脊髓病手功能評測系統的開發及軟件實現

侯藏龍，張偉忠，唐沂星，陳智，張帆，王琨，宋慶鑫，沈洪興

第二軍醫大學附屬長海醫院脊柱外科，上海 200433

脊髓病手功能評測系統的開發及軟件實現

侯藏龍，張偉忠，唐沂星，陳智，張帆，王琨，宋慶鑫，沈洪興

第二軍醫大學附屬長海醫院脊柱外科，上海 200433

目的 基于數據手套（Date-glove）技術結合計算機編程軟件，開發脊髓病手功能評測系統（MFS）。方法 分別選取確診脊髓型頸椎病（CSM）患者及健康成年人各20例作為研究對象，應用WiseGlove數據手套獲取10 s手屈伸測試（GRT）掌指關節的活動動態信號，以Visual C++為編程工具編寫計算機軟件模擬掌指關節的角度變化。結果 CSM組左手10 s GRT平均15.20次/10 s，右手平均15.45次/10 s，健康對照組左手平均23.42次/10 s，右手平均23.63次/10 s，兩組同側10 s GRT測試結果差異有統計學意義（P＜0.05），CSM患者存在不同程度的手部功能下降。結論 MFS具有集成度高、無創、定量、可靠、操作簡便等特點，并首次采用Date-glove技術對脊髓病手功能進行量化分析。

脊髓型頸椎病；手功能障礙；數據手套；功能評價；量化評估；手指屈伸試驗

0 前言

脊髓病手（Myelopathy-hand）是繼發于脊髓型頸椎病（Cervical Spondylotic Myelopathy，CSM）的特征性表現之一，1987年Ono等[1]詳盡地描述了脊髓病手的特征：手部活動笨拙，影響精細動作；內在肌萎縮，手指無法快速完成屈伸動作，伴有痛覺減退。Ono等[1]設計了10 s手屈伸測試（Grip and Release Test，GRT），即囑患者平舉前臂，掌心向下，盡可能快地反復做手指屈伸動作，出現手指屈伸緩慢、困難甚至不完全。成年人在10 s內完成20次以上視為正常，通過對127例CSM患者進行10 s GRT發現脊髓病手的嚴重程度與患者JOA評分顯著相關，能夠量化反映頸脊髓功能。Prabhu等[2]術后即刻在床邊進行快速手指屈伸試驗，證實術后早期手部功能恢復是評價手術效果的客觀指標之一。

通常，我們采用量表對CSM的嚴重程度、手術效果進行大致評估，如Cooper Myelopathy標準、European Myelopathy評分和JOA評分等。但因量表對疾病的嚴重程度評估較為廣泛且無法統一單位而無法實現完全量化分析、比較，對于臨床效果的細微改變缺乏敏感性，存在主觀因素，如手部笨拙、步態異常，排尿功能障礙等，這些指標是難以定量的，一類功能障礙往往涵蓋的范圍比較大，這也使得評分體系的敏感性較差[3]。基于數據手套（Cyber-glove）技術結合計算機編程，自主開發了一套脊髓病手功能評測系統，此系統克服了以往手功能評測設備精度低、難以量化、設備復雜、使用繁瑣等缺陷[3-6]，為CSM診療提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 一般資料

CSM組由2015年1～2月我院門診中30例確診的CSM患者組成，其中男性18例，女性12例，年齡28～75歲，平均56.3歲，見表1。本研究共納入健康志愿者20例，男性12例，女性8例，年齡27～65歲，平均42.1歲，作為對照組。

表1 脊髓型頸椎病組患者選取標準

1.2 數據手套和系統設計

虛擬現實技術在醫學領域的應用是近年來的研究熱點之一，目前已廣泛地應用在虛擬人體、醫學教育、虛擬外科手術、遠程醫療等領域[7]。以往的對手部各關節的運動評測方法至今不完善也無法量化，故我們采用數據手套進行數據捕獲，實時測量手部各個關節角度的變化[8-9]。

數據手套具有佩戴舒適、簡便易用、波形系數小、驅動程序完備等特點。超高的數據質量、較低的手指間交叉關聯、以及高數據頻率使該產品成為虛擬現實交互的理想工具。

數據手套夾層中設有電阻式彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設有至少兩根導線。以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導線與外電路連接。通過手指彎曲位置變化轉換成電阻的變化，每個手指背側的傳感器分別用來測量手指關節的角度變化。

使用12位高精度模數轉換器，將模擬信號轉換成數字信號。WiseGlove數據手套型號有5、14、18、28傳感器之分，還可配備無線模塊或串口模塊等實現數據向計算機的高頻率傳輸。GRT測試僅涉及掌指關節運動情況，故采用價格相對低廉的5傳感器WiseGlove數據手套，見圖1。

