應(yīng)用數(shù)據(jù)手套測量測量對掌運動中的拇指腕掌關(guān)節(jié)角度
2020-12-20 19:35:57??????點擊：
應(yīng)用數(shù)據(jù)手套測量對掌運動中的拇指腕掌關(guān)節(jié)角度
黃昕 沈向前 徐驥華 劉友山 吳守成
【摘要】目的：應(yīng)用數(shù)據(jù)手套虛擬現(xiàn)實技術(shù)，測量手部對掌運動中拇指腕掌關(guān)節(jié)的運動角度。
方法選取15名健康成年男性的雙手作為研究對象，應(yīng)用WISEGLOVE數(shù)據(jù)手套獲取手部對掌運動前后拇指腕掌關(guān)節(jié)的活動動態(tài)信號， 應(yīng)用計算機軟件測量腕掌關(guān)節(jié)角度變化。結(jié)果：拇指對掌運動時，腕掌關(guān)節(jié)的屈伸角度、內(nèi)收外展角度、旋轉(zhuǎn)角度分別為（40.8±6.9）°、（24.3±5.6）°、（38.4±7.2）°。結(jié)論：基于數(shù)據(jù)手套構(gòu)建運動獲取分析系統(tǒng)，能夠?qū)κ植繉φ七\動的腕掌關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)收外展、旋轉(zhuǎn)角度進行精確測量，為手部腕掌關(guān)節(jié)損傷的臨床診斷和恢復(fù)提供明確的數(shù)據(jù)參考。
【關(guān)鍵詞】手；計算機模擬；數(shù)據(jù)手套；腕掌關(guān)節(jié)；對掌
人的手是認識與改造客觀世界并與外界交往的重要器官[1]，在日常生活及生產(chǎn)活動中發(fā)揮了重要的作用。人類的雙手區(qū)別于動物上肢爪的主要特點就是具有拇指的對掌功能，從而能進行人手特有的對捏及抓握功能，使用生產(chǎn)工具創(chuàng)造人類文明。因此喪失拇指功能相當于損失40%-50%的手部功[2-3]。但對拇指的運動進行評測的方法至今不夠完善也不能量化。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來熱門的研究領(lǐng)域之一，數(shù)據(jù)手套是一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互設(shè)備，可以跟蹤操作者靈活多變的手勢，實時測量人體手部各個關(guān)節(jié)角度的變化[4-5]。本研究中，我們應(yīng)用數(shù)據(jù)手套獲取正常人群手部對掌運動前后拇指腕掌關(guān)節(jié)的活動動態(tài)信號，應(yīng)用計算機軟件測量腕掌關(guān)節(jié)角度變化，為手部腕掌關(guān)節(jié)損傷的臨床診斷和功能恢復(fù)提供明確的數(shù)據(jù)參考。
資料與方法
1.志愿者條件：選擇15名健康男性，年齡21~29歲，平均24.5歲。優(yōu)勢手為右手，無手外傷以及手部疾病，無影響手部運動和功能的神經(jīng)性疾病和系統(tǒng)性疾病以及遺傳性疾病，能夠配合實驗的進行和完成。
2.基于數(shù)據(jù)手套的三維運動分析系統(tǒng)：應(yīng)用WISEGLOVE數(shù)據(jù)手套（WONSTAR公司制造，中國），該手套可對不同人的手進行設(shè)計的統(tǒng)一版型。數(shù)據(jù)手套夾層中布置了電阻式彎曲傳感器，通過手指彎曲位置變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，使用12位高精度AD轉(zhuǎn)換器，進一步將電阻改變轉(zhuǎn)換成信號輸出。每個手指有3-4個傳感器，分別用來測量手指關(guān)節(jié)的角度，在手腕部位還有1個兩軸傾斜傳感器，分別用于測量手掌的俯仰角和傾斜角，其中拇指腕掌關(guān)節(jié)
傳感器具體布置及功能（圖１），傳感器a、b、c分別用于測量拇指腕掌關(guān)節(jié)的屈伸角度、 內(nèi)收外展角度、旋轉(zhuǎn)角度。手套傳感器的輸出通過扁平電纜線和交互盒相連，交互盒通過R-232串行口送至計算機。手套的功能和數(shù)據(jù)通過應(yīng)用SDK編碼的三維運動分析系統(tǒng)來實現(xiàn)。
3.拇指對掌運動和數(shù)據(jù)檢測：將檢測者前臂及手掌和拇指外的其他四指固定于標準位置，戴數(shù)據(jù)手套。從拇指完全伸展的位置，移動拇指尖到小指遠側(cè)掌褶，然后返回起始位置，反復(fù)操作5次。編制計算機程序根據(jù)數(shù)據(jù)手套的輸出數(shù)據(jù)計算出對掌運動時拇指腕掌關(guān)節(jié)的屈伸角度、內(nèi)收外展角度、旋轉(zhuǎn)角度。人手三維運動數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計算機程序（圖2）。
