基于光學運動捕捉系統的肩關節運動學分析研究進展

吳騰飛 吳曉明 胡丹 王秋根 汪方

·綜述·

基于光學運動捕捉系統的肩關節運動學分析研究進展

吳騰飛1吳曉明2胡丹1王秋根2汪方2

肩關節；運動學；光學；運動捕捉

肩部的各種創傷和疾病在不同程度上影響著肩關節的運動性能，動態測量活體肩關節運動學對于更好地理解肩關節病理學及運動損傷至關重要。由于肩部復雜的解剖以及較大的活動范圍，使其存在挑戰。既往基于靜態和動態的肩關節運動學測量技術，無法真實呈現運動過程中肩部各組織結構的分工協作關系，使得肩部的運動學研究遠遠滯后于臨床需求。近年來，光學跟蹤運動捕捉設計和技術的不斷發展，成為活體肩部運動學研究的有力工具，本文特此對該領域國內外文獻作一綜述。

運動捕捉也稱動作捕捉，定義為一個通過在時域上跟蹤一些關鍵點的運動來記錄生物運動，然后將其轉換成可用的數學表達并合成一個單獨的3D運動的過程。光學式運動捕捉是根據工作原理來對其進行劃分的一種類別，系統主要組成包括標記點、攝像機和數據處理設備。人體的動作可以看成是人體各個關節點的動作，在運動捕捉系統中，一般把人體看成是由13～19個關節點組成的簡單模型。進行運動捕捉時，首先要在人體的各個關節點上粘貼固定一個特殊的反光材料，稱為標記點。這些反光材料可以被特殊的攝像機所追蹤。通過運動捕捉系統將標記點的軌跡與關節運動相關聯。利用兩臺或兩臺以上的攝像機進行實時視頻捕捉，從各個攝像機得到的序列圖片中可以得到每一幀中標記點的運動情況。因此可以得到一個特定的點隨著時間變化的連續運動軌跡，然后通過三維重建技術將這些點的運動軌跡還原為骨架模型的動作。

一、光學運動捕捉系統用于人體肩關節運動學分析的優點

肩關節是人體解剖和功能最為復雜的關節，動態測量活體肩關節運動學對于更好的理解肩關節病理學及運動損傷至關重要。然而，肩關節的運動無法用標準的MRI或者CT檢查來探究，因為這些方法都受限于靜態測量并且可能因此而遺漏一些特異性的動態運動[1]?；赬線測量的方法對于肩關節動態分析提供了足夠的精確度，Zhu等[2]用2D-3D圖像-模型自動配準技術在尸體模型上驗證單平面和雙平面熒光成像檢查法用于肩關節運動學測量的精度，數據表明使用雙平面成像法肱骨和肩胛骨在空間位置精度上位移誤差<0.3mm，旋轉誤差<0.58°，但這種方法有電離輻射。而運動捕捉系統使用皮膚表面粘貼標記點為動態運動過程中無創地確定肩關節運動學提供了很好的解決方案[3-4]。

目前的成像技術對于肩部運動僅能做出靜態解釋(例如CT、MRI檢查)，然而動態成像技術(例如MRI、X線透視檢查)卻受到技術的限制(例如測量區域的限制、低速記錄)[5]。運動捕捉系統通過在皮膚表面粘貼標記點可以在高速運動過程中無創地記錄大范圍的活動度。

在動態測量中，高精度的測量盂肱位移是非常具有挑戰的。盂肱位移常常由MRI[6]、X線[7]檢查測量。圖像對于骨的位置提供了精確的測量[2]，但是不適合記錄快動作并受限于獲得圖像的容積大小。由于X線的射線因素，實驗獲得的運動數量也有限。然而，運動捕捉系統通過皮膚表面放置標記點，在采樣率及空間上并無限制。

二、皮膚軟組織偽影(soft-tissueartefacts，STA)對光學運動捕捉系統的影響

人體運動的運動學研究通常是采用立體攝影測量術或者在骨性標志皮膚上放置標記點的方法。當研究骨骼運動學時，主要的誤差來源于皮膚標記點與其下方骨骼的位移，稱為STA，這是由于肌肉收縮和皮膚滑移所致[1, 8-10]。