圖1 WiseGlove數據手套

目前市面上主流計算機配置可保證本系統運行流暢，為保證系統最佳運行效果我們采用了相對較高的配置。處理器：Intel 酷睿i7 4900MQ，主頻：2.8 GHz，內存：16 GB，顯示器：64位，硬盤容量：1TB，軟件開發及使用均基于Windows 7操作平臺。

1.3 軟件設計和功能

本軟件的編譯系統選用Microsoft面向對象的可視化集成編程系統Visual C++，具有程序框架自動生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設計集成交互操作等優點，而且通過設置可使其生成的程序框架支持數據庫接口、3D控制界面。

本軟件按常規儀器的界面設計，所有操作在一個界面完成，簡潔明了。測試時實時顯示各手指的彎曲角度，描記波形并顯示動畫，操作者可直觀地觀察其準確性。測量結果按不同受試者自動歸檔，便于日后查詢、比對、再分析。實現的功能主要有受檢人員基本信息登記查詢、檢查記錄查詢、手套標定、手指彎曲度的實時數據記錄、實時波形圖顯示、實時動畫顯示、GRT次數自動統計、周期圖、記錄實時回放、記錄半速回放等功能，見圖2。

圖2 脊髓病手功能評測系統的軟件功能圖

因為受試者手的大小不同，為了能精確記錄手指的彎曲過程，在每次測試前我們都需對手套進行個體化校正，即確定受試者的手指在握拳和自然平伸狀態下數據手套彎曲傳感器所能達到的彎度極限值。測試時系統一旦判斷到受試者開始做屈伸動作就自動啟動計時裝置，達到規定時間立即停止記錄，并自動計算出GRT次數。此軟件可以記錄每次測試的實時數據、受試者的基本信息和測試日期等，為數據的統計分析創造了條件。

1.4 10 s GRT和數據檢測

（1）錄入患者基本信息：包括姓名、性別、年齡、簡要病史、住院/手術日期、可選擇10 s GRT、15 s GRT及RHCT等測試項目，并可根據患者實際情況選擇門診篩查、術前、術后等測試時機。

（2）數據手套的佩戴方法：數據手套采用彈性布料，能滿足多數人的手部尺寸，佩戴時手自然伸入手套五指自然張開，由拇指到小指依次向腕側牽拉掌面布料（避免使掌背側的傳感器受到牽拉），確保掌背側凸起的傳感器與手指中線基本重合，縱向跨越掌指關節，前端至遠近指間關節中部位置，為了確保測試過程中傳感器固定在原有位置，我們在掌、腕部添加了可黏貼型固定帶，使測試更加穩定。

（3）動作校正：正確佩戴手套后，受測手平舉，掌心向下，點擊軟件中的校正，囑患者進行自然平伸手指和握拳動作，見圖3。

圖3 手屈伸測試動作校正

（4）校正完畢后點擊測試開始，受試者標準地做屈和伸的動作，系統自動計時，10 s后自動停止計數。

（5）保存結果。

1.5 統計學分析

采用SPSS統計軟件進行統計分析，組內比較用Student t檢驗，組間比較采用單因素方差分析(ANOVA)，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

測試結束后，得到CSM組各手指運動時的實際角度實時變化情況波形圖，見圖4。兩組左右手測試結果差異均無統計學意義（P＞0.05），其中CSM組波形頻率慢、基底變寬，左手10 s GRT平均15.20次/10 s ，右手平均15.45次 /10 s，見圖4(a)；健康對照組測試結果見圖4(b)，波形頻率快、基底較窄，左手平均23.42次/10 s，右手平均23.63次/10 s，兩組同側10 s GRT測試結果差異有統計學意義（P＜0.05）。這表明CSM患者存在不同程度的手部功能下降，且與以往文獻中報道的20次/10 s臨界值相符合。

圖4 脊髓型頸椎病組各手指運動實時角度變化波形圖

嚴重的CSM常常導致患者手部功能不同程度下降，表現為無法快速進行手指完全屈伸動作，10s GRT測試＜20 次/10 s；與健康對照組相比，波形頻率緩慢、基底較寬、形態不規則，啟動時間明顯延長，伴有或（不伴有）手內在肌萎縮。

