大鼠眼睑运动加速度及角加速度的三维动态定量测量

庄园冯国栋高志强

1中国医学科学院北京协和医院耳鼻咽喉科 北京协和医学院（北京100730）

2北京医院耳鼻咽喉科（北京100730）

面瘫为临床常见疾病，面神经走行骨管狭窄、曲折，炎症、外伤、肿瘤等多种颅内、外病理因素均可能影响其完整性及功能，引起面神经麻痹。面神经支配面部表情肌肉运动、泪腺及鼻腔粘膜腺体分泌、味觉等，其中面部表情肌肉的运动最能够直观的反映面神经功能，但其定量测量困难，目前尚未见有面瘫动物面部肌肉运动的动态客观测量的方法报道。近年来，得益于计算机技术的进步，依靠多目视觉技术的空间运动捕捉及三维定量测量日益完善，该技术可利用多台摄像机捕捉空间中运动的标记点，重现其运动轨迹，实时三维定量的测量运动各项参数，已广泛运用于三维动画及游戏制作、交通、工业生产等领域，在医学中，已有研究团队将该技术运用于步态分析[1-5]、神经行为测量[6-8]、竞技运动运动员的姿势分析[9,10]等，但其评估的多为大关节运动。我们利用一套自主研发的测量系统及方法，可测量面部表情肌肉的细小运动，并已在人体的测量中获得了较好的结果[11-13]。

本次实验将这一测量系统引入更加微小的实验动物头面部肌肉运动的测量中，以期建立在三维空间中无创的实时的定量的测量面神经功能的新方法，弥补既往测量方案客观性差、侵入性强、实时性差等局限。

1 材料与方法

1.1 实验材料

健康雌性Wistar大鼠54只，购自北京市维通利华实验动物技术有限公司，由中国医学科学院药物研究所动物实验中心饲养，伦理审批编号002488。

1.2 周围性面瘫大鼠建模

体重300±30g，称重后随机分入实验组及对照组，对照组10只，实验组44只。利用浓度为10%的水合氯醛溶液3-5m l/1kg腹腔注射麻醉，于右侧耳廓的下方做横行手术切口，寻找并于面神经出茎乳孔处切断面神经主干，麻醉清醒后可见触须、眼睑及耳廓运动不对称，待大鼠耳后手术切口愈合后，术后第4周内完成测量。

1.3 大鼠头面部肌肉运动的诱发及数据采集

适当束缚大鼠，仅暴露大鼠头部，使用不褪色颜料标记后，黏贴反光的标记小球（直径3mm），以确保每次黏贴标记小球的位置与前次测量相同。标记点位置如图1：

图1 大鼠面部标记点（O-鼻尖，A/a-右/左侧內眦，B/b-右/左侧上睑中点，D/d-右/左侧下睑中点）：左图为实验用大鼠面部标记点位置，右图为成像系统采集标记点位置数据并三维重建后的界面示例。Fig.1 Landmarks on the Rat:O-Apex nasi;A/a-Right/Left inner canthus;B/b-Right/Left upper eyelid midpoint;D/d-Right/Left lower eyelid midpoint.The figure on the left shows the locations of the landmarks on the rats’head.The figure on the right shows the interface after the imaging system acquiresmarkers’position dataand 3D reconstruction.

实验中，为增加测量稳定性，减少误差，每个大鼠测量时均会给予其角膜三次气流刺激，诱发三次眼睑反射性闭合运动，使用已建立的动态三维定量测量系统记录相应标记点的运动数据，之后通过软件重建每个标记点空间运动坐标。系统采集的标记点的空间分布见图1。

1.4 数据运算与统计方法

通过系统软件输出每个标记点在每个时间点的空间坐标（x,y,z），利用物理公式可计算标记点在每个时间点的相互间距离、相对运动速率、角度、角速度、加速度、角加速度等运动参数。通过MatlabR2015b可编程计算各运动参数的峰值（最大值）、谷值（最小值）及与静息状态的比例等，再利用SPSS20.0进行统计描述、假设检验。

