动态骨骼肌肉综合分析系统测量颈椎活动度的重复性和可靠性分析

周捷，王建喜，肖强强，藏法智，袁文，陈华江

(1.海军军医大学第二附属医院(上海长征医院)骨科，上海 200003；2.上海市浦东新区人民医院骨科，上海 201299)

颈椎活动度(range of motion,ROM)能够直接反映颈椎的功能状态，与颈椎退变程度、颈痛症状、颈椎的稳定性密切相关，是颈椎外科治疗前的常规检查。目前用于颈椎ROM测量的方法众多，包括屈伸动力位X线片测量法、重力仪测量法、斜度仪测量法等，国内外也研发了专用的颈椎ROM测量工具[1-3]。随着科技的进步，测量方法进一步革新，视觉捕捉系统、手机软件测量等新的测量方法同样表现出良好的可靠性[4-6]。然而，由于颈椎活动过程中存在矢状面、冠状面、水平面三个平面的复合运动，并且颈椎活动过程中胸椎的轻微连带运动都将会对测量结果造成影响[7]。快速、便捷、精准测量颈椎ROM仍然具有挑战性。

动态骨骼肌肉综合分析系统(comprehensive musculoskeletal analysis system,CMAS)由上海长征医院与上海博灵机器人科技有限责任公司共同研发。系统内置博灵自主研发的高精度运动传感器芯片，可实时捕捉、高速精准监测肌骨系统现状；数据实时采集频率不低于400 Hz，平均延时5 ms内。该系统由颈、胸、腰、下肢多种组件组成，多组件协同组合使用，实现多部位精准评估，涵盖脊柱、髋、膝、踝关节的信息测量，同时具备穿戴舒适性和运动相容性。目前，该系统已经在脊柱侧弯、军事训练保障、关节术后康复、脊髓型颈椎病等方面得到了初步的应用，取得了满意的成效。本研究对该系统测量颈椎矢状面ROM的重复性和可靠性进行评估，并与传统的DSA动态影像测量法进行比较分析。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择本院脊柱外科门诊就诊的颈部疼痛患者为研究对象。纳入标准：既往无颈椎疾患相关病史，无颈椎外伤，无颈椎畸形；年龄18～70周岁；身高150～185 cm；体重指数(body mass index,BMI)18～24 kg/m2。排除标准：颈椎发育畸形；颈椎外伤病史；患有其他可能影响颈椎活动的全身疾患，如强直性脊柱炎、类风湿性关节炎等。

选择50名受试者采用CMAS测量颈椎活动度(A组)，男28例，女22例；年龄20～68岁，平均(45.1±13.8)岁；BMI为(20.5±1.8)kg/m2。15名受试者同时采用动态X线(DSA,数字减影血管造影机)影像进行测量(B组)，男8例，女7例；年龄21～68岁，平均(46.1±14.8)岁；BMI为(20.4±1.9)kg/m2。两组患者一般资料对比，差异无统计学意义(P>0.05)。

1.2 测量方法

由2名经验丰富的外科医生分别采用2种方法进行测量。第1次测量之后2周，在相同条件下，再次为受试者进行第2次测量。

1.2.1 CMAS颈椎矢状面ROM测量

①受试者脱去外套，自主颈椎过伸过屈旋转活动，放松颈部肌肉。②测量者帮助受试者穿戴CMAS。③取自然放松功能坐位，腰背部挺直，双肩放松，双臂自然下垂，双手置于大腿上。④测试者检测CMAS功能正常。⑤测试者指导受试者进行颈椎屈伸活动，确保颈椎屈曲、仰伸至最大幅度。⑥受试者按照要求快速屈伸颈椎，时间约10 s，屈伸过程中尽量保持胸椎稳定。⑦记录测试数据。

CMAS实时采集受试者颈部运动数据，并传输至移动客户端专用APP，形成患者的实时动态捕捉图像及颈椎角度变化的曲线图(图1)。测试者可通过移动端APP实时检测数据的稳定性。测量过程中，受试者多次做颈椎屈伸活动，生成一系列稳定的颈椎ROM曲线图。最终，颈椎ROM的结果取稳定波动曲线区域的ROM最大活动幅度的均值。

图1 颈椎ROM曲线图

1.2.2 DSA动态影像颈椎矢状面ROM测量

①操作：受试者脱去外套，测试前先适当活动颈椎，放松颈部肌肉。受试者取自然放松功能体位，端坐于DSA室内测试椅上，双腿自然放松，测试椅椅背垂直，受试者背靠椅背，颈椎处于中立位，双肩放松，双臂自然向下，双手放于大腿上。DSA开启后受试者缓慢前屈颈椎至最大屈曲位，随后缓慢仰伸颈椎至最大仰伸位(图2)。②影像学测量：选择DSA动态影像中最大屈曲位和最大仰伸位的2张影像进行颈椎活动度测量(图3)。测量参考线如下，A线：硬腭至枕骨最下缘连线，即McGregor线；B线：C7椎体下终板线。颈椎ROM=屈曲位AB线夹角-仰伸位AB线夹角。

