基于光學定位系統(tǒng)的肘關節(jié)外固定旋轉軸的定位

基于光學定位系統(tǒng)的肘關節(jié)外固定旋轉軸的定位

20世紀70年代初，俄羅斯文件報道了鏈式硬臂緊張設備的使用，其中第一本英語文件報道于1975年。使用各種鉸鏈式肘關節(jié)外固定設備的關鍵是精確定位外固定軸心位置,目前臨床上較常采用X線透視下軸心定位方法針對目前外固定手術方法的缺陷,本研究旨在創(chuàng)建一種新的肘關節(jié)定軸方法,通過光學定位系統(tǒng)建立肘關節(jié)運動參數(shù)模型,從而確定肘關節(jié)的旋轉軸,精確定位外固定軸心位置,以此為基礎,通過在Sawbone肘關節(jié)模型上進行定軸,將該方法與傳統(tǒng)臨床定軸方法進行比較,評價新定軸方法的精度及臨床應用可行性。該方法與傳統(tǒng)方法相比,學習曲線短,手術中不需要多次X線透視,不需要擺放傳統(tǒng)手術必須的體位,旋轉軸定位精確度與傳統(tǒng)方法相當,并能克服傳統(tǒng)方法定位的各項弊端。1數(shù)據(jù)和方法1.1研究主題1.1.1數(shù)據(jù)來源及初步分析為驗證新的肘關節(jié)旋轉軸定位方法的可行性,選用Sawbone肘關節(jié)模型6例,其中包含左側和右側模型各3例。(1)分別測量4位志愿者前臂位于旋前位、中立位和旋后位時肘關節(jié)屈曲活動的運動學數(shù)據(jù),基于此進行肘關節(jié)運動規(guī)律的初步分析,進而定位肘關節(jié)旋轉軸;(2)分別采用傳統(tǒng)臨床方法和新的定位方法確定肘關節(jié)模型的旋轉軸,并對兩次的定位結果進行對比,從而評估新的定位方法的可行性。1.2u3000肘關節(jié)模型運動軌跡的測定志愿者運動學數(shù)據(jù)獲取:將主動發(fā)光示蹤器1和示蹤器2分別固定于肘關節(jié)正常受試者的肱骨與尺骨。受試者前臂緊貼桌面,重復5次屈曲運動(在前臂位于旋前位和旋后位時各重復兩次,中立位時進行一次),與此同時用光學定位系統(tǒng)(NorthernDigitalInc.,Canada,RMS精度0.1mm)記錄示蹤器1和示蹤器2的運動軌跡(圖1)。臨床方法確定肘關節(jié)模型旋轉軸:C型臂透視機透視下,在操作臺上擺放肘關節(jié)側位,前臂中立位。首先肘關節(jié)外側向上,根據(jù)臨床醫(yī)生的經驗,找到透視圖像上的同心圓,使用記號筆標定圓心,再將肘關節(jié)內側向上,同樣方法標定圓心,將外側標記點定義為入點,內側標記點定義為出點,使用C形定位器(StrykerInc.,USA)置入克氏針代表旋轉軸(圖2)。肘關節(jié)模型運動學數(shù)據(jù)獲取:保持模型骨體位不變,在肱骨和尺骨上大致與定軸克氏針平行的位置打入兩枚外固定針,將示蹤器示蹤器1和示蹤器2分別固定于肱骨和尺骨的外固定針上,并保證示蹤器與模型骨之間牢固固定。模型骨前臂緊貼桌面,重復5次屈曲運動,與此同時用光學定位系統(tǒng)(NorthernDigitalInc.,Canada)記錄1和示蹤器2的運動軌跡。以上操作均由同一位臨床經驗豐富的骨科醫(yī)師及其助手輔助完成。1.3數(shù)據(jù)處理方法1.3.1尺骨運動軌跡運動學數(shù)據(jù)采集完畢后,將示蹤器2的位置坐標轉換為以示蹤器1坐標系為參考的坐標,從而可以忽略肱骨的運動,所得數(shù)據(jù)只表征尺骨的運動軌跡。