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)運動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)運動學(xué)狀態(tài),有助于改善患者治療效果。然而,目前對肩關(guān)節(jié)活動范圍和松弛度的臨床評估多通過體檢獲得,較少使用復(fù)雜的運動測量技術(shù)。究其原因,可能在于測量所得的運動學(xué)數(shù)據(jù)需進一步處理,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)運動分析也需要以運動學(xué)模型來模擬其運動狀態(tài)。如目前較常用的盂肱關(guān)節(jié)運動分析方法,以肩胛盂作為參照物,分析肱骨頭相對運動,將肱骨近似看作剛體,其運動可以用3個旋轉(zhuǎn)角(章動角、旋進角、自轉(zhuǎn)角)和3個方向(互相垂直的X、Y、Z軸)的平移,即6個自由度來精確描述,肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍可達210°。與脊柱等相比,觀察肩關(guān)節(jié)運動更為容易。但由于肩關(guān)節(jié)運動的復(fù)雜性,對其進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量分析(RSA)、運動捕捉技術(shù)、圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)等對肩關(guān)節(jié)運動進行分析。本文對運動學(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。
RSA是一種通過放射線測量關(guān)節(jié)骨骼空間位置變化的方法。通過對校準(zhǔn)裝置(參照物)和金屬標(biāo)記球進行X線攝片,獲得關(guān)節(jié)動態(tài)影像,再利用計算機分析標(biāo)記點的運動軌跡變化,推算受試關(guān)節(jié)運動狀態(tài)[4-7]。
RSA的測量過程通??煞譃橐韵?個步驟。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。對每一單獨骨骼(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個相交的X線發(fā)射球管同時進行攝片,在不同位置或時間分別曝光,得到受試關(guān)節(jié)在不同空間位置的圖像,攝片時必須保持參照物空間位置固定。③運動圖像測量。對標(biāo)記點(校準(zhǔn)裝置和金屬標(biāo)記球)進行選擇和編碼,通過標(biāo)記物與骨骼的相對關(guān)系,計算得到受試關(guān)節(jié)的原始精細(xì)運動數(shù)據(jù)。④數(shù)據(jù)分析。依照研究目的不同,對前述步驟獲得的原始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換,得到所需的運動學(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)進行了不同研究。Lawrence等[9]對12例正常受試者與10例肩痛患者進行RSA,發(fā)現(xiàn)肩痛患者在前屈90°~120°時,肱骨向前位移比正常受試者增加1.4 mm;在整個外展運動中,其肱骨向下位移較正常受試者平均增加1 mm。Miller等[10]對5例肩袖損傷患者(均為岡上肌損傷)進行為期12周的運動康復(fù)治療,分別于治療前后進行RSA分析,測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,美國肩肘外科協(xié)會(ASES)評分有明顯改善。Streit等[11]對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年對其進行評估,結(jié)果顯示患者平均ASES評分從30.3分升至81.3分,平均疼痛視覺模擬評分(VAS)自8分降至1分,平均主動前屈自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,對其進行術(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評分均有顯著改善。Ten-Brinke等[13]對上肢RSA技術(shù)的準(zhǔn)確性和精密度進行分析,運動學(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量上肢植入物早期位移的技術(shù),然而對部分組件旋轉(zhuǎn)角度測量的精確度較差。
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)運動分析領(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)本的運動學(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。
運動捕捉技術(shù)依靠傳感器發(fā)射信號,隨后跟蹤記錄部分關(guān)鍵點的運動軌跡,再通過算法處理模擬實體運動軌跡,具有無創(chuàng)、快速和方便等特點。根據(jù)其工作原理可分為4類:機械運動捕捉、光學(xué)運動捕捉、聲學(xué)運動捕捉和電磁運動捕捉。目前電磁運動捕捉和光學(xué)運動捕捉技術(shù)在生物力學(xué)研究中應(yīng)用較多[16-18]。
電磁式動作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點是成本低、技術(shù)成熟、實時性好,缺點是對金屬敏感,易引起電磁場畸變而影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,采樣頻率低[19-21]。光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點是標(biāo)記點佩戴方便、運動受限小、采樣頻率高,缺點是成本昂貴、標(biāo)記點易混淆遮擋、皮膚軟組織偽影易產(chǎn)生誤差[17,20,22]。
