使用双平面视频放射摄影测量体内肩关节三维运动学

Rebekah L. Lawrence; Roger Zauel; Michael J. Bey

doi:10.3791/62210

方法文章

使用双平面视频放射摄影测量体内肩关节三维运动学

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DOI：

10.3791/62210

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2021年3月12日

Rebekah L. Lawrence¹ , Roger Zauel¹ , Michael J. Bey¹

¹Bone and Joint Center, Department of Orthopaedic Surgery, Henry Ford Health System

本文内容

摘要

双平面视频放射照相技术能够以高精度量化肩关节运动学。本文所述方案专为在平面肱骨抬高过程中追踪肩胛骨、肱骨和肋骨而设计，并概述了数据采集、处理和分析的步骤。文中还描述了数据采集过程中的特殊注意事项。

摘要

肩关节是人体最复杂的关节系统之一，其运动依赖于四个独立关节、多条韧带以及约20块肌肉的协调作用。遗憾的是，肩部疾病（例如肩袖撕裂、关节脱位、关节炎）十分常见，常导致显著疼痛、功能障碍以及生活质量下降。尽管许多此类疾病的特定病因尚未完全明确，但普遍认为肩部疾病通常与关节运动异常相关。然而，要以足够高的精度测量肩部运动以验证基于运动机制的假设并非易事。不过，基于放射影像的运动测量技术已取得必要进展，使得研究者能够深入检验运动相关假说，并对肩关节功能建立机制性理解。因此，本文旨在介绍使用定制双平面视频放射成像系统测量肩部运动的方法。本文的具体目标包括：描述获取肩关节复合体双平面视频放射影像的实验流程、获取CT扫描数据、构建三维骨模型、定位解剖标志点、从双平面放射影像中追踪肱骨、肩胛骨和躯干的位置与方向，以及计算运动学结果指标。此外，本文还将阐述采用该方法测量肩关节运动学时所特有的若干注意事项。

引言

肩关节是人体最复杂的关节系统之一，其运动依赖于四个独立关节、多条韧带以及约20块肌肉的协调作用。肩关节也是人体主要关节中活动范围最大的，常被描述为在灵活性与稳定性之间的一种权衡。然而，肩部疾病十分常见，常导致显著疼痛、功能障碍以及生活质量下降。例如，约40%年龄超过60岁的人群患有肩袖撕裂¹^,²^,³，每年在美国约进行25万例肩袖修复手术⁴，每年造成的经济负担估计达30亿至50亿美元⁵。此外，肩关节脱位也较为常见，且常伴随慢性功能障碍⁶。最后，盂肱关节骨关节炎（OA）是肩部另一重要的临床问题，人群研究表明，约15%至20%年龄超过65岁的成年人存在影像学上的盂肱关节OA证据⁷^,⁸。这些疾病会引起疼痛，影响活动能力，并降低生活质量。

尽管这些疾病的发病机制尚未完全明确，但普遍认为肩关节运动的改变与多种肩部病理状况相关⁹^,¹⁰^,¹¹。具体而言，异常的关节运动可能促成病理变化⁹^,¹²，或者病理本身可能导致关节运动异常¹³^,¹⁴。关节运动与病理之间的关系可能十分复杂，肩关节中细微的运动改变也可能具有重要意义。例如，尽管角运动是盂肱关节的主要运动形式，但在肩部运动过程中也存在关节的平移运动。在正常情况下，这些平移运动的幅度可能不超过数毫米¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹，因此可能低于某些测量技术在体内的测量精度。尽管人们可能倾向于认为关节运动的微小偏差对临床影响甚微，但同样重要的是要认识到，多年肩部活动过程中细微偏差的累积效应可能超过个体组织修复与愈合的阈值。此外，盂肱关节在体内的受力情况也不容忽视。通过使用定制的仪器化盂肱关节假体，既往研究显示，用伸直的手臂将2 kg的重物举至头部高度时，盂肱关节所受的力可达到体重的70%至238%²⁰^,²¹^,²²。因此，关节运动的细微变化与集中在关节盂较小承重面积上的高负荷相结合，可能促进退行性肩部病理的形成。

