偏瘫患者与正常人日常生活活动的三维运动学分析

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｓｕｂｊｅｃｔｓ ａｎｄ ｈｅｍｉｐｌｅｇｉｃ ｐａｔｉｅｎｔｓ ｉｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｄａｉｌｙ ｌｉｖｉｎｇ（ＡＤＬ）ｂｙ ｔｈｒｅｅ·ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３ Ｄ）ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｍｅｔｈｏｄｓ Ａ Ｖｉｅｏｎ ｍｏｔｉｏｎ
４．数据采集：采集前，调整摄像头以保证足够的 捕捉空间，然后对Ｖｉｃｏｎ系统进行校准，并将１３个反 光标记贴在受试者骨性标志上。受试者按照动作设计 来完成所选５项ＡＤＬ动作。要求受试者每项ＡＤＬ动 作执行３次，取捕捉效果最好的１次进行分析。
四、数据处理和统计学分析 用Ｖｉｃｏｎ系统软件和Ｍａｔｌａｂ软件处理捕捉到的 三维运动数据，得出完成ＡＤＬ动作的运动时间和各 关节三维运动角度。运动时间为受试者开始执行动 作到完成动作，不包括完成动作后回到端坐体位的 这段时间。 采用ＳＰＳＳ １６．０软件进行统计分析¨…ｏ。比较患 者组和正常组的一般资料（年龄，身高，体重），根据样 本是否满足方差齐性分别采用ｔ检验（方差齐）或非参 数秩和检验（方差不齐），分析两组间有无差异（ａｔ＝ ０．０５）。采用两因素方差分析（正常人和偏瘫患者，不 同动作）比较偏瘫组和正常组的运动时间，关节角度 有无差异，且主要关注前一因素（主效应）的影响（俚＝ ０．０５）。其中，若Ｐ＜０．０５，认为两组有差异，再根据均 数大小判断两组运动角度大小。在进行方差分析时， 同时进行检验效能Ｐ值计算，以判断样本量是否充足 （Ｐ值越大说明检验效能越高，样本量越充足）。因为 摸后口袋动作中肩关节运动不同于其它动作。单独对 两组该动作中肩关节三维运动角度进行比较，方法同 基本情况比较。为验证先前文献观点¨“，我们对正常 组摸对侧肩和喝水动作各关节三维运动角度进行两两 比较，方法同基本情况比较’。
通信作者：黄晓琳。Ｅｍｉｌ：ｘｉａｏｌｉｎｈ２００６＠ｙａｈｏｏ．ｔｏｍ．ｃｎ
动学、康复工程学、仿生机械学、生物材料力学、生物流 体力学等¨１。因为上肢运动分析的复杂性，目前仍没 有发展起来针对整个上肢的三维运动学分析方法＂３。 既往大部分上肢三维运动学分析研究”４１使用不同的 标记策略，不同的运动节段，关节坐标系和关节旋转定 义。为了规范运动分析方法和利于不同研究间的比 较。国际生物力学协会（ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｂｉｏ— ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＩＳＢ）提出了相关标准一４“。本研究根据 ＩＳＢ标准建立一种基于Ｖｉｅｏｎ运动捕捉系统（Ｖｉ者与正常人日常生活活动的 三维运动学分析
杨唐柱黄晓琳 陈文斌 熊蔡华孙容磊
【摘 要】 目的 采用三维运动学分析方法研究正常人和偏瘫患者在日常生活活动（ＡＤＬ）中的上肢运 动学特点。方法应用Ｖｃｉｏｎ运动捕捉系统（简称Ｖｉｅｏｎ系统）采集１５名正常人（健康组）和ｌＯ例偏瘫患者 （偏瘫组）在执行抬臂、梳头、喝水、摸对侧肩、摸后口袋这５项ＡＤＬ时的上肢关节ｊ维运动数据。经数据处理 得到２组的胸锁关节、肩锁关节、肩关节、肘关节、腕关节的三维运动角度和各动作的运动时间，并进行比较。 结果偏瘫组胸锁关节旋外和外展角度，肩锁关节旋内和后伸角度，肘关节屈曲角度较健康组均显著增大，差 异有统计学意义（Ｐ＜０．０５），而其肩锁关节内收角度，肩关节内收、外展、前屈、后伸、旋外和旋内角度较健康 组则显著减小，差异有统计学意义（Ｐ＜０．０５）；偏瘫组运动时间较健康组显著延长，差异有统计学意义（Ｐ＜ ０．０５）。结论初步建立了一种基于Ｖｉｅｏｎ系统的上肢三维运动学分析方法，所得结果提示偏瘫患者采用与 正常人不同的关节运动模式来完成ＡＤＬ。
