運動參數(shù)的峰值（最大值）、谷值（最小值）及與靜息狀態(tài)的比例等，再利用SPSS20.0進行統(tǒng)計描述、假設(shè)檢驗。

通過前期的篩選，我們保留了一些具有解剖學(xué)意義的運動評價指標(biāo)，其中，距離、運動速率、角度、角速率等參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果我們在之前的文章中已報道[14]。依據(jù)F=ma的原理，在質(zhì)量保持不變的情況下，作用力與加速度呈正比，在實驗過程中，肌肉的質(zhì)量變化較小，本文通過測量標(biāo)記點運動的加速度、角加速度，驗證其是否能夠更好的反應(yīng)出面癱側(cè)與健側(cè)面神經(jīng)功能的差異。

2 結(jié)果

2.1 兩標(biāo)記點相互運動加速度測量結(jié)果

由圖2可知，上瞼中點相對于下瞼中點運動加速度測量值，對照組個體左側(cè)測量值與右側(cè)測量值曲線基本重合，最大值相近，而實驗組個體右側(cè)（面癱側(cè)）測量值明顯小于左側(cè)測量值。

圖2 上下瞼中點相對運動加速度測量值，藍色為左側(cè)，紅色為右側(cè)，上圖為對照組某個體，下圖為實驗組某個體。Fig.2 acceleration of the upper eyelid midpoint relative to the lower eyelid midpoint.The blue lines mean left while the right lines mean right.The upper figure shows the measured value of a rat from the control group.The lower figure shows that of a rat from the experimental group.

基于F=ma，加速度取最大值時，所需力最大。眼瞼閉合運動加速度最大值的統(tǒng)計結(jié)果如表1、2，圖3、4所示。

（1）上瞼中點相對下瞼中點運動加速度最大值的中值，對照組左側(cè)與右側(cè)無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為0.99（0.96-1.05）；實驗組中值左側(cè)為1694mm/s^2，右側(cè)為452mm/s^2，有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為0.25（0.21-0.30），與對照組比值的分布有明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

（2）上瞼中點相對于內(nèi)眥點運動加速度最大值的中值，對照組左側(cè)與右側(cè)無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為0.99（0.96-1.02）；實驗組左側(cè)為2580mm/s^2，右側(cè)433mm/s^2，有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比例中值為0.17（0.11-0.24），與對照組有明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

（3）下瞼中點相對于內(nèi)眥點運動加速度最大值的中值，對照組左側(cè)與右側(cè)無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為0.99（0.96-1.02）；實驗組左側(cè)為2455mm/s^2，右側(cè)為239mm/s^2，有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為0.10（0.07-0.18），與對照組有明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

（4）右側(cè)上瞼中點相對于左側(cè)上瞼中點運動加速度的最大值，對照組與實驗組無明顯統(tǒng)計學(xué)差異；右側(cè)內(nèi)眥點相對于左側(cè)內(nèi)眥點運動加速度的最大值，對照組與實驗組無明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

圖3 加速度最大值的中值與四分位數(shù)箱圖：左圖為對照組，右圖為實驗組。Fig.3 Median and quartile box diagram of maximum acceleration:left figure is the control group and right figure is the experimental group.

圖4 加速度最大值右/左側(cè)比例的中值及四分位數(shù)箱圖，左圖為對照組，右圖為實驗組。Fig.4 The median and quartile box diagram of the ratio between the right and the left side of maximum acceleration,the left figure is the control group,and the right figure is the experimental group.

2.2 三個標(biāo)記點間所成角運動中的角速度測量指標(biāo)

由圖5可知，內(nèi)眥角在眼瞼閉合過程中，角加速度測量值，對照組個體左側(cè)測量值與右側(cè)測量值曲線基本重合，最大值相近，而實驗組個體右側(cè)（面癱側(cè)）測量值明顯小于左側(cè)測量值。

圖5 內(nèi)眥角角加速度測量值，藍色為健側(cè)，紅色為面癱側(cè)，上圖為對照組某個體，下圖為實驗組某個體。Fig.5 Theangular acceleration of the inner canthus was measured in blue for the healthy side,red for the facial paralysis side.The upper figure shows an individual in the control group and the lower figure shows an individual in the experimental group.

表1 加速度最大值的統(tǒng)計結(jié)果Table1 Themaximum of acceleration

表2 加速度最大值右側(cè)/左側(cè)比值的統(tǒng)計結(jié)果Table 2 The ratio of the right side/left side of the maximum acceleration

角加速度最大值的統(tǒng)計結(jié)果（詳見表格3、4，圖6、7）可見：

（1）內(nèi)眥角的角加速度最大值的中值，對照組左側(cè)與右側(cè)無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為1.00（0.97-1.05）；實驗組中值左側(cè)為12532°/s^2，右側(cè)為 894°mm/s^2，有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，右側(cè)/左側(cè)比值的中值為0.07（0..03-0.12），與對照組比值的分布有明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

（2）以鼻尖為頂點，左側(cè)上瞼中點及右側(cè)上瞼中點為邊的角，其角加速度最大值的中值，對照組為5007°/s^2，實驗組為3328°/s^2，有明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

圖6 角加速度最大值的中值及四分位數(shù)箱圖：左圖為對照組，右圖為實驗組。Fig.6 The median and quartile box diagram of the maximum angular acceleration:the left figure is of the control group,and the right figure is of the experimental group.

