前交叉韧带损伤运动学与动力学评估方法进展

黄文汉，张 余

综述

前交叉韧带损伤运动学与动力学评估方法进展

黄文汉，张 余

前交叉韧带（ACL）损伤临床常见，相关的运动学和动力学评估有助于更加客观、全面地认识ACL损伤，并为诊断和治疗策略的选择提供可靠依据。随着现代测量技术的发展，ACL损伤运动学和动力学评估研究正从静态二维逐步过渡到动态三维阶段。该文综述基于光学捕捉原理和放射影像学原理的运动学评估、手动测试、机器人辅助分析及有限元分析技术的应用进展、现状及优缺点。

前交叉韧带；膝损伤；生物力学；步态；光学捕捉；图像处理，计算机辅助；运动试验；机器人；有限元

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是临床常见的膝关节疾病[1-3]。据报道，目前美国每年进行ACL重建手术的数量超过40万例[4]。我国尚无整体人群发病率的报道，但有学者对现役集训运动员进行的调查结果显示，ACL损伤总体发病率为0.43%[5]。

为评估ACL损伤患者的运动学和动力学特点，人们最早利用量角器等测量工具在体表测量膝关节特定屈膝位的屈伸角度等参数，至今该方法仍在采用；之后的视频录制方法可通过分析每一帧视频图像中的膝关节位置，分析膝关节屈伸角度等的变化。这些方法测量简便，但精度较低，无法实现对复杂膝关节运动的分析。现代测量和诊断技术的进步使ACL损伤的检测手段逐渐发展到动态三维（three-demensional，3D）步态分析、荧光透视成像、动态CT和MRI、计算机膝关节虚拟系统分析等。通过这些测量手段，研究者可以获得膝关节运动学与动力学数据，即膝关节各组成部分在关节运动时的时空参数，包括自由度、对抗力与力矩、运动限度等[6]，从而对ACL损伤有更为客观、全面的认识，为此类患者的诊断及治疗策略的选择提供可靠依据。目前应用较多的主流技术包括高精度的X线透视成像技术，以及可跟踪大范围膝关节运动的红外光学跟踪技术。

1 基于光学捕捉原理的运动学评估

1.1 光学捕捉原理

光学式运动捕捉可通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。空间中的一个点，如果能同时被至少两部相机所见，则可以根据同一时刻两部相机拍摄的相机参数来确定这一时刻该点的空间位置。典型的光学式运动捕捉系统通常使用6～8个相机环绕场地排列，这些相机覆盖的视野重叠区域就是受试者的动作范围。为了便于处理，通常需要受试者穿上纯色服装，在身体的关节、髋部、肘、腕等关键部位贴上特制的标志或刚体，称为marker。视觉系统将识别和处理这些标志以得到运动轨迹。

1.2 ACL损伤运动学与动力学评估

利用光学捕捉原理捕获人体膝关节运动参数具有悠久的历史。从上世纪60年代开始，Begg等[7]首次运用平面定点摄像技术捕获运动学数据：将录像机或高速录像机的拍摄结果直接输入电脑，利用图像软件按帧解析图像，再输入运动解析软件，按场解析，采集每幅图像特征点的二维（two-dimensional，2D）图标，得到速度、加速度等运动学参数。而以多个红外线高速摄影机为主的立体3D运动分析系统则可利用光电位置敏感器件所构成的红外光点摄像机实现位置光电转换功能，直接记录并解算标志点的3D空间坐标信息，求得角速度，同时利用逆动力学方法计算动力学指标。Gao等[8]即利用3D运动分析系统测量36例受试对象（正常人、ACL损伤患者、ACL重建患者各12例）上下台阶时的膝关节时空参数，结果显示，ACL损伤患者上台阶时伸膝减少，上下台阶时内翻、胫骨内旋角度均增加。

目前，3D运动分析系统如OrthoTrak步态分析软件（美国，MotionAnalysis公司）、CODA mpx 30系统（英国，Movement Techniques公司）、3D gait motion analyses system（英国，VICON公司）等已成为采集骨性关节炎及全膝关节置换（total knee arthroplasty，TKA）、韧带修复手术患者关节运动学参数的主流步态分析工具[9]。但上述系统多采用表皮附属标记方法，表皮的相对移动成了制约测量精度的瓶颈。Corazza等[10]运用虚拟外壳和模拟退火算法免标记捕获膝关节的时空参数，结果表明，膝关节屈曲平均误为1.5°±3.9°、内收平均误为2.0°±2.5°；Schmitz等[11]亦应用单个摄影机免标记运动捕获系统测量下肢运动学参数，结果表明，各方向自由度的可靠性相关系数＜0.5°，信度较高，具有免标记物、精度高、采集数据快等优点，被认为是未来研究在体运动学的主流方法，但由于技术的复杂性，目前尚未应用于包括ACL损伤在内的临床检测。

