光学电子运动捕捉系统测量胸腰椎矢状面姿势及三维活动范围的会话间可靠性研究
作者及发表信息
本研究由Seyed Javad Mousavi（第一作者，Beth Israel Deaconess医疗中心及哈佛医学院）、Rebecca Tromp、Matthew C. Swann、Andrew P. White和通讯作者Dennis E. Anderson（Beth Israel Deaconess医疗中心及哈佛医学院）合作完成，发表于Journal of Biomechanics（2018年，第79卷，248–252页）。
学术背景
研究领域：生物力学与脊柱运动分析。
研究动机：脊柱疾病（如背痛、椎体骨折、脊柱狭窄等）常导致躯干姿势和运动功能异常，但临床缺乏标准化、可靠的三维脊柱运动评估方法。光学电子运动捕捉（opto-electronic motion capture）技术虽已用于脊柱运动研究，但现有文献中关于其会话间可靠性（between-session reliability）的数据有限，尤其是采用脊柱标记簇（marker clusters）评估三维运动（包括非矢状面及耦合运动）的研究尚未充分验证。
研究目标：验证光学电子运动捕捉系统在测量健康受试者胸椎后凸（thoracic kyphosis, TK）、腰椎前凸（lumbar lordosis, LL）、骨盆倾斜（pelvic tilt, PT）以及三维脊柱活动范围（range of motion, ROM）时的会话间可靠性，并确定达到可靠测量所需的最小重复试验次数。
研究流程
1. 受试者招募与排除标准
- 样本量：19名健康志愿者（8名女性），年龄24–74岁，BMI 17.0–31.0 kg/m²。
- 排除标准：近期背痛、脊柱手术史、创伤性骨折、胸椎畸形或影响平衡/运动的疾病。
2. 实验设计与数据采集
- 会话间隔：两次独立测试，平均间隔7天（范围2–14天）。
- 标记放置：
- 脊柱标记簇：7个脊柱节段（T1、T4、T5、T8、T9、T12、L1棘突）各放置4个反光标记的刚性簇。
- 骨盆标记：髂前上棘（ASIS）、髂后上棘（PSIS）及髂嵴。
- 附加标记：C7、头部、胸骨、锁骨及四肢共69个单标记。
- 运动捕捉系统：10摄像头Vicon系统（Oxford, UK），采样频率未明确（文中提及“5秒静态数据”）。
3. 测试动作与数据记录
受试者完成以下动作，每个动作保持5秒：
1. 中立站立姿势（neutral upright standing）。
2. 矢状面运动：最大屈曲（flexion）和伸展（extension）。
3. 冠状面运动：左右侧向弯曲（lateral bending）。
4. 水平面运动：左右轴向旋转（axial rotation）。
4. 数据处理与分析
- 数据降噪：取动作中1秒稳定期的标记位置平均值。
- 坐标系定义：
- 脊柱局部坐标系：Z轴切于脊柱曲率，Y轴垂直于曲率。
- 骨盆坐标系：Y轴平行于ASIS-PSIS平面，Z轴垂直。
- 欧拉角计算：采用X（屈伸）、Y（侧弯）、Z（轴向旋转）序列，计算节段间相对旋转角度。
- 可靠性指标：
- 组内相关系数（ICC）：评估会话间可靠性（ICC>0.75为优秀，0.4–0.75为中等，<0.4为差）。
- 测量标准误差（SEM）：量化绝对误差。
- 重复试验次数估算：通过Spearman-Brown公式计算满足ICC≥0.8和SEM%<25%所需的最小试验次数。
主要结果
1. 中立姿势可靠性
- 胸椎后凸（TK）：ICC=0.82（优秀），SEM=4.6°。
- 腰椎前凸（LL）：ICC=0.63（中等），SEM=4.8°。
- 骨盆倾斜（PT）：ICC=0.54（中等），SEM=3.8°。
2. 三维活动范围（ROM）可靠性
- 屈伸运动：
- 腰椎屈曲ICC最高（0.77–0.79），需2次重复试验即可达到可靠标准。
- 胸椎伸展ICC=0.78，需10次重复试验。
- 侧向弯曲：
- 胸椎贡献50%侧弯ROM，ICC=0.56（中等），需4次重复试验。
- 耦合运动（屈伸、轴向旋转）可靠性较低（ICC=0.04–0.65）。
- 轴向旋转：
- 胸椎（ICC=0.78）和骨盆（ICC=0.81）贡献主要旋转ROM，需1–2次重复试验。
- 腰椎旋转可靠性较差（ICC=0.51）。
3. 重复试验次数建议
- 关键ROM指标（如腰椎屈曲、胸腰椎侧弯、胸椎旋转）需2–4次重复试验即可满足可靠性要求。
结论与价值
- 科学价值：首次系统验证了脊柱标记簇在三维运动分析中的会话间可靠性，填补了非矢状面运动评估的空白。
- 临床意义：为脊柱疾病（如退行性病变、术后康复）的动态功能评估提供了标准化方法，支持未来临床研究设计。
- 技术优化：小尺寸标记簇（贴合脊柱中线）可能减少软组织伪影，但需权衡标记间距对噪声的影响。
研究亮点
- 创新方法：采用多节段标记簇量化三维脊柱运动，首次报告了轴向旋转和耦合运动的可靠性数据。
- 实用性建议：明确2–4次重复试验可满足多数ROM测量的可靠性，降低临床研究成本。
- 广泛适用性：样本覆盖中老年健康人群，结果可推广至无脊柱病理的群体。
局限性
- 样本限制：未纳入肥胖或疼痛患者，结果可能不适用于此类人群。
- 未验证准确性：可靠性不等同于准确性，需结合影像学（如MRI）进一步验证。
本研究为光学电子运动捕捉技术在脊柱生物力学领域的应用提供了关键证据，未来可扩展至病理状态下的运动分析及治疗效果评估。