应用惯性传感单元测量下肢力线的研究
时间：2023-05-29 13:10:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王家麟，闫俊兰，杨鹏飞，赵家鑫，刘暾，王思源，王伟*
(1.西安交通大学第二附属医院骨关节外科，陕西 西安 710000；
2.西北工业大学，陕西 西安 710072)
骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种关节退行性疾病，以膝关节软骨变性和丢失及关节边缘骨质增生、滑膜炎等症状为主的慢性关节疾病称为膝骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)，典型表现有膝关节部位的疼痛、畸形和功能障碍[1]，是临床常见、具有较高致残性的骨关节病。KOA的治疗目的是缓解或消除疼痛、矫正畸形和改善功能，提高患者的生活质量。结合骨关节炎的特点，临床医师根据疾病的不同阶段，针对KOA各期的临床特征及病理变化，可选择基础性治疗、药物性治疗、修复治疗以及重建性治疗等相应阶梯治疗方法。胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy，HTO)为KOA最常用的截骨保膝的手术方法。HTO的核心理论依据是对下肢力线偏移的纠正，使异常的下肢机械轴由承重较大区域移向另一侧的承重较小区域，使膝关节受力从关节内侧为主变为内外侧受力平衡或轻度外侧受力为主[2]，从而有效延缓膝关节内侧间室的破坏，使得已经受损的内侧关节软骨不再受到过大的压力而有修复再生的条件，进而达到改善KOA患者临床症状、减轻疼痛、延迟膝关节置换的时间，甚至最终避免置换，保留患者自身膝关节的目的。临床上，通过股骨头中心点到踝关节胫骨下端中心点的直线被称为下肢机械轴线或下肢力线。在冠状面上，根据该定义，当膝关节中心远离该直线时就存在对线异常，尽管一般认为在对线正常时下肢机械轴通过膝关节中心点，但是实际上下肢力线在多数情况下是从膝关节中心点的稍偏内侧处经过[3]。
对于KOA患者，临床上常通过拍摄负重位双下肢全长X线片来判断患者由于膝关节的软骨磨损、胫骨股骨发育或后天损伤、软组织不平衡等所造成的下肢力线异常的情况[4-5]。在HTO或其他膝关节手术的围手术期需要获取患者下肢力线的各项数据，用以在术前进行手术设计，术中监测矫正效果，术后监测患者恢复效果。因此，下肢力线及相关参数的测量对于治疗KOA十分重要。但目前临床上HTO术前规划仍主要采用传统的X线摄片的方法来检测患者的下肢力线，术中调整力线过程中需要进行多次透视，延长手术及麻醉时间，增大了术者及患者放射线的暴露量，如果能找到一种测量方便、准确且无辐射的测量方法，既可以用于术前规划，同时也可以开发为术中的力线监测装置，用于手术中辅助力线矫正，一定会更好地得到推广应用。计算机辅助导航技术是目前较成熟的一种临床手术辅助技术[6-10]，在骨科手术中可以精准地定位人体骨骼目标点，实现精准手术操作[11-13]。基于惯性传感器的导航技术，是研究下肢力线测量方法的新领域[14]。惯性传感器等原件因其自身具有测量准确、便携等优点[15]，使其运用于人体测量下肢力线具有其他方法所不具备的优势[16-20]，目前临床上已有应用惯性传感器辅助于骨科手术[21-25]。随着原件测量准确性的提高，不再依赖于传统下肢X线透视的方法，就可以准确测量下肢力线。本研究设计出一种基于惯性传感单元的便携式下肢力线测量装置，通过不同体位在多种特定运动方式下测量下肢力学轴线的相关数据，并与临床常用方法测量结果进行比较，探索使用该装置测量人体下肢力线的适宜姿势，并评价其可行性及测量准确性，为未来运用于HTO等保膝手术下肢力线的监测提供一种无辐射、准确、便携的方法。
1.1 研究对象 本研究选取15名正常成人作为志愿者，确保志愿者不存在任何骨骼肌肉损伤情况及对主动运动有影响的疾病，也不存在认知方面的缺陷，志愿者均签署了书面知情同意书，该研究获得了西安交通大学第二附属医院伦理委员会批准。其中男性10名，女性5名；
