吳騰飛 吳曉明 胡丹 王秋根 汪方

·綜述·

基于光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析研究進(jìn)展

吳騰飛1吳曉明2胡丹1王秋根2汪方2

肩關(guān)節(jié)；運(yùn)動學(xué)；光學(xué)；運(yùn)動捕捉

肩部的各種創(chuàng)傷和疾病在不同程度上影響著肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動性能，動態(tài)測量活體肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)對于更好地理解肩關(guān)節(jié)病理學(xué)及運(yùn)動損傷至關(guān)重要。由于肩部復(fù)雜的解剖以及較大的活動范圍，使其存在挑戰(zhàn)。既往基于靜態(tài)和動態(tài)的肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)測量技術(shù)，無法真實(shí)呈現(xiàn)運(yùn)動過程中肩部各組織結(jié)構(gòu)的分工協(xié)作關(guān)系，使得肩部的運(yùn)動學(xué)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于臨床需求。近年來，光學(xué)跟蹤運(yùn)動捕捉設(shè)計(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，成為活體肩部運(yùn)動學(xué)研究的有力工具，本文特此對該領(lǐng)域國內(nèi)外文獻(xiàn)作一綜述。

運(yùn)動捕捉也稱動作捕捉，定義為一個通過在時域上跟蹤一些關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動來記錄生物運(yùn)動，然后將其轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)學(xué)表達(dá)并合成一個單獨(dú)的3D運(yùn)動的過程。光學(xué)式運(yùn)動捕捉是根據(jù)工作原理來對其進(jìn)行劃分的一種類別，系統(tǒng)主要組成包括標(biāo)記點(diǎn)、攝像機(jī)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。人體的動作可以看成是人體各個關(guān)節(jié)點(diǎn)的動作，在運(yùn)動捕捉系統(tǒng)中，一般把人體看成是由13～19個關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的簡單模型。進(jìn)行運(yùn)動捕捉時，首先要在人體的各個關(guān)節(jié)點(diǎn)上粘貼固定一個特殊的反光材料，稱為標(biāo)記點(diǎn)。這些反光材料可以被特殊的攝像機(jī)所追蹤。通過運(yùn)動捕捉系統(tǒng)將標(biāo)記點(diǎn)的軌跡與關(guān)節(jié)運(yùn)動相關(guān)聯(lián)。利用兩臺或兩臺以上的攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時視頻捕捉，從各個攝像機(jī)得到的序列圖片中可以得到每一幀中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動情況。因此可以得到一個特定的點(diǎn)隨著時間變化的連續(xù)運(yùn)動軌跡，然后通過三維重建技術(shù)將這些點(diǎn)的運(yùn)動軌跡還原為骨架模型的動作。

一、光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)用于人體肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析的優(yōu)點(diǎn)

肩關(guān)節(jié)是人體解剖和功能最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)，動態(tài)測量活體肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)對于更好的理解肩關(guān)節(jié)病理學(xué)及運(yùn)動損傷至關(guān)重要。然而，肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動無法用標(biāo)準(zhǔn)的MRI或者CT檢查來探究，因?yàn)檫@些方法都受限于靜態(tài)測量并且可能因此而遺漏一些特異性的動態(tài)運(yùn)動[1]。基于X線測量的方法對于肩關(guān)節(jié)動態(tài)分析提供了足夠的精確度，Zhu等[2]用2D-3D圖像-模型自動配準(zhǔn)技術(shù)在尸體模型上驗(yàn)證單平面和雙平面熒光成像檢查法用于肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)測量的精度，數(shù)據(jù)表明使用雙平面成像法肱骨和肩胛骨在空間位置精度上位移誤差<0.3mm，旋轉(zhuǎn)誤差<0.58°，但這種方法有電離輻射。而運(yùn)動捕捉系統(tǒng)使用皮膚表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)為動態(tài)運(yùn)動過程中無創(chuàng)地確定肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)提供了很好的解決方案[3-4]。

目前的成像技術(shù)對于肩部運(yùn)動僅能做出靜態(tài)解釋(例如CT、MRI檢查)，然而動態(tài)成像技術(shù)(例如MRI、X線透視檢查)卻受到技術(shù)的限制(例如測量區(qū)域的限制、低速記錄)[5]。運(yùn)動捕捉系統(tǒng)通過在皮膚表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)可以在高速運(yùn)動過程中無創(chuàng)地記錄大范圍的活動度。

