关节活动度三种测量方法结果的一致性评价

薛永泰 徐红旗

(东北师范大学体育学院,吉林 长春 130024)

1 前言

关节活动度(Range of motion，ROM)又称为关节活动范围，是指关节运动时所通过的运动弧或角度，一般用度数表示，它对人体从事基本的日常活动具有重要的意义[1]，关节活动范围测量是评价人体运动系统功能状态最基本也是最重要的手段之一[2]。随着社会的进步和技术的发展，关节活动度的测量也有了许多不同的测试方法，除传统的量角器测量外， 越来越多的电子设备相继研发并被用于关节活动度的测量，比如电子角度计、二维影像测量和Motion三维运动捕捉系统等。虽然目前我们可以使用越来越多的方法对关节角度进行测量，但是我们在使用一种方法测量指标时应该对所测得数据的质量有所关心。因此，本文的研究目的就是分析关节活动度在手工测量、二维影像以及Motion三维运动捕捉系统三种测量方法下所得测试结果的一致性评价。同时采用三种不同的测试方法进行关节活动度的采集，为规范关节活动的测量方法提供事实依据。

2 研究对象与研究方法

2.1 研究对象

选择没有肢体功能障碍和关节肌肉损伤的健康成年人作为受试者，共125名受试者年龄在18～30岁，进行手工测量、二维影像和三维运动捕捉系统三种测试方法测量关节活动度，受试者基本情况见表1。

表1 受试者的基本特征

2.2 研究方法

2.2.1 三种测量方法

手工测量采用长臂量角器进行测量，量角器为一透明塑料制品，由一个半圆形角度计连接一条固定直尺以及一条旋转直尺构成。测试时角度计旋转中心置于受试者关节中心，其中一条直尺放置在固定臂处，另一条直尺随活动臂运动[3]。长臂量角器是目前临床上最常用的测量工具，由于它操作简单、携带方便、造价相对低廉而广泛应用[4]。有研究表明通用量角器在测量关节活动度时信度比较高，但效度有待提高[5]。进行手工测量时应由同一名检查者使用同一种测量工具对受试者进行测量，避免因不同检查者测量对关节ROM值产生影响。

二维影像测量方法，即在被测关节的活动臂、固定臂和关节中心分别贴上一个标志点，通过数码相机拍摄各标志点在关节旋转前后的位置，采用数学方法计算标志点连线间的角度[6]，从而得出该关节的活动范围。有研究发现，当镜头偏斜角度不超过13°时，二维影像测量误差可以控制在1°的范围内，如果要将误差控制在5°范围内则偏斜角度不能超过27.5°[7]。

Motion Analysis三维运动捕捉分析系统由美国魔神公司(Motion Analysis Corp)制造，基于计算机图形原理，通过安装在空间中的多个红外摄像头将物体的运动状况以数字信号的形式记录下来，并在数字环境中对运动过程进行三维重构[8]，可用于准确测量运动物体在三维空间内运动状况的技术设备，本实验用该系统(8个摄像头)完成人体各关节最大活动范围的测量。Motion测量是目前认为较为准确的测量方式，本研究中用Motion测量结果作为标准进行对照分析。

2.2.2 数据采集

查阅资料发现关节活动度的测量姿势可分为立位、坐位、仰卧位、俯卧位等，根据测量部位的不同选择不同的测试姿势。测量上肢主要关节肩、肘、腕时都可以采取立位姿势，测量下肢主要关节髋、膝、踝时主要采取卧位或坐位的姿势[9]，因此在使用三种测量方法测量关节活动度时，以及根据不同测量方法的特点，肩、肘、腕关节的实验条件相对更容易控制，而且在实施标准化测量时影响较小，所以本研究以上肢关节活动度三种测量方法的结果对比来评价一致性程度。

分别使用上述3种方法完成对受试者左右侧肩关节前屈、后伸、外展，肘关节前屈以及腕关节掌屈、背屈、尺偏和桡偏8个关节活动度的测量。进行正式测试前需要对受试者讲明实验的目的和方法，从而使受试者充分配合测量工作。另外受试者在测量前不能做剧烈运动，测试时需保持正确的体位防止有代偿性动作增大关节活动范围[10]，避免影响测量结果，本次研究均只测量受试者关节的主动活动范围。测试者必须熟练掌握测量方法以及对突发情况的应对，每次关节角度应获得3次有效数据[11]。

2.2.3 数据处理与分析

3 结果

3.1 三种测量方法的测试结果

3.1.1 通用量角器测量结果

通过对同一性别左、右两侧同一关节活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验，发现除了男性腕关节尺偏左右侧具有显著差异(P<0.05)，其它关节左右侧均不具有显著差异；在对男性和女性同一关节活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验中，发现只有右侧腕关节在尺偏时，男性和女性的关节活动度结果具有显著性差异(P<0.05)。年轻女性肘关节前屈的活动度稍微大于年轻男子，另外在腕关节三个活动形式的关节活动度中，女性掌屈也稍微大于男子，但背屈和桡偏的活动度要低于男子，但都不具有显著性差异。