ｃａｎｄｙ ｌｏｎｇｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｉｍｅｓ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｈｅｍｉｐｌｅｇｉｃｓ ｕｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｊｏｉｎｔ ｍｏｔｏｒ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｆｒｏｍ ｈｅａｌｔｈｙ ｓｕｂｊｅｃｔｓ
ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇ ＡＤＬ ａｃｔｉｏｎｓ．
【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】Ｈｅｍｉｐｌｅｇｉａ；
【关键词】偏瘫；上肢； 日常生活活动；三维运动学分析
Ｔｈｒｅｅ·ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｄａｉｌｙ Ｈｖｉｎｇ ｏｆ ｈｅｍｉｐｌｅｇｉｃ ｐａｔｉｅｎｔｓ ａｎｄ
ｎｏｒｍａｌ ｓｕｂｊｅｅｔｓ ＹＡＮＧ死喈－ｚｈｕ‘，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｉｎ，ＣＨＥＮ Ｗｅｎ－ｂｉｎｇ，ＸＩＯＮＧ Ｃａｉ—ｈｕａ，ＳＵＮ Ｒｏｎｇ－ｌｅｉ．
ｓｔｅｒｎｏｃｌａｖｉｃｕｌａｒ ｊｏｉｎｔ，ｍｅｄｉａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｒｏｍｉｏｅｌａｖｉｃｕｌａｒ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｂｏｗ ｊｏｉｎｔ．
Ｔｈｅ ｈｅｍｉｐｌｅｇｉｃｓ ｕｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｌｅｓｓ ｍｅｄｉａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｍｏｃｌａｖｉｃｕｌａｒ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ａｄｄｕｅｔｉｏｎ／ａｂｄｕｅｔｉｏｎ，ｆｌｅｘ－ ｉｏｎ／ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ／ｍｅｄｉａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｕｌｄｅｒ ｊｏｉｎｔ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｈｅｍｉｐｌｅｇｉｅ ｇｒｏｕｐ ｓｈｏｗｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉ－
要求受试者模拟握持杯子的手势并用大拇指触到嘴唇。该 动作代表如喝水、迸食和靠近脸部的活动。
措芭ｎ盏要求受试者用手触摸到同侧的后ｕ袋（或臀大肌），该动作 偎帕“椒代表受试者摸背和清洁会阴的能力。
上，调整三角架高度和各三角架之间距离以得到足够 运动捕捉空间，并保证在任意时刻每个标记（ｍａｒｋｅｒ） 能被至少２台红外线摄像头捕捉到。
Ｙ轴
Ｚ轴
三、测试方法 １．安装包括６个红外线摄像头和１个高速摄像 头的Ｖｉｃｏｎ系统。将６个红外线摄像头安装到三角架
田２关节坐标系示意图
万方数据
·８４２－
欧拉角分解序列为Ｙ—Ｘ．ｚ（旋内／旋外、内收／外展、 伸／屈）。肩关节的运动由肱骨坐标系相对于胸骨坐 标系绕肩峰的转动来描述，欧拉角分解序列为ｘ—Ｚ—Ｙ （内收／外展、伸／屈、旋内／旋外）。前臂和手腕只描述 他们伸／屈的角度变化。
’Ｄ印口ｎｍｅ眦ｏｆ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｔｏｎ＃Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ
ｃＤ册印。删ｉ帽ａｕｔｈｏｒ：ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｉｎ，Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｌｉｎｈ２００６＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ
动系统公司，英国，以下简称Ｖｉｅｏｎ系统）的上肢三维 运动学分析方法，并应用该系统采集正常人和偏瘫患
万方数据
·８４ｌ·
者在执行ＡＤＬ时的上肢运动学数据，通过分析数据来 探讨偏瘫患者和正常人的上肢三维运动学特点。
对象与方法
一、研究对象 研究对象分为偏瘫组（ｎ＝１０）与健康组（ｎ＝１５） （表１）。偏瘫组受试者从华中科技大学同济医学院附 属同济医院康复医学科收治的脑损伤（脑卒中或脑外 伤）右侧偏瘫患者中筛选，包括左侧脑出血２名，左侧 脑梗死３名，左侧脑外伤５名。人选标准为：男性， ＞１８岁，右利手，第１次出现右上肢功能障碍且由脑 卒中或脑外伤引起，Ｂｒｕｎｎｓｔｒｏｍ上肢分期达Ⅲ或Ⅲ期 以上，愿意配合并能执行测试者发出的指令。排除标 准为：双侧脑损伤；存在影响受试者理解或执行指令的 认知缺陷或行为障碍；病情不稳定不能耐受实验。正 常组受试者为本院医生，进修生，研究生和实习生，人 组条件为无上肢关节和肌肉疾患的正常成年右利手 男性。
２．运动节段：将１３个红外反光标记贴在受试者 的骨性标志并构建包括手掌、前臂、肱骨、肩胛骨、锁骨 和胸部等运动节段的上肢三维模型（图１）。
圈１ 由红外反光标记构成的上肢三维模型不惹图
３．关节旋转：由骨性标志来建立上肢每部分的局 部坐标系，每部分局部坐标系中ＸＹＺ三个旋转轴的方 向分别为向前，向上，从右往左（右侧肢体）垂直于前 两轴（图２），用欧拉角分解来描述关节活动。解剖学 中ＸＹＺ轴分别为矢状轴，垂直轴，冠状轴¨…，所以ＩＳＢ 标准中绕ＸＹＺ轴的旋转可理解为绕矢状轴，垂直轴， 冠状轴所作的运动，即分别为内收／外展、旋内／旋外、 伸／屈，只是ＩＳＢ标准中角度值存在方向性即正负现 象。根据“右手螺旋法则”（右侧肢体），大拇指指向与 坐标轴方向相同，若旋转方向与其它四指弯曲方向相 同则角度为正值，相反则为负值，所以关节收、旋内、伸 角度为正值，展、旋外、屈角度为负值。具体来说，胸锁 关节的运动由锁骨坐标系相对于胸骨坐标系绕胸骨颈 静脉切迹的转动来描述，欧拉角分解序列为Ｙ—Ｘ．ｚ（旋 内／旋外、内收／外展、伸／屈）。肩锁关节的运动由肩 胛骨坐标系相对于锁骨坐标系绕肩峰的转动来描述，
表２ ＡＤＬ动作描述
ＡＤＬ动作
动作描述
要求受试者上肢伸直举起抬到最高并掌心向前，类似于肩
抬臂
前屈的动作，该动作代表ｒ受试者完成如投掷或攀爬等动
作的能力。
梳头
要求受试者将手移动到头顶并触摸头顶，该动作代表了受 试者完成如梳头和洗头及将东西移动到头部附近的运动
能力。
摸对侧肩著靠蚕藩薯嚣翥燃熙票霸箩骸鼢洲 《 ’ｏ＾
Ａｒｍｓ；Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｄａｉｌｙ ｌｉｖｉｎｇ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ
上肢运动功能在日常生活活动（ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｄａｉｌｙ ｌｉｖｉｎｇ，ＡＤＬ）中是重要的…。针对上肢运动功能的研 究有广泛的应用领域，比较典型的应用领域有人体运
ＤＯＩ：１０．３７６０／ｃｍａ．ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—１４２４．２０１０．Ｉ １．０ｌｌ 基金项目：国家“８６３”计划项目（２００７ＡＡ０４２２０４），国家自然科学基 金项目（５０７７５０８０），国家科技部“十一五”支撑计划项目 （２００８ＢＡＢＯＢ０４） 作者单位：４３００００武汉，华中科技大学同济医学院附属同济医院康 复医学科（杨唐柱、黄晓琳），华中科技大学机器人与数字化医疗装备研 究中心（陈文斌、熊蔡华、孙容磊）