历史上，肩关节运动的测量已通过多种实验方法实现。这些方法包括使用复杂的尸体测试系统来模拟肩关节运动²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷，基于视频的动作捕捉系统结合体表标记物²⁸^,²⁹^,³¹，附着在体表的电磁传感器³²^,³³^,³⁴^,³⁵，植入骨内的骨针并连接反光标记或其他传感器³⁶^,³⁷^,³⁸，静态二维医学影像（即透视成像³⁹^,⁴⁰^,⁴¹ 和X线片¹⁷^,⁴²^,⁴³^,⁴⁴^,⁴⁵），基于MRI的静态三维（3D）医学影像⁴⁶^,⁴⁷，计算机断层扫描⁴⁸，以及动态三维单平面透视成像⁴⁹^,⁵⁰^,⁵¹。近年来，可穿戴传感器（例如惯性测量单元）在实验室外及自由生活条件下测量肩关节运动方面日益受到关注⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷。

近年来，已涌现出多种双平面放射照相或透视系统，旨在精确测量肩关节动态的三维体内运动⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹^,⁶²。本文旨在介绍作者使用定制双平面视频放射照相系统测量肩关节运动的方法。本文的具体目标是描述获取肩关节复合体双平面视频放射图像的协议、获取CT扫描数据、建立三维骨模型、定位解剖标志点、从双平面放射图像中追踪肱骨、肩胛骨和躯干的位置与方向，以及计算运动学结果指标。

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方案

在数据收集之前，参与者已签署知情同意书。该研究已获得亨利·福特医疗系统机构审查委员会的批准。

获取、处理和分析双平面X线运动数据的方案在很大程度上取决于成像系统、数据处理软件以及所关注的结果指标。以下方案专门设计用于在肩胛平面或冠状面外展过程中追踪肩胛骨、肱骨以及第三和第四肋骨，并量化盂肱关节、肩胸关节和肱胸关节的运动学参数。

1. CT成像方案

要求受试者仰卧于CT检查床上，双臂置于身体两侧。根据受试者的体型，将其偏置于床面，以确保整个半侧躯干均可被成像。
为获取定位像，技术人员应确保CT扫描视野包括锁骨（上方）、肱骨远端髁上突（下方）、整个肩肱关节（外侧）以及肋椎关节和胸肋关节（内侧）（图1）。
采用以下参数进行CT扫描：扫描模式 = 螺旋扫描；管电压 = 120 kVp；管电流：200–400 mA（自动）；层厚 = 0.66 mm；视野（FOV）= 34 cm。
确认扫描图像质量和扫描视野。
使用512 × 512像素的图像矩阵对数据进行重建。根据层厚和视野大小，所得图像的体素间距约为0.66 mm，接近各向同性。
以DICOM格式导出图像。

2. 双平面X射线运动捕捉方案

注意：本方案中使用的定制双平面X射线系统详见材料表。不同系统组件的数据采集流程可能会有所不同。为区分操作步骤及相应的图像序列，将两套X射线系统任意称为"绿色"和"红色"，其射线束夹角约为50°，源-像距离（SID）约为183 cm（图2）。数据采集至少需要两名研究人员参与：一人操作X射线系统和计算机，另一人指导受试者。

