引用本文： 從洋洋, 邱曉, 蔣留軍, 張安靜, 白玉龍. 三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion? 評估健康受試者上肢主動關節活動度的信效度研究. 華西醫學, 2023, 38(10): 1517-1521. doi: 10.7507/1002-0179.202308051 復制
康復醫生及康復治療師實施康復治療前，通常會采用國際通用的量表去評估患者功能狀況[1]。關節活動度測量是臨床康復醫學中常見的評估項目，測量關節活動度可判斷關節運動是否受限，是臨床上關節運動基本情況定量分析、康復計劃制訂、康復療效評價的重要手段[2]。另外，關節活動度廣泛運用于傷殘鑒定[3]，這也對于關節活動度測量的客觀性提出了較高的要求。目前國際上關節活動度評估的金標準是人工使用角度尺測量[4]，人工測量關節活動度雖簡單，但是效率低下且耗費人力和時間[5-6]，且可能因評估者不同而導致評估結果前后不一致[7]。三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?是基于體感設備 Kinect[8-9]提出的客觀的關節活動度測量方式[10]，利用體感交互這一技術構建客觀高效的主動關節活動度測量方法。本研究旨在以人工測量關節活動度作為對照，評價健康受試者中該系統評估主動關節活動度的效度與信度，為其應用于臨床提供客觀依據。
1 對象與方法
1.1 研究對象
本研究于 2022 年 1－3 月公開招募受試者入組。納入標準：① 身體健康，無重大軀體疾病；年齡 25～80 歲；無認知功能障礙，簡易精神狀態檢查量表評分>24 分；② 無摔倒風險，Berg 平衡量表評分>40 分；③ 自愿簽署知情同意書。排除標準：① 依從性差，不能配合評估者；② 有限制上肢主動運動的疾病或上肢關節嚴重疾病。本研究已通過復旦大學附屬華山醫院倫理審查委員會的倫理審查，審查批件號為（2021）臨審第（752）號。
1.2 評測設備
采用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?（上海電氣智能康復醫療科技有限公司）評估主動關節活動度，人工測量采用國際標準測量角度尺。
1.3 試驗方法
1.3.1 主動關節活動度的測量指標及方法
主動關節活動度的測量包括 6 項：肩關節的前屈、后伸、內收、外展，以及肘關節的屈曲、伸展。需測關節的運動方式及正常主動活動度：① 肩關節前屈：上肢沿著矢狀面向身體前側劃至 180°弧線，至頭頂上方再勻速返回至解剖姿勢，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～180°；② 肩關節后伸：上肢沿著冠狀面向身體后側劃至 60°弧線，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～60°；③ 肩關節內收：肩關節微屈曲，上肢貼著軀干上肢從前方向向內沿著冠狀面做內收運動，正常的主動關節活動度為 0～45°；④ 肩關節外展：前臂旋后，手掌向前方或者上方，肱骨充分外旋，上肢沿冠狀面從身體側面向上運動，正常的主動關節活動度為 0～180°；⑤ 肘關節屈曲：中立位為前臂伸直，上肢前臂沿著矢狀面向身體前側劃至 170 °弧線，再勻速返回至解剖學姿勢，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～150°；⑥ 肘關節伸展：中立位為前臂伸直，上肢前臂沿著矢狀面向身體后側劃至 10°，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～10°。
1.3.2 測量過程
① 由同一評估者對受試者應用 COFT-Motion?和角度尺評測肩關節（前屈、后伸、內收、外展）和肘關節（屈曲、伸直）的主動關節活動度。將 COFT-Motion?和角度尺測量的評測結果進行相關性分析來評價標準效度。② 分別由 A、B 兩名評估者對受試者應用 COFT-Motion?評測肩關節（前屈、后伸、內收、外展）和肘關節（屈曲、伸直）的主動關節活動度。將不同評估者的評測結果進行相關性分析來評價評估者間的信度。③ 應用 COFT-Motion?分 2 次評測受試者的肩關節（前屈、后伸、內收、外展）和肘關節（屈曲、伸直）的主動關節活動度，間隔 10 d。對 2 次的評測結果進行相關性分析來評價重測信度。
1.4 質量控制