年龄22～27岁，平均(25.4±1.4)岁。男性身高为1.67～1.83 m，平均(1.75±0.04)m；
女性身高为1.63～1.68 m，平均(1.65±0.02)m。志愿者的信息见表1。
表1 志愿者基本信息表
1.2 实验方法
1.2.1 惯性传感单元的固定与校准 本研究采用四个惯性传感器(见图1a)。以右腿为例，志愿者充分暴露右腿膝关节及踝关节，将四个惯性传感器(分别编号位1，2，3，4)固定于志愿者膝关节内外侧和踝关节内外侧。研究者触及志愿者股骨内外侧髁以及内外踝，将1号传感器固定于股骨内侧髁，2号传感器固定于股骨外侧髁，利用弹力带将1、2号惯性传感器通过外壳连接缠绕固定于膝关节，将3号传感器固定于内踝侧，4号传感器固定于外踝侧，并利用弹力带将3、4号惯性传感器通过外壳连接缠绕固定于踝关节，如图1b所示。
a 惯性传感单元大体照(4个惯性传感器和信号接收装置) b 惯性传感单元的固定 c 站姿校准 d 坐姿校准
由于4个惯性传感器各有其自身坐标系，需要将惯性传感器与志愿者的肢体坐标系统一。固定好4个惯性传感器后，要求志愿者先站立位，其后放置一把靠背椅，志愿者执行从站立位到坐下这一连贯动作。要求站立到坐下过程中志愿者右腿保持膝关节伸直状态，并且无内收与外展，必要时研究者辅助志愿者完成动作。以上从站立位到坐下动作完成两次，采集到两组数据。动作如图1c～1d所示。
1.2.2 下肢力线的测量 在志愿者的姿势要求上，分为站立位以及仰卧位两种姿势，这两种方式的肢体稳定性不同，其中站立位时志愿者的下肢运动为志愿者自主运动，仰卧位时由研究者辅助志愿者完成动作，为被动运动。分别在志愿者下肢处于站立位矢状面、站立位冠状面、站立位环转运动、仰卧位矢状面以及仰卧位冠状面5种运动状态时测量下肢髋-膝-踝角度(hip-knee-ankle angle，HKA)、机械轴偏向(mechanical axis deviation，MAD)、机械轴股骨远端外侧角(mechanical lateral distal femur angle，mLDFA)及胫骨近端内侧角(medial proximal tibia angle，MPTA)数值。如前所示佩戴惯性传感器，完成一个运动姿势视为一组，每个姿势连续采集三组数据。
站立位时，志愿者在研究者协助下分别在膝关节和踝关节内外两侧佩戴1、2、3、4号惯性传感器，采取左腿站立位，右腿稍抬起，站立于身体左侧靠近墙面位置，在下肢运动过程中研究者协助志愿者保持平衡及下肢运动平面的稳定。在志愿者站立位时，一侧下肢可以在矢状面、冠状面内运动，也可在三维空间中进行环转运动。整个动作过程中尽量保持志愿者骨盆固定，以减小误差。
仰卧位时，志愿者在研究者协助下分别在膝关节和踝关节内外两侧佩戴1、2、3、4号惯性传感器，仰卧于硬板床上，右下肢被动运动，在下肢运动过程中研究者协助志愿者保持下肢运动平面的稳定。由于仰卧位时志愿者下肢无法做环转运动，因此在这个姿势下只有矢状面及冠状面内的运动。
1.2.3 计算目标值 通过惯性传感单元在站立位和仰卧位采集到志愿者的下肢运动数据，将初始加速度、角速度以及角加速度数据导入MATLAB软件(2016版，美国，MathWorks公司)。根据预先建立的在二维平面中的下肢力线以及角度和距离参数的算法，运用MATLAB生成志愿者在冠状面内的HKA、MAD、mLDFA以及MPTA。
1.2.4 双下肢全长片的拍摄与测量 志愿者于西安交通大学第二附属医院医学影像科进行负重位双下肢全长X线片的拍摄，拍摄前志愿者签署知情同意书。使用了DR数字X线摄影系统。使用INFINITT PACS(3.0.11.3BN3版)软件在计算机上分析志愿者负重位双下肢全长X线片，标记出下肢股骨头中心点、膝关节中心点及踝关节中心点，标出下肢力线以及HKA、MAD、mLDFA以及MPTA并测量以上各参数值。选择3名骨科临床医师在INFINITT PACS软件上对志愿者的负重位双下肢全长X线片进行以上标记及测量冠状面内的HKA、MAD、mLDFA以及MPTA。
