本研究题为“使用皮肤标记量化主胸弯型青少年特发性脊柱侧凸的脊柱曲度：一项探索性影像学研究”，由Stefan Schmid（通讯作者，邮箱：stefanschmid79@gmail.com）及其同事合作完成。研究团队来自多个瑞士机构，包括苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）生物力学研究所、伯尔尼应用科学大学健康学院、巴塞尔大学儿童医院骨科及运动分析实验室。该研究于2015年8月13日发表在学术期刊《PLOS ONE》上。
本研究属于生物力学与临床运动分析领域，旨在解决脊柱侧凸患者动态运动评估中的关键技术难题。尽管理解复杂脊柱畸形患者（如青少年特发性脊柱侧凸，Adolescent Idiopathic Scoliosis, AIS）在功能活动中的脊柱运动学具有重要意义，但基于皮肤标记的光学运动捕捉系统在此类人群中的应用证据非常有限。现有研究多集中于健康受试者，且使用的标记配置未经验证。标准临床步态分析中使用的躯干标记集（如“Plug-in Gait”全身标记集）无法追踪脊柱曲度，因此不适合量化AIS等患者的异常脊柱运动。为此，研究团队先前开发并验证了一套用于健康成人矢状面腰椎和胸椎曲度评估的增强型躯干标记集（IFB marker set）。然而，AIS患者的脊柱畸形是三维的，包括椎体向凸侧旋转（轴向旋转）和棘突向凹侧旋转，这可能导致基于皮肤表面棘突标记的测量在额状面低估由椎体形成的真实曲度。此外，触诊定位棘突的不准确性也可能影响曲度测量的准确性。因此，本研究的主要目的是探索在静态条件下，使用先前开发的增强型标记集对主胸弯型AIS患者的脊柱曲度（矢状面和额状面）进行皮肤标记测量的有效性。其次，研究还探讨了标记放置不准确对曲度角度计算的影响。
研究流程详细严谨，共包含以下几个关键步骤：
第一，研究对象招募与纳入。研究纳入了连续样本的10名主胸弯型AIS患者（8女2男，平均年龄14.8±1.3岁）。所有参与者均计划进行常规影像学检查，因此未接受额外辐射。纳入标准为年龄10-18岁，诊断为特发性脊柱侧凸且具有结构性主胸弯（根据Lenke分类为1-3型）。排除标准包括其他类型的脊柱侧凸（如神经源性）、既往有手术治疗史或导致下肢和躯干持续畸形的运动系统损伤。
第二，仪器设备与标记配置。研究结合了两种主要技术：1. 标准双平面X线摄影（正位和侧位），用于获取脊柱和椎体的“金标准”影像，同时使用贴在皮肤上的球形不透射线标记（直径5毫米）进行同步显影。2. Vicon光学运动捕捉系统（12个摄像头，采样频率300赫兹），用于在运动分析实验室中采集静态姿势下反光标记（直径9-14毫米）的三维位置数据。标记配置采用了IFB标记集的部分选定标记，放置于C7、T3、T5、T7、T9、T11以及L1-L5的棘突上。
第三，实验程序。首先，由一名经验丰富的物理治疗师通过触诊定位目标棘突并做皮肤标记。定位C7时结合了两种方法：触诊最突出的颈椎棘突，并通过颈椎屈伸（保持不动的棘突为C7）和头部旋转（C6和C7棘突比T1活动更大）来确认。然后向下计数定位至L5，并通过确认L4棘突与两侧髂嵴最高点连线水平对齐来验证整体定位准确性。定位后，将不透射线标记直接贴在皮肤标记处，患者接受标准双平面X线检查。检查完成后，取下不透射线标记，在同位置贴上反光标记，患者在运动分析实验室中进行为期2秒的静态直立姿势测量。
第四，数据分析与处理。这是研究的核心环节，涉及多种软件和自定义算法。X线图像使用ImageJ软件处理，手动勾画椎体、棘突和标记的形状，计算其质心（Center of Area, CoA）。根据文献确定Cobb角。运动捕捉数据使用Vicon Nexus软件提取静态试验中反光标记在矢状面和额状面的平均位置。所有后续计算均使用自定义的MATLAB程序完成。曲度角度的计算基于三种数据源：椎体质心（VB）、不透射线标记质心（RO）和反光标记位置（RR）。在矢状面，腰椎曲线定义为T12-L5椎体及T11、L1-L5标记；胸椎曲线定义为T3-T12椎体及T3、T5、T7、T9、T11标记。在额状面，胸腰段/腰椎和胸椎曲线由对应于Cobb角边界的椎体和标记定义（见表1），每条曲线至少选择四个标记。使用二阶多项式和圆拟合函数（Taubin方法）建立圆形节段，并根据圆心角定理计算曲度角度。此外，通过分析正位X线片，评估了触诊放置标记的准确性。由于脊柱侧凸导致棘突侧偏，计算了棘突质心与标记质心在垂直和水平方向上的绝对距离。如果标记质心落在棘突的上下边界和/或内外边界之间，则认为该方向触诊正确。