在動態(tài)測量中，高精度的測量盂肱位移是非常具有挑戰(zhàn)的。盂肱位移常常由MRI[6]、X線[7]檢查測量。圖像對于骨的位置提供了精確的測量[2]，但是不適合記錄快動作并受限于獲得圖像的容積大小。由于X線的射線因素，實(shí)驗(yàn)獲得的運(yùn)動數(shù)量也有限。然而，運(yùn)動捕捉系統(tǒng)通過皮膚表面放置標(biāo)記點(diǎn)，在采樣率及空間上并無限制。

二、皮膚軟組織偽影(soft-tissueartefacts，STA)對光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的影響

人體運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)研究通常是采用立體攝影測量術(shù)或者在骨性標(biāo)志皮膚上放置標(biāo)記點(diǎn)的方法。當(dāng)研究骨骼運(yùn)動學(xué)時，主要的誤差來源于皮膚標(biāo)記點(diǎn)與其下方骨骼的位移，稱為STA，這是由于肌肉收縮和皮膚滑移所致[1, 8-10]。

很多學(xué)者嘗試減少STA引起的誤差，通常采用一些有創(chuàng)的方法，如骨皮質(zhì)內(nèi)植入固定反光標(biāo)記點(diǎn)的鋼針[9, 11]。這種方法精度很高，被認(rèn)為是“金標(biāo)準(zhǔn)”[12]。DalMaso等[9]在4例活體受試者肩胛骨和肱骨骨皮質(zhì)內(nèi)植入帶有反光標(biāo)記點(diǎn)的鋼針，運(yùn)用線性回歸計(jì)算盂肱關(guān)節(jié)位移和旋轉(zhuǎn)，結(jié)果得出該方法測量盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)(位移值和旋轉(zhuǎn)角度)的誤差分別低于0.15mm和0.2°。盂肱位移一直是有爭議的話題，因?yàn)橛垭盼灰剖腔谄つw標(biāo)記點(diǎn)的電磁或光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的精度下得出的幾毫米的范圍?；诠鈱W(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)下的鋼針植入法為盂肱關(guān)節(jié)位移提供了高精度的線性位移，這比雙平面的熒光成像檢查法更為精確[13]，然而這種方法卻是有創(chuàng)操作，在臨床實(shí)踐中并不切實(shí)可行[11, 14]。Matsuki等[15]用X線透視檢查的方法，使用2D-3D圖像配準(zhǔn)的技術(shù)，將基于MRI的三維圖像投射并迭代地配準(zhǔn)到2DX線圖像中，測量肩胛骨平面下手臂外展時肱骨相對于肩胛骨的上/下位移值和外旋角度，肱骨由初始位置到手臂上舉至105°時上方平均位移值是2.1mm，下方位移值是0.9mm；肱骨由初始位置至上舉到60°時平均外旋14°，上舉至最高點(diǎn)的過程中平均外旋9°。單平面X線透視檢查法測量精度較差，Zhu等[2]的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)雙平面誤差較小，但是受試者需要2次暴露于放射性環(huán)境，且臨床設(shè)備稀少，因此也并不適用。

