桡腕关节的在体 MRI 三维运动学研究

杨勇 陈山林 李忠哲 田文 白荣杰 钱占华 田光磊

作者单位：100035 北京积水潭医院手外科 （杨勇、陈山林、李忠哲、田文、田光磊），放射科 （白荣杰、钱占华）

.上肢外科 Upper limbs surgery.

桡腕关节的在体 MRI 三维运动学研究

杨勇 陈山林 李忠哲 田文 白荣杰 钱占华 田光磊

作者单位：100035 北京积水潭医院手外科 （杨勇、陈山林、李忠哲、田文、田光磊），放射科 （白荣杰、钱占华）

目的 通过 MRI 技术探讨桡腕关节在不同运动模式下的在体运动特点和规律。方法 健康志愿者 12 名，行右腕投掷平面 （桡背伸 25°、50°，掌尺屈 10°、20°）、屈伸平面 （屈曲 0°、25°、50°、75°，背伸 20°、40°、60°） 和桡尺偏 （桡偏 10°、20°，尺偏 20°、40°） 平面运动模式下共 15 个体位的 MRI 检查。MRI图像数据输入自行研发的腕关节运动学测量平台软件，分析舟骨、月骨和三角骨分别相对于桡骨在横断面、矢状面和冠状面的运动规律。结果 在投掷平面运动模式中，当腕关节从背伸桡偏位向掌屈尺偏位运动时，舟骨、月骨、三角骨相对于桡骨的旋后分别为 11°、11°、19°，掌屈 21°、-2°、6°，桡偏 3°、3°、11°。在屈伸平面运动模式中，当腕关节从背伸位向掌屈位运动时，舟骨、月骨、三角骨相对于桡骨的旋后分别为 9°、7°、9°，掌屈 44°、-4°、11°，桡偏 7°、22°、25°。在桡尺偏平面运动模式中，当腕关节从桡偏向尺偏运动时，舟骨、月骨、三角骨相对于桡骨的旋后分别为 8°、15°、20°，掌屈 -9°、6°、2°，尺偏 8°、14°、6°。结论桡腕关节的运动是在空间中的三维复合运动，以矢状面的运动最为显著。舟骨在矢状面上运动幅度明显大于月骨和三角骨，近排腕骨间存在显著的适应性运动。

腕关节；磁共振成像；成像，三维；关节；运动

腕关节构成复杂，广义的腕关节包括桡腕关节、腕中关节、腕掌关节，桡尺远端关节。由于腕骨体积小、数量多，形状多不规则，因此腕关节的运动学研究相对复杂且难度较大。最早的涉及腕关节运动学研究的文献出现于 19 世纪末期［1］，之后对腕关节运动学的认识经历了多种理论，包括排状理论、柱状理论、环状理论及复合运动理论等［2-7］。

随着近年来三维成像技术在腕关节研究中的应用，学者们能够更深入地探究腕关节的运动规律。最新的研究表明，腕关节在不同的运动模式下，各腕骨在空间中呈现出更为复杂的三维运动［8-12］。但目前的运动学研究存在样本量小、检测体位少、测量结果表述方式不统一等问题，尚不能全面系统地阐明不同运动模式下的腕关节运动规律及特征。

桡腕关节是指近排腕骨和桡、尺骨远端构成的关节，是腕关节的重要组成部分，其解剖形态和运动规律与腕中关节存在明显的差异［10-12］。明确桡腕关节运动学的特点对腕关节疾病的诊断、手术设计以及相关的基础研究具有重要的意义。尽管在骨与关节成像方面 CT 扫描优于 MRI 技术，但 MRI 检查无放射线损伤，更适于大样本、多体位的在体运动学研究。

目前国外利用 MRI 技术进行桡腕关节运动学的研究还不多见，国内尚未见相关报道。本研究拟通过 MRI 技术，在建立腕骨骨性标记点系统和腕关节运动学测量平台的基础上，对健康志愿者桡腕关节的影像学数据进行分析和研究，从而阐明桡腕关节在不同运动模式下的运动学规律和特点。掌握桡腕关节的运动特点和规律，有助于通过影像学检查对腕关节不稳定进行无创和准确的诊断；为设计合理的腕关节术式提供理论依据；避免影响手术疗效的运动方式，提高腕关节术后的康复效果。

资料与方法

一、一般资料

健康志愿者招募标准：年龄 20～30 岁，既往体健，无腕关节外伤及腕关节疼痛病史；体格检查腕关节活动度正常，腕部无压痛点；X 线检查排除腕部疾患。本研究共招募志愿者 12 名，男 7 名，女5 名；年龄 20～24 岁，平均 21 岁。于右腕投掷平面 （dart throwing motion，DTM）、屈伸平面（extension-flexion motion，EFM） 和桡尺偏平面（radioulnar deviation，RUD） 3 种运动模式下共 15 个体位行 MRI 检查。获得的图像数据输入自行研发的腕关节运动学测量平台软件 （清华大学生物医学工程系研制）。对舟骨、月骨和三角骨相对于桡骨在横断面、矢状面和冠状面的运动规律进行分析。