相机软件设置
1. 将相机光圈设为默认设置（f/5.6）。
  注意：该数值取决于多个因素，包括相机型号、曝光时间、ISO值以及受试者的解剖特征。
2. 打开相机软件，并将研究方案加载至每台相机（采样率：60 Hz，曝光时间：1,100 µs）。
  注意：相机曝光时间可能因多种因素而异，包括相机型号、光圈设置和放射曝光条件。
系统预热
注意：若在X射线管阳极处于低温状态时施加高功率曝光，可能导致其损坏。因此，应根据制造商建议，通过一系列低能量曝光对X射线管进行预热。
1. 在两台X射线发生器控制面板上选择血管模式。预设的血管模式可产生适合系统预热的低能量曝光（依据系统制造商说明）。
2. 将脉冲发生器的曝光时间设为0.25秒。
3. 在两台X射线发生器控制面板上按住准备（PREP）按钮，屏幕上将显示准备曝光。
4. 当两个屏幕均显示准备曝光后，同时按下并按住曝光（EXPOSE）按钮。
  注意：此操作不会产生X射线，仅用于启动系统。X射线的产生需通过踩下脚踏开关或按下手持触发器实现。
5. 在两台控制面板上同时按下准备（PREP）和曝光（EXPOSE）按钮，并同时踩下并按住脚踏开关（或使用手持触发器），以触发X射线发生器产生X射线。
  注意：X射线的产生将持续至脉冲发生器设定的时间（步骤2.3.2）结束，或提前释放脚踏开关为止，以先发生者为准。
6. 重复步骤2.2.2–2.2.5，直至X射线管的热单位（HU）超过制造商要求的成像所需水平（本系统为5% HU）。
验证相机同步性与图像对焦
注意：通过采集一组畸变校正网格的测试图像来验证相机同步性和对焦情况（参见材料表）。每个影像增强器将使用以下步骤单独测试。
1. 将畸变校正网格放置在影像增强器上。
2. 在两台X射线发生器控制面板上选择心脏模式，该模式已预设为默认放射技术参数（70 kVp，320 mA，2 ms，焦点尺寸 = 1.0 mm）。
  注意：相机设置保持不变（采样率：60 Hz，曝光时间：1,100 µs）。
3. 将脉冲发生器设为0.25秒。
4. 通过相机软件启动图像采集，并按照前述步骤2.2.3–2.2.5采集X射线图像。
5. 预览所得图像，确定每个系统从触发脉冲到成像的延迟时间。若两台相机之间的延迟时间差超过2 µs，则需确定哪台相机触发延迟，并在相机软件中设置帧延迟以解决问题。
6. 目视检查图像清晰度以验证相机对焦。为进行客观评估，可使用图像处理软件（如ImageJ）在畸变校正网格中的一个珠子上绘制剖面线，并分析像素灰度值沿该剖面线的变化斜率。斜率越负，图像越清晰（假设放射图像为反相，即珠子呈暗色）。如有必要，重新对焦相机并重复步骤2.3.3–2.3.6。
受试者设置与体位摆放
注意：受试者的体位高度依赖于所追踪的骨骼及测试的运动类型。通常将受试者安置在固定椅子（非旋转或带轮）上进行测试，以尽量减少其位置变化，避免肩部移出三维成像范围。
1. 将椅子置于双平面成像范围内，使待测肩部大致位于双平面X射线束的交汇中心。此为初步定位，需根据受试者的解剖特征、测试动作及追踪骨骼进一步调整。
2. 要求受试者以舒适直立姿势就座，双臂自然垂于身体两侧。
3. 在受试者躯干上固定铅衬防护背心，覆盖腹部、对侧肩部及胸部。
4. 初步设定影像增强器的高度。为辅助此操作，开启系统X射线源内的照明灯，抬升系统直至受试者在影像增强器上的投影位于其腋窝水平。