圖7 角加速度最大值左/右側(cè)比例的中值及四分位數(shù)箱圖，左圖為對照組，右圖為實驗組。Fig.7 The median and quartile box diagram of the left/right ratio of the maximum angular acceleration.The left figure is of the control group,and the right one is of the experimental group.

表3 角加速度最大值的統(tǒng)計結(jié)果Table3 maximum of theangular acceleration

表4 角加速度最大值右側(cè)/左側(cè)比值的統(tǒng)計結(jié)果Table 4 the ratio of the right side to the left side of the maximum angular acceleration

3 討論

面癱是由面神經(jīng)功能障礙引起、臨床主要表現(xiàn)為面部肌肉的隨意運動障礙，是臨床常見疾病，不僅影響患者生理功能，而且對患者社會生活及心理狀態(tài)產(chǎn)生明顯的不利影響。治療的最理想效果，是恢復(fù)面神經(jīng)對于每一塊靶肌肉的精確支配，使面部中線兩側(cè)面肌運動協(xié)調(diào)一致，共同完成復(fù)雜精細的面部表情。

動物實驗是臨床疾病研究的基礎(chǔ)，通過對于既往文獻的簡單統(tǒng)計，在面神經(jīng)相關(guān)實驗研究中大鼠是最常應(yīng)用的模型。評價實驗動物面神經(jīng)功能的方法包括對肌肉及神經(jīng)組織細胞的顯微結(jié)構(gòu)進行分析的形態(tài)學(xué)方法，對于靶肌肉、面神經(jīng)電位進行測量的電生理學(xué)方法，及對于肌肉收縮所引起的運動進行測量的運動行為學(xué)方法。其中，運動行為學(xué)方法通過直接的測量靶肌肉的收縮產(chǎn)生的運動效果，可以最直觀的反應(yīng)靶肌肉及面神經(jīng)的功能狀態(tài)，并可最大限度減少對于實驗動物生理狀態(tài)的干預(yù)，基本無創(chuàng)，可以動態(tài)連續(xù)的觀察，具有特殊的優(yōu)勢。大鼠的面神經(jīng)分布與人類類似，其支配的肌肉收縮可產(chǎn)生觸須運動、眼瞼運動及耳廓運動，其中眼瞼運動與人類相似性較高，運動形式單一、幅度較大，成為面神經(jīng)功能研究的常用對象。

眼瞼運動，即眼裂大小的變化，在動物中主要與上瞼提肌、額盾肌及眼輪匝肌相關(guān)[15,16]，受面神經(jīng)支配。最初對于動物眼瞼運動的評價為“有”或“無”的兩級評價，或?qū)ⅰ坝小崩^續(xù)細分為幾個級別的評價方式[17-19]，該類方法主觀性較強，對細微的變化不夠敏感；客觀的測量方法，按照其測量原理，可分為基于光電學(xué)[20-24]、基于杠桿機械學(xué)原理[25-29]、基于電磁學(xué)[30-35]、基于攝像系統(tǒng)及圖像處理軟件[19,36,37]等幾類。其中前三類方法測量系統(tǒng)均會與眼瞼接觸或需將線圈、發(fā)光二極管等黏貼于眼瞼周圍，干擾實驗動物眼瞼的自然運動，對于光線、動物頭部固定的角度等有較嚴(yán)苛的要求，易受實驗室環(huán)境的影響?；跀z像系統(tǒng)及圖像處理軟件的方法，其標(biāo)記點較小、較輕，對于實驗動物眼瞼的運動干擾小，提高了測量的可重復(fù)性及客觀性，但既往的測量均局限于二維平面水平，對于運動方向與測量平面夾角接近90°的運動測量會產(chǎn)生較大誤差，并且僅能夠處理靜息狀態(tài)及產(chǎn)生最大運動兩個時間點，因此僅能夠計算整個運動過程的平均速度，無法動態(tài)追蹤及記錄運動過程中的數(shù)據(jù)，即不能夠計算速度、加速度等隨時間的動態(tài)變化，丟失了大量的有效信息。

為了彌補二維平面測量及靜態(tài)測量的不足，基于目前日趨成熟的三維成像技術(shù)，我們自主設(shè)計和開發(fā)了一套基于動作捕捉的面肌運動三維定量測量系統(tǒng)，并通過前期的實驗[12]證明其系統(tǒng)誤差小、穩(wěn)定性好，已成功用于人面部標(biāo)記點的運動速度、距離、加速度、角度、角加速度等動態(tài)指標(biāo)的測量，評價生理性面容不對稱性[38]、男女性別差異[38]、口眼部標(biāo)記點的相關(guān)聯(lián)運動及年齡差異[11,13,39]、面部三維測量指標(biāo)與傳統(tǒng)面癱評價系統(tǒng)相關(guān)性[12]等。本次實驗我們在三維空間中定量測量了大鼠面部運動的相關(guān)指標(biāo)的動態(tài)變化[14]。并依據(jù)F=ma，重點報道了加速度、角加速度這兩個與力的大小呈正比的運動指標(biāo)的測量值及其動態(tài)變化規(guī)律。