二、测量方法

常规 MRI 检查：采用 Philips Achirva 3.0T 超导MRI 扫描仪，柔线圈 （SENSE-FLEX-M） 扫描。志愿者取俯卧位，被检侧手臂前伸置于头侧。将线圈包绕受检部位，使用绑带及沙袋固定。

腕关节成像参数如下。扫描序列：质子压脂三维成像 （PDW VISTA：TR 1300 ms，TE 40 ms；体素：扫描体素 0.6 / 0.6 / 0.6 mm，重建体素 0.39 / 0.39 / 0.39 mm）；扫描矩阵 216×215。

均选取右侧腕关节行 MRI 检查。制作 15 个体位的前臂支具固定腕关节，分别固定腕关节于中立位、EFM （屈曲 25°、50°、75°，背伸 20°、40°、60°）、RUD （桡偏 10°、20°，尺偏 20°、40°），及DTM （桡背伸 25°、50°，掌尺屈 10°、20°） 15 个体位。

三、腕关节运动学测量平台

编程建立腕骨运动学测量平台。在该平台中，建立以桡骨远端为基准的全局坐标系，作为整体运动的参考，测量近排腕骨在该坐标系中的运动情况。坐标系的 3 条轴线分别为：X 轴，经过桡骨干中心的桡骨长轴，向近端方向；Y 轴，从原点向桡骨茎突方向，并与 X 轴垂直；Z 轴，从原点向掌侧方向，并与 X 轴和 Y 轴垂直；原点定义为 X 轴与桡骨远端关节面的交点。分别在桡骨远端、舟骨、月骨和三角骨选取 3 处骨性标记点和原点 （图1～4，表1），利用骨性标记点确定腕骨在空间中的位置。

四、统计学处理

应用 SPSS 17.0 统计软件包 （Chicago，IL，USA）进行统计学分析。所有计量资料均行方差齐性检验和正态性检验。由于舟骨、月骨和三角骨相对于桡骨旋转各组间的数据不符合正态分布，数据用 M （P25，P75） 表示。各组间比较均采用非参数检验Kruskal-Wallis H 检验，以 P＜0.05 为差异有统计学意义。

结　果

一、舟骨、月骨和三角骨相对于桡骨远端的运动

在 DTM 运动模式中，当腕关节从背伸桡偏位向掌屈尺偏位运动时，舟骨、月骨和三角骨相对于桡骨的运动为旋后、掌屈和桡偏。矢状面和横断面的旋转幅度大，其中舟骨在矢状面的掌屈幅度大于月骨和三角骨。在 EFM 运动模式中，当腕关节从背伸位向掌屈位运动时，舟骨、月骨和三角骨相对于桡骨的运动为旋后、掌屈和桡偏。矢状面和冠状面的旋转幅度大，舟骨的掌屈幅度显著大于月骨和三角骨。在 RUD 运动模式中，当腕关节从桡偏向尺偏运动时，舟骨、月骨和三角骨选对于桡骨旋后和尺偏。在矢状面上舟骨背伸，月骨和三角骨掌屈 （表2）。

二、近排腕骨间的适应性运动

近排腕骨间的适应性运动主要表现在舟骨和月骨之间。舟骨和月骨在DTM、EFM 和 RUD 运动模式中旋转幅度的差异分别为横断面 0°、2°、7°；矢状面 23°、48°、15°；冠状面 0°、15°、6°。两者间在EFM 运动模式中的矢状面上相对运动差异最显著，为 48°。而月骨和三角骨间的相对运动在不同的运动模式下旋转幅度差异均＜10° （表2）。

讨　论

理想的腕关节运动学研究技术应当满足以下 3 个条件：体内测量、无标记物及三维成像［13-15］。近十几年来，CT 和 MRI 三维成像技术开始应用于腕关节运动学研究［9-11］。尽管 CT 对骨关节的成像效果更好［16］，但受试者会受到射线辐射，因此不适合进行大样量、多体位、多种运动模式的研究。MRI 成像原理不同，是一种无创的影像学检查方法，对软组织有良好的分辨率，能够精确显示手部及腕部精细解剖结构的形态学信息［17-18］，更适合进行大样本的重复研究。

目前利用影像学三维重建技术获取腕骨精确位置的方法有两种：腕骨表面重建法［8-12］和腕骨骨性标记点法［19］。表面重建法是利用 CT 或 MRI 采集的图像信息进行腕骨表面轮廓重建，并根据腕骨表面轮廓规定质心和惯量主轴，从而进行相关的腕关节运动学研究［11，13］。MRI 的腕骨成像效果不及 CT，图像分割时容易丢失数据信息，因此 MRI 的测量结果不适合进行表面重建法。骨性标记点法只需在三维图像上找到规定刚体的数个恒定标记点，进而确定刚体的空间位置。腕骨作为刚体，形状不规则，因而容易找到恒定的骨性标记点。本研究分别在桡骨远端、舟骨、月骨和三角骨上规定了 3 个骨性标记点，并在 MRI 图像的横断面、矢状面和冠状面图像上找到相应的标记点，通过这 3 个标记点确定腕骨在三维空间中的位置，进而通过自行研发的腕关节测量平台对腕骨的旋转角度进行准确的测量。