4.統(tǒng)計學(xué)分析：實驗數(shù)據(jù)用student t檢驗和方差分析（ANOVA）。P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
結(jié)果
拇指完成對掌運動后，拇指腕掌關(guān)節(jié)的屈伸角度、內(nèi)收外展角度、旋轉(zhuǎn)角度數(shù)值分別為（40.8±6.9）°、（24.3±5.6）°、（38.4±7.2）°。健康成年男性左右手之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。對屈伸角度和旋轉(zhuǎn)角度進行相關(guān)性檢驗顯示，拇指對掌運動過程中，拇指腕掌關(guān)節(jié)的屈伸角度和旋轉(zhuǎn)角度呈負相關(guān)性（r=-0.954±0.026，P<0.01），而拇指腕掌關(guān)節(jié)的屈曲角度和內(nèi)收外展角度、內(nèi)收外展角度和旋轉(zhuǎn)角度的相關(guān)性分別為： -0.637±0.214、0.602±0.234。
討論
拇指運動包括腕掌關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外展、旋前旋后活動，而其他四指的運動為掌指關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)的屈伸活動和掌指關(guān)節(jié)的內(nèi)收外展活動[6]。拇指活動功能主要由內(nèi)收、對掌、屈伸三項構(gòu)成，其他四指活動為屈伸活動，手指屈伸活動的測量由各指掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié)最大背伸到最大屈曲的角度表達。拇指的內(nèi)收功能是以拇指指間關(guān)節(jié)掌側(cè)紋到第五掌骨遠端掌橫紋的距離， 拇指的對掌功能是以拇指指間關(guān)節(jié)掌側(cè)紋到第三掌骨遠
端掌橫紋的距離。 北京積水潭醫(yī)院手外科推薦的手功能標準將上述改進為應(yīng)用拇指全長與實際內(nèi)收或?qū)φ频木嚯x變換相比較，使原來的內(nèi)收或?qū)φ频谋磉_方式，由距離變?yōu)槟粗溉L與其活動距離比值的表達[7]。
國外傳統(tǒng)的評價方法是Kapandji方法：拇指對掌功能評價通過測量拇指尖到其他指尖或第五掌骨頭的線性距離，第一掌骨和第二掌骨之間與手掌平面和第一、第二掌骨平面之間的最大角度。這些方法僅能用來評價拇指伸展和外展功能，但是不能評價拇指屈曲和環(huán)轉(zhuǎn)功能， 不能反映及體現(xiàn)患指的各個關(guān)節(jié)運動以及運動軌跡[8-9]。手工測量關(guān)節(jié)角度通常是臨床評價在一個平面上關(guān)節(jié)的靜態(tài)活動度，僅能評價手指屈伸活動， 而不能評價其內(nèi)收外展以及旋前旋后活動。并且拇指相對于其他四指而言，測量更復(fù)雜。拇指的運動角度需分析關(guān)節(jié)角度和運動弧度。測角術(shù)的方法對于運動的測量是靜態(tài)的，因此省去了很多運動特性。應(yīng)用雙平面X線方法分析大多角骨和第三掌骨的3D解剖關(guān)系，通過在每個指骨和第三掌骨上的非線性標志物， 在雙平面X線和背景測量網(wǎng)格進行分析。 但該方法是靜態(tài)地分析拇指運動。
數(shù)據(jù)手套是一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互設(shè)備，可以跟蹤操作者靈活多變的手勢，實時測量人體手部各個關(guān)節(jié)角度的變化，是獲取用戶手部姿態(tài)信息的有效工具。通過數(shù)據(jù)手套上的傳感器系統(tǒng)，可以將操作者的動作變成傳感信號輸入計算機，計算機讀取并分析傳感器的信號。因此數(shù)據(jù)手套作為一種重要的人機交互接口，廣泛地應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實的研究領(lǐng)域中。
本實驗中以數(shù)據(jù)手套為研究對象，應(yīng)用傳感器通過人體手指運動測量拇指對掌運動時腕掌關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外展、旋前旋后活動。通過運動獲取分析系統(tǒng)，獲取及分析正常人群及患病人群的手部各指運動信息，建立標準臨床數(shù)據(jù)庫，為進一步評測手部功能提供可能。聲明：文章內(nèi)容整理來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)屬于原作者，如有問題，請聯(lián)系我們！
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