眼瞼運動中，最為直觀的即為瞼裂大小的變化，既往文獻中也多以瞼裂間距離及內(nèi)眥角作為評價指標(biāo)，通過本次實驗，我們獲取了距離、速度、加速度、角加速度等隨時間變化的動態(tài)測量值，其中上下瞼中點間距離在瞬目反射中變化最大（最小值為4.22-7.67mm），運動的最大速度最快（27.7-113.5mm/s），但運動加速度的最大值（1361-2313mm/s^2）小于上瞼中點相對于內(nèi)眥點運動加速度（1978-3431mm/s^2）和下瞼中點相對于內(nèi)眥點運動加速度（2166-2957mm/s^2）。既往文獻中未有對于實驗動物眼瞼運動加速度的動態(tài)測量值的報道，結(jié)合標(biāo)記點的位置及肌肉的分布，我們推測可能是由于內(nèi)眥點與上瞼中點、內(nèi)眥點與下瞼中點均分布于肌肉束收縮方向上，隨著神經(jīng)信號的傳入，肌肉收縮可引起較大的瞬時加速度；而上下瞼之間運動為眼輪匝肌環(huán)形收縮引起，其方向垂直于肌肉束收縮方向，故而產(chǎn)生的瞬時加速度小。內(nèi)眥角角度最小值為32.6-66.4°，角速度165-555°/s，角加速度為11362-17188°/s^2。

面癱除單側(cè)外，也有少數(shù)患者為雙側(cè)面癱，我們保留了幾個雙側(cè)測量的指標(biāo)。其中，兩側(cè)上瞼中點間運動加速度對照組為2154-2893mm/s^2，實驗組為2169-2780mm/s^2，無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，但其距離及速率變化均有統(tǒng)計學(xué)差異；以鼻尖為頂點、兩側(cè)上瞼中點為邊的角，其角加速度對照組為4487-5268°/s^2，實驗組為 2615-4240°/s^2，該角的角度、角速度變化均有統(tǒng)計學(xué)差異。既往文獻中未有對于雙側(cè)測量指標(biāo)的報道。

通過測量，實驗動物面癱側(cè)標(biāo)記點并非完全靜止不動，上下瞼間距離變化、最大加速度在實驗組約為對照組1/4，其他標(biāo)記點也均能夠測量到不同程度的運動。部分文獻報道在嚙齒類動物中，尚有受展神經(jīng)支配的眼球縮肌在瞬目反射中收縮，引起眼球回縮回眶內(nèi)，也稱瞬膜反射[14,21]。在面神經(jīng)功能受損時，眼球回縮時可引起上眼瞼因重力因素下垂，產(chǎn)生瞼裂大小變化。同時，由于標(biāo)記點黏貼于動物皮膚表面，頭面部皮膚具有彈性及整體性，標(biāo)記點運動在受到其下分布的面肌收縮影響的同時，也會受到周圍皮膚運動的一定影響，健側(cè)肌肉的運動引起皮膚運動，可能會有小部分傳導(dǎo)至患側(cè)，引起部分標(biāo)記點的運動。

本次實驗中，我們完整采集了大鼠面部與眼瞼運動相關(guān)的所有標(biāo)記點在三維空間中的動態(tài)運動，實現(xiàn)了對多個運動參數(shù)的定量測量，納入的測量指標(biāo)均在面癱側(cè)與健側(cè)、或?qū)嶒灲M與對照組間有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，并首次測量了標(biāo)記點運動的加速度、角加速度的動態(tài)變化，為面神經(jīng)相關(guān)動物實驗中定量動態(tài)評價面神經(jīng)功能提供了更多的信息，使測量和評價更加客觀準(zhǔn)確。

本次實驗納入的個體有限，面癱建模時均完全橫斷面神經(jīng)主干，可在后期的實驗中補充納入可逆性面癱模型，驗證本測量系統(tǒng)是否可區(qū)別面癱模型動物面神經(jīng)損傷和修復(fù)過程，以進一步適用于面神經(jīng)相關(guān)生理、病理等的實驗研究。同時本次測量所用軟件仍為針對人體測量設(shè)計的軟件，在實驗動物的測量中所使用標(biāo)記點個數(shù)、位置等不同，可設(shè)計并新增實驗動物用模塊，以簡化后期數(shù)據(jù)處理步驟。使本系統(tǒng)和測量方法可更好的應(yīng)用于面神經(jīng)損傷、修復(fù)相關(guān)動物實驗中，定量、動態(tài)、客觀的評估面神經(jīng)的功能變化。

致謝

本次實驗特別感謝劉國棟、趙峙堯在編程及數(shù)據(jù)處理方面給與的幫助和指導(dǎo)。