Ogston等[23]對26例肩關(guān)節(jié)多向不穩(wěn)患者與26例正常人采用運動捕捉技術(shù)進行對比研究,發(fā)現(xiàn)在肩胛骨平面外展時,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]對健康受試者部分日常動作(搓背、梳頭)采用運動捕捉技術(shù)進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)完成搓背動作的平均內(nèi)旋角度為85°±24°,完成梳頭動作的平均外展角度為119°±10°。Charbonnier等[25]對10例職業(yè)網(wǎng)球選手采用運動捕捉技術(shù)進行研究,發(fā)現(xiàn)發(fā)球動作時肩峰內(nèi)撞擊比肩峰下撞擊更常見,模擬運動過程計算出的內(nèi)撞擊區(qū)主要位于肩胛盂后上區(qū)域,與網(wǎng)球運動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]采用運動捕捉技術(shù)對10例網(wǎng)球運動愛好者外展動作進行研究,并結(jié)合其MRI影像對撞擊類型和頻率進行評估,結(jié)果MRI圖像顯示5例出現(xiàn)SLAP,6例輕度肩袖損傷;運動模擬顯示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)炎患者進行運動學(xué)分析研究,于術(shù)前1 d、術(shù)后6個月和術(shù)后3年觀察其外展、內(nèi)收、外旋、內(nèi)旋動作,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15例上肢偏癱成年患者與年齡匹配的正常人進行日常生活動作對比研究,發(fā)現(xiàn)兩者軀干、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)活動度均有明顯差異,最嚴(yán)重的是肩關(guān)節(jié)外展和屈肘動作,患者較正常人分別減少70°和45°。
運動捕捉技術(shù)應(yīng)用已近半個世紀(jì),雖然精確度不及RSA技術(shù),但因無創(chuàng)、方便、快速的特點,在臨床上適用范圍更廣,尤其在研究正常人運動學(xué)特點時更易為受試者接受。
圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)通過X線獲取關(guān)節(jié)影像投影,依靠計算機在虛擬空間中與三維模型的投影相匹配,從而模擬實體運動過程,可分為單平面法和雙平面法。單平面法僅用1臺設(shè)備進行單一角度攝片,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臺正交設(shè)備同步攝片,在虛擬三維空間的不同平面同時配準(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2臺設(shè)備分別靜態(tài)攝片,定位時2臺設(shè)備同時靜態(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)完成既定動作,2臺設(shè)備同步記錄動態(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,在計算機軟件建立的虛擬空間中確定唯一的光源發(fā)射點和接收平面,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個正交的接收平面導(dǎo)入動態(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,還原真實運動過程中的空間位向,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)系的相對關(guān)系,獲得關(guān)節(jié)運動6個自由度的數(shù)據(jù)[32-35]。
Kim等[36]對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)進行運動學(xué)分析,將其患側(cè)與健側(cè)進行對比,分別進行外展、外旋運動和“恐懼征”測試,結(jié)果顯示在上述檢測中患側(cè)與健側(cè)肱骨頭前后位移和上下位移均無統(tǒng)計學(xué)差異。Peltz等[37]對11例接受關(guān)節(jié)鏡下Bankart修補術(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)進行運動學(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(肱骨頭離肩胛盂最近的點)更偏前(占盂唇寬度的7.9%,2.1 mm),而術(shù)后該接觸點更偏后(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)接觸點范圍明顯小于術(shù)前和健康者。Kijima等[38]對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)進行運動學(xué)分析,記錄其外展期間運動過程,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作,結(jié)果表明外展過程中最大上方位移可達7.5 mm,投擲動作中最大上方位移可達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,對其肩關(guān)節(jié)外展、內(nèi)外旋動作和肩胛骨后傾角進行評估,結(jié)果顯示肩袖損傷患者肩關(guān)節(jié)活動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]對雙平面圖像-模型配準(zhǔn)技術(shù)定位和定向誤差進行研究,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)雜費時,且受試空間范圍狹小,可完成的動作類型有限,如只能完成簡單的內(nèi)收外展、內(nèi)旋外旋等,而日常生活動作如梳頭等則無法有效完成。
了解肩關(guān)節(jié)運動學(xué)狀態(tài)能幫助臨床醫(yī)師更好地進行診斷和療效評估。以上介紹的3項運動學(xué)分析技術(shù)各有優(yōu)缺點,應(yīng)根據(jù)研究目的選擇適當(dāng)?shù)姆椒?。此外,在實際應(yīng)用中可以組合應(yīng)用多種檢測技術(shù),以得到更好的結(jié)果。