Qualisys三维运动采集分析系统2023年10-11月论文


      学术动态本期为您分享使用了Qualisys三维运动采集分析系统采集实验数据的学术论文。本期是2023年10-11月份刊最新发表的10篇论文,涉及膝骨关节炎、帕金森、智能穿戴、人类行为分析、马的步态等研究领域。

 

论文来源于以下期刊:

Scientific Reports (IF=4.6)

Journal of Clinical Medicine ( IF=3.9)

Frontiers in Computational Neuroscience(IF=3.2)

Healthcare(IF=2.8)

Sensors(IF=3.9)

Processes(IF=3.5)

Electronics(IF=2.9)

 

 

一、根据内侧骨关节炎的严重程度评估膝关节生物力学和躯干姿势的特征

Assessing knee joint biomechanics and trunk posture according to medial osteoarthritis severity

 

作者:Yuki Suzuki, Yasumitsu Ohkoshi, Kensaku Kawakami, Kenta Shimizu, Shuya Chida, Kengo Ukishiro, Tomohiro Onodera, Koji Iwasaki, Tatsunori Maeda, Sho'ji Suzuki,Eiji Kondo & Norimasa Iwasaki

 

期刊:Scientific Reports (IF=4.6)

 

摘要:

在膝骨关节炎(OA)发展过程中,步态生物力学发生三维变化;然而,随着膝骨关节炎严重程度的发展,其特征和躯干姿势的变化尚不清楚。本研究根据膝骨关节炎严重程度对膝关节三维生物力学和躯干姿势进行研究。总共有75名内侧膝骨关节炎患者( 93个膝关节)。所有患者Kellgren-Lawrence分级≥2级;2级: 20位,24个膝关节(平均年龄60.0岁);3级: 25位,28个膝关节(平均年龄62.0岁);4级: 30位,41个膝关节(平均年龄67.9岁)。以及,14位健康人作为对照组( 23个膝关节,平均年龄63.6岁)。使用光学运动捕捉系统和点群技术对受试者进行步态分析。在2级膝骨关节炎患者中,膝关节内收力矩(KAM)的相对贡献显著增加(P < 0.05),而膝关节屈曲力矩的贡献显著减少(P < 0.05),这发生在膝内翻畸形显著发展之前。3级膝关节OA显示膝内翻畸形显著恶化(P < 0.01)和KAM增加(P < 0.001)。4级膝骨关节炎患者中,步态中膝关节最大伸展角度减少(P < 0.05),躯干前倾增加(P < 0.001)。我们的研究阐明了根据严重程度而变化的内侧膝骨关节炎患者的运动学和动力学特征。在2级膝骨关节炎患者中,动力学转变发生在内翻畸形、膝关节屈曲挛缩和矢状面不平衡之前。

 

DOI:10.1038/s41598-023-46486-1

 

 

二、骶髂关节固定对经过骶髂螺钉内固定患者的步行影响

Effects of Iliosacral Joint Immobilization on Walking after Iliosacral Screw Fixation in Humans

作者:Katharina Jäckle, Takashi Yoshida, Kira Neigefink, Marc-Pascal Meier , Mark-Tilmann Seitz, Thelonius Hawellek, Gabriela von Lewinski, Paul Jonathan Roch, Lukas Weiser , Arndt F. Schilling and Wolfgang Lehmann

 

期刊:Journal of Clinical Medicine ( IF=3.9)

 

实验场景示意图

受试者贴上Qualisys反光标记点:A1 前视图,A2 侧视图,A3 后视图;B 紧贴测力台的木制台阶

 

摘要:

背景:骨盆骨折常通过手术植入物固定以促进愈合。然而,这种植入物最多固定骶髂关节一年,就会被取出来。本文研究了骶髂关节固定对患者步行的影响。

方法:本研究选取不稳定性骨盆骨折后进行骶髂关节固定的患者(n = 8;平均年龄:45.63 ± 23.19;5名女性和3名男性)为实验组,性别年龄匹配的健康对照个体(n = 8;平均年龄:46.50 ± 22.91;5名女性和3名男性)为对照组。使用运动捕捉系统记录和分析受试者的步态。采集了地面反作用力。利用仿真软件OpenSim分析了下肢的标准步态参数以及关节角度和力矩的动态模式。

结果:除了髋关节伸展肌力量外,患者在步行过程中监测到的其它关节参数表现出任务依赖性偏差,即当踩在凸起表面时,跖屈肌力增加,髋部屈曲和伸展力矩、膝关节屈曲和伸展力矩以及踝关节背屈和与站立时相关的负跖屈肌力均增加。

结论:骶髂关节固定导致向前和向上推进能力减少,并需要在矢状面上扩大髋关节的活动范围。患者在接受骶髂螺钉内固定后表现出明显的活动受限。

 

关键词:gait analysis; pelvic ring fracture; iliosacral joint immobilization; percutaneous screw fixation

步态分析;骨盆前环骨折;骶髂关节固定;经皮螺钉内固定

 

DOI:10.3390/jcm12206470

 

 

三、用考量了肌肉张力的计算模型分析帕金森患者的异常姿势

Analysis of abnormal posture in patients with Parkinson's disease using a computational model considering muscle tones

 

作者:Yuichiro Omura, Hiroki Togo, Kohei Kaminishi, Tetsuya Hasegawa1, Ryosuke Chiba, Arito Yozu, Kaoru Takakusaki, Mitsunari Abe, Yuji Takahashi, Takashi Hanakawa and Jun Ota

 

期刊:Frontiers in Computational Neuroscience(IF=3.2)

 

摘要:

帕金森(PD)患者表现出明显的异常姿势,包括头部前倾、躯干前屈和躯干偏斜,统称为“异常姿势”。在先前的研究中,当在直立姿势受到干扰时,PD患者表现出比健康人更高的不稳定性,这意味着异常姿势可以作为一种代偿机制来缓解静态站立时的摇晃。然而,对于静态站立时异常姿势与摇晃的关系的相关研究却十分有限。肌张力增加(对抗重力的持续肌肉活动)被认为是姿势异常的潜在原因。因此,本研究旨在探讨以下假设:在摇晃最小化的标准下,与其他姿势(包括正常直立站立)相比,肌张力增加导致的异常姿势会导致更小的摇晃。为了研究该假设,我们评估了多种姿势下的摇晃(由关节角度决定),包括髋关节弯曲的情况。我们的方法包括使用由肌肉骨骼模型和神经控制器模型组成的计算模型进行前向动力学仿真。所提出的神经控制器模型整合了两类控制机制:前馈控制(将肌张力作为向量)和使用本体感觉和前庭感觉信息的反馈控制。为了摇晃程度最小化,对给定的每个肌张力向量,进行了优化,以确定肌肉骨骼模型的姿态和神经控制器模型的伴随参数。将PD患者所达到最小摇晃时的最优肌张力向量时的姿势与这些患者实际观察到的姿势进行比较。结果显示,平均而言,这些姿势之间的关节角度差异< 4 °,小于典型关节活动范围的十分之一。这些结果提示,PD患者在异常姿势下的摇晃较其它姿势下更少。因此,采用肌张力增高的异常姿势可能是减少PD患者摇晃的有效策略。

 

关键词:Parkinson's disease, abnormal posture, computational model, musculoskeletal model, neural controller model

帕金森,异常姿势,计算模型,肌肉骨骼模型,神经控制器模型

 

DOI:10.3389/fncom.2023.1218707

 

 

四、当使用智能手机时,使用者步行速度和站立姿势会影响头部/颈部屈曲和观看行为

User Walking Speed and Standing Posture Influence Head/Neck Flexion and Viewing Behavior While Using a Smartphone

 

作者:Yi-Lang Chen and Hong-Tam Nguyen

 

