示指关节活动空间及其应用

王风丽，陈志翔，阮兢，何胜敏

1.闽南师范大学计算机学院，福建漳州市 363000；2.数据科学与智能应用福建省高校重点实验室，福建漳州市 363000；3.中国人民解放军联勤保障部队第九〇九医院（厦门大学附属东南医院）康复医学科，福建漳州市 363000

手指容易受到损伤，影响正常活动，降低生活质量。传统关节活动度测量仅限于单个伤指[1]，忽略手指间的约束关系；而相邻手指的运动会对伤指的运动范围造成影响。目前，伤指康复训练大多为主被动屈伸运动[2-4]，并未考虑邻指间的约束关系；另外，多指训练更关注屈伸功能，忽略手指的内收和外展功能[5-8]。

手指的运动既包括屈伸运动，又包括内收-外展和环转运动，对手指进行研究要考虑手指关节在各个方向上的运动范围。由于手指运动会受邻指的约束，对手指运动范围进行测量时还要考虑手指间的约束关系。本研究观察示指屈伸、内收-外展以及环转运动的运动范围，可用于伤指康复评估，指导康复训练；同时，为手指关节康复训练机器人和医生提供更完善的数据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

招募闽南师范大学计算机学院学生33 例，男性18例，女性15例；年龄22～30岁。其中示指未受伤者30 例（健康组），近期示指受过伤者3 例（患者组）。3 例伤者均接受过药物治疗和训练。受试者均了解实验过程和目的，并签署知情同意书。

本研究已经闽南师范大学伦理委员会伦理审查（No.MNNU-LL-2020-001）。

1.2 方法

1.2.1 示指运动特征测量及试验设计

手指的基本运动包括屈和伸、内收和外展、环转。屈伸是围绕冠状轴进行的运动，一般两骨之间夹角变小为屈，反之为伸；内收和外展是围绕矢状轴进行的运动，骨向正中矢面靠拢为内收，反之为外展；环转运动是骨的近端在原位转动，远端做圆周运动，实际是沿冠状轴、矢状轴所做的连续运动的组合形式[9-10]。

将示指和中指用牙签和皮筋固定，排除指关节对掌指关节运动的影响。①保持其余指不动，示指单独做屈伸、内收-外展、环转运动；②保持其余三指不动，示指和中指同时做屈伸、内收-外展、环转运动。每个动作重复2 次，间隔30 s。两部高清相机分别位于手背正上方和拇指侧方10 cm 处（图1），记录示指运动轨迹。在示指左侧画一道线，处于0o时，用于建立XOZ平面和XOY平面。X表示矢状面或冠状面的水平运动，O表示示指的掌指关节，Y表示矢状面的垂直运动，Z表示冠状面竖直运动。采用MATLAB 处理信息，通过跟踪示指上的直线，绘制示指屈伸、内收-外展和环转运动范围。示指屈运动（向下）测量角度为正，伸运动（向上）测量角度为负。

图1 示指运动

1.2.2 双指的二维约束关系

除拇指外的其他四指结构相似。在前期研究的基础上，本文以示指为例，研究其运动与约束关系。在不考虑其他手指的约束时，每个手指的关节活动度为[11]：

其中，θM,θP,θD分别表示指掌关节、近指关节、远指关节的关节活动度。

单指只能在一定范围内独立运动，若超出这个范围，单指运动受邻指约束，多指同向运动时存在促进关系，多指反向运动时存在抑制关系。因此，若单指独立运动，其运动角度静态极大值为Smax（屈曲），静态极小值为Smin（背伸）；若相邻双指协同运动，单指运动角度动态极大值为Dmax（屈曲）和动态极小值Dmin（背伸）。

对运动中的示指和中指取点，用MATLAB 绘制示指和中指的约束图（图2）。

图2 示指和中指的运动关系约束图

1.3 运动范围测量

1.3.1 屈伸运动

计算健康组的示指屈伸运动范围平均值，作为示指正常屈伸运动范围。

计算伤指运动范围与正常运动范围的百分比。

单指屈伸运动范围百分比

双指运动时伤指屈伸运动范围百分比

1.3.2 内收-外展

同前法，计算伤指运动范围百分比。

单指内收-外展运动范围百分比

双指运动时伤指屈伸运动范围百分比

1.4 环转运动

示指环转运动受到中指约束，只在半平面空间内运动，划出近似半个圆锥的立体图形（图3）。同法计算正常示指环转运动范围。若示指受伤，伤指可能在某些方向不能到达正常运动范围，差距最大的方向称为最大缺陷方向。通过伤指和正常指指尖坐标计算伤指的缺陷距离，比较后得到伤指的最大缺陷距离，输出此时伤指和正常手指的指尖坐标，得到伤指的最大缺陷方向。

