使用肩峰标记簇测量动态肩胛骨运动学以最小化皮肤移动伪影

摘要

本报告详细介绍了在使用被动标记式运动捕捉设备时，如何采用肩峰标记簇方法获取肩胛骨运动学数据。如文献所述，该方法可提供一种可靠、无创、三维、动态且有效的肩胛骨运动学测量手段，最大限度地减少皮肤移动伪影。

摘要

由于肩胛骨在皮肤表面下的滑动特性，动态肩胛骨运动学的测量较为复杂。本研究旨在明确描述在使用被动标记式运动捕捉系统时，通过肩峰标记簇（AMC）方法测定肩胛骨运动学的具体操作，并探讨可能影响测量有效性与可靠性的误差来源。AMC方法是在肩峰后部放置一组标记簇，通过将解剖标志点相对于标记簇进行校准，从而获得有效的肩胛骨运动学测量数据。该方法的可靠性在15名健康个体（年龄19–38岁，男性8名）中进行了跨日评估，受试者在冠状面、肩胛面和矢状面内完成手臂上举至120°及回落的动作。结果显示，在手臂上举阶段，肩胛骨上旋（多重相关系数，CMC = 0.92）和后倾（CMC = 0.70）的日间可靠性良好，而内旋的可靠性为中等（CMC = 0.53）。上旋的波形误差较低（2.7°至4.4°），后倾亦然（1.3°至2.8°），而内旋的波形误差较高（5.4°至7.3°）。在回落阶段的可靠性与上举阶段相当。若遵循本研究中所述的实验方案，AMC方法可在手臂运动的上举和回落阶段，对肩胛骨上旋和后倾提供可靠的测量结果。

引言

对肩胛骨运动学进行客观、定量的测量，可评估与肩关节功能障碍相关的异常运动模式¹，例如在肩关节撞击综合征中，上臂上举时出现的肩胛骨上旋不足和后倾减少^2-8。然而，由于肩胛骨位置较深且在皮肤表面下具有滑动特性，其运动学测量较为困难¹。传统的运动学测量方法是将反光标记贴在解剖标志点上，但该方法无法准确追踪肩胛骨在皮肤下的滑动过程⁹。为克服这些困难，文献中已采用多种方法，包括：影像学技术（X射线或磁共振成像）^10-14、角度计^15,16、骨针固定^17-22、手动触诊^23,24以及肩峰标记法^3,5,19,25。然而，每种方法均存在局限性，例如：存在辐射暴露风险、二维图像分析时出现投影误差、需要反复主观判断肩胛骨位置、仅能进行静态测量，或具有高度侵入性（例如 骨针固定）。

解决其中一些困难的方法是采用肩峰法，即将电磁传感器附着在肩峰的平坦部位²⁵，肩峰是肩胛骨最外侧部分从肩胛冈延伸出的一块向前突出的扁平骨面。使用肩峰法的基本原理在于减少皮肤运动伪影，因为研究表明，与其他肩胛骨部位相比，肩峰处的皮肤运动伪影最小²⁶。肩峰法具有非侵入性，并可提供肩胛骨运动学的动态三维测量。验证研究显示，在使用电磁传感器时，肩峰法在上肢抬高至120°范围内均具有有效性^17,27。当使用基于标记点的动作捕捉设备时，需要采用一组呈簇状排列的标记点，即肩峰标记点簇（AMC），研究已证实该方法在使用主动式标记点动作捕捉系统时有效²⁸，同时在进行上肢抬高和降低运动时，使用被动式标记点动作捕捉系统也具有有效性²⁹。

采用AMC结合被动标记点运动捕捉系统测量肩胛骨运动学的方法，已被用于评估肩关节撞击综合征干预后肩胛骨运动学的变化³⁰。然而，该方法的有效使用依赖于准确地安放标记点群，其位置已被证明会影响测量结果³¹，以及准确校准解剖标志点³²，并确保上肢运动处于有效活动范围内（即上臂抬高低于120°）²⁹。此外，有研究指出，在使用主动标记点运动捕捉系统时，标记点群的重复安放是导致肩胛骨后倾测量误差增大的来源之一²⁸。因此，建立肩峰标记法在不同天数之间的测量重测信度至关重要，以确保其能够稳定地反映肩胛骨运动学特征。确保测量结果的可靠性，有助于检测和分析干预措施等因素引起的肩胛骨运动学变化。测量肩胛骨运动学的方法已在其他文献中有所描述^29,33；本研究的目的是提供一套使用被动标记点运动捕捉系统实施这些方法的逐步操作指南和参考工具，同时考虑潜在的误差来源，并评估该测量方法的可靠性。

