四綜述四
DOI :10.3877/cma.j .issn.2095-5790.2016.04.010作者單位:215000蘇州市立醫院北區骨科1;201600上海市第一人民醫院南院創傷骨科2
通訊作者：汪方,Email :drwan g fan g @
基于光學運動捕捉系統的肩關節運動學分析研究進展
吳騰飛1 吳曉明2 胡丹1 王秋根2 汪方2
?關鍵詞? 肩關節;
運動學；光學；運動捕捉 肩部的各種創傷和疾病在不同程度上影響著肩關節的運動性能，動態測量活體肩關節運動學對于更好地理解肩關節病理學及運動損傷至關重要三由于肩部復雜的解剖以及較大的活動范圍，使其存在挑戰三既往基于靜態和動態的肩關節運動學測量技術，無法真實呈現運動過程中肩部各組織結構的分工協作關系，使得肩部的運動學研究遠遠滯后于臨床需求三近年來，光學跟蹤運動捕捉設計和技術的不斷發展，成為活體肩部運動學研究的有力工具，本文特此對該領域國內外文獻作一綜述三
運動捕捉也稱動作捕捉，定義為一個通過在時域上跟蹤一些關鍵點的運動來記錄生物運動，然后將其轉換成可用的數學表達并合成一個單獨的3D 運動的過程三光學式運動捕捉是根據工作原理來對其進行劃分的一種類別，系統主要組成包括標記點二攝像機和數據處理設備三人體的動作可以看成是人體各個關節點的動作，在運動捕捉系統中，一般把人體看成是由13~19個關節點組成的簡單模型三進行運動捕捉時，首先要在人體的各個關節點上粘貼固定一個特殊的反光材料，稱為標記點三這些反光材料可以被特殊的攝像機所追蹤三通過運動捕捉系統將標記點的軌跡與關節運動相關聯三利用兩臺或兩臺以上的攝像機進行實時視頻捕捉，從各個攝像機得到的序列圖片中可以得到每一幀中標記點的運動情況三因此可以得到一個特定的點隨著時間變化的連續運動軌跡，然后通過三維重建技術將這些點的運動軌跡還原為骨架模型的動作三
一二光學運動捕捉系統用于人體肩關節運動學分析的優點
肩關節是人體解剖和功能最為復雜的關節，動態測量活體肩關節運動學對于更好的理解肩關節病理學及運動損傷至關重要三然而，肩關節的運動無法用標準的MRI 或者CT 檢查來探究，因為這些方法都受限于靜態測量并且可能因此
而遺漏一些特異性的動態運動[
1]
三基于X 線測量的方法對于肩關節動態分析提供了足夠的精確度,Zhu 等[2]
用2D -3D
圖像-
模型自動配準技術在尸體模型上驗證單平面和雙平面熒光成像檢查法用于肩關節運動學測量的精度，數據表明使用雙平面成像法肱骨和肩胛骨在空間位置精度上位移誤差<0.3mm ，旋轉誤差<0.58?，但這種方法有電離輻射三而運動捕捉系統使用皮膚表面粘貼標記點為動態運動過程中
無創地確定肩關節運動學提供了很好的解決方案[
3-4]
三目前的成像技術對于肩部運動僅能做出靜態解釋(例如
CT 二MRI 檢查)，然而動態成像技術(例如MRI 二X 線透視檢查)卻受到技術的限制(例如測量區域的限制二低速記錄)
[5]
三運動捕捉系統通過在皮膚表面粘貼標記點可以在高速運動過程中無創地記錄大范圍的活動度三
在動態測量中，高精度的測量盂肱位移是非常具有挑戰
的三盂肱位移常常由MRI [6]
二X 線[7]檢查測量三圖像對于骨的位置提供了精確的測量[2]，但是不適合記錄快動作并受
限于獲得圖像的容積大小三由于X 線的射線因素，實驗獲得的運動數量也有限三然而，運動捕捉系統通過皮膚表面放置標記點，在采樣率及空間上并無限制三二二皮膚軟組織偽影(soft -tissue artefacts ,STA )對光學運動捕捉系統的影響
人體運動的運動學研究通常是采用立體攝影測量術或者在骨性標志皮膚上放置標記點的方法三當研究骨骼運動學時，主要的誤差來源于皮膚標記點與其下方骨骼的位移,
稱為STA ，這是由于肌肉收縮和皮膚滑移所致[
1,8-10]
三很多學者嘗試減少STA 引起的誤差，通常采用一些有
創的方法，如骨皮質內植入固定反光標記點的鋼針[
9,11]
三這種方法精度很高，被認為是 金標準 [12]三Dal Maso 等[9]在
4例活體受試者肩胛骨和肱骨骨皮質內植入帶有反光標記點的鋼針，運用線性回歸計算盂肱關節位移和旋轉，結果得出該方法測量盂肱關節運動學(位移值和旋轉角度)的誤差分別低于0.15mm 和0.2?三盂肱位移一直是有爭議的話題，因為盂肱位移是基于皮膚標記點的電磁或光學運動捕捉系統的精度下得出的幾毫米的范圍三基于光學運動捕捉系統下的鋼針植入法為盂肱關節位移提供了高精度的線性位移,
這比雙平面的熒光成像檢查法更為精確[13]
，然而這種方法卻是有創操作，在臨床實踐中并不切實可行[11,14]三Matsuki 等[15]用
X 線透視檢查的方法，使用2D -3D 圖像配準的技術，將基于MRI 的三維圖像投射并迭代地配準到2D X 線圖像中，測量肩胛骨平面下手臂外展時肱骨相對于肩胛骨的上/下位移值和外旋角度，肱骨由初始位置到手臂上舉至105?時上方平均位移值是2.1mm ，下方位移值是0.9mm ；肱骨由初始位置至上舉到60?時平均外旋14?
，上舉至最高點的過程中平均外四
842四中華肩肘外科電子雜志 2016年11月第4卷第4期 Chin J Shoulder Elbow (Electronic Edition ),November 2016,Vol.4,No.4