期刊:Healthcare(IF=2.8)

 

摘要:

走路时使用智能手机的习惯在现代人中已经很普遍,尤其是在行人赶时间的时候。然而,关于不同速度的站立和步行在使用智能手机方面的差异的研究却很少。在这项研究中,我们调查了60名年轻受试者(30名男性和30名女性),他们在站立、缓慢步行和正常步行的情况下操作智能手机,如单手浏览或双手发短信。测试变量包括颈部屈曲(NF)、头部屈曲(HF)、凝视角度(GA)和观看距离(VD)。研究结果表明,与站立时相比,走路时使用智能手机可能会导致更明显的颈椎后凸曲线,导致颈部区域的压力增加。颈部负荷的增加可归因于步行和智能手机使用同时发生的动态特性。此外,与单手浏览相比,双手发短信对NF、HF和GA的影响更大。用手操作、姿势和保持手臂位置之间的相互作用与VD的相关性不确定。虽然女性通常比男性表现出更小的NF、HF和GA,但探索较短的VD是否会增加眼疲劳是很重要的。

 

关键词:smartphone use; walking speed; head/neck flexion; gaze angle; viewing distance

使用智能手机;步行速度;头/颈屈曲;凝视角度;观看距离

 

DOI:10.3390/healthcare11233027

 

 

五、有轨电车正面碰撞时行人安全,第一部分:历史概述及正面和侧面碰撞中头部的生物力学研究

Pedestrian Safety in Frontal Tram Collision, Part 1: Historical Overview and Experimental-Data-Based Biomechanical Study of Head Clashing in Frontal and Side Impacts

 

作者:Frantisek Lopot, Lubos Tomsovsky, Frantisek Marsik, Jan Masek, Petr Kubovy, Roman Jezdik, Monika Sorfova, Barbora Hajkova, Dita Hylmarova, Martin Havlicek, Ondrej Stocek, Martin Doubek, Tommi Tikkanen, Martin Svoboda and Karel Jelen

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

 

碰撞试验中,假人内部(左)和外部(右)传感器,用于采集ATD和有轨电车的运动学和动力学数据

 

 

碰撞试验中,两种摄像机的视场角示意图(绿色的线为Qualisys摄像机的视场角,红色的线为超高速摄像机的视场角,蓝色为超高速摄像机的视场角,用于记录有轨电车-行人的整体情况)

 

摘要:

本文是关于有轨电车-行人碰撞安全的两部分文章中的第一篇。本研究致力于探讨有轨电车在碰撞过程中对行人的安全性,并受到致死案例数量增加的影响而进行的。本文的第一部分包括了最早的设计到目前使用的有轨电车外观发展的概述,同时对技术背景进行了简要介绍和解释,并涉及到当前和即将出台的立法。历史上的设计发展概括为三个阶段,从几乎垂直的前脸,到倾斜和尖锐的形状,到现在的倾斜的低边挡风玻璃,没有任何凸出的连接器。然而,由于目前大多数主要制造商在全球范围内出口其产品,而定制在技术上微不足道,因此我们的结论是可推广的(柏林的案例可以支持)。有轨电车前部最有利形状(即在所有碰撞阶段对行人的影响最小化)已逐渐形成,现在正被纳入欧盟委员会的法规中。本文第二部分的目标是使用碰撞试验假人(拟人化测试装置- ATD)进行一系列有轨电车-行人碰撞,重点关注正面和侧面碰撞。四种有轨电车以四种不同的碰撞速度(5公里/小时,10公里/小时,15公里/小时和20公里/小时)进行碰撞试验。主要结果变量是由此产生的头部加速度。使用头部损伤标准(HIC15)及其与简易损伤量表(AIS)损伤水平的联系来评估可能的头部损伤的风险和严重程度。结果表明,在所有有轨电车类型和碰撞场景中,头部撞击程度随着速度的增加而加重。正面碰撞(17-124 g)时头部加速度高于侧面碰撞(2-84 g)。在任何实验设置下,HIC15值都不超过300,AIS4+损伤的概率不超过10%。有轨电车与行人碰撞的结果受ATD的位置和方向、有轨电车的冲击速度和前端设计以及初始接触地点的影响。

