基于光学运动捕捉系统的肩关节运动学分析研究进展

吴腾飞 吴晓明 胡丹 王秋根 汪方

·综述·

基于光学运动捕捉系统的肩关节运动学分析研究进展

吴腾飞1吴晓明2胡丹1王秋根2汪方2

肩关节；运动学；光学；运动捕捉

肩部的各种创伤和疾病在不同程度上影响着肩关节的运动性能，动态测量活体肩关节运动学对于更好地理解肩关节病理学及运动损伤至关重要。由于肩部复杂的解剖以及较大的活动范围，使其存在挑战。既往基于静态和动态的肩关节运动学测量技术，无法真实呈现运动过程中肩部各组织结构的分工协作关系，使得肩部的运动学研究远远滞后于临床需求。近年来，光学跟踪运动捕捉设计和技术的不断发展，成为活体肩部运动学研究的有力工具，本文特此对该领域国内外文献作一综述。

运动捕捉也称动作捕捉，定义为一个通过在时域上跟踪一些关键点的运动来记录生物运动，然后将其转换成可用的数学表达并合成一个单独的3D运动的过程。光学式运动捕捉是根据工作原理来对其进行划分的一种类别，系统主要组成包括标记点、摄像机和数据处理设备。人体的动作可以看成是人体各个关节点的动作，在运动捕捉系统中，一般把人体看成是由13～19个关节点组成的简单模型。进行运动捕捉时，首先要在人体的各个关节点上粘贴固定一个特殊的反光材料，称为标记点。这些反光材料可以被特殊的摄像机所追踪。通过运动捕捉系统将标记点的轨迹与关节运动相关联。利用两台或两台以上的摄像机进行实时视频捕捉，从各个摄像机得到的序列图片中可以得到每一帧中标记点的运动情况。因此可以得到一个特定的点随着时间变化的连续运动轨迹，然后通过三维重建技术将这些点的运动轨迹还原为骨架模型的动作。

一、光学运动捕捉系统用于人体肩关节运动学分析的优点

肩关节是人体解剖和功能最为复杂的关节，动态测量活体肩关节运动学对于更好的理解肩关节病理学及运动损伤至关重要。然而，肩关节的运动无法用标准的MRI或者CT检查来探究，因为这些方法都受限于静态测量并且可能因此而遗漏一些特异性的动态运动[1]。基于X线测量的方法对于肩关节动态分析提供了足够的精确度，Zhu等[2]用2D-3D图像-模型自动配准技术在尸体模型上验证单平面和双平面荧光成像检查法用于肩关节运动学测量的精度，数据表明使用双平面成像法肱骨和肩胛骨在空间位置精度上位移误差<0.3mm，旋转误差<0.58°，但这种方法有电离辐射。而运动捕捉系统使用皮肤表面粘贴标记点为动态运动过程中无创地确定肩关节运动学提供了很好的解决方案[3-4]。

目前的成像技术对于肩部运动仅能做出静态解释(例如CT、MRI检查)，然而动态成像技术(例如MRI、X线透视检查)却受到技术的限制(例如测量区域的限制、低速记录)[5]。运动捕捉系统通过在皮肤表面粘贴标记点可以在高速运动过程中无创地记录大范围的活动度。

在动态测量中，高精度的测量盂肱位移是非常具有挑战的。盂肱位移常常由MRI[6]、X线[7]检查测量。图像对于骨的位置提供了精确的测量[2]，但是不适合记录快动作并受限于获得图像的容积大小。由于X线的射线因素，实验获得的运动数量也有限。然而，运动捕捉系统通过皮肤表面放置标记点，在采样率及空间上并无限制。

二、皮肤软组织伪影(soft-tissueartefacts，STA)对光学运动捕捉系统的影响

人体运动的运动学研究通常是采用立体摄影测量术或者在骨性标志皮肤上放置标记点的方法。当研究骨骼运动学时，主要的误差来源于皮肤标记点与其下方骨骼的位移，称为STA，这是由于肌肉收缩和皮肤滑移所致[1, 8-10]。