對研究人員進行充分培訓，評估者應嚴格掌握測量方法及操作中的注意事項，及時準確記錄并判斷測量結果的準確與否，若有異常則及時尋找原因，確保其他評估者可以在相同條件下重復試驗。測量前囑受試者保持標準解剖學姿勢，且多次測量時盡量保持一樣的姿勢。受試者進行主動關節活動度的評測時，評測前評估者向受試者解釋評測項目所需完成的標準動作和注意事項（避免出現代償動作），評測 3 次取其平均值。評測的標準姿勢為受試者保持直立站立，面向評測機器或治療師。如果受試者不能從標準解剖學姿勢的起始位開始運動，則應準確測量并記錄實際開始位的角度數據。在測量主動關節活動度時需要充分暴露需測量的關節，當評測機器測量關節活動度，則按照機器的語音及圖像提示完成相應動作，全程均有評估者在旁引導，監督避免出現代償動作，同時也人工測量起始和最終角度，完成角度尺的測量。機器測量時，評估者避免說話以減少對受試者的影響。當人工測量關節活動度時，為減少評測者的影響，A、B 兩名評估者均為工作 3 年以上的治療師，且試驗開始前均接受統一的測量培訓，評測均重復 3 次取均值。日常對評估設備進行檢查和維護，確保其正常運行。對所有研究過程進行文檔記錄，以便于后期的審查和分析。
1.5 統計學方法
參考其他研究者的樣本量計算方法[11]，使用 GPower 軟件，在配對樣本 t 檢驗下，設置雙側檢驗，效應量設置為 0.8，α為 0.05，檢驗效能為 0.8，計算出需要樣本量為 15。應用 SPSS 25.0 軟件對所有數據進行統計分析。符合正態分布的計量資料采用均數±標準差表示。采用 Pearson 相關分析來評價 COFT-Motion?的效度。相關系數＞0.8 且≤1.0 提示極強相關，＞0.6 且≤0.8 提示強相關，＞0.4 且≤0.6 提示中等程度相關，0.2～0.4 提示弱相關，<0.2 提示極弱相關或無相關。采用組內相關系數（intraclass correlation coefficient, ICC）來評價 COFT-Motion?的評估者間信度和重測信度。ICC>0.75 提示信度好，0.4～0.75 提示中等的信度，<0.4 提示信度差[12]。雙側檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的效度
共有 20 例受試者參與評測。對 COFT-Motion?和角度尺評估健康受試者上肢主動關節活動度的測量值進行 Shapiro-Wilk 檢驗，結果顯示均符合正態分布。Pearson 相關分析顯示，COFT-Motion?與角度尺評估健康受試者上肢主動關節活動度測量值呈正相關，Pearson 相關系數均大于 0.8（P<0.01），見表1。
表1
三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?與角度尺評估健康受試者上肢主動關節活動度測量值的 Pearson 相關分析（n=20，x±s，°）
2.2 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的信度
不同評估者使用 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的結果顯示，ICC 均大于 0.75（P<0.01），見表2。同一評估者重復評測的結果顯示，ICC 均大于 0.75（P<0.01），見表3。
表2
不同評估者使用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的測量值（n=20，x±s，°）
表3
同一評估者重復使用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的測量值（n=20，x±s，°）
3 討論
上肢關節活動度的改善對于上肢運動功能的改善具有明確的意義，目前關節活動度測量采用較為直觀的人工測量。關于四肢被動關節活動度測量的評估者間信度的系統評價顯示，現有研究的評估者間可靠性差，研究所用的統計方法不夠規范，使用工具測量比直接觀察信度更好[13-14]。但臨床實踐顯示，關節活動度評估由于測量工具的機械誤差和不同評估者的主觀性誤差，可導致測量結果出現不可避免的差異[15]。