為排除肘關節(jié)屈曲運動起始和終止時對實驗結果的干擾,去除掉前后各10°的數(shù)據(jù),并且去除數(shù)據(jù)中的無效點和奇異點。1.3.2參數(shù)化模型的求解基于歸一化和前處理后的數(shù)據(jù),利用最小二乘法擬合肘關節(jié)旋轉軸線,從而得到肘關節(jié)屈曲運動的參數(shù)化模型。1.3.3運動數(shù)據(jù)可視化與定性分析用可視化工具箱VisualizationToolkit(VTK)對歸一化的運動學數(shù)據(jù)和參數(shù)化運動模型進行可視化顯示,并根據(jù)肘關節(jié)運動數(shù)據(jù)可視化空間分布進行定性分析。1.3.4面的距離的均方根誤差為了定量分析建立的參數(shù)化運動模型,設立以下4個指標。數(shù)學意義:單次運動中所有測量點到擬合旋轉軸線的距離的均方根誤差即為RMS-R(圖3A)。物理意義:衡量肘關節(jié)單次屈曲運動的軌跡圓度。數(shù)學意義:單次運動中所有測量點到擬合平面的距離的均方根誤差即為RMS-copla(圖3B)。物理意義:衡量肘關節(jié)單次屈曲運動的軌跡的共面性。數(shù)學意義:對5次擬合結果進行平均處理得到一個平均運動轉軸和平均運動平面,每條擬合軸線與該平均運動平面的交點到平均運動轉軸的距離即為Devi-center(圖3C)。物理意義:衡量肘關節(jié)5次屈曲運動所擬合的軸線之間的距離偏差。數(shù)學意義:對5次擬合結果進行平均處理得到一個平均運動轉軸,每條擬合軸線與該平均運動轉軸之間的夾角即為Devi-theta(圖3D)。物理意義:衡量肘關節(jié)五次屈曲運動所擬合的軸線之間的角度偏差。上述的4個指標中,RMS-R和RMS-copla為評價單次屈曲運動的指標,Devi-center和Devi-theta為衡量5次屈曲運動之間離散程度的指標。1.3.5模型骨屈曲檢驗為了定量評估建立的參數(shù)化運動模型,設立以下4個指標。運動學方法采集的所有點與轉軸距離的均方根誤差即為RMS-error,用于衡量肘關節(jié)模型骨屈曲運動的軌跡圓度,評估該模型骨模擬人體肘關節(jié)的可靠性。通過運動學方法和臨床方法所找到的旋轉軸與外髁骨表面相交點之間的距離即為入點偏差(Devi-entrance)。通過運動學方法和臨床方法所找到的旋轉軸與內髁骨表面相交點之間的距離即為出點偏差(Devi-exit)。通過運動學方法和臨床方法所找到的旋轉軸之間的夾角即為角度偏差(Devi-angle)。1.3.6復測信度評價采用SPSS22.0軟件對6例Sawbone模型骨運動模型的定量評估結果進行復測信度評價,通過計算任意兩次運動測量結果之間的Pearson相關系數(shù)(Pearsoncorrelationcoefficient,PCCs)對運動學測量方法的可重復性進行評估。2種定位方法在臨床實際操作中的應用對4位志愿者的5次結果分別進行最小二乘擬合并處理得到一個平均運動平面和平均運動轉軸,而后分別計算1.3.4中所示的4個指標(表1),并得到每位志愿者5次屈曲運動所得各指標的均值和標準差(表2),同時對擬合結果進行可視化顯示(圖4)。