创新方法降低软组织伪影，为生物力学研究与临床应用带来新突破

研究人员为降低软组织伪影（STA）对运动分析的影响，开展相关研究，发现新方法可减少误差，微波成像有应用潜力。

　　在生物力学的运动分析领域，皮肤 - mounted marker-based 系统堪称临床金标准。想象一下，医生通过在人体特定部位贴上反射性或活动性标记，就能追踪其轨迹，进而评估人体在三个平面的运动，是不是很神奇？这一技术在诊断肌肉骨骼和神经系统疾病、量化康复或手术效果方面作用巨大，尤其在脑瘫（CP）的临床诊断中，通过分析关节角度来判断是否需要进行股骨旋转截骨术。

然而，软组织伪影（Soft tissue artefacts，STA）却像一颗 “老鼠屎”，严重影响了这一技术的准确性。STA 是指用皮肤标记计算出的骨骼运动与真实骨骼运动之间的差异，就像给测量结果戴上了一层 “虚假面具”。这是因为皮肤标记和底层骨骼之间有软组织 “捣乱”，导致计算出的关节角度出现偏差。例如在 CP 诊断中，为了弥补 STA 导致的误差，进行股骨旋转截骨术时需要额外考虑髋关节内旋角度。而且，STA 具有很强的个体差异，受受试者、标记位置和任务等因素影响，传统滤波方法对它 “束手无策”。尽管提出了很多解决方案，但都无法 “包治百病”，对所有运动和个体都有效。在这样的困境下，开展一项能有效降低 STA 影响的研究迫在眉睫。

来自英国约克大学等机构的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们提出了两种全新的标记投影方案，在运动过程中将标记投射到骨骼表面；同时，探索了一种安全、经济且高效的成像方式 —— 微波成像（Microwave imaging，MI），以实现从皮肤表面检测骨骼位置。这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员在方法上进行了精心设计。在标记投影方面，他们使用公开可用的通用刚体肌肉骨骼模型，并对其进行针对性调整，仅保留骨盆和股骨数据，去除其他无关部分。在此基础上，实施了三种投影方案，包括一种已有的 Begon-projection，以及新提出的 Offset-projection 和 closestPoint-projection。通过计算髋关节角度和总残余误差，来评估不同投影方案的效果。在微波成像可行性研究中，为模拟可穿戴系统，研究人员在特定条件下收集数据，如不使用耦合液、限制天线数量为 8 个，在静态和模拟步态姿势下检测骨骼位置。他们选用了一种三角形贴片单极天线，并对其进行优化，还利用四个虚拟人体模型进行实验，采用四种定性成像算法对数据进行处理。

研究结果令人振奋。在标记投影方案的性能上，Offset-projected 和 closestPoint-projected 标记在所有研究运动中都显著降低了关节角度误差。以水平行走为例，Offset-projected 标记使髋关节旋转误差在 Ball 模型中降低了 67.3%，在 6DoF 模型中降低了 78.8%；closestPoint-projected 标记在 6DoF 模型中也使误差显著降低了 33.7%。同时，Offset-projected 标记还提高了与真实骨骼运动的相关性，在 Ball 模型中相关性从 0.59 提升到 0.91。在所有研究运动和模型中，使用投影标记计算的残余误差都小于传统未投影皮肤标记计算的残余误差。

在微波成像的可行性方面，研究人员成功地利用微波成像在所有解剖模型中从皮肤表面确定了骨骼位置，无论是静态姿势还是模拟步态姿势。不同成像算法在不同模型中的表现各有千秋。例如，在 Duke 模型中，DMAS 重建图像的 SMR 最高，为 26.8214 dB；在 Ella-30 模型中，各成像算法的 SMR 和 SCR 值普遍随 BMI 评分增加而增加。MUSIC 和 Kirchhoff migration 算法不仅能确定骨骼位置，还能获取骨骼的大致形状和大小，且在模拟步态姿势的模型中，它们重建图像的定位误差小于 2.7cm。

研究结论和讨论部分进一步凸显了研究的重要意义。新的标记投影方案显著降低了关节角度误差，提高了运动学计算的准确性和质量，这对于改善临床运动分析的可靠性至关重要。微波成像在生物力学应用中的可行性得到验证，有望成为替代超声成像的有效方法，为从皮肤表面定位骨骼、实现标记投影提供有力支持。研究人员提出的安全、经济的方法，可能在临床步态分析中发挥重要作用，减少 STA 对运动学计算的影响。不过，研究也存在一些局限性，如确定实际骨骼位置和计算投影标记轨迹的方法有待改进，微波成像的相关指标和实际应用也面临挑战。但这并不影响该研究为生物力学和临床应用开辟新方向，后续研究可针对这些不足进行深入探索，进一步完善相关技术和方法。