▣ 原文作者：PUI WA FUNG, KAM MING MOK, KAI MING CHAN,et al.
▣ 原文出处：[J]. Journal of Human Sport and Exercise, 2018, 13(4).
摘 要
本研究旨在比较基于体表标记点的新型便携式运动分析系统(Opti_Knee®)与传统系统(Vicon®)在膝关节运动学测量的结果。共招募19名受试者，下肢贴体表标记点进行下楼梯测试。根据标记点运动轨迹计算膝关节运动学数据。采用Pearson相关系数和均方根偏差(RMSD)对数据进行分析。不管是前交叉韧带正常组(ACLN)还是损伤组(ACLD)，2个系统在波形方面呈正相关性：矢状面旋转(屈曲/伸展)呈强正相关，水平面(内旋/外旋)和冠状面旋转(内翻/外翻)呈中等偏强正相关。2组受试者在站立相和摆动相的内翻/外翻、内旋/外旋的相关性上表现出差异。而且3个面的旋转，ACLN组的RMSD大于ACLD组。Opti_Knee®追踪下肢矢状面旋转的能力与Vicon®相同；而水平面和冠状面的旋转，在运动学波形上与Vicon®呈中等至强正相关，活动范围(ROM)和峰值与Vicon®的值存在偏离。
关键词
前交叉韧带（ACL），膝关节动态稳定性，运动损伤，下楼梯，胫骨-股骨运动学
背景
三维运动分析系统--膝关节稳定性功能评估
基于体表标记点的三维运动分析系统已广泛应用于各种膝关节损伤后的运动学研究，特别是ACL损伤重建后的运动学改变，如跑步、上下楼梯及其它日常活动和锻炼等(Salem, et al. 2003; von Porat, et al. 2006; Waite, et al. 2005; Webster and Feller. 2011)。然而，场地、耗时、以及数据统计分析所需的专业知识等，都使得传统系统难于在临床上应用。目前，在ACL重建后的康复过程中，关于功能测试的定量数据也未被广泛接受。
有一款新型便携式运动分析系统(Opti_Knee®，Shanghai Innomotion Inc., China)，专为胫骨-股骨运动学分析而设计。这是个小型化的运动捕捉系统，其便携式主机工作站含有集成式的双目红外摄像头(采样频率60Hz)和一个高速摄像机，光学跟踪系统的精度是0.3mmRMS(Northern Digital Inc., Ontario, Canada)，同时还有8个反光标记小球。
对ACL重建后动态稳定性评估的运动类型进行了系统性回顾，结果表明，下楼梯和单脚跳等简单的单平面运动是可行的选择之一(Chua, et al. 2016)。这表明，临床上需要的不是复杂的运动捕捉系统，而是简便的系统，只要它能够满足对同平面运动的检测。本研究采用下楼梯这个对ACL损伤的受试者挑战性较小的动作。
在进一步应用该新型便携式运动分析系统之前，有必要了解这种新型运动分析系统的性能。因此，本研究对便携式运动分析系统与传统的运动分析系统进行比较。在这项研究中，我们也纳入了ACL损伤患者，因为ACL损伤后的运动学变化是已被证实的 (von Porat, et al. 2006; Waite, et al. 2005)：活动范围(ROM）的增加或减少。我们假设Opti_Knee®与传统的系统（Vicon®）之间的运动学数据没有显著差异。
研究方法
先用电子卡尺验证2个系统的运动捕捉精度，然后开始研究2个系统之间膝关节运动学数据。2个系统检测结果的差异主要是由于体表标记点和各自算法差异造成的。
第1部分：检验2个系统对反光标记点位置的捕捉能力
使用精度0.01mm的电子卡尺(Digimatic caliper, Mitutoyo, Japan) 作为金标准，比较2个动捕系统的空间捕捉和准确度。
试验步骤：