通过前期的筛选，我们保留了一些具有解剖学意义的运动评价指标，其中，距离、运动速率、角度、角速率等参数的统计结果我们在之前的文章中已报道[14]。依据F=ma的原理，在质量保持不变的情况下，作用力与加速度呈正比，在实验过程中，肌肉的质量变化较小，本文通过测量标记点运动的加速度、角加速度，验证其是否能够更好的反应出面瘫侧与健侧面神经功能的差异。

2 结果

2.1 两标记点相互运动加速度测量结果

由图2可知，上睑中点相对于下睑中点运动加速度测量值，对照组个体左侧测量值与右侧测量值曲线基本重合，最大值相近，而实验组个体右侧（面瘫侧）测量值明显小于左侧测量值。

图2 上下睑中点相对运动加速度测量值，蓝色为左侧，红色为右侧，上图为对照组某个体，下图为实验组某个体。Fig.2 acceleration of the upper eyelid midpoint relative to the lower eyelid midpoint.The blue lines mean left while the right lines mean right.The upper figure shows the measured value of a rat from the control group.The lower figure shows that of a rat from the experimental group.

基于F=ma，加速度取最大值时，所需力最大。眼睑闭合运动加速度最大值的统计结果如表1、2，图3、4所示。

（1）上睑中点相对下睑中点运动加速度最大值的中值，对照组左侧与右侧无明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为0.99（0.96-1.05）；实验组中值左侧为1694mm/s^2，右侧为452mm/s^2，有明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为0.25（0.21-0.30），与对照组比值的分布有明显统计学差异。

（2）上睑中点相对于内眦点运动加速度最大值的中值，对照组左侧与右侧无明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为0.99（0.96-1.02）；实验组左侧为2580mm/s^2，右侧433mm/s^2，有明显统计学差异，右侧/左侧比例中值为0.17（0.11-0.24），与对照组有明显统计学差异。

（3）下睑中点相对于内眦点运动加速度最大值的中值，对照组左侧与右侧无明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为0.99（0.96-1.02）；实验组左侧为2455mm/s^2，右侧为239mm/s^2，有明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为0.10（0.07-0.18），与对照组有明显统计学差异。

（4）右侧上睑中点相对于左侧上睑中点运动加速度的最大值，对照组与实验组无明显统计学差异；右侧內眦点相对于左侧内眦点运动加速度的最大值，对照组与实验组无明显统计学差异。

图3 加速度最大值的中值与四分位数箱图：左图为对照组，右图为实验组。Fig.3 Median and quartile box diagram of maximum acceleration:left figure is the control group and right figure is the experimental group.

图4 加速度最大值右/左侧比例的中值及四分位数箱图，左图为对照组，右图为实验组。Fig.4 The median and quartile box diagram of the ratio between the right and the left side of maximum acceleration,the left figure is the control group,and the right figure is the experimental group.

2.2 三个标记点间所成角运动中的角速度测量指标

由图5可知，内眦角在眼睑闭合过程中，角加速度测量值，对照组个体左侧测量值与右侧测量值曲线基本重合，最大值相近，而实验组个体右侧（面瘫侧）测量值明显小于左侧测量值。

图5 内眦角角加速度测量值，蓝色为健侧，红色为面瘫侧，上图为对照组某个体，下图为实验组某个体。Fig.5 Theangular acceleration of the inner canthus was measured in blue for the healthy side,red for the facial paralysis side.The upper figure shows an individual in the control group and the lower figure shows an individual in the experimental group.

表1 加速度最大值的统计结果Table1 Themaximum of acceleration

表2 加速度最大值右侧/左侧比值的统计结果Table 2 The ratio of the right side/left side of the maximum acceleration

角加速度最大值的统计结果（详见表格3、4，图6、7）可见：

（1）内眦角的角加速度最大值的中值，对照组左侧与右侧无明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为1.00（0.97-1.05）；实验组中值左侧为12532°/s^2，右侧为 894°mm/s^2，有明显统计学差异，右侧/左侧比值的中值为0.07（0..03-0.12），与对照组比值的分布有明显统计学差异。

（2）以鼻尖为顶点，左侧上睑中点及右侧上睑中点为边的角，其角加速度最大值的中值，对照组为5007°/s^2，实验组为3328°/s^2，有明显统计学差异。

图6 角加速度最大值的中值及四分位数箱图：左图为对照组，右图为实验组。Fig.6 The median and quartile box diagram of the maximum angular acceleration:the left figure is of the control group,and the right figure is of the experimental group.