2 基于放射影像学原理的运动学评估

基于放射影像学原理的运动学测量多指利用X线透视成像、CT扫描等对非负重膝关节准静态姿势逐一成像以重建3D运动过程，其中以2D-3D注册技术和X线立体测量分析（Roentgen stereophotogrammetric analysis，RSA）技术最为成熟。

2.1 2D-3D注册技术

2.1.1 步骤 基于2D-3D注册技术的膝关节运动在体测量主要有以下步骤：①获取2D动态X线透视图像；②建立膝关节3D模型；③根据成像系统参数在计算机上建立虚拟成像空间，构建3D模型与2D图像的投射关系，调整模型空间位置，实现模型与图像的注册；④在重建姿态的基础上测量膝关节的3D运动学参数。

2.1.2 单平面和双平面技术 最早的注册技术以单平面为主，具有测量精度高、辐射剂量小的特点。Miyaji等[12]利用2D-3D单平面注册技术研究患者的运动参数，结果表明，ACL损伤患者股骨内旋角度加大，摆动期或站立期患侧下肢胫骨前移较健侧超过0°～5°，这与其他研究结果类似[13-15]。

Tashman等[16]于2004年提出双平面2D-3D注册的概念，注册精度进一步提高。但双平面技术操作较为复杂，检测易受成像空间的限制及场地的制约，仅可测量平地行走、上下楼梯等小范围内活动，当膝关节进行大范围屈伸运动时（如下蹲、弹跳等），X线系统难以捕捉整个运动过程；而单平面技术则可扩大受试者能被系统捕捉到活动过程的范围。此外，双平面技术测量股骨与胫骨的时空参数误差要求＜0.2 mm，旋转角度误差＜0.4°；而单平面技术的时空参数误差要求＜0.5 mm，横断面旋转要求＜1.3°[17-18]。但无论单双平面技术，用于2D成像的C-arm荧光增强器尺寸均有限，不能在更大空间范围进行测量，这也限制了其使用。

2.2 RSA技术

与2D-3D注册技术相似，RSA技术亦是通过建模来求得运动学参数，区别主要在于建模过程的不同。该技术将直径为毫米级别的金属球（钽珠）植入骨骼表面，结合CT或MRI模型和X线透视成像，通过金属球透视成像关系逆向求解模型在成像空间的位置，在3D模型姿态的基础上测量关节之间的运动学参数。Fleming等[19]利用该方法测量ACL受损山羊于30°、60°、90°屈曲位下的胫骨前后位移，测得值分别为（8.8±1.39）、（7.6± 1.32）、（3.1±1.20）mm。与其他传统测量系统相比，该技术研究精度达到0.1 mm和0.3°以内，相关系数为0.83。诸多研究结果均证实，该技术准确性和可重复性均较高[16,20-21]。

2.3 动态MRI检测

上述放射学检测方法大都通过CT或MRI建模，采用的是静态图像。而开放性MRI的使用令运动学参数的测量更加动态、微观、直接，且无辐射性。Logan等[22]首先运用开放性MRI检测ACL损伤患者在0°、20°、45°及90°屈曲位下的膝关节状态，结果显示，与健侧比较，患者股骨外侧髁均向后脱位。在精度方面，开放性MRI亦显示良好的可重复性和可靠性。Okazak等[23-24]对36例ACL重建术前患者、56例ACL术后1年患者模拟slocum前外侧旋转不稳定性试验，在开放性MRI检测状态下对胫骨应用旋转应力，结果显示，ACL重建后患膝抑或单纯ACL损伤患者的胫骨外侧室前移度与轴移试验得分间均有良好的相关性[25]，而后者被认为是检测ACL损伤的常用手段[26]。这说明在开放性MRI检测状态下，无论是单纯ACL损伤还是损伤重建患者，检测结果都具有较高的可信度。此外开放性MRI技术还可同时观察半月板与关节的接触面积，更好地分析膝关节受损后ACL与半月板在不同膝关节姿势下的运动学与力学改变。

3 手动测试

轴移试验和Lachman试验可动态检测膝关节的前后移动度，测量简单、成本低，不仅可用于判断ACL是否损伤，还可评估重建术后的治疗效果。缺点在于难以定量，具有主观性，对检查者的经验要求较高[27]，亦无法测量动态旋转角度。为定量测量膝关节的活动度，目前临床上广泛使用的有KT-1000膝关节韧带动度测量仪、Genucom膝关节分析系统（美国，FARO公司），Rolimeter膝关节检测仪（德国，Aircast Europe公司）等设备[28]，均具有较高的准确性和良好的可重复性，但仅能测量膝关节的前后位移，无法评估膝关节的动态旋转功能[29]，肌肉对测量结果的影响亦不容忽视。有鉴于此，学者们相继开发用于轴移试验、评估膝关节3D运动的3D加速计[30]及电磁装置[31]，具有非侵入性，精度高，可动态、定量、客观测量等特点，已逐渐取代传统的手动膝关节测量工具。