2.1 便携式下肢力线测量装置结果 根据实验步骤，在志愿者站立位和仰卧位，通过基于惯性传感单元的便携式下肢力线测量装置分别在5种运动姿势下获取志愿者右下肢的运动数据，再由Matlab软件(2016版，美国，MathWorks公司)生成志愿者在冠状面内下肢分别处于站立位矢状面、站立位冠状面、站立位环转运动、仰卧位矢状面以及仰卧位冠状面5种运动状态时测量得到HKA、MAD、mLDFA以及MPTA数值，通过SPSS软件计算得出在以上5种运动姿势下的HKA、MAD、mLDFA以及MPTA的均数与标准差。
2.2 下肢全长片的测量结果 选择3名骨科临床医师对双下肢全长X线片上的各参数进行测量与分析，表2为志愿者的双下肢全长X线片上测量得到的下肢力线及角度数据。
表2 志愿者双下肢全长X线片的测量结果
表3为15名志愿者通过便携式下肢力线测量装置获得的各组数据与双下肢全长片获得各组数据之间的差异分析结果，显示在志愿者处于仰卧位下肢矢状面内前屈运动时测得的HKA，MAD，mLDFA和MPTA值与双下肢全长片上测量的值差异无统计学意义(P>0.05)；
而在站立位矢状面、站立位冠状面、站立位环转运动和仰卧位冠状面测得的HKA、MAD、mLDFA和MPTA数值和双下肢全长片相比差异有统计学意义(P<0.05)。
表3 5名志愿者惯性传感器测量数据与下肢全长片的P值情况比较
为进一步评估便携式下肢力线测量装置在仰卧矢状面获得各组数据的可靠性，进一步采用MedCalc软件对便携式下肢力线测量装置仰卧矢状面和下肢全长片获得的数据进行一致性分析。图2为15名志愿者采用便携式下肢力线测量装置在仰卧位下肢矢状面与双下肢全长片间一致性的Bland-Altman图，蓝线表示两组间HKA、MAD、mLDFA、MPTA差值的平均值，黄线表示差值为0，15个组间差值基本平均分布于黄线两侧，使用MedCalc软件对两组数据进行分析，惯性传感器在仰卧位下肢矢状面以及双下肢X线全长片的测量结果之间一致性较好。
a HKA比较 b MAD比较
本研究中，使用基于惯性传感单元的便携式下肢力线角度测量装置，佩戴于志愿者下肢特定位置，并使其作特定运动，测出下肢运动的加速度、角速度和角加速度，经过软件计算得到志愿者下肢的HKA、MAD、mLDFA、MPTA的数值，并同时计算了志愿者在双下肢全长X线片上测量出的下肢力线参数，比较两种方法得到的数值。结果显示在志愿者下肢仰卧位矢状面运动时测得的HKA、MAD、mLDFA、MPTA数值与双下肢全长片上测量的值相比，差异无统计学意义(P>0.05)，并且通过一致性分析可见仰卧位矢状面与站立位全长片两组数据之间得一致性较好；
在站立位矢状面、站立位冠状面、站立位环转运动和仰卧位冠状面测得的HKA、MAD、mLDFA、MPTA数值和双下肢全长片相比，差异均有统计学意义(P<0.05)。以上结果表明使用下肢力线测量装置在仰卧位矢状面上测量的HKA，MAD，mLDFA和MPTA结果较准确，与双下肢全长片无明显差异且一致性良好，支持仰卧位矢状面作为临床上使用惯性传感单元测量下肢力线的姿势；
在站立位矢状面、站立位冠状面、站立位环转运动和仰卧位冠状面测得的HKA、MAD、mLDFA、MPTA数值均不准确，与双下肢全长片差异较大，不能作为临床上使用惯性传感单元测量下肢力线的姿势。
本研究中采取站立与仰卧两种姿势主要是基于以下方面的考虑。首先，本研究是以利用惯性传感单元测量人体下肢力线各参数这个目的为出发点，在前期选择合适的下肢关节中心点定位方法、设计下肢力线测量装置以及建立下肢力线参数的计算模型等过程中都要充分考虑惯性传感器的运行特点，采集数据需要在志愿者下肢运动的状态下完成，基于以上要求，选择了站立姿势作为测量姿势之一。另外，为了满足减少志愿者骨盆移动的要求，也需要采用仰卧姿势，在此状态下志愿者的肢体更易于保持固定。
研究中所用到的惯性传感器在测量过程中，除了自身随着被测量物体运动外，被测量物之间的移动越少，其测量误差越小，精度越高[14，26]。站立位时，下肢运动时肢体更容易产生晃动，造成志愿者骨盆不稳，运动中心(即股骨头中心)产生移动，使得测量的加速度数据等误差变大，最终测得的各项参数偏差较大[27]。而在仰卧位，由于硬板床或地面一侧的固定，下肢运动时产生的晃动减小，骨盆相对固定，所测得的数据较站立位偏差更小。同时惯性传感器在被测量物体运动状态更单一时，其所测得的数据更精确[14，18]。志愿者在做下肢环转运动时，运动的相对复杂性使得肢体产生更多的不稳定，惯性传感器和下肢之间的相对移动更大，因此在矢状面或冠状面等单一二维平面内运动时，惯性传感器测得的下肢力线参数相较于三维空间的环转运动更稳定。