方案

注意：本研究中人类受试者的使用已获得南安普顿大学健康科学伦理委员会的批准。所有受试者在数据采集开始前均签署了知情同意书。本研究中呈现的数据通过被动标记式动作捕捉系统记录运动学信息，该系统由12台相机组成：6台400万像素相机和6台1600万像素相机，采样频率为120 Hz。

1. 受试者准备

1. 要求受试者脱去上身衣物，或穿着运动内衣、背心或无肩带上衣。需确保衣物不会妨碍标记点的运动，或遮挡摄像机对标记点的视线。
2. 制作一个肩峰标记簇（AMC），由一块“L”形塑料片构成，每臂长度为70 mm。在AMC上安装三个反光标记点：每个臂的末端各一个，两臂交汇处一个（图1）。
3. 使用双面胶带将肩峰标记簇（AMC）固定于肩峰后部，即肩峰与肩胛冈交汇处。塑料片的一臂应沿肩胛冈方向指向内侧，另一臂应指向肩胛骨平面的前方（图1）。
4. 使用绑带将上臂标记簇固定于上臂（图2）。
5. 根据国际生物力学学会推荐，在以下解剖标志点处粘贴反光标记点³³（图1 & 2）：胸骨切迹（IJ；胸骨切迹最深部）、剑突（PX；胸骨最尾端点）、C7（第7颈椎棘突）、T8（第8胸椎棘突）、胸锁关节（SC；胸锁关节最腹侧点）、桡骨茎突（桡骨茎突最尾端点）和尺骨茎突（尺骨茎突最尾端点）。

图1：肩峰标记簇、C7 和 T8 解剖标记的位置。 该图改编自 Warner, M. B., Chappell, P. H. & Stokes, M. J. 使用肩峰标记簇测量手臂 lowering 过程中的肩胛骨运动学。Hum. Mov. Sci. 31, 386-396, doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012)。

图 2： 胸骨切迹（IJ）、剑突（PX）、胸锁关节（SC）、上臂集群、尺骨茎突（US）、桡骨茎突（RS）的标记点位置。

2. 受试者校准

注意：肩胛骨解剖标志点的位置需相对于肩峰标记簇来确定。每位受试者均需进行标志点的校准。

1. 构建一个校准棒，由四个反光标记点组成，排列成“T”形图3）。测量校准棒尖端到第一个棒上标记的距离。
2. 根据国际生物力学学会的建议，触诊并定位以下解剖学标志³³. 将校准棒的尖端置于解剖标志点上（图3）。使用动作捕捉系统采集三秒数据，确保摄像机能够清晰捕捉到标定棒、AMC以及上臂簇上的标记点。
   1. 肩锁关节（AC）——将手放在锁骨上，然后向外侧移动，直至锁骨与肩峰相接处。将探头尖端置于锁骨与肩峰之间的关节处。
   2. 肩峰角（AA）——沿肩胛冈向最外侧点触诊。将探头尖端置于肩峰最外侧点的背侧图3).
   3. 肩胛骨内侧棘（TS）——沿肩胛骨棘触摸至最内侧点。将探头尖端置于肩胛骨棘与肩胛骨内侧缘交汇处。
   4. 肩胛骨下角（AI）——沿肩胛骨内侧缘向下触诊，将探头尖端置于肩胛骨最尾侧的点。
   5. 内上髁（EM）——在受试者肘关节处于 90° 屈肘并使手指向前，拇指朝上，在肘部内侧用手触摸以定位内上髁。将探头尖端置于内上髁最尾侧的点。
   6. 肱骨外上髁（EL）——使受试者的肘部处于 90° 屈曲前臂，拇指朝上，在肘部外侧用手触摸以定位外上髁。将探头尖端置于外上髁最尾侧的点。
3. 为确定肩盂肱关节中心，要求受试者在肘关节完全伸展的情况下，将上臂从零度抬高位置开始做环转运动，直至大约 40° 上肢抬高。受试者在执行该动作时，应尽量减少肩复合体的前伸/后缩以及上提/下降；必要时，研究者可提供辅助。记录此动作约30秒。

