動態骨骼肌肉綜合分析系統測量頸椎活動度的重復性和可靠性分析

周捷，王建喜，肖強強，藏法智，袁文，陳華江

(1.海軍軍醫大學第二附屬醫院(上海長征醫院)骨科，上海 200003；2.上海市浦東新區人民醫院骨科，上海 201299)

頸椎活動度(range of motion,ROM)能夠直接反映頸椎的功能狀態，與頸椎退變程度、頸痛癥狀、頸椎的穩定性密切相關，是頸椎外科治療前的常規檢查。目前用于頸椎ROM測量的方法眾多，包括屈伸動力位X線片測量法、重力儀測量法、斜度儀測量法等，國內外也研發了專用的頸椎ROM測量工具[1-3]。隨著科技的進步，測量方法進一步革新，視覺捕捉系統、手機軟件測量等新的測量方法同樣表現出良好的可靠性[4-6]。然而，由于頸椎活動過程中存在矢狀面、冠狀面、水平面三個平面的復合運動，并且頸椎活動過程中胸椎的輕微連帶運動都將會對測量結果造成影響[7]?？焖佟⒈憬荨⒕珳蕼y量頸椎ROM仍然具有挑戰性。

動態骨骼肌肉綜合分析系統(comprehensive musculoskeletal analysis system,CMAS)由上海長征醫院與上海博靈機器人科技有限責任公司共同研發。系統內置博靈自主研發的高精度運動傳感器芯片，可實時捕捉、高速精準監測肌骨系統現狀；數據實時采集頻率不低于400 Hz，平均延時5 ms內。該系統由頸、胸、腰、下肢多種組件組成，多組件協同組合使用，實現多部位精準評估，涵蓋脊柱、髖、膝、踝關節的信息測量，同時具備穿戴舒適性和運動相容性。目前，該系統已經在脊柱側彎、軍事訓練保障、關節術后康復、脊髓型頸椎病等方面得到了初步的應用，取得了滿意的成效。本研究對該系統測量頸椎矢狀面ROM的重復性和可靠性進行評估，并與傳統的DSA動態影像測量法進行比較分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇本院脊柱外科門診就診的頸部疼痛患者為研究對象。納入標準：既往無頸椎疾患相關病史，無頸椎外傷，無頸椎畸形；年齡18～70周歲；身高150～185 cm；體重指數(body mass index,BMI)18～24 kg/m2。排除標準：頸椎發育畸形；頸椎外傷病史；患有其他可能影響頸椎活動的全身疾患，如強直性脊柱炎、類風濕性關節炎等。

選擇50名受試者采用CMAS測量頸椎活動度(A組)，男28例，女22例；年齡20～68歲，平均(45.1±13.8)歲；BMI為(20.5±1.8)kg/m2。15名受試者同時采用動態X線(DSA,數字減影血管造影機)影像進行測量(B組)，男8例，女7例；年齡21～68歲，平均(46.1±14.8)歲；BMI為(20.4±1.9)kg/m2。兩組患者一般資料對比，差異無統計學意義(P>0.05)。

1.2 測量方法

由2名經驗豐富的外科醫生分別采用2種方法進行測量。第1次測量之后2周，在相同條件下，再次為受試者進行第2次測量。

1.2.1 CMAS頸椎矢狀面ROM測量

①受試者脫去外套，自主頸椎過伸過屈旋轉活動，放松頸部肌肉。②測量者幫助受試者穿戴CMAS。③取自然放松功能坐位，腰背部挺直，雙肩放松，雙臂自然下垂，雙手置于大腿上。④測試者檢測CMAS功能正常。⑤測試者指導受試者進行頸椎屈伸活動，確保頸椎屈曲、仰伸至最大幅度。⑥受試者按照要求快速屈伸頸椎，時間約10 s，屈伸過程中盡量保持胸椎穩定。⑦記錄測試數據。

CMAS實時采集受試者頸部運動數據，并傳輸至移動客戶端專用APP，形成患者的實時動態捕捉圖像及頸椎角度變化的曲線圖(圖1)。測試者可通過移動端APP實時檢測數據的穩定性。測量過程中，受試者多次做頸椎屈伸活動，生成一系列穩定的頸椎ROM曲線圖。最終，頸椎ROM的結果取穩定波動曲線區域的ROM最大活動幅度的均值。

圖1 頸椎ROM曲線圖

1.2.2 DSA動態影像頸椎矢狀面ROM測量

①操作：受試者脫去外套，測試前先適當活動頸椎，放松頸部肌肉。受試者取自然放松功能體位，端坐于DSA室內測試椅上，雙腿自然放松，測試椅椅背垂直，受試者背靠椅背，頸椎處于中立位，雙肩放松，雙臂自然向下，雙手放于大腿上。DSA開啟后受試者緩慢前屈頸椎至最大屈曲位，隨后緩慢仰伸頸椎至最大仰伸位(圖2)。②影像學測量：選擇DSA動態影像中最大屈曲位和最大仰伸位的2張影像進行頸椎活動度測量(圖3)。測量參考線如下，A線：硬腭至枕骨最下緣連線，即McGregor線；B線：C7椎體下終板線。頸椎ROM=屈曲位AB線夾角-仰伸位AB線夾角。