表2 通用量角器关节活动度测试结果统计表

注：左侧与右侧关节活动度相比，*P<0.05,**P<0.01；男性与女性关节活动度相比，△P<0.05,△△P<0.01

3.1.2 Motion三维运动系统测量结果

表3、4、5所示为Motion三维运动捕捉系统进行肩关节活动度测试的结果统计，本研究中对左右侧肩、肘、腕三个关节在不同运动形式下测试三次关节活动度，以变异系数CV反映组内测试的一致性程度，由表3可看出各关节在不同运动形式下关节活动度测试结果的CV均低于10%，表明Motion测量结果稳定性较好。

由表3可知在对同一性别肩关节左、右两侧同一关节活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验，发现P值均大于0.05，说明对于同一个关节在相同的运动形式下，左右侧关节活动度基本相同；在对男性和女性肩关节同一活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验中发现，P值均大于0.05，说明男性和女性的肩关节活动度不具有显著性差异。

表3 肩关节活动度测试结果统计表

注：左侧与右侧关节活动度相比，*P<0.05,**P<0.01；男性与女性关节活动度相比，△P<0.05,△△P<0.01

由表4知在对同一性别肘关节左、右两侧进行独立样本t检验发现P>0.05，显示肘关节左右两侧不具有显著性差异；女性肘关节前屈角度稍微大于男性，但在对男性和女性肘关节同一活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验中发现，P均大于0.05，说明男性和女性的肘关节活动度不具有显著性差异。

表4 肘、腕关节活动度测试结果统计表

注：左侧与右侧关节活动度相比，*P<0.05,**P<0.01；男性与女性关节活动度相比，△P<0.05,△△P<0.01

由表4和表5可知，对同一性别左右两侧关节活动度进行独立样本t检验，发现男性和女性左、右两侧桡偏和尺偏都非常具有显著性差异(P<0.01)；女性腕关节活动度总体大于男性，对男性和女性腕关节同一活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验中发现女性左、右两侧腕关节掌屈的活动度显著大于男性(P<0.05)，且右侧腕关节掌屈差异极显著(P<0.01)；另外，右侧腕关节尺偏也具有显著性差异(P<0.05)。

表5 腕关节活动度测试结果统计表

注：左侧与右侧关节活动度相比，*P<0.05,**P<0.01；男性与女性关节活动度相比，△P<0.05,△△P<0.01

3.1.3 二维影像测量结果

表6所示为二维影像测试的关节活动度结果统计，由表6可知各关节在不同运动形式下关节活动度测试结果的CV均低于10%，说明关节活动度二维影像测试结果离散程度较小,重复测量结果较稳定。对男性和女性右侧肩关节同一活动形式下的关节活动度进行独立样本t检验中发现女性肩关节外展的活动度显著大于男性(P<0.01)。

表6 二维影像关节活动度测试结果统计表(肩关节右侧)

注：变异系数CV单位为%；男性与女性关节活动度相比，*P<0.05,**P<0.01

3.2 三种测量方法结果的一致性

3.2.1 肘关节活动度手工测量与Motion测量结果的一致性

肘关节屈曲活动度手工测量与Motion三维运动系统测量结果的相关分析与差异性检验见表7，经方差齐性检验后对同一受试者肘关节活动度的手工测量和Motion测量结果进行配对t检验发现两种测量方法之间的相关系数在0.4～0.5之间，为中度相关，平均差值在8～9度。肘关节左侧配对数据差值均数为9.03°，标准差为5.04，则95%一致性界限为9.03±1.96×5.04度,即(-0.84°，18.92°)，同理右侧95%一致性界限为(-0.97°，16.92°)，Bland-Altman图如图1所示。

表7 肘关节活动度手工测量与Motion测量结果的相关分析与差异性检验

图1 肘关节前屈手工测量与Motion测量的Bland-Altman图

从图1可以看出，左侧83个点中有4个位于一致性界限LoA范围以外，比例为4.81%，小于5%；在一致性界限范围内，手工测量结果与Motion测量结果相比，差值的绝对值最大为23.83度，远小于两种测量结果的均值146.5度。右侧83个点中有5个位于LoA范围以外，比例为6.02%，两种测量方法差值的绝对值最大为18.67度，远小于两种测量结果的平均值146.5度。并且他们的“差值”不随“均值”的变化而变化，显示两种测量方法的一致性较好。