图2 DSA测量颈椎矢状面ROM

图3 DSA动态影像的测量方法(A:最大屈曲位影像；B:最大仰伸位影像；C:DSA动态影像叠加图)

1.3 统计方法

2 结果

①2种方法的测量数值：不同性别和不同年龄组之间，两种测量方法测试结果均无统计学差异(P>0.05)，见表1。②观察者内一致性分析：同一外科医生以CMAS对受试者先后2次测量颈椎活动度，ICC=0.947，95%CI为(0.763,0.980)，P<0.01。可见，2次测量具有高度一致的观察者内一致性。③观察者间一致性分析：2名外科医生采用CMAS对受试者测量颈椎活动度，ICC=0.899，95%CI为(0.799，0.947)，P<0.01。可见，不同测量者测量具有高度一致的观察者间一致性。④可靠性分析：A组颈椎ROM测量的SEM为3.0°，MDC为6.9°。B组颈椎ROM测量的SEM 为1.8°，MDC为4.1°。见表2。⑤2种测量方法的相关性分析：Pearson分析显示，两种测量方法具有显著相关性(P<0.01)，相关系数为0.758(图4)。Bland-Altman分析：两种测量方法的平均差值为0.29°，差值的分布接近于0，所有测量的数据点均在95%CI内(图5)。

表1 两种测量方法的测量数值比较

表2 两种测量方法的可靠性分析

图4 两种测量方法的相关性

图5 Bland-Altman分布图

3 讨论

颈椎疾病尤其常见于长期屈颈、低头工作的人群。颈椎退变、颈部肌肉劳损、颈椎不稳、颈椎损伤等多种颈椎疾病都可导致颈椎ROM的下降。颈椎ROM不仅仅是颈椎正常功能评价的一项重要指标，也是颈椎外科治疗评价疗效的一种重要方法。通过术前颈椎ROM的测量，术者也可根据具体情况调整治疗方案，做到个体化、精准化的手术治疗。

目前用于颈椎ROM的测量方法众多[8]，如基于X线片的Cobb角测量等；专用的测量仪器种类也较多，包括重力仪测量法(gravity goniometer)、斜度仪测量法(clinometer)、立体照相分析法(stereophotography)等[9，10]。这些测量仪器摆脱了X线片的限制，减少了患者的射线暴露。吴晓东等[11，12]设计了颈椎三维活动度测定仪，具有良好的复测信度和观察者间信度，但由于颈椎活动过程中可能存在胸椎的伴随活动，该工具无法避免胸椎活动造成的影响；此外，Feng等[4]通过光学运动捕捉系统对颈椎ROM进行测量，研究证明该系统具有良好的重复性和有效性；Yoon等[13]采用基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的三维角度测量系统对颈椎3个平面的活动度进行了测量研究，证实该系统具有很好的可靠性和有效性，但在每个平面的运动末端范围使用IMU三维角度测量时的有效性较差。虽然测量颈椎ROM的方法、仪器众多，但由于颈椎在屈伸过程中往往和胸椎连带运动，并且颈椎活动过程中往往伴随冠状面、矢状面、水平面的三维运动，颈椎ROM的精准测量并不容易。

相对而言，CMAS对于颈椎ROM的测量更为简单快捷，测量者单人即可完成测量过程，操作的要点在于仪器佩戴的位置和患者的配合程度。在本次研究中，具有骨科专业背景的测量者在简单培训后，经2～3次测试训练即可完全掌握测试方法。得益于CMAS高达400 Hz的采集频率，该系统的测试结果是对整个颈椎活动的动态记录，生成颈椎活动曲线图，提供了更为全面具体的颈椎活动信息，具有明显的优势。同时，该系统信息传输平均延时5 ms内，保证了测量数据的高速传输，配合系统专用的移动端APP，视频实时跟踪显示测量结果，用户体验良好。另外，颈椎测量过程中可存在胸椎甚至整个躯干的连带运动，虽然这些运动可能会对颈椎ROM的测量产生影响，但CMAS可以通过胸椎组件抵消胸椎连带运动对测试结果的影响。本研究对该系统测量结果的可靠性和有效性进行了评估，结果显示具有高度的观察者内一致性和观察者间一致性，SEM为3.0°，MDC为6.9°，与DSA测量结果具有高度相关性。结果可见，系统测量数据具有良好的重复性、可靠性。

本研究有如下不足：首先，CMAS组测量的样本量仅50例，DSA组仅15例，样本量较小，其结论有待大样本研究进行验证；其次，CMAS具有冠状面、矢状面、水平面共3个平面的传感器，在测量过程中能够同时记录3个平面的数据改变。但是由于本产品目前尚处于研发阶段，本次测量并没有记录冠状面和水平面数据。产品成熟之后，有待从3个平面对颈椎ROM测量的可靠性进行全面分析。此外，本研究纳入的受试者均为脊柱门诊颈部疼痛患者，有必要纳入健康患者和颈椎病患者进行结果验证。