图 3： 使用校准棒定位相对于肩峰标记簇（AMC）的解剖骨性标志。

3. 实验方案

1. 要求受试者在矢状面、冠状面和肩胛面内完成从0°到120°的上臂上举动作，然后将手臂放回体侧静息位置。肩胛面位于冠状面前方约40°处。

4. 运动学数据的后处理

注意：以下步骤详细说明了在动态运动试验中计算肩胛骨运动学所需的流程。这些步骤在文献中已有广泛描述和探讨^21,33,34，本节的目的是对实现获取肩胛骨运动学参数所需的建模步骤进行归纳，并提供逐步操作指南。这些步骤需在相应的运动学建模软件中实施。该软件包含创建局部坐标系、将坐标从全局坐标系转换至局部坐标系、将坐标从局部坐标系转换至全局坐标系，以及计算欧拉角旋转的命令。通过这些步骤，可将肩胛骨、肱骨和胸廓定义为刚体，进而计算肩胛骨相对于胸廓的旋转，以及肱骨相对于胸廓的旋转。

1. 利用AMC上标记点的坐标，为AMC定义一个任意的局部坐标系（图 4a）。对于每个肩胛骨解剖标志点校准试验，通过以下步骤确定代表解剖标志点位置的探针尖端相对于AMC上局部坐标系的位置。
   注意：运动学建模软件包含用于创建局部坐标系以及将坐标从全局坐标系转换为局部坐标系的命令，参见 图 4 例如命令。
   1. 使用探针上的标记点为该探针建立一个局部坐标系（图 4a使用运动学建模软件中的以下命令：AMC = [AMCO, AMCA-AMCO, AMCO-AMCM, xyz]，其中 AMCO、AMCA 和 AMCM 是分配给 AMC 上标记物的标签。
   2. 使用运动学建模软件，计算魔杖尖端在全局坐标系中的位置。在所提供的示例中，该位置位于标记点1（M1）沿魔杖X轴方向83 mm处图4b）；使用命令：Wand = [M1,M1-M2,M3-M4,xyz] 和 Wandtip = M1+{83,0,0}*ATTITUDE(Wand)，其中 M1、M2、M3 和 M4 为 Wand 上标记点的标签。
   3. 确定魔杖尖端相对于AMC（$%AA）局部坐标系的位置图 4c) 使用建模命令：$%AA = WandTip/AMC 和 PARAM($%AA)。
   4. 对每个肩胛骨解剖标志点重复步骤 4.1.1 至 4.1.3。
   5. 使用上述步骤，确定内上髁和外上髁相对于肱骨标记簇（而非AMC）的位置。
2. 利用动态校准试验计算相对于肩胛骨的盂肱关节中心位置。将肱骨与肩胛骨之间螺旋轴的旋转中心作为相对于肩胛骨的盂肱关节中心位置进行计算。有关该技术的更多细节，请参见 Veeger³⁵.
3. 将肘关节中心（ELJC）计算为肱骨外上髁（EL）与内上髁（EM）之间距离的中点；ELJC = (EM + EL) / 2。
4. 在动态试验过程中，利用解剖标志点相对于AMC的已知位置，确定解剖标志点在全局坐标系中的位置。图5).
   注意：建模软件包含将坐标从局部坐标系转换为全局坐标系的命令，参见 图5 例如命令。
   1. 参见 图5a 显示相对于 AMC（$%AA）的肩峰角解剖标志位置，如 4.1 节所述。
   2. 将动态试验中每个时间点的$%AA虚拟标记位置转换为全局坐标系，以创建肩峰角（AA）解剖标志图5b) 使用以下运动学建模命令：AA = $%AA*AMC 和 OUTPUT(AA)。
   3. 对每个解剖标志重复步骤 4.4.2。
5. 通过计算相关标记点之间的单位向量来定义胸廓和肩胛骨的局部坐标系，以表示每个刚体的各个轴，使用以下运动学建模命令：肩胛骨 = [AA, TS-AA, AA-AI, zxy]；胸廓 = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, yzx]，其中 MUTHX 为 IJ 与 C7 解剖标志点之间的中点，MLTHX 为 PX 与 T8 解剖标志点之间的中点。
   注：坐标轴的定义依据国际生物力学学会（ISB）的推荐标准³³ (表1 以及 图6).
   1. 采用类似方法，根据国际生物力学学会（ISB）推荐的“选项2”为肱骨定义局部坐标系³³.
      注意：选项2需要由盂肱关节中心、肘关节中心和尺骨茎突形成一个充分的平面。 即 需要一定程度的肘部屈曲。如果受试者接近完全伸展肘部，肱骨轴线可能会变得不稳定，因此应使用“选项1”（表1）。参见 Wu 等 （2005）以获取更多细节。
6. 使用欧拉角分解法，按照内旋（Y）、上旋（X’）和后倾（Z’’）的旋转顺序，确定动态试验中每个时间点肩胛骨相对于胸廓的方位。³³ 使用以下运动学建模命令：ScapularKin = -<胸部，肩胛骨，yxz> (图7).
7. 使用非卡丹旋转序列 Y（抬升平面）、X’（抬升）和 Y’’（轴向旋转）确定动态试验中肱骨相对于胸廓的方向³⁶ 使用相关的运动学建模软件。
   注意：可从制造商处下载宏，用于确定本文所用运动学建模软件中的非卡当旋转序列。