3.2.2 肩关节活动度二维影像与Motion测量结果的一致性

肩关节活动度二维影像测量与Motion三维运动系统测量结果的相关分析与差异性检验见表8，经方差齐性检验后对同一受试者肩关节活动度的两种测量结果进行配对t检验发现两种测量方法之间的相关系数在0.45～0.55之间，为中度相关。肩关节前屈配对数据差值均数为11.3°，标准差为7.7，则95%一致性界限为11.3±1.96×7.7度,即(-3.70°，26.34°)，同理肩关节后伸95%一致性界限为(-18.78°，23.73°)，肩关节外展95%一致性界限为(6.63，31.68)，Bland-Altman图如图2所示。

表8 肩关节活动度两种测量结果的相关分析与差异性检验

从图2可以看出，肩关节前屈26个点中有1个位于一致性界限范围外，比例为3.85%，小于5%；在一致性界限范围内，二维影像测量结果与Motion测量结果相比，差值的绝对值最大为30.37度，远小于两种测量结果的均值155.75度。肩关节后伸26个点中有2个位于一致性界限范围外，比例为7.69%。肩关节外展26个点中都位于一致性界限范围内；在一致性界限范围内，两种测量结果差值的绝对值最大为30.03度，远小于两种测量结果的均值152.75度，两种测量方法的一致性较好。

图2 肩关节活动度两种测量的Bland-Altman图

4 分析与讨论

4.1 关节活动度测试结果分析

关节活动度受多种因素的影响，如年龄、性别、身体状况、生活方式等。本实验采用独立样本t检验方法分别统计了左右侧、性别对关节活动角度的影响，通过关节角度尺测量和Motion测量发现腕关节左右两侧尺偏活动度具有显著性差异。但总体来看正常人体左右侧的关节活动范围基本相同，因此如果在没有特殊要求和规定时，可以仅测试人体一侧的关节活动度，从而节省时间，提高效率。通过对年轻人肘关节、腕关节活动度进行手工测量发现女性肘关节前屈、腕关节掌屈、尺偏活动范围稍稍大于男性，但除腕关节尺偏外其它值与男性相比不具有显著性差异；通过Motion三维运动系统测量结果发现女性肘关节屈曲角度也显示稍稍大于男性，除腕关节掌屈和右侧腕关节尺偏外，其它不具有显著性差异。通过二维影像测量结果发现女性肩关节外展活动度与男性具有显著性差异。关节活动度与性别具有一定的联系，从测量的结果来看女性大部分关节活动范围要大于男性，但差异并不十分显著，因此我们在测量关节角度时，应根据所测关节活动度的应用领域来决定是否将性别作为统计条件。女性关节活动度大于男性的可能原因是男性上肢肌肉力量较大、关节周围组织较多使关节的稳定性增加，但柔韧性下降，从而关节活动度小于女性[12]。

4.2 关节活动度测试结果的一致性分析

目前有研究表明配对T检验主要检验的是两测量仪器的系统误差是否具有差别，即对两测量结果的系统误差敏感，但不能兼顾随机误差[13]；简单相关分析可用于表示两定量结果线性相关关系的密切程度，对系统误差不敏感[14]；Bland-Altman法为定量与定性方法的结合，其原理是对两种测量结果间的差异进行随机效应分析，来解释说明一致性程度，目前认为一致性限度既能考虑统误差也能考虑随机误差对一致性的影响[15]。因此本研究使用配对T检验、简单相关分析以及Bland-Altman法对关节活动度三种测量结果进行一致性评价分析。

在一致性分析中，肘关节前屈活动手工测量与Motion测量结果的相关系数在0.4到0.5之间，为中度相关；肩关节前屈、后伸、外展活动中二维影像测量与Motion测量结果的相关系数在0.45到0.55之间，也为中度相关，说明手工测量与Motion测量、二维影像测量与Motion测量两种方法间的随机误差分布相似。肘关节前屈活动中手工测量与Motion测量的结果差值在8度左右，二维影像测量与Motion测量的结果差值在肩关节三种运动形式下差值较大，说明测量方法间也存在系统误差。Bland-Altman一致性分析图表明三种方法间的“差值”远小于“均值”，且“差值”不随“均值”的变化而变化，即他们相互独立，一致性程度较好，具有实际专业意义。

5 结论

不同的测量方法具有不同的特点，采用通用量角器手工测量时，由于关节周围软组织的存在，以及在测量时关节角度尺的放置位置和测量尺自身的刻度误差都会对测量结果造成一定的影响；采用二维影像测量时，由于关节在旋转过程中皮肤和肌肉会相对于骨骼在旋转平面内发生一定程度的位移，从而使旋转后的各标志点位置不再是旋转之前的位置，从而使测量结果受到影响；Motion三维运动捕捉系统相对于前两种测量方法而言数据结果精确，但该系统会受到室内光线影响，而且要在受试者身上放置反光标记物，此时结果误差更多来源于测量仪器与环境。