电子卡尺上固定2个反光标记点：一个在固定的外测量爪上，另一个在滑块上。卡尺固定在一个平坦的平台上。随机选取4个平面，平移带有反光标记点的滑块，每个平面进行5次平移(记录反光标记点的6个空间位置)。Opti_Knee®和Vicon®同时捕捉卡尺滑块上反光标记点的运动轨迹。在这个过程中，有12台Vicon®摄像机在工作(为避免信号干扰，关闭了另外3台摄像机)，并将Vicon®的采样频率调至60Hz(与Opti_Knee®相同)。同时记录电子卡尺上的读数。当只使用2个反光标记点时，背景噪声大大降低。
数据分析：
提取标记点的运动轨迹，根据空间位置计算2个反光标记点之间的相对距离。采用t检验计算卡尺读数与Vicon®测量值之间的差异(A)、卡尺读数与Opti_Knee®测量值之间的差异(B)。当p值<0.05时表示具有统计学意义上的显著性差异。与金标准比较，误差分别是0.055±0.053mm(Vicon®)和0.040±0.057mm(Opti_Knee®)。配对t检验显示，2个系统的误差不具有显著性差异(p=0.233)。
由于2个系统对反光标记点的空间位置检测没有显著差异，为了优化试验流程，减少数据采集的时间成本，本研究其余部分仅采用Vicon®系统的摄像机捕捉标记点的运动轨迹。所采集数据分别在Vicon®的Nexus 1.7.1和Opti_Knee®系统软件中进行处理。使用Vicon®(MX-T40)运动捕捉系统(Vicon®, Oxford, UK)记录运动轨迹，采样频率200Hz。膝关节运动学数据由2套系统根据体表标记点计算得出(图1)。
图1：受试者下肢混合粘贴2个系统的标记点，其中星号表示的是Opti_Knee®系统的反光标记，并将其作为2个系统共享的标记点
第2部分：比较Opti_Knee®和Vicon®膝关节运动学测量结果的差异
受试者招募：
共招募19例受试者(男性14例，女性5例，年龄27.0±4.7岁；身高170.7±9.2cm；体重64.5±9.8kg)。9例经核磁共振证实为ACL断裂(男性6例，女性3例，年龄27.0±5.6岁；身高172.7±9.3cm；体重67.4±12.7kg)。所有受试者均已签署并保留知情同意书。研究方案已获香港中文大学-新界东联科临床临床研究伦理委员会批准。所有试验程序均按照批准的程序进行。
试验步骤：
将2个系统的体表标记点混合贴在受试者的下肢上(如图1)。选择正常组的强势腿损伤组的患侧腿进行测试。在数据采集之前，为了进行Opti_Knee®系统后续的轨迹计算，需要使用探头定位骨性解剖标志，并在地面上随机选取三个点进行校准，生成下肢关节坐标系和中立位关节位置。校准过程中，要求受试者站在中间位置，双脚距离10cm，双臂交叉于胸前，避免遮挡红外信号。所有的运动学意义都是相对于这个中性起始位置定义的，而不是骨性解剖标志。
受试者站在有2级台阶的楼梯上，每个台阶高度20cm，双手交叉在胸前，以避免信号遮挡，在节拍器指导下以每分钟80步的节奏，模拟现实生活中下楼梯的动作。受试者站在楼梯最上面的台阶上，按照指导老师的指令，用被试腿以跨步的方式开始下楼梯。在任何摆动相阶段或站立相阶段，脚和楼梯平台没有不必要的接触视为成功的试验。每例受试者采集5次成功的试验，采用Vicon®系统的摄像机捕捉运动轨迹。
数据分析与统计处理：
提取测试腿的胫骨-股骨运动学数据进行分析，分为3个自由度(DOF)：水平面旋转(内旋/外旋)、矢状面旋转(屈曲/伸展)、冠状面旋转(内翻/外翻)，并统一回归为100个数据点(图2)。
图2：2个典型测试案例(红色-Opti_Knee®,蓝色-Vicon®，单位-度(°)
先计算5次试验的ROM和峰值的平均值，再计算出2个系统之间的差值，并计算差值占Vicon算出的ROM值的百分比(如下面的公式所示)。