為了探討測量結果的精確性，已有研究者比較了機器測量與人工測量[16-19]。目前針對關節活動度測量的研究中，研究者們大多選用健康受試者基于骨關節骨性標志的捕捉進行測量，例如張文波等[2]基于 Kinect 的三維捕捉技術對 5 例健康受試者進行腕關節活動度測量，結果顯示 Kinect 腕關節角度測量方式與傳統測量方式測量結果無明顯差異。王偉偉等[20]和瞿暢等[21]基于 Kinect 深度圖像，發現人體關節角度測量對比試驗與傳統測量方式相比，測量結果無明顯差異。本研究所用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?也是基于 Kinect 深度圖像的測量方法。臨床方面，研究者也開始將基于骨關節骨性標志捕捉的技術應用于骨關節疾病患者的關節活動度測量，例如張艷等[22]發現三維建模用于屈肌腱損傷術后關節活動度測量時，結果準確且快速。
關節活動度作為一項評定指標已被證實具有臨床醫學應用價值[23]，傳統所用量角器測量費時且易受評估者主觀性的影響[24]。而機器測量所用電子系統數據可保證采集的連續性，系統能夠捕獲人工不易獲得的附加信息。此外，人工測量時，主動運動中受試者需要保持固定姿勢足夠長的時間才能進行測量，治療師只能測量持續角度。臨床上瞬間的最大角度很重要，因為其代表關節運動的實際最大運動角度。本研究所用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?能夠捕捉瞬時最大關節角度，即受試者可以達到但無法長時間維持的最大關節角度，而受試者可以保持一段時間的角度最大值的時間長短也是肌肉耐力強弱的標志。另外，在包括卒中和脊髓損傷在內的痙攣情況下，還可以觀察角度變化的時間與活動度的關系，有助于指導測量和干預治療。一項國外研究已經使用基于 Kinect 的電氣化設備對神經肌肉疾病患者的上肢可工作范圍進行了評估[25]。
本研究顯示，三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?應用于健康受試者中具有較好的效度與信度。然而，本研究也存在不足：① 受試者例數少，后續還需進一步擴大樣本量深入研究；② 未進行下肢的活動度評測和其他平衡量表、上下肢運動功能量表等評估，評測結果不能代表其所有的評估模塊；③ 活動度的評估未包含對旋轉角度的評估，其與 Kinect 設備的局限性相關；④ 此活動度評測雖受受試者干擾的影響較小，但衣物遮擋、視頻上多個關節有重合等問題可能影響結果；⑤ 受試者僅為健康者，影響了研究結果的可推廣性，后續還需進一步擴大受試者范圍。未來，隨著傳感器準確性、易操作性和人工智能技術的深入發展，相信機器測量會在評估康復效果、降低醫療成本、減輕治療者負擔等方面有更好的表現。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
康復醫生及康復治療師實施康復治療前，通常會采用國際通用的量表去評估患者功能狀況[1]。關節活動度測量是臨床康復醫學中常見的評估項目，測量關節活動度可判斷關節運動是否受限，是臨床上關節運動基本情況定量分析、康復計劃制訂、康復療效評價的重要手段[2]。另外，關節活動度廣泛運用于傷殘鑒定[3]，這也對于關節活動度測量的客觀性提出了較高的要求。目前國際上關節活動度評估的金標準是人工使用角度尺測量[4]，人工測量關節活動度雖簡單，但是效率低下且耗費人力和時間[5-6]，且可能因評估者不同而導致評估結果前后不一致[7]。三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?是基于體感設備 Kinect[8-9]提出的客觀的關節活動度測量方式[10]，利用體感交互這一技術構建客觀高效的主動關節活動度測量方法。本研究旨在以人工測量關節活動度作為對照，評價健康受試者中該系統評估主動關節活動度的效度與信度，為其應用于臨床提供客觀依據。
1 對象與方法
1.1 研究對象
本研究于 2022 年 1－3 月公開招募受試者入組。納入標準：① 身體健康，無重大軀體疾病；年齡 25～80 歲；無認知功能障礙，簡易精神狀態檢查量表評分>24 分；② 無摔倒風險，Berg 平衡量表評分>40 分；③ 自愿簽署知情同意書。排除標準：① 依從性差，不能配合評估者；② 有限制上肢主動運動的疾病或上肢關節嚴重疾病。本研究已通過復旦大學附屬華山醫院倫理審查委員會的倫理審查，審查批件號為（2021）臨審第（752）號。
1.2 評測設備
采用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?（上海電氣智能康復醫療科技有限公司）評估主動關節活動度，人工測量采用國際標準測量角度尺。
1.3 試驗方法
1.3.1 主動關節活動度的測量指標及方法