而在相对更稳定的仰卧位测量姿势，差异来源于在志愿者仰卧时下肢髋关节屈曲和外展时的不同。仰卧位外展时由于存在被测量的一侧臀部上抬，导致下肢外展时的实际运动平面与冠状面之间产生了夹角，其稳定性差于仰卧位矢状面运动，同时下肢靠近地面或床面的运动较难保持其肢体稳定，产生了被测下肢的上下晃动，因此测出的下肢力线参数偏差较大。
在站立位与仰卧位两种姿势下，志愿者采取不同体位运动状态对于惯性传感单元测量过程的影响不同[28]。在站立位矢状面和站立位冠状面下肢运动时测出的MAD值仍在正常范围，但与下肢全长片相比差异具有统计学意义，这可能是由于佩戴惯性传感器测量时的下肢非负重位与双下肢全长片的负重位的差异导致。本研究中所建立的下肢力线计算模型，由于在计算过程中MAD需要用到的惯性传感器运动数据较少，HKA、mLDFA和MPTA等角度需要用到的惯性传感器运动数据较多，因此角度的测量更易受到肢体姿势偏移、传感器固定不稳所产生误差的影响[29]，故而在站立位矢状面、站立位冠状面下肢运动时，得到的MAD数值与志愿者在双下肢全长X线片上测得的MAD值相差不大，而角度差异较大。
人体下肢在站立位受到自身重力的影响，使得下肢各关节受力情况与非负重位有所不同[5，30-33]。在双下肢全长片上可以观察到膝关节间隙的宽度(joint space width，JSW)，由于重力的影响，使得JSW在非负重位(仰卧位)时的X线测量值大于负重位。目前临床上常用的负重位下肢力线检测方法有双下肢全长负重位X线片以及锥形束计算机断层扫描两种[30]，它们分别是被检查者在站立位时接受X线的扫描得到的二维或三维[4]检查图像。临床上人体自然负重位以及人工模拟负重位，均相当于是人体保持静止的姿势，用其测得的下肢力线可以看作人体在某种静止状态时的下肢力线及下肢力线参数。而下肢力线测量装置由于其具有惯性传感器的测量特性，需要在被测量下肢运动过程中来测量数据，因此利用惯性传感单元测出的数据可以看作是特定运动状态下的下肢力线参数。
本研究具有以下优势：(1)具有惯性传感器的准确、便携、非侵入等优点；
(2)相较于传统下肢力线测量方法，无X线照射，减少了对患者和医师的潜在伤害；
(3)基于惯性传感单元的便携式下肢力线测量装置对于下肢力线的测量不局限于术前，在HTO等需要监测术中下肢力线矫正情况的手术以及术后测量下肢力线均可应用；
(4)测量过程简单，患者依从性高，拥有测量人体运动过程中下肢力线的潜力，因此具有广泛的临床应用前景，通过优化未来可运用于临床HTO等手术中下肢力线的监测。本研究的内容中存在一些不足之处，主要在以下几个方面：(1)本研究仅探讨了正常人在二维冠状面内的下肢力线，为了获得人体实际的下肢力线情况来指导膝骨关节炎的治疗，以三维空间中的下肢力线为参考进行矫正较冠状面内更加准确；
(2)本研究数据测量部分仅基于健康成年人进行了下肢力线参数的评估，没有对膝骨关节炎患者进行下肢力线的测量，因此研究结果仅能说明在正常人群中该装置的准确性；
(3)本研究中基于惯性传感单元的便携式下肢力线测量装置仅能得出被测量者在非负重位时的下肢力线情况，而对于负重位的下肢力线则不能以此方法获得，导致在分析膝关节情况时可能会因负重与非负重的不同而出现差异；
(4)本研究中惯性传感器的固定方法是通过固定卡扣以弹力带缠绕固定于下肢，这就导致惯性传感单元与人体间的位置关系存在潜在的相对不稳定，在志愿者下肢运动过程中，会产生下肢与惯性传感器间的相对位移而引入误差，导致测量结果出现偏差。
综上所述，基于惯性传感单元的便携式下肢力线测量装置在被测试者处于仰卧位并在矢状面内行髋关节屈曲运动时，可以替代下肢全长片来测量正常人的HKA、MAD、mLDFA及MPTA。
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