使用双平面视频放射摄影测量体内肩关节三维运动学

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

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

1. 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。
2. 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）。
3. 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。
4. 确认扫描图像质量和扫描视野。
5. 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。
6. 以DICOM格式导出图像。

2. 双平面X射线运动捕....

结果

一名52岁的无症状女性（BMI = 23.6 kg/m²）作为先前一项研究的一部分被招募，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。该研究获得了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）。

该受试者的盂肱关节、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，该受试者的肩部运动与冠状面外展过程中通常预期的运动模式一致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.......

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 mm^67,68。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）

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。