《Journal of Anatomy》：Digital range of motion analysis is sensitive to subjective steps in joint model construction
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重建灭绝脊椎动物的运动和行为需要详细理解关节活动性，以将潜在肢体方向的限制范围缩小至更符合生物学的姿势。关节活动性通常通过关节活动范围（range of motion, ROM）分析评估，该方法越来越多地在数字化工作流程中实施。数字ROM分析需要将骨骼在三维空
重建灭绝脊椎动物的运动和行为需要详细理解关节活动性，以将潜在肢体方向的限制范围缩小至更符合生物学的姿势。关节活动性通常通过关节活动范围（range of motion, ROM）分析评估，该方法越来越多地在数字化工作流程中实施。数字ROM分析需要将骨骼在三维空间中定位到一个起始姿势，从而能够系统采样旋转和平移构型（例如参考姿态）。然而，这一初始过程涉及主观步骤，特别是在选择关节面和定义关节旋转中心时。目前尚无全面的敏感性分析发表。在本研究中，研究人员对一套完整的六自由度自动ROM分析工作流程进行了系统性敏感性分析，以评估参考姿态组装各阶段中，源于输入数据和用户决策的变异如何影响珠鸡（*Numida meleagris*）踝关节和跗跖趾关节III（tarsometatarsophalangeal III, TMTP3）的可行姿势。结果表明，ROM分析输出对参考姿态组装的变异敏感，尤其是关节面选择和用于定义关节中心的几何体（primitive）变化。这种敏感性不太可能直接影响任何特定研究的总体结论，特别是在使用最大可行旋转来约束生物力学模型时。然而，它可能使研究间和类群间的比较变得困难，因此研究人员建议未来的ROM研究应优先提供完整的关节模型作为补充数据，以确保可重复性。
**研究背景与问题**
理解已灭绝动物的运动方式对揭示其进化适应、生态和行为至关重要。由于无法直接对化石进行活体观察，生物力学建模成为探究灭绝类群运动的关键手段。重建灭绝脊椎动物的运动需要详细理解关节活动性，以将潜在肢体方向限制在更符合生物学的姿势范围内。关节活动性通常通过关节活动范围（range of motion, ROM）分析评估。在已灭绝动物中，传统ROM分析依赖手动旋转虚拟骨骼直到发生骨-骨碰撞或视觉定义的脱位，这种方法主观性强。近年来，数字化ROM分析技术不断发展，特别是引入六自由度（6 degree-of-freedom, 6DOF）自动穷举姿态采样方法，允许平移运动，从而更准确地表征真实关节活动性。然而，这些数字方法在参考姿态组装过程中仍存在主观步骤，特别是关节面的选择和关节旋转中心（由几何体拟合确定）的定义。尽管已有初步敏感性分析表明改变几何体形状或固定关节中心位置会影响最大关节角度，但尚未有研究系统量化这些效应。因此，本研究旨在系统评估完整6DOF自动ROM分析工作流程中，参考姿态组装各阶段的变异如何影响确定的可行姿势，以指导结果解释和未来方法改进。
**研究内容与结论**
研究人员选取珠鸡（*Numida meleagris*）的踝关节和跗跖趾关节III（TMTP3）作为单轴铰链关节的研究对象，利用CT数据重建骨骼模型，并按照Gatesy等人（2022）提出的标准流程组装参考姿态。通过五个系列的敏感性分析（SA1-SA5），系统测试关节面选择大小、几何体类型、轴方向、关节面选择重复性以及网格分辨率对ROM分析结果（可行姿势数量、alpha形状体积、最大旋转角度）的影响。研究发现，ROM分析输出对参考姿态组装的变异敏感，尤其是关节面选择和定义关节中心所用的几何体类型。改变几何体类型导致结果变化最大，而改变关节面选择大小也会产生显著影响，且这种敏感性具有关节特异性，踝关节比TMTP3关节更敏感。尽管最大可旋转角度在多数情况下相对稳定，但可行姿势空间体积和数量明显变化，这可能使研究间和类群间的比较变得困难。该研究强调了提供完整关节模型（包括关节面、几何体、参考姿态）作为可重复性关键数据的必要性。论文发表在《Journal of Anatomy》。
**主要技术方法**
（1）数据获取：使用已有CT数据重新分割，获得右侧胫跗骨、跗跖骨和第三指近节指骨的高分辨率三角网格模型。（2）参考姿态组装：在Blender中依据Gatesy等人（2022）协议，手动选择关节面顶点，分别向远端关节面拟合圆柱体、向近端关节面拟合平面，利用拟合几何体中心确定关节旋转中心，建立解剖坐标系（ACS）。（3）ROM分析：使用Blender ROM Finder插件进行6DOF自动穷举采样，以10°增量旋转（范围-90°至90°对于X、Y轴，-180°至180°对于Z轴），每个旋转姿态测试125种平移组合；碰撞检测基于凸包和完整网格进行，记录所有非穿透的可行姿势。（4）敏感性分析：包括改变关节面选择大小（SA1）、改变几何体类型（圆柱/平面/球体，SA2）、手动旋转ACS轴±2°（SA3）、重复选择同一关节面10次（SA4）、以及降低网格分辨率（5个等级，最高约42万面至低于1万面，SA5）。