很多學者嘗試減少STA引起的誤差，通常采用一些有創的方法，如骨皮質內植入固定反光標記點的鋼針[9, 11]。這種方法精度很高，被認為是“金標準”[12]。DalMaso等[9]在4例活體受試者肩胛骨和肱骨骨皮質內植入帶有反光標記點的鋼針，運用線性回歸計算盂肱關節位移和旋轉，結果得出該方法測量盂肱關節運動學(位移值和旋轉角度)的誤差分別低于0.15mm和0.2°。盂肱位移一直是有爭議的話題，因為盂肱位移是基于皮膚標記點的電磁或光學運動捕捉系統的精度下得出的幾毫米的范圍?；诠鈱W運動捕捉系統下的鋼針植入法為盂肱關節位移提供了高精度的線性位移，這比雙平面的熒光成像檢查法更為精確[13]，然而這種方法卻是有創操作，在臨床實踐中并不切實可行[11, 14]。Matsuki等[15]用X線透視檢查的方法，使用2D-3D圖像配準的技術，將基于MRI的三維圖像投射并迭代地配準到2DX線圖像中，測量肩胛骨平面下手臂外展時肱骨相對于肩胛骨的上/下位移值和外旋角度，肱骨由初始位置到手臂上舉至105°時上方平均位移值是2.1mm，下方位移值是0.9mm；肱骨由初始位置至上舉到60°時平均外旋14°，上舉至最高點的過程中平均外旋9°。單平面X線透視檢查法測量精度較差，Zhu等[2]的實驗中證實雙平面誤差較小，但是受試者需要2次暴露于放射性環境，且臨床設備稀少，因此也并不適用。

肩胛骨運動是上肢上舉的主要組成部分，肩胛骨的位置是作為一個主動適配肱骨運動的基礎。由于肩胛骨寬大、扁平，大量軟組織覆蓋以及其表面大量皮膚的運動，因此固定于皮膚的反光標記點并沒有充分跟蹤肩胛骨運動，所以在運動捕捉系統中，動態地跟蹤肩胛骨運動是很困難的。目前，已經有很多方法可以精確記錄肩胛骨運動，不過很多精度高卻有創的方法不適合臨床診斷或者評估研究。也有學者嘗試許多無創的方法：(1)肩胛骨定位裝置(scapulalocator，SL)：SL通過一個剛體假設為肩胛骨來收集數據，用配有三個固定點的固定裝置同時記錄肩胛骨的骨性標志點。目前，測量肩胛骨運動最為精確的無創方法就是SL方法[16]。由于缺乏一個適當的測量肩胛骨運動學數據的“金標準”，SL被國際肩關節組織譽為“銀標準”[17]。然而，這種定位裝置用來靜態地捕捉肩胛骨方位或者低速/中速跟蹤其運動，且由于受試者肩胛骨位置受到本體感受器的反饋調節，因此SL不適合在臨床測試使用[14]，且不同的檢查者也可能造成不準確測量。(2)肩峰標記群(acromionmarkercluster，AMC)：這一裝置可以很簡便地貼在肩峰并且可以用來測量肩胛骨動態運動，因此可以提供整個運動的連續數據，使其可以綜合評價肩胛骨運動學。雖然AMC受到皮膚運動偽影較肩胛骨其他部位最少，但是肩峰上方皮膚滑移的影響仍然是誤差的來源。不過這一裝置在手臂上舉位置較高時精度差，特別是在手臂上舉超過90°時，三角肌收縮導致軟組織變形；另一個因素就是皮膚相對骨的位移，這些導致AMC與肩峰接觸缺失，而皮膚和肌肉限制了AMC的運動但是肩胛骨卻是隨著手臂上舉持續運動，所以會低估肩胛骨運動。有文獻報道在一組功能性動作中肱骨上舉最大高度大約100°。vanAndel等[11]用AMC記錄肩胛骨運動并用SL做驗證，實驗發現最大差異角度8.4°是在手臂前屈至120°時的極限位置。Warner等[14]眾多學者在不同實驗中一致認為，在手臂上舉高達120°時有效，但超過120°以上的手臂上舉時肩胛骨運動測量誤差增大[12, 18]。而且，AMC對于放置在肩峰的部位敏感，Shaheen等[16]報道AMC放置在肩峰前緣時誤差最大，而放置在肩峰和肩胛嵴交匯處時受軟組織形變影響最小，誤差也最小，因此是放置AMC的最佳位置。(3)大量標記點跟蹤法：通過在肩胛背部皮膚貼大量標記點覆蓋肩胛骨，追蹤皮膚形變，推測肩胛骨運動，該方法適用于有明顯突出肩胛骨的人群，比如臂叢神經麻痹患者[19]。