  注意：每个系统中的X射线源与影像增强器联动移动。非联动系统需额外对准步骤，本文未予描述。
5. 确定影像增强器的初步高度。在双平面成像范围内轻缓移动受试者及其椅子，同时观察其在每个影像增强器上的投影。
  注意：一个合理的初始估计是将受试者定位，使其肩锁关节大致位于两个影像增强器的中心。对于当前协议（需在肩部抬高过程中可视化并追踪肱骨、肩胛骨及两根肋骨）而言，此位置是一个合理的初始估计。
6. 当受试者在两个系统中的位置均看似合理后，保持光源开启，要求受试者执行待测动作。确保在整个动作过程中，受试者的肩部始终位于放射视野内。如有可能，准直X射线束以减少辐射暴露。
7. 重复步骤2.4.5–2.4.6，直至受试者在成像范围内的设置显得合适。
8. 研究人员#1：返回控制室操作X射线控制面板和相机。将X射线控制面板设为低功率透视模式（60 kVp，3–4 mA），并将脉冲发生器设为0.25秒采集。
9. 研究人员#2：向受试者说明将采集图像以确认其在图像中的位置，并描述即将发生的一系列事件。提醒受试者注意系统发出的声音（如咔嗒声、嗡鸣声），以防其产生紧张情绪。穿戴铅衬防护背心，取出手持触发器，并尽可能远离X射线源，以最小化辐射暴露，同时保持与受试者的清晰视线和沟通。如有可能，应站在带观察窗的铅屏蔽后方。
10. 研究人员#1（在X射线控制室内）：启动相机并如前所述对X射线控制面板进行预准备（步骤2.2.3–2.2.5）。当系统准备就绪后，通知研究人员#2。
11. 研究人员#2（在实验室内）：向受试者提示图像采集即将开始。使用手持遥控触发器启动放射图像采集。告知受试者图像已采集完毕，并返回控制室。
12. 研究人员#1和#2（在X射线控制室内）：检查图像。重点关注受试者的位置及所有待追踪骨骼的可见性。如有必要，重复步骤2.4.5–2.4.12，直至受试者位置满意。
13. 一旦X射线系统的设置与定位确定，在数据采集期间不得移动系统，除非为每种配置重新采集校准和畸变校正图像。同时，应指导受试者在整个数据采集过程中尽量减少移动，以避免重复设置程序。
数据采集：静态图像采集
1. 研究人员#1（在X射线控制室内）：在X射线控制面板上设置优化后的放射技术参数（基于初步测试）。本实验采用的放射协议为70 kVp、320 mA、2 ms、焦点尺寸 = 1.0 mm，相机采集参数为60 Hz，曝光时间为1,100 µs。将脉冲发生器设为0.25秒。
  注意：告知受试者下一次图像采集将为正式采集。
2. 研究人员#2（在实验室内）：告知受试者保持直立坐姿，手臂自然垂于身体两侧。
3. 按照前述方法（步骤2.4.8–2.4.11）采集图像。
4. 研究人员#1和#2（在X射线控制室内）：检查图像。重点关注图像质量（即亮度和对比度）及所有必要骨骼的可见性。如需调整图像质量，确定需修改的参数（如光圈值、相机曝光时间、kVp、mA），并重新采集静态图像。
  注意：必须始终注意放射参数对辐射剂量的影响。
5. 重复步骤2.5.1–2.5.4，直至图像质量在伦理委员会（IRB）批准的剂量估算范围内达到可接受水平。
6. 当图像质量可接受后，检查图像的技术质量（如是否存在损坏帧）。
