王聪 ，谢帅宁 ，李康 ，王重阳 ，刘旭东 ,*，赵亮 *，蔡宗远 a,c,*

a Shanghai Key Laboratory of Orthopaedic Implants & Clinical Translational R&D Center of 3D Printing Technology, Department of Orthopaedic Surgery, Shanghai Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine; School of Biomedical Engineering & Med-X Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, Chinab SenseTime Research, Shanghai 200233, China c Engineering Research Center of Digital Medicine and Clinical Translation, Ministry of Education, Shanghai 200030, China d Department of Orthopaedics, New Jersey Medical School, Rutgers University, Newark, NJ 07103, USA e Department of Orthopaedics, Shanghai Jiao Tong University Affiliated Sixth People’s Hospital, Shanghai 200233, China

1. 引言

对于了解膝关节的正常功能[1]、膝骨性关节炎的发展[2]、膝盖损伤机制[3]、假体设计优化[4]、术前规划和术后康复[5]等众多骨科用途而言，膝关节运动学有着至关重要的意义。此外，在肌肉骨骼系统的相关生物力学研究中，膝关节运动学测量也是必不可少的。临床领域对运动学的需求量巨大，在这种情况下，就需要有一种高效且可靠的方法来测量关节的动态运动。

目前，研究人员可以采用多种测量工具对三维（3D）膝关节运动进行量化，然而，只有少数工具能够提供毫米级的精度以及快速的追踪速度。基于皮肤标记的光学追踪系统在人体运动分析中得到了广泛的应用，但其准确性受到标记的相关软组织伪影的影响，这种伪影可以引起高达40 mm的偏移[6]。虽然一些研究人员尝试通过建立数学模型来降低软组织漂移的影响[7-9]，但在使用基于皮肤标记的运动捕捉技术时，这个问题仍然没有得到解决[10]。随着医疗成像技术的发展，部分技术手段可以直接测量动态的关节运动，如核磁共振（MR）断层扫描以及计算机断层扫描（CT）[11,12]。然而，这些技术的临床推广受到以下因素的限制：时间分辨率低、运动范围（ROM）有限、需要控制运动速度、图像质量低、辐射量无法忽略不计[13,14]。相较于传统的X射线摄影（图1），双荧光透视成像系统（DFIS）的精确度高[15]、易于测量、运动范围广[16]、辐射低，因此，在过去十年里，该系统在人体关节运动分析中得到了广泛的应用。……