圖2 DSA測量頸椎矢狀面ROM

圖3 DSA動態影像的測量方法(A:最大屈曲位影像；B:最大仰伸位影像；C:DSA動態影像疊加圖)

1.3 統計方法

2 結果

①2種方法的測量數值：不同性別和不同年齡組之間，兩種測量方法測試結果均無統計學差異(P>0.05)，見表1。②觀察者內一致性分析：同一外科醫生以CMAS對受試者先后2次測量頸椎活動度，ICC=0.947，95%CI為(0.763,0.980)，P<0.01。可見，2次測量具有高度一致的觀察者內一致性。③觀察者間一致性分析：2名外科醫生采用CMAS對受試者測量頸椎活動度，ICC=0.899，95%CI為(0.799，0.947)，P<0.01。可見，不同測量者測量具有高度一致的觀察者間一致性。④可靠性分析：A組頸椎ROM測量的SEM為3.0°，MDC為6.9°。B組頸椎ROM測量的SEM 為1.8°，MDC為4.1°。見表2。⑤2種測量方法的相關性分析：Pearson分析顯示，兩種測量方法具有顯著相關性(P<0.01)，相關系數為0.758(圖4)。Bland-Altman分析：兩種測量方法的平均差值為0.29°，差值的分布接近于0，所有測量的數據點均在95%CI內(圖5)。

表1 兩種測量方法的測量數值比較

表2 兩種測量方法的可靠性分析

圖4 兩種測量方法的相關性

圖5 Bland-Altman分布圖

3 討論

頸椎疾病尤其常見于長期屈頸、低頭工作的人群。頸椎退變、頸部肌肉勞損、頸椎不穩、頸椎損傷等多種頸椎疾病都可導致頸椎ROM的下降。頸椎ROM不僅僅是頸椎正常功能評價的一項重要指標，也是頸椎外科治療評價療效的一種重要方法。通過術前頸椎ROM的測量，術者也可根據具體情況調整治療方案，做到個體化、精準化的手術治療。

目前用于頸椎ROM的測量方法眾多[8]，如基于X線片的Cobb角測量等；專用的測量儀器種類也較多，包括重力儀測量法(gravity goniometer)、斜度儀測量法(clinometer)、立體照相分析法(stereophotography)等[9，10]。這些測量儀器擺脫了X線片的限制，減少了患者的射線暴露。吳曉東等[11，12]設計了頸椎三維活動度測定儀，具有良好的復測信度和觀察者間信度，但由于頸椎活動過程中可能存在胸椎的伴隨活動，該工具無法避免胸椎活動造成的影響；此外，Feng等[4]通過光學運動捕捉系統對頸椎ROM進行測量，研究證明該系統具有良好的重復性和有效性；Yoon等[13]采用基于慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)的三維角度測量系統對頸椎3個平面的活動度進行了測量研究，證實該系統具有很好的可靠性和有效性，但在每個平面的運動末端范圍使用IMU三維角度測量時的有效性較差。雖然測量頸椎ROM的方法、儀器眾多，但由于頸椎在屈伸過程中往往和胸椎連帶運動，并且頸椎活動過程中往往伴隨冠狀面、矢狀面、水平面的三維運動，頸椎ROM的精準測量并不容易。

相對而言，CMAS對于頸椎ROM的測量更為簡單快捷，測量者單人即可完成測量過程，操作的要點在于儀器佩戴的位置和患者的配合程度。在本次研究中，具有骨科專業背景的測量者在簡單培訓后，經2～3次測試訓練即可完全掌握測試方法。得益于CMAS高達400 Hz的采集頻率，該系統的測試結果是對整個頸椎活動的動態記錄，生成頸椎活動曲線圖，提供了更為全面具體的頸椎活動信息，具有明顯的優勢。同時，該系統信息傳輸平均延時5 ms內，保證了測量數據的高速傳輸，配合系統專用的移動端APP，視頻實時跟蹤顯示測量結果，用戶體驗良好。另外，頸椎測量過程中可存在胸椎甚至整個軀干的連帶運動，雖然這些運動可能會對頸椎ROM的測量產生影響，但CMAS可以通過胸椎組件抵消胸椎連帶運動對測試結果的影響。本研究對該系統測量結果的可靠性和有效性進行了評估，結果顯示具有高度的觀察者內一致性和觀察者間一致性，SEM為3.0°，MDC為6.9°，與DSA測量結果具有高度相關性。結果可見，系統測量數據具有良好的重復性、可靠性。

本研究有如下不足：首先，CMAS組測量的樣本量僅50例，DSA組僅15例，樣本量較小，其結論有待大樣本研究進行驗證；其次，CMAS具有冠狀面、矢狀面、水平面共3個平面的傳感器，在測量過程中能夠同時記錄3個平面的數據改變。但是由于本產品目前尚處于研發階段，本次測量并沒有記錄冠狀面和水平面數據。產品成熟之后，有待從3個平面對頸椎ROM測量的可靠性進行全面分析。此外，本研究納入的受試者均為脊柱門診頸部疼痛患者，有必要納入健康患者和頸椎病患者進行結果驗證。