7. 完成可接受的静态试验图像采集后，保存每台相机的试验数据（例如："green_still.cine"，"red_still.cine"）。
数据采集：动态图像采集
1. 研究人员#1（在X射线控制室内）：保持静态试验图像所用的相同放射参数。将脉冲发生器设为2.0秒曝光。
2. 研究人员#2（在实验室内）：指导受试者完成待测动作，包括动作平面和时间节奏。确认椅子、受试者衣物和/或铅衬背心不会干扰肩部运动。与受试者一起练习动作试验。使用口头提示"准备……然后……开始"，控制节奏使其持续2秒（即动作试验的持续时间），以帮助受试者掌握动作的启动与完成节奏。
  注意：受试者必须充分理解流程并能稳定重复执行动作试验，以避免因试验失败导致不必要的辐射暴露。
3. 研究人员#2（在实验室内）：在充分练习后，取出手持遥控触发器。移动至实验室中安全位置，确保与受试者保持清晰视线和沟通。
4. 研究人员#1（在X射线控制室内）：将脉冲发生器重置为2.0秒，启动相机，并如前所述对X射线控制面板进行预准备（步骤2.3.4–2.3.5）。当系统准备就绪后，通知研究人员#2。
5. 研究人员#2（在实验室内）：询问受试者"你准备好了吗？" [等待肯定答复] "准备……然后……开始。"（节奏与之前相同，持续2秒）。
6. 研究人员#2（在实验室内）：在受试者开始手臂运动时手动触发X射线系统。
  注意：尽管基于视觉动作的手动触发可能遗漏动作起始点，但可避免因沟通失误或延迟启动而导致受试者过度暴露。试验完成后，告知受试者图像已采集，并返回控制室检查图像。
7. 研究人员#1和#2（在X射线控制室内）：检查试验图像的质量（即亮度和对比度）和技术状况（即是否存在损坏帧）（图3）。保存每台相机的运动试验数据（例如："green_scapab1.cine"，"red_scapab1.cine"）。
8. 重复步骤2.6.1–2.6.7，按照批准的辐射安全协议完成所有运动试验的数据采集。
采集校准图像
注意：放射图像校准用于定义基于实验室的坐标系、每个X射线放射系统相对于实验室坐标系的位置与方向，以及内在参数，这些参数可用于生成数字重建放射图像（DRR），后者在无标记追踪过程中使用。校准计算方法详见步骤3.4.1。
1. 保持数据采集期间使用的相同相机设置和放射技术参数。
2. 将脉冲发生器设为0.5秒曝光。
3. 将校准立方体（参见材料表）置于成像范围中央。
4. 采集并保存立方体图像（例如："green_cube.cine"，"red_cube.cine"）。
采集畸变校正和非均匀性校正图像
注意：使用影像增强器采集的放射图像会受到强度、非均匀性⁶³和畸变的影响。因此，需在每个放射系统上采集白场图像和畸变校正网格图像，以确定所需的校正参数。通常建议先采集校准图像，再采集畸变和非均匀性校正图像，以防在放置畸变网格时意外碰撞影像增强器。
1. 从放射视野中移除所有物体。
2. 保持数据采集期间使用的相同相机设置和放射技术参数。将脉冲发生器设为0.5秒曝光。
3. 将畸变校正网格（参见材料表）固定在绿色影像增强器表面。
4. 采集网格图像和白场图像。
5. 保存图像（例如："green_grid.cine"，"red_white.cine"）。
6. 将网格移至红色影像增强器，并重复步骤2.7.2–2.7.5，相应修改图像文件名。