3 討論

對脊髓病手部功能的相關研究，起初以主觀判斷為主，直到1990年，為尋求一種客觀、量化、以突出患者手部運動為主的方法，Kaneko等[10]設計了一種手部功能測試方法，即囑受試者拾起10種大小、形狀、重量各不相同的物體，然后盡快地放到指定地點并分別記錄時間。Doita 等[11]將這個測驗應用于129名CSM患者中，得出CSM患者的精細動作調節能力顯著下降的結論。為了更加精確、直觀地對手部功能進行臨床分析，Sakai[12]利用無源探測系統，在拇指和食指的背面以及手背部放置14個3mm的微反光標記，重復做夾捏小球、硬幣和小棒的動作，與此同時采用4個紅外線攝像機記錄這些標記的空間向量，通過向量用三維運動學算法計算拇指和食指的掌指關節和近遠端指間關節的屈曲角度，CSM組手指各關節的運動角度隨著最大伸展角度的增加顯著變大，表明脊髓病手的運動方式異于常人是因為位置覺受損，不僅如Ono等[1]報道的脊髓病手只出現特異性的尺側2～3個手指活動異常，脊髓病手的拇指、食指均不同程度受到影響，這主要體現在患者進行夾捏動作時，拇指、食指的協調能力下降，而脊髓病手末端指關節屈曲角度比正常人大，這是指深屈肌代償骨間肌和蚓狀肌的結果。但由于標記的黏貼過程復雜，因而無法在臨床上廣泛應用。Kimura等[13]假設拇指功能的優劣可以反映脊髓病手的功能以及脊髓病的嚴重程度，并設計了“計數器測試”，即囑患者用拇指在10 s內盡可能快地按動計數器按鈕，每按動一次，表盤上的數字加1，通過對CSM組和健康對照組進行測試得出結論：CSM組的拇指運動功能顯著下降。這種測試方法具有簡單、客觀、精確、定量等特點，容易發現脊髓病患者細微的功能變化。但是測試結果可能會受客觀條件和人為操作的影響。Miwa 等[14]設計了一種手指開合運動磁感應分析系統，在CSM患者的指甲上黏貼磁感應線圈并囑其在30 s內盡快地做拇、食指開合動作，線圈發出的信號轉換為數據外接電腦，并記錄開合頻率、速率，計算開合間隔的標準差，結果發現CSM患者的開合間隔較對照組長，手指打開需要伸肌的收縮，屈肌的松弛，手指閉合，無需伸肌的松弛，手指打開比閉合更困難，與本研究中發現CSM患者在手指打開的速率要明顯低于對照組的結果相一致。Yukawa等[4]發現GRT也受年齡、性別的影響，60歲以上的正常受試者常＜20次/10 s。本研究中，70歲以上的男性平均18.8 次/10 s，女性平均17.9次/10 s，這可能與神經功能退化、手內在肌力量減退有關，故進行門診篩查時，年齡、性別均需要考慮。

4 結論

CSM病情嚴重程度的判斷、手術指征的把握、術后病情改善的量化研究為目前研究熱點，2010年和2014年的頸椎外科研究學會年會針對CSM患者手部功能及GRT的臨床意義進行了討論。我院基于Cyber-glove技術結合計算機編程軟件，自主開發了一套脊髓病手功能評測系統，應用5傳感器數據手套作為測試前端，對健康人對照組和CSM患者進行手部功能評估，具有集成度高、無創、定量、可靠、操作簡便、易于門診和床邊施行等特點，通過運動獲取分析系統，獲取、分析正常人群及患病人群手部屈伸動作的各指運動信息，建立標準臨床數據庫，為脊髓病手功能評測提供了全新的思路。

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Development of Myelopathy-Hand Function Evaluation System and Software Implementation

HOU Cang-long, ZHANG Wei-zhong, TANG Yi-xing, CHEN Zhi, ZHANG Fan, WANG Kun, SONG Qing-xin, SHEN Hong-xing
Department of Spine Surgery, Changhai Hospital, the Second Military Medical University, Shanghai 200433, China

Objective To develop a MFS (Myelopathy-Hand Function Evaluation System) in combination with computer programming based on the data glove technology. Methods Altogether 20 confirmed CSM (Cervical Spondylotic Myelopathy) patients and 20 healthy volunteers were selected respectively in this study. With deployment of the WiseGlove data glove, motion signals of the metacarpophalangeal joint during 10-s GRT (Grip and Release Test) were acquire dand processed by the computer software based on VC++ programming to simulate the angular changes of the metacarpophalangeal joint. Results The average 10-s GRT results of the left and right hands in CSM Group were 15.20 times/10 s and 15.45 times/10 s respectively in contrast with 23.42 times/10 s and 23.63 times/10 s in Control Group. Statistically significant differences existed in the 10-s GRT results of the same-sided hands between two groups (P＜0.05). Hand functions were deteriorated to various degrees in patients with CSM. Conclusion With the fi rst ever adoption of the data glove technology, MFS had demonstrated its highintegration, noninvasive, quantitative, reliable and easy-to-operate features in quantitative analysis of myelopathy-hand functions.

cervical spondylotic myelopathy; hand dysfunction; data glove; function assessment; quantitation evaluation; grip and release tests

R681.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.007

1674-1633(2015)05-0024-04

2015-02-11

2015-03-03

長海醫院1255計劃基金（CH125520900）；上海市新百人計劃項目基金資助項目（XBR 2013099）。

沈洪興，副主任醫師，專業方向：脊柱外科、頸椎傷病。

通訊作者郵箱：shenhxgk@126.com