主動關節活動度的測量包括 6 項：肩關節的前屈、后伸、內收、外展，以及肘關節的屈曲、伸展。需測關節的運動方式及正常主動活動度：① 肩關節前屈：上肢沿著矢狀面向身體前側劃至 180°弧線，至頭頂上方再勻速返回至解剖姿勢，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～180°；② 肩關節后伸：上肢沿著冠狀面向身體后側劃至 60°弧線，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～60°；③ 肩關節內收：肩關節微屈曲，上肢貼著軀干上肢從前方向向內沿著冠狀面做內收運動，正常的主動關節活動度為 0～45°；④ 肩關節外展：前臂旋后，手掌向前方或者上方，肱骨充分外旋，上肢沿冠狀面從身體側面向上運動，正常的主動關節活動度為 0～180°；⑤ 肘關節屈曲：中立位為前臂伸直，上肢前臂沿著矢狀面向身體前側劃至 170 °弧線，再勻速返回至解剖學姿勢，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～150°；⑥ 肘關節伸展：中立位為前臂伸直，上肢前臂沿著矢狀面向身體后側劃至 10°，下肢保持靜止狀態，正常的主動關節活動度為 0～10°。
1.3.2 測量過程
① 由同一評估者對受試者應用 COFT-Motion?和角度尺評測肩關節（前屈、后伸、內收、外展）和肘關節（屈曲、伸直）的主動關節活動度。將 COFT-Motion?和角度尺測量的評測結果進行相關性分析來評價標準效度。② 分別由 A、B 兩名評估者對受試者應用 COFT-Motion?評測肩關節（前屈、后伸、內收、外展）和肘關節（屈曲、伸直）的主動關節活動度。將不同評估者的評測結果進行相關性分析來評價評估者間的信度。③ 應用 COFT-Motion?分 2 次評測受試者的肩關節（前屈、后伸、內收、外展）和肘關節（屈曲、伸直）的主動關節活動度，間隔 10 d。對 2 次的評測結果進行相關性分析來評價重測信度。
1.4 質量控制
對研究人員進行充分培訓，評估者應嚴格掌握測量方法及操作中的注意事項，及時準確記錄并判斷測量結果的準確與否，若有異常則及時尋找原因，確保其他評估者可以在相同條件下重復試驗。測量前囑受試者保持標準解剖學姿勢，且多次測量時盡量保持一樣的姿勢。受試者進行主動關節活動度的評測時，評測前評估者向受試者解釋評測項目所需完成的標準動作和注意事項（避免出現代償動作），評測 3 次取其平均值。評測的標準姿勢為受試者保持直立站立，面向評測機器或治療師。如果受試者不能從標準解剖學姿勢的起始位開始運動，則應準確測量并記錄實際開始位的角度數據。在測量主動關節活動度時需要充分暴露需測量的關節，當評測機器測量關節活動度，則按照機器的語音及圖像提示完成相應動作，全程均有評估者在旁引導，監督避免出現代償動作，同時也人工測量起始和最終角度，完成角度尺的測量。機器測量時，評估者避免說話以減少對受試者的影響。當人工測量關節活動度時，為減少評測者的影響，A、B 兩名評估者均為工作 3 年以上的治療師，且試驗開始前均接受統一的測量培訓，評測均重復 3 次取均值。日常對評估設備進行檢查和維護，確保其正常運行。對所有研究過程進行文檔記錄，以便于后期的審查和分析。
1.5 統計學方法
參考其他研究者的樣本量計算方法[11]，使用 GPower 軟件，在配對樣本 t 檢驗下，設置雙側檢驗，效應量設置為 0.8，α為 0.05，檢驗效能為 0.8，計算出需要樣本量為 15。應用 SPSS 25.0 軟件對所有數據進行統計分析。符合正態分布的計量資料采用均數±標準差表示。采用 Pearson 相關分析來評價 COFT-Motion?的效度。相關系數＞0.8 且≤1.0 提示極強相關，＞0.6 且≤0.8 提示強相關，＞0.4 且≤0.6 提示中等程度相關，0.2～0.4 提示弱相關，<0.2 提示極弱相關或無相關。采用組內相關系數（intraclass correlation coefficient, ICC）來評價 COFT-Motion?的評估者間信度和重測信度。ICC>0.75 提示信度好，0.4～0.75 提示中等的信度，<0.4 提示信度差[12]。雙側檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的效度
共有 20 例受試者參與評測。對 COFT-Motion?和角度尺評估健康受試者上肢主動關節活動度的測量值進行 Shapiro-Wilk 檢驗，結果顯示均符合正態分布。Pearson 相關分析顯示，COFT-Motion?與角度尺評估健康受試者上肢主動關節活動度測量值呈正相關，Pearson 相關系數均大于 0.8（P<0.01），見表1。