肩胛骨運(yùn)動是上肢上舉的主要組成部分，肩胛骨的位置是作為一個主動適配肱骨運(yùn)動的基礎(chǔ)。由于肩胛骨寬大、扁平，大量軟組織覆蓋以及其表面大量皮膚的運(yùn)動，因此固定于皮膚的反光標(biāo)記點(diǎn)并沒有充分跟蹤肩胛骨運(yùn)動，所以在運(yùn)動捕捉系統(tǒng)中，動態(tài)地跟蹤肩胛骨運(yùn)動是很困難的。目前，已經(jīng)有很多方法可以精確記錄肩胛骨運(yùn)動，不過很多精度高卻有創(chuàng)的方法不適合臨床診斷或者評估研究。也有學(xué)者嘗試許多無創(chuàng)的方法：(1)肩胛骨定位裝置(scapulalocator，SL)：SL通過一個剛體假設(shè)為肩胛骨來收集數(shù)據(jù)，用配有三個固定點(diǎn)的固定裝置同時記錄肩胛骨的骨性標(biāo)志點(diǎn)。目前，測量肩胛骨運(yùn)動最為精確的無創(chuàng)方法就是SL方法[16]。由于缺乏一個適當(dāng)?shù)臏y量肩胛骨運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，SL被國際肩關(guān)節(jié)組織譽(yù)為“銀標(biāo)準(zhǔn)”[17]。然而，這種定位裝置用來靜態(tài)地捕捉肩胛骨方位或者低速/中速跟蹤其運(yùn)動，且由于受試者肩胛骨位置受到本體感受器的反饋調(diào)節(jié)，因此SL不適合在臨床測試使用[14]，且不同的檢查者也可能造成不準(zhǔn)確測量。(2)肩峰標(biāo)記群(acromionmarkercluster，AMC)：這一裝置可以很簡便地貼在肩峰并且可以用來測量肩胛骨動態(tài)運(yùn)動，因此可以提供整個運(yùn)動的連續(xù)數(shù)據(jù)，使其可以綜合評價肩胛骨運(yùn)動學(xué)。雖然AMC受到皮膚運(yùn)動偽影較肩胛骨其他部位最少，但是肩峰上方皮膚滑移的影響仍然是誤差的來源。不過這一裝置在手臂上舉位置較高時精度差，特別是在手臂上舉超過90°時，三角肌收縮導(dǎo)致軟組織變形；另一個因素就是皮膚相對骨的位移，這些導(dǎo)致AMC與肩峰接觸缺失，而皮膚和肌肉限制了AMC的運(yùn)動但是肩胛骨卻是隨著手臂上舉持續(xù)運(yùn)動，所以會低估肩胛骨運(yùn)動。有文獻(xiàn)報道在一組功能性動作中肱骨上舉最大高度大約100°。vanAndel等[11]用AMC記錄肩胛骨運(yùn)動并用SL做驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最大差異角度8.4°是在手臂前屈至120°時的極限位置。Warner等[14]眾多學(xué)者在不同實(shí)驗(yàn)中一致認(rèn)為，在手臂上舉高達(dá)120°時有效，但超過120°以上的手臂上舉時肩胛骨運(yùn)動測量誤差增大[12, 18]。而且，AMC對于放置在肩峰的部位敏感，Shaheen等[16]報道AMC放置在肩峰前緣時誤差最大，而放置在肩峰和肩胛嵴交匯處時受軟組織形變影響最小，誤差也最小，因此是放置AMC的最佳位置。(3)大量標(biāo)記點(diǎn)跟蹤法：通過在肩胛背部皮膚貼大量標(biāo)記點(diǎn)覆蓋肩胛骨，追蹤皮膚形變，推測肩胛骨運(yùn)動，該方法適用于有明顯突出肩胛骨的人群，比如臂叢神經(jīng)麻痹患者[19]。

三、肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系及運(yùn)動

目前運(yùn)動捕捉系統(tǒng)技術(shù)還沒有用來研究肩關(guān)節(jié)運(yùn)動的位移值，這對評估肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)以及理解許多與運(yùn)動相關(guān)的疾病(比如肩關(guān)節(jié)撞擊)來說是很重要的。造成這一方面的不足有兩個原因：一是目前運(yùn)用這一技術(shù)的研究或者是關(guān)注單一肩關(guān)節(jié)骨塊(肩胛骨)的分析，或者是關(guān)注肱骨相對胸廓的運(yùn)動而不是對于其最接近的骨組織。但是，在評估肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)中，考慮每一塊骨組織的作用以及考慮到經(jīng)由鎖骨和肩胛骨的從胸廓到肱骨的肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的運(yùn)動鏈都是很重要的，因?yàn)檫@可以降低整體的STA帶來的誤差。另外一方面就是整合患者的解剖學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的能力：如果患者的解剖(3D模型)可以融合到運(yùn)動學(xué)模型中，患者實(shí)際的肩關(guān)節(jié)的真實(shí)骨軸線和旋轉(zhuǎn)中心就可以被使用。此外，這樣的數(shù)據(jù)融合可以使患者的解剖在運(yùn)動中直接評估[1]。