3. 数据处理方案

注意：骨骼几何结构的制备、图像预处理（即畸变与非均匀性校正及图像校准）以及无标记追踪的步骤差异较大，且取决于所使用的软件。此处描述的步骤仅适用于专有软件。然而，主要的数据处理步骤可能适用于任何X射线运动捕捉软件包。

处理CT扫描
注意：作者实验室使用的专有无标记追踪软件可优化数字重建影像（DRR）的位置和方向。因此，CT扫描数据的处理流程最终生成16位TIFF图像序列。其他软件包可能要求将骨性结构几何形态表示为不同的格式或规格。
1. 打开图像处理程序（例如 Mimics、FIJI），并导入 CT 图像。
2. 从周围软组织中分割出肱骨。对于肋骨，创建一个将肋骨前部连接至胸骨柄的延伸部分，以便在后续3.2.6步骤中数字化胸肋关节。
3. 对已完成的掩膜与一个黑色掩膜（即所有像素均为黑色）执行布尔运算（运算方式：黑色减去骨骼）。结果得到骨骼的反向掩膜，其中所有像素均为黑色，唯有对应于骨骼的像素保留CT灰度值。
4. 沿三个轴向裁剪图像堆栈，以去除黑色（即非骨组织）像素。在该三维边界框的边缘保留部分黑色像素。
5. 将修改后的图像序列保存为 TIFF 格式。
6. 对所有剩余的骨骼重复步骤 3.1.1–3.1.5。
定义解剖坐标系和感兴趣区域（ROI）
注意：本方案中解剖坐标系的取向定义如下。对于右肩，+X 轴指向外侧，+Y 轴指向上方，+Z 轴指向后方。对于左肩，+X 轴指向外侧，+Y 轴指向上方，+Z 轴指向前方。.
1. 导入待处理骨组织的TIFF图像序列。使用专有软件，根据已知的像素尺寸和图像间距，将TIFF序列转换为.RAW文件，并重建三维骨模型。
  注意：模型的分辨率取决于CT容积的采样（即体素间距）。因此，网格三角形的平均面积约为1.02 mm² （±0.2 mm）²）（步骤 1.3）。
2. 按照以下步骤在肱骨上数字化解剖标志点（图4A).
  1. 肱骨头几何中心：利用最小二乘算法确定一个球体的尺寸和位置，使球面与肱骨关节面之间的距离最小化。将肱骨头的几何中心定义为该优化球体中心的坐标。
  2. 肱骨远端最宽处的内上髁和外上髁。
3. 定义肱骨头感兴趣区域（ROI）如下（图 5A).
  1. 肱骨关节面及大结节的全部区域。
4. 按照以下步骤在肩胛骨上数字化解剖标志点（图4B).
  1. 肩胛冈根部：位于肩胛冈内侧缘。
  2. 肩锁关节后部：位于肩胛骨肩峰的锁骨关节面后侧。
  3. 下角：位于肩胛骨最下端的点。
5. 定义肩胛骨感兴趣区域（ROI）如下（图5B).
  1. 肩峰：肩胛骨脊外侧的肩峰下表面。
  2. 关节盂：关节盂的整个关节面。
6. 按如下方法在肋骨上数字化解剖标志点（图4C).
  1. 前肋：位于肋骨延伸部分最内侧的区域。
  2. 后肋：位于肋骨头关节面后部的上/下中点处。
  3. 侧肋：当肋骨的前点和后点在屏幕上垂直对齐时，位于肋骨最外侧的部分。
图像预处理
注意：图像预处理使用专有软件完成，包括将动态图像文件转换为TIFF图像序列，并对图像进行畸变和非均匀性校正。
1. 执行非均匀性校正：软件将约30帧（即0.5秒的数据）进行平均，生成一幅高质量的明场图像，以最小化单帧图像中的噪声影响。该明场图像用于计算从X射线源到每帧数据中各像素点的射线路径上的真实放射密度。每个像素对应射线所穿透的所有物质的放射密度总和，与该像素明场图像的对数减去观测图像对数的差值成正比（即对数相减处理）。
2. 执行畸变校正：软件将约30帧（即0.5秒的数据）进行平均，生成单幅图像，以降低单帧图像中的噪声影响。畸变校正软件通过畸变网格图像中相邻三个微珠位置的每组三元组，与亚克力畸变校正网格中这三个微珠的已知（真实）位置之间建立仿射映射。这一系列局部仿射映射随后用于将运动试验中每一帧观测图像重采样至由正交排列微珠所代表的真实坐标系中。
3. 对每次试验的所有帧应用失真和非均匀性校正。
双平面成像体积校准
注意：图像校准使用专有软件完成。该软件采用非线性优化算法，将观测到的校准物体微珠位置调整至其已知的三维位置。此过程针对每组双平面校准图像进行。其结果是建立一个系统，能够对骨组织体积进行数字投影，生成两个视角的图像，并将其与数据采集过程中获取的同一骨骼的放射影像进行配准。
无标记追踪
注意：无标记追踪使用专有软件完成。也可使用 Autoscoper 和 C-Motion 等软件完成此过程。
1. 在运动试验的第一帧中，使用软件控件旋转和平移数字重建影像（DRR），直至其与双平面X射线图像大致匹配图6).
2. 保存手动配制的溶液。
3. 应用优化算法。
4. 目视检查由算法基于初始手动方案确定的最优溶液。如有必要，调整方案并重复步骤 3.5.2–3.5.3，直至对优化后的方案满意为止。
5. 重复步骤 3.5.1-3.5.4，每 10^th 运动试验中的帧
  注意：该时间间隔取决于多种因素，包括帧率、运动速度和图像质量，可能需要更短的时间间隔。
6. 每10次一次^th 对帧进行追踪，执行优化以生成插值的初步解，然后对这些初步解进行进一步优化。
7. 继续优化解决方案，直至运动试验的所有帧均被良好追踪。

