㊃综述㊃
DOI :10.3877/cma.j .issn.2095-5790.2016.04.010作者单位:215000苏州市立医院北区骨科1;201600上海市第一人民医院南院创伤骨科2
通讯作者：汪方,Email :drwan g fan g @
基于光学运动捕捉系统的肩关节运动学分析研究进展
吴腾飞1 吴晓明2 胡丹1 王秋根2 汪方2
ʌ关键词ɔ 肩关节;
运动学；光学；运动捕捉 肩部的各种创伤和疾病在不同程度上影响着肩关节的运动性能，动态测量活体肩关节运动学对于更好地理解肩关节病理学及运动损伤至关重要㊂由于肩部复杂的解剖以及较大的活动范围，使其存在挑战㊂既往基于静态和动态的肩关节运动学测量技术，无法真实呈现运动过程中肩部各组织结构的分工协作关系，使得肩部的运动学研究远远滞后于临床需求㊂近年来，光学跟踪运动捕捉设计和技术的不断发展，成为活体肩部运动学研究的有力工具，本文特此对该领域国内外文献作一综述㊂
运动捕捉也称动作捕捉，定义为一个通过在时域上跟踪一些关键点的运动来记录生物运动，然后将其转换成可用的数学表达并合成一个单独的3D 运动的过程㊂光学式运动捕捉是根据工作原理来对其进行划分的一种类别，系统主要组成包括标记点㊁摄像机和数据处理设备㊂人体的动作可以看成是人体各个关节点的动作，在运动捕捉系统中，一般把人体看成是由13~19个关节点组成的简单模型㊂进行运动捕捉时，首先要在人体的各个关节点上粘贴固定一个特殊的反光材料，称为标记点㊂这些反光材料可以被特殊的摄像机所追踪㊂通过运动捕捉系统将标记点的轨迹与关节运动相关联㊂利用两台或两台以上的摄像机进行实时视频捕捉，从各个摄像机得到的序列图片中可以得到每一帧中标记点的运动情况㊂因此可以得到一个特定的点随着时间变化的连续运动轨迹，然后通过三维重建技术将这些点的运动轨迹还原为骨架模型的动作㊂
一㊁光学运动捕捉系统用于人体肩关节运动学分析的优点
肩关节是人体解剖和功能最为复杂的关节，动态测量活体肩关节运动学对于更好的理解肩关节病理学及运动损伤至关重要㊂然而，肩关节的运动无法用标准的MRI 或者CT 检查来探究，因为这些方法都受限于静态测量并且可能因此
而遗漏一些特异性的动态运动[
1]
㊂基于X 线测量的方法对于肩关节动态分析提供了足够的精确度,Zhu 等[2]
用2D -3D
图像-
模型自动配准技术在尸体模型上验证单平面和双平面荧光成像检查法用于肩关节运动学测量的精度，数据表明使用双平面成像法肱骨和肩胛骨在空间位置精度上位移误差<0.3mm ，旋转误差<0.58ʎ，但这种方法有电离辐射㊂而运动捕捉系统使用皮肤表面粘贴标记点为动态运动过程中
无创地确定肩关节运动学提供了很好的解决方案[
3-4]
㊂目前的成像技术对于肩部运动仅能做出静态解释(例如
CT ㊁MRI 检查)，然而动态成像技术(例如MRI ㊁X 线透视检查)却受到技术的限制(例如测量区域的限制㊁低速记录)
[5]
㊂运动捕捉系统通过在皮肤表面粘贴标记点可以在高速运动过程中无创地记录大范围的活动度㊂
在动态测量中，高精度的测量盂肱位移是非常具有挑战
的㊂盂肱位移常常由MRI [6]
㊁X 线[7]检查测量㊂图像对于骨的位置提供了精确的测量[2]，但是不适合记录快动作并受
限于获得图像的容积大小㊂由于X 线的射线因素，实验获得的运动数量也有限㊂然而，运动捕捉系统通过皮肤表面放置标记点，在采样率及空间上并无限制㊂二㊁皮肤软组织伪影(soft -tissue artefacts ,STA )对光学运动捕捉系统的影响
人体运动的运动学研究通常是采用立体摄影测量术或者在骨性标志皮肤上放置标记点的方法㊂当研究骨骼运动学时，主要的误差来源于皮肤标记点与其下方骨骼的位移,
称为STA ，这是由于肌肉收缩和皮肤滑移所致[
1,8-10]
㊂很多学者尝试减少STA 引起的误差，通常采用一些有
创的方法，如骨皮质内植入固定反光标记点的钢针[
9,11]
㊂这种方法精度很高，被认为是 金标准 [12]㊂Dal Maso 等[9]在
4例活体受试者肩胛骨和肱骨骨皮质内植入带有反光标记点的钢针，运用线性回归计算盂肱关节位移和旋转，结果得出该方法测量盂肱关节运动学(位移值和旋转角度)的误差分别低于0.15mm 和0.2ʎ㊂盂肱位移一直是有争议的话题，因为盂肱位移是基于皮肤标记点的电磁或光学运动捕捉系统的精度下得出的几毫米的范围㊂基于光学运动捕捉系统下的钢针植入法为盂肱关节位移提供了高精度的线性位移,
这比双平面的荧光成像检查法更为精确[13]
，然而这种方法却是有创操作，在临床实践中并不切实可行[11,14]㊂Matsuki 等[15]用
X 线透视检查的方法，使用2D -3D 图像配准的技术，将基于MRI 的三维图像投射并迭代地配准到2D X 线图像中，测量肩胛骨平面下手臂外展时肱骨相对于肩胛骨的上/下位移值和外旋角度，肱骨由初始位置到手臂上举至105ʎ时上方平均位移值是2.1mm ，下方位移值是0.9mm ；肱骨由初始位置至上举到60ʎ时平均外旋14ʎ
，上举至最高点的过程中平均外㊃
842㊃中华肩肘外科电子杂志 2016年11月第4卷第4期 Chin J Shoulder Elbow (Electronic Edition ),November 2016,Vol.4,No.4