运动学波形比较采用Pearson相关系数(r)进行相似性分析，通过计算p值得到相关系数的显著性水平，均方根偏差(RMSD)用于比较运动轨迹的偏差(Thies, et al. 2007)，p值<0.05时达到显著性水平。对不同的区间进行相关性分析：(A)整个步态周期(站立相和摆动相)；(B)站立相；(C)摆动相。
临床结果
全ROM的差异
ACLN组的平均差异：屈曲/伸展为1.79°±6.22°(全ROM百分比:1.69%±6.47%)。内翻/外翻为10.09°±13.01°(全ROM百分比:29.89%±37.18%)。内旋/外旋为16.51°±11.11°(全ROM百分比：123.48%±96.81%)(表1)。
ACLD组的平均差异：屈曲/伸展为3.74°±4.14°(全ROM百分比:4.33%±4.57%)；内翻/外翻为5.63°±9.44°(全ROM百分比:11.19%±57.54%)；内旋/外旋为10.09°±10.65°(占全ROM百分比:62.35%±71.48%)(表1)。
表1：全ROM差异 & 3个平面的峰值差异
峰值的差异
ACLN组的平均差异：屈曲为-1.34°±5.92°(全ROM百分比:1.22%±6.20%)，伸展为0.45°±1.04°(全ROM的百分比：0.47%±1.09%)；外翻为14.73°±13.17°(全ROM百分比:46.96%±37.12%)，内翻为4.64°±4.24°(全ROM百分比:17.08%±17.30%)；内旋为13.30°±11.77°(全ROM百分比：100.54%±99.13%);外旋为-3.20°±3.08°(全ROM百分比:-22.94%±20.79%)(表1)。
ACLD组的平均差异：屈曲为-3.50°±4.20°(全ROM百分比:4.07%±4.64%)，伸展为-0.24°±0.37°(全ROM百分比：-0.27%±0.42%)；外翻为5.56°±11.88°(全ROM的百分比:12.49%±63.95%)，内翻为-0.07°±6.82°(全ROM的百分比:1.30%±24.33%)。内旋为5.11°±12.59°(全ROM百分比：34.72%±71.45%)，外旋为-4.99°±4.05°(全ROM百分比:-27.63%±21.11%)(表1)。
波形的相关性
采用Pearson相关系数和RMSD分析2种系统的运动波形(表2a&2b)
表2a：3个自由度的Pearson相关系数
图片表2b：3个自由度的均根方差RMSD
完整步态周期:
屈伸呈强正相关(ACLN:r=0.984,p<0.001;ACLD:r=0.994,p<0.001);内外翻呈中度相关性(ACLN:r=0.506,p<0.001;ACLD:r=0.487,p<0.001)；内外旋呈中度相关性(ACLN:r=0.466,p<0.001;ACLD:r=0.651,p<0.001)。RMSD测得的运动学偏差：ACLN组和ACLD组的分别是屈伸为6.29°和4.92°;内外翻为17.28°和11.65°;内外旋为11.54°和9.07°。
站立相与摆动相的相关性分析：
站立相：屈伸呈强正相关(ACLN:r=0.979,p<0.001;ACLD:r=0.992,p<0.001)；内外翻呈中度相关性(ACLN:r=0.509,p<0.001;ACLD:r=0.382,p<0.001)；内外旋呈中度相关性(ACLN:r=0.549,p=0.900;ACLD:r=0.654,p<0.001)。RMSD测得的运动学偏差：ACLN组和ACLD组的分别是屈伸为6.33°和4.91°;内外翻为15.82°和10.89°;内外旋为9.08°和7.98°。