4. 数据分析方案

注意：本方案中使用的专有无标记追踪软件可生成解剖标志点的原始轨迹和滤波后轨迹，这些轨迹将用于构建解剖坐标系。这些坐标是相对于校准过程中由校准物体定义的实验室坐标系来表示的。以下方案以通用方式描述了如何从这些标志点轨迹计算运动学结果指标，使其可在任何编程语言（例如 MATLAB）中实现计算。另有第二种专有软件用于计算运动学参数和邻近统计量。

计算运动学和接近度统计量
注意：主要的运动学结果指标包括关节旋转（即欧拉角）和位置。主要的接近度统计量包括最小间隙、平均间隙和加权平均接触中心，这些指标针对数据的每一帧进行计算。总体而言，这些指标描述了关节的关节运动学，即运动过程中表面之间的相互作用。在整个运动试验中汇总的解剖学接近度指标包括平均接触中心、接触路径和接触路径长度。
1. 对于每块骨骼和每一帧运动数据，使用经过滤波的解剖标志点坐标（即无标记追踪软件的输出结果），构建一个16元素的变换矩阵，表示该骨骼的解剖坐标系相对于实验室坐标系的位置。
2. 通过软件将相关骨骼之间的解剖坐标系关联起来，计算相对运动学参数。
3. 采用常规方法提取关节角度和位置⁶⁴。根据解剖坐标系的方向，使用Z-X'-Y''旋转序列提取肩盂关节运动学参数，使用Y-Z'-X''旋转序列提取肩胛胸壁关节运动学参数，使用Y-Z'-Y''旋转序列提取肱骨胸壁关节运动学参数。
4. 最小间隙：使用软件计算对侧骨上最近邻三角形质心之间的最小间隙（即距离）。
5. 平均间隙：使用软件计算最小间隙的面积加权均值，所用三角形为在指定测量区域内与其最近邻距离最小的那些三角形。将测量区域定义为最接近对侧骨、且面积总和为200 mm²的三角形集合。在计算中引入此测量区域，以确保平均间隙的计算仅包含合理接近对侧骨的表面。
  注意：测量区域的大小（即200 mm²）是在初始算法开发过程中选定的，因其能一致地反映肩峰下间隙和肩盂关节接近度，同时避免受到远端表面的过度干扰。若将该测量方法用于更广泛的表面相互作用（例如胫股关节），可能需要更大的测量区域。
6. 加权平均接触中心（即质心）：使用软件计算ROI表面上的一点，该点使得到测量区域内所有其他三角形（即最接近对侧骨、且面积总和为200 mm²的三角形）的加权距离最小。测量区域内每个三角形的权重因子计算公式为：三角形面积 / 到最近邻质心距离的平方（即反平方加权）。因此，权重较高的三角形具有更大的面积（权重因子为1）且更接近对侧骨（权重因子为最小距离的平方的倒数）。
7. 平均接触中心：使用软件计算整个运动试验过程中接触中心（即质心）的平均位置。由于接触中心反映了关节的关节运动学，平均接触中心即代表运动过程中表面相互作用的中心。
8. 接触路径：使用软件将整个运动试验过程中加权平均接触中心的坐标依次连接而定义。
9. 接触路径长度：使用软件计算整个运动试验过程中接触路径的长度。