MUTHX = IJ 与 C7 之间的中点。MLTHX = PX 与 T8 之间的中点。GH = 肩盂肱关节中心。ELJC = 肘关节中心。

数学运算符：

^ = 两个向量的叉积

|| = 向量的绝对值

表1：每个刚性节段的局部坐标系。

5. 数据降维与分析

注意：以下数据降维和分析步骤在数值建模软件（如 MATLAB）中进行，该软件可对数据矩阵进行操作。将运动学数据划分为肱骨运动的抬高和下降阶段，对每个运动阶段进行时间归一化处理，然后将肩胛骨运动学参数表示为相对于肱骨抬高角度的函数。

1. 确定肱骨抬高运动的抬高相和降低相，具体方法如下（图8）。这些时相根据肱骨抬高角度的角速度确定（图8）。参见 ElevationLoweringPhases.m 函数文件。
   1. 当肱骨角速度超过最大肱骨角速度的2%阈值时，确定肱骨抬高开始。
   2. 当肱骨角速度降至最大肱骨角速度的2%以下，或肱骨抬高角度超过120°时，确定抬高相结束。
   3. 当肱骨角速度降至最小角速度的2%以下，或肱骨抬高角度降至120°以下时，确定肱骨降低相开始。
   4. 当角速度再次超过最小角速度的2%时，确定降低相结束。
2. 通过将每个运动阶段的运动学数据插值到101个数据点，对数据进行时间归一化处理（图9）。参见 Time_normalisation.m 函数文件。
3. 通过绘制上臂角度（度）与上旋角度（度）的关系图，表达肩胛骨运动学相对于肱骨抬高的变化（图10）。参见 PlotScapHumRhythm.m 函数文件。

结果

共招募了15名无肩部、颈部或手臂损伤史的受试者参与本研究（表2）。为评估评定者内部（日间）的重复性，每位受试者参加了两次数据采集，两次之间至少间隔24小时，最长不超过7天。在每次数据采集过程中，均由同一名研究人员按照上述详细步骤执行反光标记点、肩峰标记簇及解剖标志点的标定方案。采用多重相关系数（CMC）³⁷评估动态试验所获得运动学波形的可靠性。使用波形测量误差来评估不同日期之间的误差程度（σ^b）³⁸。

年龄（岁）

体重（kg）

身高（m）

体重指数（kg/m²）

讨论

确定肩胛骨运动学的方法选择至关重要，应充分考虑该方法的有效性、可靠性及其对研究的适用性。文献中已采用多种方法，但每种方法均存在局限性。肩峰标记簇（acromion marker cluster）克服了其中一些局限，例如二维成像中的投影误差，或需反复主观判断肩胛骨位置的问题，从而实现了对肩胛骨的无创动态运动学测量。然而，AMC 方法仍易受皮肤移动伪影的影响，尤其是在上臂抬高角度较大时，这引发了对该方法在高抬臂位置下有效性的质疑。先前一项评估本研究所述方法有效性的研究表明，当上臂抬高超过120度时，测量误差过大，该方法不再有效²⁹。但该研究同时证实，当上臂从高位抬高后回落至120度以下位置时，肩峰标记簇方法仍保持有效²⁹。通过在上臂抬高的状态下进行解剖标志点的校准，有可能降低高抬臂角度下的测量误差³²。然而，这会增加低抬臂角度下的误差。因此，在确定肩胛骨运动学的研究中，必须结合研究目的，审慎选择用于校准解剖标志点的最佳上臂抬高位置。

为了使任何测量技术被视为可行的工具，建立其可靠性至关重要。本文所呈现的数据表明，肩峰标记...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
被动标记点捕捉系统	Vicon Motion Systems	N/A
Nexus	Vicon Motion Systems	N/A	数据采集软件
Bodybuilder	Vicon Motion Systems	N/A	建模软件
14 mm 反射标记点	Vicon Motion Systems	VACC-V162B
6.5 mm 反射标记点	Vicon Motion Systems	VACC-V166
校准杆	Vicon Motion Systems	N/A
塑料底座	N/A	N/A	自行内部制作
Matlab	Mathworks	N/A	数值建模软件