對于同一志愿者,即使前臂位于不同體位下,應用新的定位方法所得的5次屈曲運動的定位結果差距很小(表1),說明該方法不受前臂體位的影響,簡化了定位操作;對不同的志愿者而言,受試者的5條運動軸線與其平均運動轉軸之間的距離偏差均小于3mm,角度偏差均小于5°,偏差很小(圖4、表2),均在臨床實際操作中的可接受范圍之內,說明本方法具有良好的可操作性;每位受試者肘關節(jié)單次屈曲運動中表征軌跡圓度和軌跡共面性的指標均在1mm左右,肘關節(jié)單次屈曲運動的軌跡圓度及軌跡的共面性良好(表2),說明可以把肘關節(jié)的屈曲伸直活動視為近似固定軸線的運動,這與臨床上使用固定軸鉸鏈式外固定架的理論基礎是一致的。對6例模型骨的5次結果分別進行最小二乘擬合得到各次運動的運動轉軸,而后分別計算1.3.5中的4個指標,并計算得到各模型骨5次運動相關指標的均值(表3)和任意兩次運動之間各指標的Pearson相關系數(shù)。6例模型骨5次運動采集到的所有點與轉軸距離的均方根誤差最大為0.117mm,平均為(0.099±0.027)mm,誤差很小且穩(wěn)定,說明模型骨屈曲運動的軌跡圓度良好,與志愿者試驗得到的結果一致,該模型骨用于模擬人體肘關節(jié)運動的可靠性較高;使用兩種定位方法得到的軸線之間的入點偏差最大為2.222mm,出點偏差最大為2.82mm,角度偏差最大為1.966°,偏差均很小,在臨床實際操作中的可接受范圍之內,說明本方法精度滿足臨床需要;通過運動學方法得到的模型骨的運動軸線與使用臨床方法定位的旋轉軸之間的入點偏差、出點偏差和角度偏差沒有突變值且標準差均小于1(表3),而且任意兩次運動中各指標的Pearson相關系數(shù)范圍為0.699~0.931(表4),6例模型骨的5次運動中任意兩次運動之間的均值差異無統(tǒng)計學意義,表明本方法具有良好的重復性。3外固定架布置的研究肘關節(jié)是人體最重要的大關節(jié)之一,其靈活性至關重要,故肘關節(jié)外固定設備既要穩(wěn)定更要盡可能少地妨礙肘關節(jié)的正?；顒?主要包括屈伸、旋轉)肘關節(jié)鉸鏈式外固定架的使用要求精確定位外固定軸心,使其與肘關節(jié)屈伸運動的解剖旋轉軸重合,從而可以大大減小術后肘關節(jié)活動阻力,有效降低外固定針松動、斷裂及外固定架斷裂的發(fā)生率———這是鉸鏈式肘關節(jié)外固定架置入術的關鍵。Madey等本研究的不足之處在于模型骨沒有軟骨、關節(jié)囊、韌帶及肌肉等軟組織連接,不能完全模擬人體肘關節(jié),運動學規(guī)律及定位精度存在一定偏差,需要進一步使用尸體骨進行實驗進行驗證。綜上所述,為了探索精確、簡便的確定旋轉中心方法,消除傳統(tǒng)方法的缺點,本研究通過Optotrak光學定位系統(tǒng)建立肘關節(jié)運動的參數(shù)化模型,并以此為基礎確定肘關節(jié)的平均旋轉軸,證實該方法可重復性強,共軸性佳,偏差在臨床允許誤差范圍之內,將該方法應用于模型骨,與傳統(tǒng)方法的定位精度相當,實驗能夠排除目前臨床傳統(tǒng)方法的很多困難,為應用于臨床、解決臨床實際問題奠定了基礎。為初步探索肘關節(jié)運動規(guī)律和新的肘關節(jié)外固定旋轉軸定位方法,納入正常成年志愿者4人,納入標準:年齡大于18歲,既往身體健康,沒有上肢疾患。4位志愿者的年齡23~26歲,平均24.5歲,志愿者1~4身高和體重分別為169cm和54kg、181cm和70kg、183cm和75k