表1
三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?與角度尺評估健康受試者上肢主動關節活動度測量值的 Pearson 相關分析（n=20，x±s，°）
2.2 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的信度
不同評估者使用 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的結果顯示，ICC 均大于 0.75（P<0.01），見表2。同一評估者重復評測的結果顯示，ICC 均大于 0.75（P<0.01），見表3。
表2
不同評估者使用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的測量值（n=20，x±s，°）
表3
同一評估者重復使用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?評估健康受試者上肢主動關節活動度的測量值（n=20，x±s，°）
3 討論
上肢關節活動度的改善對于上肢運動功能的改善具有明確的意義，目前關節活動度測量采用較為直觀的人工測量。關于四肢被動關節活動度測量的評估者間信度的系統評價顯示，現有研究的評估者間可靠性差，研究所用的統計方法不夠規范，使用工具測量比直接觀察信度更好[13-14]。但臨床實踐顯示，關節活動度評估由于測量工具的機械誤差和不同評估者的主觀性誤差，可導致測量結果出現不可避免的差異[15]。
為了探討測量結果的精確性，已有研究者比較了機器測量與人工測量[16-19]。目前針對關節活動度測量的研究中，研究者們大多選用健康受試者基于骨關節骨性標志的捕捉進行測量，例如張文波等[2]基于 Kinect 的三維捕捉技術對 5 例健康受試者進行腕關節活動度測量，結果顯示 Kinect 腕關節角度測量方式與傳統測量方式測量結果無明顯差異。王偉偉等[20]和瞿暢等[21]基于 Kinect 深度圖像，發現人體關節角度測量對比試驗與傳統測量方式相比，測量結果無明顯差異。本研究所用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?也是基于 Kinect 深度圖像的測量方法。臨床方面，研究者也開始將基于骨關節骨性標志捕捉的技術應用于骨關節疾病患者的關節活動度測量，例如張艷等[22]發現三維建模用于屈肌腱損傷術后關節活動度測量時，結果準確且快速。
關節活動度作為一項評定指標已被證實具有臨床醫學應用價值[23]，傳統所用量角器測量費時且易受評估者主觀性的影響[24]。而機器測量所用電子系統數據可保證采集的連續性，系統能夠捕獲人工不易獲得的附加信息。此外，人工測量時，主動運動中受試者需要保持固定姿勢足夠長的時間才能進行測量，治療師只能測量持續角度。臨床上瞬間的最大角度很重要，因為其代表關節運動的實際最大運動角度。本研究所用三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?能夠捕捉瞬時最大關節角度，即受試者可以達到但無法長時間維持的最大關節角度，而受試者可以保持一段時間的角度最大值的時間長短也是肌肉耐力強弱的標志。另外，在包括卒中和脊髓損傷在內的痙攣情況下，還可以觀察角度變化的時間與活動度的關系，有助于指導測量和干預治療。一項國外研究已經使用基于 Kinect 的電氣化設備對神經肌肉疾病患者的上肢可工作范圍進行了評估[25]。
本研究顯示，三維動作捕捉分析系統 COFT-Motion?應用于健康受試者中具有較好的效度與信度。然而，本研究也存在不足：① 受試者例數少，后續還需進一步擴大樣本量深入研究；② 未進行下肢的活動度評測和其他平衡量表、上下肢運動功能量表等評估，評測結果不能代表其所有的評估模塊；③ 活動度的評估未包含對旋轉角度的評估，其與 Kinect 設備的局限性相關；④ 此活動度評測雖受受試者干擾的影響較小，但衣物遮擋、視頻上多個關節有重合等問題可能影響結果；⑤ 受試者僅為健康者，影響了研究結果的可推廣性，后續還需進一步擴大受試者范圍。未來，隨著傳感器準確性、易操作性和人工智能技術的深入發展，相信機器測量會在評估康復效果、降低醫療成本、減輕治療者負擔等方面有更好的表現。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