桡腕关节是近排腕骨与桡、尺骨远端所构成的关节，其解剖学形态与运动学特点与腕中关节不同。近年来的研究表明，桡腕关节和腕中关节在不同的运动模式下的运动规律存在显著差异。腕中关节在投掷平面和桡尺偏运动时活动幅度较大，而桡腕关节在屈伸运动时活动幅度较大［11，20-22］。

本研究结果表明，桡腕关节的运动是在空间中的三维复合运动，以矢状面的运动最为显著。在投掷平面运动模式中，当腕关节从背伸桡偏位向掌屈尺偏位运动时舟骨、月骨、三角骨相对于桡骨的旋后分别为 11°、11°、19°，掌屈 21°、-2°、6°，桡偏3°、3°、11°。在屈伸平面运动模式中，当腕关节从背伸位向掌屈位运动时，舟骨、月骨、三角骨相对于桡骨的旋后分别为 9°、7°、9°，掌屈 44°、-4°、11°，桡偏 7°、22°、25°。在桡尺偏平面运动模式中，当腕关节从桡偏向尺偏运动时，舟骨、月骨、三角骨相对于桡骨的旋后分别为 8°、15°、20°，掌屈 -9°、6°、2°，尺偏 8°、14°、6°。

此外，本研究结果还显示舟骨、月骨和三角骨的运动并非完全同步，三者间存在适应性运动。近排腕骨间的适应性运动主要出现在舟骨和月骨之间。舟骨与月骨在 DTM、EFM 和 RUD 运动模式中差异分别为横断面 0°、2°、7°；矢状面 23°、48°、15°；冠状面 0°、15°、6°。而月骨和三角骨间的相对运动在不同的运动模式下旋转幅度差异均＜10°。由于桡腕和腕中关节在不同运动模式下的运动规律存在显著差异，因此，近排腕骨间的适应性运动有助于维护腕关节整体运动的协调。

本研究的局限性包括：样本量少，仅对 12 名志愿者的数据进行了采集；对桡腕关节运动本研究仅测量了腕骨的旋转角度，而未对腕骨的移位情况进行研究。今后的研究拟进一步完善腕关节测量平台的相关程序设计，并增加样本量，进而获得更为全面的桡腕关节运动学数据。

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（本文编辑：李贵存）

In vivo three-dimensional kinematics of the radiocarpal joint

YANG Yong， CHEN Shan-lin， LI Zhong-zhe， TIAN Wen， BAI Rong-jie， QIAN Zhan-hua， TIAN Guang-lei.
Department of Hand Surgery， Beijing Jishuitan Hospital，Beijing， 100035， PRC

ObjectiveTo analyze the in vivo three-dimensional kinematics of the radiocarpal joint and to explore the characteristics and regularity of the radiocarpal joint in different movement patterns. MethodsWe studied the in vivo three-dimensional kinematics of the radiocarpal joint with a markerless bone registration technique. Magnetic resonance images of twelve healthy volunteers’ wrist were acquired during motion patterns of dart throwing motion （DTM）， extension-flexion motion （EFM）， and radioulnar deviation （RUD）. A total of fifteen wrist positions were performed on each volunteer. Image data were input to the software of carpal kinematics measurement platform. The motions of the scaphoid， lunate and triquetrum relative to radius in cross-sectional， sagittal and coronal planes were analyzed. ResultsIn DTM pattern， during the wrist rotated from radial extension to ulnar flexion， the motions of the scaphoid， lunate， and triquetrum relative to radius were supination 11°， 11°， 19°， flexion 21°， -2°， 6°， and radial deviation 3°， 3°， 11°. In EFM， during the wrist rotated from extension to flexion， the motions of the scaphoid， lunate，and triquetrum relative toradius were supination 9°， 7°， 9°， flexion 44°， -4°， 11°， radial deviation 7°， 22°， 25°. In RUD，during the wrist rotated from radial deviation to ulnar deviation， the motions of the scaphoid， lunate， and triquetrum relative toradius were supination 8°， 15°， 20°， flexion -9°， 6°， 2°， ulnar deviation 8°， 14°， 6° respectively. Conclusions Radiocarpal joint motion is a three-dimensional composite movement， which indicates that the range of motion in sagittal plane is the most significant. The scaphoid motion in the sagittal plane is greater than the lunate and triquetrum. Adaptive motion exists between the proximal carpal row.

Wrist joint；Magnetic resonance imaging；Imaging， three-dimensional；Joints；Motion

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.09.006

R445.2

北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养计划 （2015-03-036）；教育部留学回国人员科研启动基金 （195-02）

2016-04-26）