**研究结果**
**SA1：改变关节面选择大小**。对于TMTP3关节，增大任何关节面选择面积均导致可行姿势数和alpha形状体积增加，99%的变异可由选择面积解释（R2=0.99，p<0.001），指骨III-1选择面积影响大于跗跖骨。对于踝关节，增大远端骨（跗跖骨）选择面积增加可行姿势，而改变近端骨（胫跗骨）选择面积则无一致趋势，且总体变异更大（-21.6%至+49.7%）。最大旋转角度变化较小（FE变化10-20°，ABAD变化10°）。
**SA2：改变几何体类型**。这是所有敏感性分析中导致结果变化最大的因素。对于TMTP3，改变指骨III-1几何体影响最大：使用圆柱体使关节中心向近端偏移，导致更大的关节间隙，产生极高数量的可行姿势（最多653,868个）；使用球体则产生相反效果（最少7,568个）。对于踝关节，改变跗跖骨几何体影响更大，圆柱体同样导致大量可行姿势。最大旋转角度变化显著，FE范围可达-150°至160°，ABAD可达-90°至90°。
**SA3：改变轴方向**。对于TMTP3，轴方向变化影响很小（可行姿势变化±0.7%，alpha形状体积变化-1.3%至+1.1%）。对于踝关节，影响较大：改变远端正交坐标系（ACSf）的Y轴方向导致可行姿势变化-23.5%至+3.7%，alpha形状体积变化-17.5%至+12.7%，FE最大变化30°，ABAD变化10°。
**SA4：重复关节面选择**。对于TMTP3，重复选择同一关节面导致的变异较小（可行姿势标准差±287-744，alpha形状体积标准差±14,079-36,532°
3）。对于踝关节，重复选择导致更大变异，尤其是改变近端骨（胫跗骨）选择时：可行姿势标准差±720，alpha形状体积标准差±124,868°
3；最大FE变化20°，ABAD变化30°。
**SA5：改变网格分辨率**。对于TMTP3，降低分辨率一般增加可行姿势数量（最高增加19.8%）和alpha形状体积（最高增加8.5%），同时处理时间大幅减少（从20:46分钟降至4:37分钟）。对于踝关节，无一致趋势，但最低分辨率同样导致可行姿势增加11.3%。最大FE变化30°，ABAD不变或变化有限。
**总结与讨论**
讨论部分指出，ROM分析在古生物学中应用日益广泛，但自动6DOF方法的客观性受到参考姿态组装中主观步骤（如几何体选择和关节面选择）的损害。改变几何体类型是影响最大的因素，因此研究人员建议所有四足动物后肢铰链关节的ROM分析应遵循Gatesy等人（2022）提出的标准（远端关节面用圆柱体，近端关节面用平面），并在特殊情况下明确说明理由。关节面选择的大小和重复性也显著影响结果，且这种敏感性具有关节特异性，踝关节因关节面曲率更大而比TMTP3更敏感。网格分辨率的影响相对有限，但高分辨率网格可能有助于减少选择变异，不过需权衡分析时间。总体而言，对于仅关注最大旋转角度的研究，敏感性可能不会直接影响结论；但对于比较研究和类群间比较，模型特异性问题需要重视。研究人员建议未来ROM研究提供完整的3D补充数据（骨骼网格、关节面标签、几何体、参考姿态文件），并建议研究者针对特定关节进行自己的敏感性分析。最后，研究结论翻译如下：本研究结果表明，即使遵循严格协议，6DOF ROM分析对参考姿态组装中不可避免的主观过程敏感。虽然这可能不会直接影响任何特定研究的总体结论，但可能使研究间和类群间的比较变得困难。研究人员发现，改变用于确定关节旋转中心的几何体类型导致结果变异最大，包括最大可行旋转角度的巨大差异。然而，根据现有协议，几何体类型的选择可能是研究间和研究工作者间变异最小的参数。测量到的关节活动性对关节面选择大小的相对微小变化也很敏感，甚至同一研究人员在同一骨骼上重复选择也会导致结果变异。这可能是不同工作者和研究间变异的最大来源之一，且难以仅通过文字和图片在出版物中传达。敏感性在两个研究的关节之间有所不同，即使它们都是铰链关节，因此主观变量的敏感性程度显然是模型和关节特异性的。鉴于通过文字和二维图像传达细节（如几何体放置和关节面选择）的困难，研究人员主张未来的ROM研究应优先提供3D补充数据，至少包括骨骼网格、关节面（作为单独网格或骨骼上的标记区域）以及定义关节中心的几何体。理想情况下，参考姿态应作为一个单一场景文件提供，并使用开放格式（如*.USD）以便可重复。