4 机器人辅助分析

机器人辅助分析技术是近年来发展起来的体外高精度运动参数分析方法，为膝关节运动学研究提供新的技术手段。机器人/UFS（Ultra Force Moment Sensor万用力学传感器）系统[32]采用6自由度机械臂和通用力矩传感器，可以测量膝关节3个位移自由度（上下、前后和内外移动）和3个旋转自由度（旋转、内外翻转和屈戊旋转）的运动，从解剖、生物和功能角度分析膝关节的动力学与原位应力，还可测量同一受试对象在不同肌肉负载下ACL的原位应力[33]，较好记录关节负载变换及关节运动规律，评估关节内骨骼、组织以及移植物的力学特性，因此被认为是目前最能反映膝关节真实运动的技术。有学者运用机器人测试系统对9具ACL损伤尸体患肢进行胫股骨动力学检测，结果显示，ACL损伤不仅使胫骨前移增大，而且增加了胫骨的内旋和内移[34]。总之，机器人辅助分析技术测量直接，可运用相同的病例样本，降低样本的变异度；缺点是技术含量高，耗费成本高，目前还很难在临床上大范围推广。

5 有限元分析

作为一个具有理论基础和广泛应用效力的数值分析方法，有限元分析可以求解过去用解析方法无法求解的问题。对于如ACL等边界条件和结构形状均不规则的复杂问题，有限元方法是一种行之有效的描绘ACL在负载和胫股骨移动时应力分布表现的方法。Song等[34]应用3D有限元法对ACL前内束和后外束前向负荷中的应力分布进行计算，以此对尸体膝关节标本多个自由度的运动用传感器进行力学监测，其所建立的3D有限元模型具有较高的有效性，为ACL生物力学有限元分析的深入研究提供范例。

近年来有限元分析在ACL重建术中的应用逐渐受到学者的关注，通过了解ACL的应力空间分布，可以解释其在极限状态下发生断裂或损伤的关键因素，同时掌握寻找ACL理想替代物前所必须获得的数据[35]。该技术的缺点是：作为一种非线性高黏弹性体，韧带组织材料力学性能、本构方程复杂，相对于骨骼等硬组织来说建模更为困难，模型的验证缺乏大样本数据，目前尚未得到广泛推广。

6 小结与展望

ACL损伤的诊断、功能与疗效评价需要多方面、多角度的评估。随着技术手段的演进，目前ACL损伤的运动学和动力学评估正逐步从静态2D过渡到动态3D阶段，并以智能化、个体化、远程化为发展方向，致力于提高测量精度，减少检查辐射量，增强图像分辨率，以获得客观、精确的评估结果，更好地服务于ACL损伤患者的诊疗和康复决策过程。我国大部分医院目前仍停留在手工测试评估的阶段，因此有必要进一步普及和推广数字化检测手段，更好地践行新时代数字医学的理念。

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（本文编辑：张 辉）

新书速递

微创脊柱外科：外科技术和疾病治疗（精装）

Phillips FM,Lieberman I,Polly D编著

ISBN-10：1461456738

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Springer出版社 2014年7月出版 $189.00 470页

微创技术在过去十余年间发展迅速，目前已广泛应用于脊柱疾患的治疗。“使能技术”（enabling technology）的进步，令脊柱牵引系统、术中影像和导航、实时神经监测以及微创脊柱外科（minimally invasive spine surgery，MISS）等微创技术更加安全、有效、重复性好，而相关研究也明确证实上述手术技术的临床和经济学优势。本书详细阐述使能技术、外科技术（包括后路减压和融合手术）、特殊疾病和状况下的手术入路、特殊风险的处理策略、MISS并发症等，同时配有大量插图，为骨科医师、神经外科医师以及所有处理脊柱问题的卫生保健专业人员提供重要的参考信息。

Progress of assessment of kinematics and dynamics of anterior cruciate ligament injury

HUANG Wenhan*,ZHANG Yu.*Postgraduate School of Southern Medical University,Guangzhou, Guangdong 510515,China.

Anterior cruciate ligament(ACL)injury is common in clinical practice,the relative evaluation of kinematics and dynamics is helpful to understand ACL injury more objectively and comprehensively,and to provide reliable references for the choice of diagnosis and treatment strategy.With the development of modern measurement techniques,assessment of kinematics and dynamics of ACL injury has improved from static and 2-dimensional to dynamic and 3 dimensional stages.In this paper,the development,current researches, advantages and disadvantages of the assessment methods based on optical capture and radiological principles, manual test,robot-assisted analysis and finite element analysis were reviewed.

Anterior cruciate ligament;Knee injuries;Biomechanics;Gait;Optical capture;Image processing,computer-assisted;Robotics;Finite element

R356，R684

A

1674-666X（2014）01-0049-06

2013-11-08；

2013-12-20）

10.3969/j.issn.1674-666X.2014.01.010

国家自然科学基金面上项目（81271957）；全军医学科研“十二五”面上课题（CWS11C268）；广东省矫形技术与植入材料重点实验室建设基金（[2011]233-32）

510515广州，南方医科大学研究生学院（黄文汉）；510010广州军区广州总医院骨病关节科（张余）

E-mail：wenhanx@126.com