三、肩關節復合體的關節坐標系及運動

目前運動捕捉系統技術還沒有用來研究肩關節運動的位移值，這對評估肩關節不穩以及理解許多與運動相關的疾病(比如肩關節撞擊)來說是很重要的。造成這一方面的不足有兩個原因：一是目前運用這一技術的研究或者是關注單一肩關節骨塊(肩胛骨)的分析，或者是關注肱骨相對胸廓的運動而不是對于其最接近的骨組織。但是，在評估肩關節運動學中，考慮每一塊骨組織的作用以及考慮到經由鎖骨和肩胛骨的從胸廓到肱骨的肩關節復合體的運動鏈都是很重要的，因為這可以降低整體的STA帶來的誤差。另外一方面就是整合患者的解剖學和運動學數據的能力：如果患者的解剖(3D模型)可以融合到運動學模型中，患者實際的肩關節的真實骨軸線和旋轉中心就可以被使用。此外，這樣的數據融合可以使患者的解剖在運動中直接評估[1]。

肩關節是人體活動度最大的關節，這樣大的活動度并非只有位移的三維運動學分析。肩關節是四個部分(胸廓、肩胛骨、鎖骨和肱骨)的微妙的相互作用。對于肩關節，有兩種類型旋轉。一種是關節旋轉，即一個部分相對于其近端部分的旋轉，比如鎖骨相對于胸廓的旋轉(胸鎖關節)，肩胛骨相對于鎖骨的旋轉(肩鎖關節)，肱骨相對于肩胛骨的旋轉(盂肱關節)；另外一種旋轉是骨的旋轉，及鎖骨、肩胛骨和肱骨相對于胸廓的旋轉(胸廓肱骨關節并不實際存在，通常寬松地定義為肩關節)，而關節位移僅僅定義為其相對于近端部分的位移。

四、肩關節運動三維旋轉的描述——歐拉角

肩關節旋轉通常用歐拉角描述。近端坐標系和遠端部分由于解剖學方位的引入而相互關聯，所以遠端坐標系的描述需要相對于近端坐標系而言。為了統一標準，國際生物力學學會提出了建議[20]：一系列解剖標記點、局部坐標系、關節坐標系以及旋轉序列。許多旋轉序列都是有可能的，因此需要盡可能選擇角度與臨床定義的關節和骨旋轉相近的旋轉序列。由于臨床定義并非存在于三維空間，所以差異在所難免。比如在二維空間肩關節屈曲和外展是明確定義的，屈曲后外展與外展后屈曲的結果截然不同[20]。

對于肩關節，國際生物力學學會提出的標準的旋轉序列是Yt-Xf-Yh(YXY)。然而Bonnefoy-Mazure等[21]學者提出爭議，這種序列常常代表關節絞鎖方向(gimballocks，GL)，并比較了三種不同的旋轉序列，即YXY：國際生物力學學會推薦肩關節使用的序列，用歐拉角分解的方法；ZXY：符合總體國際生物力學學會推薦大部分關節可以使用的旋轉序列；XZY：Salvia等[22]先前針對肩關節使用的序列。結果發現，XZY是唯一一個不受GL影響的分解序列，且對于所有旋轉部分都有一致性，認為這個分解序列是描述網球發球時肩關節運動學最好的旋轉序列。

五、總結

深入了解肩關節運動學特點可以幫助臨床醫師更好地理解肩關節損傷機制并且改進其治療策略。然而，肩關節本身復雜的解剖關系以及其內在很大的運動范圍，很難精確地描述肩關節的三維運動?；谄つw表面粘貼標記點的光學運動捕捉系統可以用來無創地實時地動態地描述肩關節運動學特點，用于診斷或者評估等研究。目前這一技術可以為肩關節提供有價值的運動學數據，通過這種外部測量系統可以獲取關節的位移值和旋轉角度值。這種新穎的技術為進一步理解肩關節病理學開辟新的視野，并且為分析大范圍肩關節運動尤其在體育運動中的運動學分析挖掘新的可能。

[1]CharbonnierC,ChagueS,KoloFC,etal.Apatient-specificmeasurementtechniquetomodelshoulderjointkinematics[J].OrthopTraumatolSurgRes, 2014, 100(7): 715-719.

[2]ZhuZ,MassiminiDF,WangG,etal.Theaccuracyandrepeatabilityofanautomatic2D-3Dfluoroscopicimage-modelregistrationtechniquefordeterminingshoulderjointkinematics[J].MedEngPhys, 2012, 34(9): 1303-1309.

[3]JacksonM,MichaudB,TetreaultP,etal.Improvementsinmeasuringshoulderjointkinematics[J].JBiomech, 2012, 45(12): 2180-2183.

[4]KlotzM,KostL,BraatzF,etal.Motioncaptureoftheupperextremityduringactivitiesofdailylivinginpatientswithspastichemiplegiccerebralpalsy[J].GaitPosture, 2013, 38(1): 148-152.