很多学者尝试减少STA引起的误差，通常采用一些有创的方法，如骨皮质内植入固定反光标记点的钢针[9, 11]。这种方法精度很高，被认为是“金标准”[12]。DalMaso等[9]在4例活体受试者肩胛骨和肱骨骨皮质内植入带有反光标记点的钢针，运用线性回归计算盂肱关节位移和旋转，结果得出该方法测量盂肱关节运动学(位移值和旋转角度)的误差分别低于0.15mm和0.2°。盂肱位移一直是有争议的话题，因为盂肱位移是基于皮肤标记点的电磁或光学运动捕捉系统的精度下得出的几毫米的范围。基于光学运动捕捉系统下的钢针植入法为盂肱关节位移提供了高精度的线性位移，这比双平面的荧光成像检查法更为精确[13]，然而这种方法却是有创操作，在临床实践中并不切实可行[11, 14]。Matsuki等[15]用X线透视检查的方法，使用2D-3D图像配准的技术，将基于MRI的三维图像投射并迭代地配准到2DX线图像中，测量肩胛骨平面下手臂外展时肱骨相对于肩胛骨的上/下位移值和外旋角度，肱骨由初始位置到手臂上举至105°时上方平均位移值是2.1mm，下方位移值是0.9mm；肱骨由初始位置至上举到60°时平均外旋14°，上举至最高点的过程中平均外旋9°。单平面X线透视检查法测量精度较差，Zhu等[2]的实验中证实双平面误差较小，但是受试者需要2次暴露于放射性环境，且临床设备稀少，因此也并不适用。

肩胛骨运动是上肢上举的主要组成部分，肩胛骨的位置是作为一个主动适配肱骨运动的基础。由于肩胛骨宽大、扁平，大量软组织覆盖以及其表面大量皮肤的运动，因此固定于皮肤的反光标记点并没有充分跟踪肩胛骨运动，所以在运动捕捉系统中，动态地跟踪肩胛骨运动是很困难的。目前，已经有很多方法可以精确记录肩胛骨运动，不过很多精度高却有创的方法不适合临床诊断或者评估研究。也有学者尝试许多无创的方法：(1)肩胛骨定位装置(scapulalocator，SL)：SL通过一个刚体假设为肩胛骨来收集数据，用配有三个固定点的固定装置同时记录肩胛骨的骨性标志点。目前，测量肩胛骨运动最为精确的无创方法就是SL方法[16]。由于缺乏一个适当的测量肩胛骨运动学数据的“金标准”，SL被国际肩关节组织誉为“银标准”[17]。然而，这种定位装置用来静态地捕捉肩胛骨方位或者低速/中速跟踪其运动，且由于受试者肩胛骨位置受到本体感受器的反馈调节，因此SL不适合在临床测试使用[14]，且不同的检查者也可能造成不准确测量。(2)肩峰标记群(acromionmarkercluster，AMC)：这一装置可以很简便地贴在肩峰并且可以用来测量肩胛骨动态运动，因此可以提供整个运动的连续数据，使其可以综合评价肩胛骨运动学。虽然AMC受到皮肤运动伪影较肩胛骨其他部位最少，但是肩峰上方皮肤滑移的影响仍然是误差的来源。不过这一装置在手臂上举位置较高时精度差，特别是在手臂上举超过90°时，三角肌收缩导致软组织变形；另一个因素就是皮肤相对骨的位移，这些导致AMC与肩峰接触缺失，而皮肤和肌肉限制了AMC的运动但是肩胛骨却是随着手臂上举持续运动，所以会低估肩胛骨运动。有文献报道在一组功能性动作中肱骨上举最大高度大约100°。vanAndel等[11]用AMC记录肩胛骨运动并用SL做验证，实验发现最大差异角度8.4°是在手臂前屈至120°时的极限位置。Warner等[14]众多学者在不同实验中一致认为，在手臂上举高达120°时有效，但超过120°以上的手臂上举时肩胛骨运动测量误差增大[12, 18]。而且，AMC对于放置在肩峰的部位敏感，Shaheen等[16]报道AMC放置在肩峰前缘时误差最大，而放置在肩峰和肩胛嵴交汇处时受软组织形变影响最小，误差也最小，因此是放置AMC的最佳位置。(3)大量标记点跟踪法：通过在肩胛背部皮肤贴大量标记点覆盖肩胛骨，追踪皮肤形变，推测肩胛骨运动，该方法适用于有明显突出肩胛骨的人群，比如臂丛神经麻痹患者[19]。