摆动相：屈伸呈强正相关(ACLN:r=0.975,p<0.001;ACLD:r=0.991,p<0.001)；内外翻呈中度相关性(ACLN:r=0.326,p<0.001;ACLD:r=0.584,p<0.001)；内外旋呈中度相关性(ACLN:r=0.365,p<0.001;ACLD:r=0.602,p<0.001)。MSD测得的运动学偏差：ACLN组和ACLD组的分别是屈伸为6.22°和4.93°;内外翻为19.48°和12.91°;内外旋为14.75°和10.75°。
讨论
本研究旨在比较新型动捕系统与传统动捕系统。Opti-Knee®跟踪胫骨-股骨矢状面旋转的能力与Vicon®相当，ROM和峰值差异很小，Pearson相关为强正相关。然而，对于冠状面和水平面旋转，Opti-Knee®的ROM和峰值与Vicon®的值显著偏离。并且，当考虑ROM的误差时，水平面旋转的差异通常是很大的。
在ACLN组和ACLD组之间，我们发现在站立相和摆动相外翻/内翻的相关性上存在显著差异(表2a)，在所有对比的情况中，外旋/内旋的相关性也存在显著差异。在三个旋转平面上，ACLN组的RMSD大于ACLD组的RMSD。
选择Vicon®作为比较模型是因为其在生物力学领域的广泛应用。近年来，各种商业化的三维运动分析系统被引入，并研究了在不同运动任务中捕捉关节动力学和运动学的精度和能力。有研究使用步态插件模型标记集和其他标记协议将其与Vicon®等传统运动分析系统的能力进行了比较(Carse, et al. 2013; Pfister, et al. 2014)。临床方面，最近的研究通过使用便携式系统研究了不同的步态和特定的运动模式(Mok, et al. 2016; Yeung, et al. 2016; Zhang, et al. 2015; Zhang, et al. 2016)。本研究报告了两种系统之间的差异，上述研究的结果在使用Vicon®系统时可能无法重现。
运动分析系统在临床应用的障碍在于其尺寸和精度，这一直是该领域的热点话题。一个体积小、携带方便、精度高的系统将有利于运动学分析的临床使用。然而，为跟踪ACL损伤后运动变化而开发的新系统存在一些固有缺陷。首先，相机的数量限制了每次试验只采集一条腿的运动学数据。双腿步态分析的测试时间将延长一倍。其次，与标准步态分析协议相似，中性位置被定义为受试者的正常站立位置。它可能会影响矢状面旋转的定义，因为有证据表明美国患者ACL损伤可能会经历膝关节伸展功能丧失(Muneta, et al. 1996)。第三，新系统不包括髋关节运动学，这可能不能提供运动学变化的全面观点(Torry, et al. 2004)。
澄清一下，本研究只是比较一个新的三维运动系统模型和一个传统的模型，但它不应该被认为是一个验证研究。事实上，本研究中使用的模型plug-in-gait曾因放置在下肢的标记数量相对较少而受到批评，而新系统在大腿和小腿上有8个标记。一项使用动态立体放射(stereo-radiographic)系统验证plug-in-gait模型和Vicon®的研究表明，plug-in-gait模型被发现在不同的运动任务中测量胫骨-股骨运动学存在重大误差(Li et al . 2012)，如上楼梯时，受伤组和对照组之间的差异明显较大。该内在误差可能导致对结果的误判。
尽管关于ACL损伤后膝关节的运动学和动态稳定性的全面知识尚未建立，但Tashman等人使用高频立体放射拍摄系统发现在动态载荷作用下膝关节水平面旋转异常(Tashman, et al. 2004; Tashman, et al. 2007)。所有证据表明迫切需要对旋转稳定性的客观评价。应努力提高三维运动系统的精度，特别是水平面旋转。
总结
总之，在矢状面旋转运动学方面，便携式运动分析系统(Opti_Knee®)替代传统实验室运动分析系统(Vicon®)是令人满意的。该便携式系统的优点是，临床医生可以在步态分析实验室之外的临床环境中进行膝关节运动学评估。