图7 角加速度最大值左/右侧比例的中值及四分位数箱图，左图为对照组，右图为实验组。Fig.7 The median and quartile box diagram of the left/right ratio of the maximum angular acceleration.The left figure is of the control group,and the right one is of the experimental group.

表3 角加速度最大值的统计结果Table3 maximum of theangular acceleration

表4 角加速度最大值右侧/左侧比值的统计结果Table 4 the ratio of the right side to the left side of the maximum angular acceleration

3 讨论

面瘫是由面神经功能障碍引起、临床主要表现为面部肌肉的随意运动障碍，是临床常见疾病，不仅影响患者生理功能，而且对患者社会生活及心理状态产生明显的不利影响。治疗的最理想效果，是恢复面神经对于每一块靶肌肉的精确支配，使面部中线两侧面肌运动协调一致，共同完成复杂精细的面部表情。

动物实验是临床疾病研究的基础，通过对于既往文献的简单统计，在面神经相关实验研究中大鼠是最常应用的模型。评价实验动物面神经功能的方法包括对肌肉及神经组织细胞的显微结构进行分析的形态学方法，对于靶肌肉、面神经电位进行测量的电生理学方法，及对于肌肉收缩所引起的运动进行测量的运动行为学方法。其中，运动行为学方法通过直接的测量靶肌肉的收缩产生的运动效果，可以最直观的反应靶肌肉及面神经的功能状态，并可最大限度减少对于实验动物生理状态的干预，基本无创，可以动态连续的观察，具有特殊的优势。大鼠的面神经分布与人类类似，其支配的肌肉收缩可产生触须运动、眼睑运动及耳廓运动，其中眼睑运动与人类相似性较高，运动形式单一、幅度较大，成为面神经功能研究的常用对象。

眼睑运动，即眼裂大小的变化，在动物中主要与上睑提肌、额盾肌及眼轮匝肌相关[15,16]，受面神经支配。最初对于动物眼睑运动的评价为“有”或“无”的两级评价，或将“有”继续细分为几个级别的评价方式[17-19]，该类方法主观性较强，对细微的变化不够敏感；客观的测量方法，按照其测量原理，可分为基于光电学[20-24]、基于杠杆机械学原理[25-29]、基于电磁学[30-35]、基于摄像系统及图像处理软件[19,36,37]等几类。其中前三类方法测量系统均会与眼睑接触或需将线圈、发光二极管等黏贴于眼睑周围，干扰实验动物眼睑的自然运动，对于光线、动物头部固定的角度等有较严苛的要求，易受实验室环境的影响。基于摄像系统及图像处理软件的方法，其标记点较小、较轻，对于实验动物眼睑的运动干扰小，提高了测量的可重复性及客观性，但既往的测量均局限于二维平面水平，对于运动方向与测量平面夹角接近90°的运动测量会产生较大误差，并且仅能够处理静息状态及产生最大运动两个时间点，因此仅能够计算整个运动过程的平均速度，无法动态追踪及记录运动过程中的数据，即不能够计算速度、加速度等随时间的动态变化，丢失了大量的有效信息。

为了弥补二维平面测量及静态测量的不足，基于目前日趋成熟的三维成像技术，我们自主设计和开发了一套基于动作捕捉的面肌运动三维定量测量系统，并通过前期的实验[12]证明其系统误差小、稳定性好，已成功用于人面部标记点的运动速度、距离、加速度、角度、角加速度等动态指标的测量，评价生理性面容不对称性[38]、男女性别差异[38]、口眼部标记点的相关联运动及年龄差异[11,13,39]、面部三维测量指标与传统面瘫评价系统相关性[12]等。本次实验我们在三维空间中定量测量了大鼠面部运动的相关指标的动态变化[14]。并依据F=ma，重点报道了加速度、角加速度这两个与力的大小呈正比的运动指标的测量值及其动态变化规律。

