应用数据手套测量对掌运动中的拇指腕掌关节角度
应用数据手套测量对掌运动中的拇指腕掌关节角度
黄昕 沈向前 徐骥华 刘友山 吴守成
【摘要】目的:应用数据手套虚拟现实技术,测量手部对掌运动中拇指腕掌关节的运动角度。方法:选取15名健康成年男性的双手作为研究对象,应用WISEGLOVE数据手套获取手部对掌运动前后拇指腕掌关节的活动动态信号, 应用计算机软件测量腕掌关节角度变化。结果:拇指对掌运动时,腕掌关节的屈伸角度、内收外展角度、旋转角度分别为(40.8±6.9)°、(24.3±5.6)°、(38.4±7.2)°。结论:基于数据手套构建运动获取分析系统,能够对手部对掌运动的腕掌关节屈伸、内收外展、旋转角度进行精确测量,为手部腕掌关节损伤的临床诊断和恢复提供明确的数据参考。
【关键词】手;计算机模拟;数据手套;腕掌关节;对掌
人的手是认识与改造客观世界并与外界交往的重要器官[1],在日常生活及生产活动中发挥了重要的作用。人类的双手区别于动物上肢爪的主要特点就是具有拇指的对掌功能,从而能进行人手特有的对捏及抓握功能,使用生产工具创造人类文明。因此丧失拇指功能相当于损失40%-50%的手部功[2-3]。但对拇指的运动进行评测的方法至今不够完善也不能量化。虚拟现实技术是近年来热门的研究领域之一,数据手套是一种虚拟现实系统的交互设备,可以跟踪操作者灵活多变的手势,实时测量人体手部各个关节角度的变化[4-5]。本研究中,我们应用数据手套获取正常人群手部对掌运动前后拇指腕掌关节的活动动态信号,应用计算机软件测量腕掌关节角度变化,为手部腕掌关节损伤的临床诊断和功能恢复提供明确的数据参考。
资料与方法
1.志愿者条件:选择15名健康男性,年龄21~29岁,平均24.5岁。优势手为右手,无手外伤以及手部疾病,无影响手部运动和功能的神经性疾病和系统性疾病以及遗传性疾病,能够配合实验的进行和完成。
2.基于数据手套的三维运动分析系统:应用WISEGLOVE数据手套(WONSTAR公司制造,中国),该手套可对不同人的手进行设计的统一版型。数据手套夹层中布置了电阻式弯曲传感器,通过手指弯曲位置变化转换成电阻的变化,使用12位高精度AD转换器,进一步将电阻改变转换成信号输出。每个手指有3-4个传感器,分别用来测量手指关节的角度,在手腕部位还有1个两轴倾斜传感器,分别用于测量手掌的俯仰角和倾斜角,其中拇指腕掌关节
传感器具体布置及功能(图1),传感器a、b、c分别用于测量拇指腕掌关节的屈伸角度、 内收外展角度、旋转角度。手套传感器的输出通过扁平电缆线和交互盒相连,交互盒通过R-232串行口送至计算机。手套的功能和数据通过应用SDK编码的三维运动分析系统来实现。
3.拇指对掌运动和数据检测:将检测者前臂及手掌和拇指外的其他四指固定于标准位置,戴数据手套。从拇指完全伸展的位置,移动拇指尖到小指远侧掌褶,然后返回起始位置,反复操作5次。编制计算机程序根据数据手套的输出数据计算出对掌运动时拇指腕掌关节的屈伸角度、内收外展角度、旋转角度。人手三维运动数据分析系统的计算机程序(图2)。
4.统计学分析:实验数据用student t检验和方差分析(ANOVA)。P<0.05表示差异有统计学意义。
结果
拇指完成对掌运动后,拇指腕掌关节的屈伸角度、内收外展角度、旋转角度数值分别为(40.8±6.9)°、(24.3±5.6)°、(38.4±7.2)°。健康成年男性左右手之间差异无统计学意义(P>0.05)。对屈伸角度和旋转角度进行相关性检验显示,拇指对掌运动过程中,拇指腕掌关节的屈伸角度和旋转角度呈负相关性(r=-0.954±0.026,P<0.01),而拇指腕掌关节的屈曲角度和内收外展角度、内收外展角度和旋转角度的相关性分别为: -0.637±0.214、0.602±0.234。
讨论
拇指运动包括腕掌关节、掌指关节和指间关节的屈伸、内收外展、旋前旋后活动,而其他四指的运动为掌指关节、指间关节的屈伸活动和掌指关节的内收外展活动[6]。拇指活动功能主要由内收、对掌、屈伸三项构成,其他四指活动为屈伸活动,手指屈伸活动的测量由各指掌指关节和指间关节最大背伸到最大屈曲的角度表达。拇指的内收功能是以拇指指间关节掌侧纹到第五掌骨远端掌横纹的距离, 拇指的对掌功能是以拇指指间关节掌侧纹到第三掌骨远
端掌横纹的距离。 北京积水潭医院手外科推荐的手功能标准将上述改进为应用拇指全长与实际内收或对掌的距离变换相比较,使原来的内收或对掌的表达方式,由距离变为拇指全长与其活动距离比值的表达[7]。
国外传统的评价方法是Kapandji方法:拇指对掌功能评价通过测量拇指尖到其他指尖或第五掌骨头的线性距离,第一掌骨和第二掌骨之间与手掌平面和第一、第二掌骨平面之间的最大角度。这些方法仅能用来评价拇指伸展和外展功能,但是不能评价拇指屈曲和环转功能, 不能反映及体现患指的各个关节运动以及运动轨迹[8-9]。手工测量关节角度通常是临床评价在一个平面上关节的静态活动度,仅能评价手指屈伸活动, 而不能评价其内收外展以及旋前旋后活动。并且拇指相对于其他四指而言,测量更复杂。拇指的运动角度需分析关节角度和运动弧度。测角术的方法对于运动的测量是静态的,因此省去了很多运动特性。应用双平面X线方法分析大多角骨和第三掌骨的3D解剖关系,通过在每个指骨和第三掌骨上的非线性标志物, 在双平面X线和背景测量网格进行分析。 但该方法是静态地分析拇指运动。
数据手套是一种虚拟现实系统的交互设备,可以跟踪操作者灵活多变的手势,实时测量人体手部各个关节角度的变化,是获取用户手部姿态信息的有效工具。通过数据手套上的传感器系统,可以将操作者的动作变成传感信号输入计算机,计算机读取并分析传感器的信号。因此数据手套作为一种重要的人机交互接口,广泛地应用于虚拟现实的研究领域中。
本实验中以数据手套为研究对象,应用传感器通过人体手指运动测量拇指对掌运动时腕掌关节的屈伸、内收外展、旋前旋后活动。通过运动获取分析系统,获取及分析正常人群及患病人群的手部各指运动信息,建立标准临床数据库,为进一步评测手部功能提供可能。
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