肩關(guān)節(jié)是人體活動度最大的關(guān)節(jié)，這樣大的活動度并非只有位移的三維運(yùn)動學(xué)分析。肩關(guān)節(jié)是四個部分(胸廓、肩胛骨、鎖骨和肱骨)的微妙的相互作用。對于肩關(guān)節(jié)，有兩種類型旋轉(zhuǎn)。一種是關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，即一個部分相對于其近端部分的旋轉(zhuǎn)，比如鎖骨相對于胸廓的旋轉(zhuǎn)(胸鎖關(guān)節(jié))，肩胛骨相對于鎖骨的旋轉(zhuǎn)(肩鎖關(guān)節(jié))，肱骨相對于肩胛骨的旋轉(zhuǎn)(盂肱關(guān)節(jié))；另外一種旋轉(zhuǎn)是骨的旋轉(zhuǎn)，及鎖骨、肩胛骨和肱骨相對于胸廓的旋轉(zhuǎn)(胸廓肱骨關(guān)節(jié)并不實(shí)際存在，通常寬松地定義為肩關(guān)節(jié))，而關(guān)節(jié)位移僅僅定義為其相對于近端部分的位移。

四、肩關(guān)節(jié)運(yùn)動三維旋轉(zhuǎn)的描述——?dú)W拉角

肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)通常用歐拉角描述。近端坐標(biāo)系和遠(yuǎn)端部分由于解剖學(xué)方位的引入而相互關(guān)聯(lián)，所以遠(yuǎn)端坐標(biāo)系的描述需要相對于近端坐標(biāo)系而言。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國際生物力學(xué)學(xué)會提出了建議[20]：一系列解剖標(biāo)記點(diǎn)、局部坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以及旋轉(zhuǎn)序列。許多旋轉(zhuǎn)序列都是有可能的，因此需要盡可能選擇角度與臨床定義的關(guān)節(jié)和骨旋轉(zhuǎn)相近的旋轉(zhuǎn)序列。由于臨床定義并非存在于三維空間，所以差異在所難免。比如在二維空間肩關(guān)節(jié)屈曲和外展是明確定義的，屈曲后外展與外展后屈曲的結(jié)果截然不同[20]。

對于肩關(guān)節(jié)，國際生物力學(xué)學(xué)會提出的標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)序列是Yt-Xf-Yh(YXY)。然而Bonnefoy-Mazure等[21]學(xué)者提出爭議，這種序列常常代表關(guān)節(jié)絞鎖方向(gimballocks，GL)，并比較了三種不同的旋轉(zhuǎn)序列，即YXY：國際生物力學(xué)學(xué)會推薦肩關(guān)節(jié)使用的序列，用歐拉角分解的方法；ZXY：符合總體國際生物力學(xué)學(xué)會推薦大部分關(guān)節(jié)可以使用的旋轉(zhuǎn)序列；XZY：Salvia等[22]先前針對肩關(guān)節(jié)使用的序列。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，XZY是唯一一個不受GL影響的分解序列，且對于所有旋轉(zhuǎn)部分都有一致性，認(rèn)為這個分解序列是描述網(wǎng)球發(fā)球時肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)最好的旋轉(zhuǎn)序列。

五、總結(jié)

深入了解肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)可以幫助臨床醫(yī)師更好地理解肩關(guān)節(jié)損傷機(jī)制并且改進(jìn)其治療策略。然而，肩關(guān)節(jié)本身復(fù)雜的解剖關(guān)系以及其內(nèi)在很大的運(yùn)動范圍，很難精確地描述肩關(guān)節(jié)的三維運(yùn)動。基于皮膚表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)的光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)可以用來無創(chuàng)地實(shí)時地動態(tài)地描述肩關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)，用于診斷或者評估等研究。目前這一技術(shù)可以為肩關(guān)節(jié)提供有價值的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)，通過這種外部測量系統(tǒng)可以獲取關(guān)節(jié)的位移值和旋轉(zhuǎn)角度值。這種新穎的技術(shù)為進(jìn)一步理解肩關(guān)節(jié)病理學(xué)開辟新的視野，并且為分析大范圍肩關(guān)節(jié)運(yùn)動尤其在體育運(yùn)動中的運(yùn)動學(xué)分析挖掘新的可能。

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(本文編輯：胡桂英)

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10.3877/cma.j.issn.2095-5790.2016.04.010

215000蘇州市立醫(yī)院北區(qū)骨科1；201600上海市第一人民醫(yī)院南院創(chuàng)傷骨科2

汪方，Email:drwangfang@163.com

2015-12-09)