[5]CharbonnierC,ChagueS,KoloFC.Shouldermotionduringtennisserve:dynamicandradiologicalevaluationbasedonmotioncaptureandmagneticresonanceimaging[J].IntJComputAssistRadiolSurg, 2015, 10(8): 1289-1297.

[6]MassiminiDF1,BoyerPJ,PapannagariR,etal.In-vivoglenohumeraltranslationandligamentelongationduringabductionandabductionwithinternalandexternalrotation[J].JOrthopSurgRes,2012,7:29.

[7]SanJuanJG,KardunaAR.Measuringhumeralheadtranslationusingfluoroscopy:avalidationstudy[J].JBiomech, 2010, 43(4): 771-774.

[8]BegonM,DalMasoF,ArndtA,etal.Canoptimalmarkerweightingsimprovethoracohumeralkinematicsaccuracy? [J].JBiomech,2015,48(10):2019-2025.

[9]DalMasoF,RaisonM,LundbergA,etal.Couplingbetween3Ddisplacementsandrotationsattheglenohumeraljointduringdynamictasksinhealthyparticipants[J].ClinBiomech(BristolAvon), 2014, 29(9): 1048-1055.

[10]PetersA,GalnaB,SangeuxM,etal.Quantificationofsofttissueartifactinlowerlimbhumanmotionanalysis:asystematicreview[J].GaitPosture, 2010, 31(1): 1-8.

[11]vanAndelC,vanHuttenK,EversdijkMA,etal.Recordingscapularmotionusinganacromionmarkercluster[J].GaitPosture, 2009, 29(1): 123-128.

[12]BrochardS,LempereurM,Remy-NerisO.Doublecalibration:anaccurate,reliableandeasy-to-usemethodfor3Dscapularmotionanalysis[J].JBiomech, 2011, 44(4): 751-754.

[13]BeyMJ,KlineSK,ZauelR,etal.Measuringdynamicin-vivoglenohumeraljointkinematics:techniqueandpreliminaryresults[J].JBiomech, 2008, 41(3): 711-714.

[14]WarnerMB,ChappellPH,StokesMJ.Measuringscapularkinematicsduringarmloweringusingtheacromionmarkercluster[J].HumMovSci, 2012, 31(2): 386-396.

[15]MatsukiK,MatsukiKO,YamaguchiS,etal.Dynamicinvivoglenohumeralkinematicsduringscapularplaneabductioninhealthyshoulders[J].JOrthopSportsPhysTher, 2012, 42(2): 96-104.

[16]ShaheenAF,AlexanderCM,BullA.Effectsofattachmentpositionandshoulderorientationduringcalibrationontheaccuracyoftheacromialtracker[J].JBiomech, 2011, 44(7): 1410-1413.

[17]CuttiAG,VeegerH.Shoulderbiomechanics:today′sconsensusandtomorrow′sperspectives[J].MedBiolEngComput, 2009, 47(5): 463-466.

[18]IchihashiN,IbukiS,OtsukaN,etal.Kinematiccharacteristicsofthescapulaandclavicleduringmilitarypressexerciseandshoulderflexion[J].JShoulderElbowSurg, 2014, 23(5): 649-657.

[19]MattsonJM,RussoSA,RoseWC,etal.Identificationofscapularkinematicsusingsurfacemapping:avalidationstudy[J].JBiomech, 2012, 45(12): 2176-2179.

[20]WuG,vanderHelmFC,VeegerHE,etal.ISBrecommendationondefinitionsofjointcoordinatesystemsofvariousjointsforthereportingofhumanjointmotion-PartII:shoulder,elbow,wristandhand[J].JBiomech,2005,38(5):981-992.

[21]Bonnefoy-MazureA,SlawinskiJ,RiquetA,etal.Rotationsequenceisanimportantfactorinshoulderkinematics.Applicationtotheeliteplayers′flatserves[J].JBiomech, 2010, 43(10): 2022-2025.

[22]SaiviaP,JanS,CrouanA,etal.Precisionofshoulderanatomicallandmarkcalibrationbytwoapproaches:aCAST-likeprotocolandanewanatomicalpalpatormethod[J].GaitPosture, 2009, 29(4): 587-591.

(本文編輯：胡桂英)

吳騰飛，吳曉明，胡丹,等.基于光學運動捕捉系統的肩關節運動學分析研究進展[J/CD]. 中華肩肘外科電子雜志,2016,4(4):248-250.

10.3877/cma.j.issn.2095-5790.2016.04.010

215000蘇州市立醫院北區骨科1；201600上海市第一人民醫院南院創傷骨科2

汪方，Email:drwangfang@163.com

2015-12-09)