第五，统计分析。使用SPSS软件进行统计分析，显著性水平设为p=0.05。主要结果分析：通过VB、RO、RR三种方法得出的曲度角度之间进行线性回归分析，以确定皮肤标记测量的有效性。次要结果分析：描述性分析触诊准确性（以数字和百分比表示），并对未正确识别的标记位移值进行呈现。通过SP、RO、RR三种方法得出的额状面曲度角度之间的线性回归分析，探讨标记放置不准确对测量的影响，更高的相关性表示影响更小。
研究获得了以下主要结果：
关于主要结果（皮肤标记测量的有效性）：线性回归分析显示，无论是在矢状面还是额状面，基于皮肤标记（RO和RR）得出的曲度角度与基于椎体（VB）得出的“金标准”角度之间存在中度至强且具有统计学显著性的相关性。然而，具体分析回归线属性揭示了重要差异。在矢状面，腰椎和胸椎的VB曲度角通过RO和RR标记估算时，未出现显著的过高或过低估计，回归线斜率值在0.913至1.252之间，截距小于10度。这表明在矢状面上，皮肤标记可以相对准确地估算脊柱曲度。然而，在额状面，情况截然不同。无论是胸腰段/腰椎曲线还是胸椎曲线，基于皮肤标记（RO和RR）估算的VB曲度角均被系统性地低估。回归线斜率在0.882至1.308之间，但截距值高达20.4至34.4度。这意味着，当VB测量的真实曲度角为0度时，皮肤标记测量值已经存在一个很大的负向偏移，整体上测量值低于真实值。此外，定性观察数据点分布发现，对于超过约40度的较大腰椎前凸，皮肤标记的估算准确性下降。同时，额状面胸椎曲度角被RR标记低估的程度略高于RO标记。
关于次要结果（触诊准确性与放置误差影响）：在放置的110个不透射线标记中，有6个在X线片上不可见。分析显示，仅有57.7%的棘突在垂直方向被正确触诊识别，在水平方向（内外侧）正确率仅为38.4%。平均位移值表明，触诊在垂直方向的误差在5-18毫米之间，水平方向误差可达9毫米。棘突通常被识别在目标位置的下方，并且偏向脊柱侧凸曲线的凹侧。回归分析进一步揭示了标记放置误差对曲度计算的影响程度。结果显示，在额状面，胸椎曲线的SP（基于棘突质心）与皮肤标记（RO/RR）曲度角之间的相关性，高于胸腰段/腰椎曲线。这意味着，同样的标记放置误差，对胸腰段/腰椎曲度角计算的影响比对胸椎的影响更大。此外，对于胸腰段/腰椎曲线，SP曲度角倾向于被皮肤标记低估，而对于胸椎曲线则未发现明显的低估或高估趋势。
基于上述结果，本研究得出以下结论：1. 基于皮肤标记的运动捕捉技术可用于AIS患者脊柱曲度角度的无创评估。2. 在矢状面，绝对角度值可以相对准确地测量。3. 在额状面，角度值会被系统性低估，这主要归因于侧凸椎体的旋转畸形和结构性变形。因此，建议将皮肤标记用于评估运动和姿势变化（例如在步行等动态任务中），而不是用于测量绝对角度值。4. 通过触诊放置标记的不准确性对胸腰段/腰椎曲度角确定的影响大于对胸椎的影响。为了最大限度地减少此类误差，应由具有丰富触诊经验的医疗专业人员放置标记。
本研究的意义和价值体现在多个层面。科学价值在于，它首次系统地探索并验证了在静态条件下，使用特定皮肤标记集量化AIS患者脊柱三维曲度（特别是额状面）的可行性及其局限性，明确了测量误差的主要来源（椎体旋转畸形和标记放置误差）。这为后续动态研究奠定了重要的方法论基础。应用价值在于，研究结果表明，尽管存在系统性偏差，但皮肤标记技术能够可靠地追踪脊柱曲度的相对变化。这支持了将脊柱曲度测量整合到临床步态分析协议中的可行性。这样的整合将有助于更深入地理解健康和病理性脊柱在动态情况下的生物力学行为，并为评估治疗方案（如支具或手术）的效果提供更全面的视角。此外，获得的运动数据可用于驱动复杂的脊柱模型，以深入了解运动过程中脊柱的动态负荷。
本研究的亮点包括：1. 研究对象的针对性：专注于具有结构性畸形的AIS患者，填补了该群体皮肤标记运动分析有效性证据的空白。2. 方法学的严谨性与创新性：创造性地结合了“金标准”双平面X线（含不透射线标记）和光学运动捕捉技术，实现了同一受试者在相近状态下的直接对比验证。3. 对误差源的深入剖析：不仅验证了整体有效性，还定量分析了触诊放置误差及其对不同脊柱节段曲度测量的差异化影响，并探讨了椎体旋转这一病理因素对测量偏差的贡献。4. 明确的实践指导意义：结论明确指出了该技术适用于动态相对变化评估而非静态绝对角度测量，并对标记放置人员的专业性提出了要求，对临床实践具有直接指导意义。
最后，作者在讨论部分也指出了研究的局限性，例如X线检查（需手臂前举握杆）与运动捕捉实验室的站立姿势可能存在微小差异，这可能部分解释了矢状面胸椎曲度RR标记估算略逊于RO标记的原因。作者建议，未来的验证研究应尽可能实现影像学与运动捕捉的同步测量。同时，研究中反光标记安装在塑料底座上，在侧凸顶椎区域的椎旁肌上可能略微向凹侧倾斜，这也可能导致了额状面RR标记较RO标记更大的低估。这些细节为未来研究的改进提供了方向。总体而言，该研究为在AIS患者动态功能评估中安全、非侵入性地纳入脊柱运动学参数铺平了道路。