三、肩关节复合体的关节坐标系及运动

目前运动捕捉系统技术还没有用来研究肩关节运动的位移值，这对评估肩关节不稳以及理解许多与运动相关的疾病(比如肩关节撞击)来说是很重要的。造成这一方面的不足有两个原因：一是目前运用这一技术的研究或者是关注单一肩关节骨块(肩胛骨)的分析，或者是关注肱骨相对胸廓的运动而不是对于其最接近的骨组织。但是，在评估肩关节运动学中，考虑每一块骨组织的作用以及考虑到经由锁骨和肩胛骨的从胸廓到肱骨的肩关节复合体的运动链都是很重要的，因为这可以降低整体的STA带来的误差。另外一方面就是整合患者的解剖学和运动学数据的能力：如果患者的解剖(3D模型)可以融合到运动学模型中，患者实际的肩关节的真实骨轴线和旋转中心就可以被使用。此外，这样的数据融合可以使患者的解剖在运动中直接评估[1]。

肩关节是人体活动度最大的关节，这样大的活动度并非只有位移的三维运动学分析。肩关节是四个部分(胸廓、肩胛骨、锁骨和肱骨)的微妙的相互作用。对于肩关节，有两种类型旋转。一种是关节旋转，即一个部分相对于其近端部分的旋转，比如锁骨相对于胸廓的旋转(胸锁关节)，肩胛骨相对于锁骨的旋转(肩锁关节)，肱骨相对于肩胛骨的旋转(盂肱关节)；另外一种旋转是骨的旋转，及锁骨、肩胛骨和肱骨相对于胸廓的旋转(胸廓肱骨关节并不实际存在，通常宽松地定义为肩关节)，而关节位移仅仅定义为其相对于近端部分的位移。

四、肩关节运动三维旋转的描述——欧拉角

肩关节旋转通常用欧拉角描述。近端坐标系和远端部分由于解剖学方位的引入而相互关联，所以远端坐标系的描述需要相对于近端坐标系而言。为了统一标准，国际生物力学学会提出了建议[20]：一系列解剖标记点、局部坐标系、关节坐标系以及旋转序列。许多旋转序列都是有可能的，因此需要尽可能选择角度与临床定义的关节和骨旋转相近的旋转序列。由于临床定义并非存在于三维空间，所以差异在所难免。比如在二维空间肩关节屈曲和外展是明确定义的，屈曲后外展与外展后屈曲的结果截然不同[20]。

对于肩关节，国际生物力学学会提出的标准的旋转序列是Yt-Xf-Yh(YXY)。然而Bonnefoy-Mazure等[21]学者提出争议，这种序列常常代表关节绞锁方向(gimballocks，GL)，并比较了三种不同的旋转序列，即YXY：国际生物力学学会推荐肩关节使用的序列，用欧拉角分解的方法；ZXY：符合总体国际生物力学学会推荐大部分关节可以使用的旋转序列；XZY：Salvia等[22]先前针对肩关节使用的序列。结果发现，XZY是唯一一个不受GL影响的分解序列，且对于所有旋转部分都有一致性，认为这个分解序列是描述网球发球时肩关节运动学最好的旋转序列。

五、总结

深入了解肩关节运动学特点可以帮助临床医师更好地理解肩关节损伤机制并且改进其治疗策略。然而，肩关节本身复杂的解剖关系以及其内在很大的运动范围，很难精确地描述肩关节的三维运动。基于皮肤表面粘贴标记点的光学运动捕捉系统可以用来无创地实时地动态地描述肩关节运动学特点，用于诊断或者评估等研究。目前这一技术可以为肩关节提供有价值的运动学数据，通过这种外部测量系统可以获取关节的位移值和旋转角度值。这种新颖的技术为进一步理解肩关节病理学开辟新的视野，并且为分析大范围肩关节运动尤其在体育运动中的运动学分析挖掘新的可能。

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(本文编辑：胡桂英)

吴腾飞，吴晓明，胡丹,等.基于光学运动捕捉系统的肩关节运动学分析研究进展[J/CD]. 中华肩肘外科电子杂志,2016,4(4):248-250.

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215000苏州市立医院北区骨科1；201600上海市第一人民医院南院创伤骨科2

汪方，Email:drwangfang@163.com

2015-12-09)