图3 示指环转运动范围

最大缺陷方向=((x正-x伤),(y正-y伤),(z正-z伤))

其中，(x正,y正,z正)表示正常手指的指尖坐标，(x伤,y伤,z伤)表示伤指的指尖坐标，mi,nj表示正常手指和伤指的距离。

1.5 评估方法

根据陈中伟断肢再植评定标准，若关节活动度百分比≥60%，恢复程度为优；40%～＜60%为良；30%～＜40%为可；＜30%为差。

2 结果

2.1 示指运动范围

两组示指运动范围如表1 所示。健康组与患者组的运动范围差异较大，双指运动时缺失范围百分比较小。

表1 示指运动范围（o）

根据《中华外科杂志》手外科组制定的手功能评定标准[12]，查出健康组和患者组示指掌指关节失能值，见表2。双指运动时的示指掌指关节失能值小于独立运动时。

表2 示指掌指关节屈曲功能损害值

2.2 伤指屈伸运动

3 例患者示指单独屈伸和双指屈伸时示指屈伸运动范围百分比和康复程度见表3。

表3 3例患者示指屈伸运动范围百分比（%）

3 例患者单指和双指运动时康复程度评级相同，但双指运动时的运动范围百分比高于单指运动，即中指对示指的运动范围有促进作用。

2.3 伤指内收-外展运动

虽然3 例患者的手指恢复程度都为优，但双指协同运动范围大于单指运动范围，中指对示指的内收和外展运动具有促进作用。患者3 的运动范围百分比明显小于患者1 和患者2，恢复情况较差，与实际情况相符。见表4。

表4 3例患者示指内收-外展运动范围百分比（%）

2.4 环转运动

患者伤指运动范围均小于正常手指，尤以患者3范围缩小明显。最大缺失方向分别在160°、70°和170°。见图4。患者1 和患者3 的主要缺陷区域位于80°～220°，患者1 的最大缺陷方向为160°，患者3 的最大缺陷方向为170°；患者2 的主要缺陷区域在0o～80o之间，最大缺陷方向为70°。见图5。

图4 3例患者不同角度示指环转运动范围比较图

3 讨论

本研究观察健康人和示指损伤者之间的示指单独和与中指协同的运动范围，计算伤指运动范围百分比，并对伤指康复程度进行评估。采用MATLAB 绘制出伤指环转运动范围对比图，确定伤指的最大缺陷方向。结果表明，本研究采用的方法能从各个维度反映伤指的恢复情况。本文虽然研究了单指在三维空间内的运动范围，但侧重点还是在水平和垂直平面，并未真正构成全三维空间伤指康复评定方法。

虽然伤指运动功能康复训练方法很多，如九孔柱Peg 实验、盒块实验、JebSen Taylor 手功能实验[13-14]，但很少考虑指间约束关系或只注重手指屈伸运动功能的恢复[15-17]。朱西昆[18]研究手指关节活动度，将其运用于康复训练装置的设计中，并用康复机器人对伤指进行屈伸运动训练。Ninković等[19]通过手部上下移动、抓取和松开木块等动作，对移植后的手功能进行康复训练。越来越多的研究者将新技术应用于手康复[20-21]，如手康复机器人、虚拟现实技术和数据手套等[22]。这些方法能有效恢复伤指屈伸功能，但忽略了伤指的内收-外展功能。本研究对将手指内收-外展功能训练应用于康复机器人有一定参考价值。

临床上，通常将手指关节活动度与其他手功能评估方法相结合进行康复评定[19,21,23-24]。付桢等[25]将手指关节活动度与Fugl-Meyer 评定量表结合对手功能进行评定。大部分研究者测量手指关节活动度时很少考虑邻指间的约束关系[2,4,26-27]，对功能的评定欠准确。另外，临床上更注重手指屈伸运动范围的测量和训练[3,18]，忽略手指内收-外展运动。本研究从水平和垂直两个维度对伤指单独和协同屈伸、内收-外展运动运动范围进行研究。

本研究显示，双指协同运动时，中指对示指有促进作用。提示在手指关节活动度评定中，应考虑邻指的约束，以获得稳定的结果。

本研究的另一重点是观察环转运动，探索伤指最大缺陷方向。本研究通过计算伤指和正常指的指间距离，获得示指环转运动的最大缺陷方向，为康复评定提供了新的角度，也为手部康复训练机器人和虚拟现实技术康复设备设计提供了新的数据。

后续将进一步研究伤指的次缺陷方向以及在三维空间内的康复训练方法。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。