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结果

一名52岁的无症状女性（BMI = 23.6 kg/m²）作为先前研究的一部分被纳入，并对其优势侧（右侧）肩关节进行了运动测试（冠状面外展）⁶⁵。在数据采集前，受试者签署了书面知情同意书。该研究已获得亨利福特医疗系统机构审查委员会的批准。数据采集采用先前描述的方案进行（图3）。

受试者的盂肱关节、肩胛胸壁关节和肱胸关节运动学数据分别如图7、图8和图9所示。对盂肱关节和肩胛胸壁关节运动学的目视检查表明，受试者肩部运动与冠状面外展过程中通常预期的模式一致⁶⁶。具体而言，盂肱关节运动包括上抬和轻微外旋，且整体运动平面位于肩胛骨后方（图7）；而肩胛胸壁关节运动则包括上旋、后倾以及...

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讨论

本文所述技术克服了传统肩关节运动评估方法（如尸体模拟、二维成像、静态三维成像、基于视频的动作捕捉系统、可穿戴传感器等）的多种局限性，能够精确测量动态活动过程中的三维关节运动。本方案在盂肱关节上的测量精度已通过放射立体测量分析（RSA）这一金标准验证，角度误差为±0.5°，位移误差为±0.4 mm⁶⁷^,⁶⁸。类似的方法也已应用于其他关节，如膝关节⁶⁹、脊柱⁷⁰和足/踝关节⁷¹。重要的是，若缺乏足够精确的测量系统，为检测关节运动中具有统计学意义且具临床潜在价值的差异所需样本量可能过于庞大而难以实现。此外，该精度水平使得研究者能够描述一系列潜在的重要结局指标，例如关节位置和/或位移⁶²^,⁷²、关节运动学（arthrokinematics）

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致谢

本研究由国家关节炎、肌肉骨骼和皮肤病研究所（资助号：R01AR051912）资助。本内容仅由作者负责，不代表美国国立卫生研究院（NIH）的官方观点。

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材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
校准立方体	自制	N/A	10 cm 丙烯酸盒，每个角嵌有一个钽珠，盒子’s 垂直边中点处另有四个钽珠（共12个钽珠）。每个钽珠的位置相对于盒子的一个角（作为实验室坐标系原点）精确已知。
畸变校正网格	自制	N/A	丙烯酸板，覆盖整个16英寸影像增强器表面，上面以1 cm间距排列正交的钽珠阵列。
ImageJ	美国国立卫生研究院	N/A	图像处理软件，用于生成骨体积的TIFF图像序列。
无标记追踪工作台	定制，内部开发软件	N/A	一套定制软件工作台，用于在三维骨模型上数字化解剖标志点，构建解剖坐标系，利用基于强度的图像配准实现无标记追踪，并计算和可视化运动学结果指标。
MATLAB	Mathworks, Inc	N/A	计算机编程软件，用于数据处理与分析。
Mimics（版本20）	Materialise, Inc	N/A	图像处理软件，用于从CT扫描中分割肱骨、肩胛骨和肋骨。
Open Inventor	Thermo Fisher Scientific	N/A	三维图形程序，用于骨骼可视化。
Phantom相机控制软件（PCC，版本3.4）		N/A	用于设定相机参数，以及采集和保存X射线图像的软件。
脉冲发生器（型号9514）	Quantum Composers, Inc.	N/A	同步X射线与相机系统，并设定曝光时间。
两台100 kW脉冲X射线发生器（型号CPX 3100CV）	EMD Technologies	N/A	产生用于生成X射线图像的X射线。
两台40 cm影像增强器（型号P9447H110）	North American Imaging	N/A	将X射线转换为光子，以生成可见图像。
两台Phantom VEO 340高速相机	Vision Research	N/A	高速相机记录X射线系统生成的可见图像。

参考文献

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