眼睑运动中，最为直观的即为睑裂大小的变化，既往文献中也多以睑裂间距离及内眦角作为评价指标，通过本次实验，我们获取了距离、速度、加速度、角加速度等随时间变化的动态测量值，其中上下睑中点间距离在瞬目反射中变化最大（最小值为4.22-7.67mm），运动的最大速度最快（27.7-113.5mm/s），但运动加速度的最大值（1361-2313mm/s^2）小于上睑中点相对于内眦点运动加速度（1978-3431mm/s^2）和下睑中点相对于内眦点运动加速度（2166-2957mm/s^2）。既往文献中未有对于实验动物眼睑运动加速度的动态测量值的报道，结合标记点的位置及肌肉的分布，我们推测可能是由于内眦点与上睑中点、内眦点与下睑中点均分布于肌肉束收缩方向上，随着神经信号的传入，肌肉收缩可引起较大的瞬时加速度；而上下睑之间运动为眼轮匝肌环形收缩引起，其方向垂直于肌肉束收缩方向，故而产生的瞬时加速度小。内眦角角度最小值为32.6-66.4°，角速度165-555°/s，角加速度为11362-17188°/s^2。

面瘫除单侧外，也有少数患者为双侧面瘫，我们保留了几个双侧测量的指标。其中，两侧上睑中点间运动加速度对照组为2154-2893mm/s^2，实验组为2169-2780mm/s^2，无明显统计学差异，但其距离及速率变化均有统计学差异；以鼻尖为顶点、两侧上睑中点为边的角，其角加速度对照组为4487-5268°/s^2，实验组为 2615-4240°/s^2，该角的角度、角速度变化均有统计学差异。既往文献中未有对于双侧测量指标的报道。

通过测量，实验动物面瘫侧标记点并非完全静止不动，上下睑间距离变化、最大加速度在实验组约为对照组1/4，其他标记点也均能够测量到不同程度的运动。部分文献报道在啮齿类动物中，尚有受展神经支配的眼球缩肌在瞬目反射中收缩，引起眼球回缩回眶内，也称瞬膜反射[14,21]。在面神经功能受损时，眼球回缩时可引起上眼睑因重力因素下垂，产生睑裂大小变化。同时，由于标记点黏贴于动物皮肤表面，头面部皮肤具有弹性及整体性，标记点运动在受到其下分布的面肌收缩影响的同时，也会受到周围皮肤运动的一定影响，健侧肌肉的运动引起皮肤运动，可能会有小部分传导至患侧，引起部分标记点的运动。

本次实验中，我们完整采集了大鼠面部与眼睑运动相关的所有标记点在三维空间中的动态运动，实现了对多个运动参数的定量测量，纳入的测量指标均在面瘫侧与健侧、或实验组与对照组间有明显统计学差异，并首次测量了标记点运动的加速度、角加速度的动态变化，为面神经相关动物实验中定量动态评价面神经功能提供了更多的信息，使测量和评价更加客观准确。

本次实验纳入的个体有限，面瘫建模时均完全横断面神经主干，可在后期的实验中补充纳入可逆性面瘫模型，验证本测量系统是否可区别面瘫模型动物面神经损伤和修复过程，以进一步适用于面神经相关生理、病理等的实验研究。同时本次测量所用软件仍为针对人体测量设计的软件，在实验动物的测量中所使用标记点个数、位置等不同，可设计并新增实验动物用模块，以简化后期数据处理步骤。使本系统和测量方法可更好的应用于面神经损伤、修复相关动物实验中，定量、动态、客观的评估面神经的功能变化。

致谢

本次实验特别感谢刘国栋、赵峙尧在编程及数据处理方面给与的帮助和指导。