 

关键词:tram; crash test; front face design; windshield; pedestrian; safety; collision; head injury criterion

有轨电车;碰撞试验;前端设计;挡风玻璃;行人;安全性;碰撞;头部损伤标准

 

DOI:10.3390/s23218819

 

 

六、人体运动的机械能转换为电能的能量收集系统的研制及集成到高性能可穿戴服装中 

Development of an Energy Harvesting System for the Conversion of Mechanical Energy of Human Movement into lectrical Energy and Its Integration into High Performance Wearable Clothing

 

作者:Silvija Kukle, Juris Blums , Aleksejs Kataševs, Ieva Bake, Vilnis Jurkans, Ilgvars Gornevs, Galina Terlecka, Zane Zelca and Aleksandrs Okss

 

期刊:Processes(IF=3.5)

 

电磁能量转换器放置的位置以及测试

a) 平面电感器放置处 b) 永磁体放置处

 

摘要:

在许多智能纺织品的开发研究中,传感器和导电纱线作为必不可少的组成部分,得到了广泛的研究和应用,特别是在医学、运动、工作服和特殊应用领域。可穿戴传感器提供了一种在日常环境中通过生理参数来监测佩戴者健康状况的手段,或用于检测潜在危险并提醒用户和/或看护人员。这项研究的目的是开发一种可穿戴电子产品的原型,该原型由集成能量收集系统的高性能服装组成,该系统可将人体运动的机械能转换为电能。在该研究框架内,开发了用于确定人体生理和/或环境参数和传输数据的系统,并将其集成到用溶胶-凝胶技术改进的服装中,用于室内和室外使用。虽然能量收集系统中创建的平面感应元件能在水热处理过程中保持其性能,但同时,智能服装系统的其他元件(特别是导电纱线)迅速失去其导电性。改进后的针织物可进行更长的洗涤间隔时间,以保护嵌入的可穿戴电子设备,并评估了溶胶-凝胶表面技术改进对穿着舒适性的影响。

 

关键词:smart clothing; electromagnetic energy converter; sol–gel technology; cotton knitwear

智能服装;电磁能量转换器;溶胶-凝胶技术;棉针织物

 

DOI:10.3390/pr11113056

 

 

七、轻量可穿戴陀螺驱动器可调节平衡能力和步态方式:概念验证研究

Light-Weight Wearable Gyroscopic Actuators Can Modulate Balance Performance and Gait Characteristics: A

Proof-of-Concept Study

 

作者:Bram T. Sterke , Katherine L. Poggensee, Gerard M. Ribbers, Daniel Lemus and Heike Vallery

 

期刊:Healthcare(IF=2.8)

 

 

左:受试者背着CMG的示意图;中:地面平衡木试验,受试者双手交叉,在平衡木上行走和站立;右:大型跑步机上试验,两侧无扶手,受试者双手交叉行走

 

摘要:

跌倒是导致疾病的主要原因,通常是由姿势稳定性下降引起的。姿态稳定性的一个关键因素是全身质心角动量,它会受到控制力矩陀螺的影响。在本文的概念验证研究中,我们探讨了我们的可穿戴机器人陀螺驱动器“GyroPack”对健康受试者(7名女性/ 8名男性,30±7岁,68.8±8.4 kg)平衡性能和步态特征的影响。受试者在佩戴和不佩戴GyroPack的情况下进行一系列平衡和步行任务。该装置表现了各种控制模式,这些模式被假定为为积极、消极或中性地影响姿势控制。当配置为正阻尼时,GyroPack增加了在平衡木上站立的中外侧时间和步行距离,并减少了在跑步机上行走时躯干角速度的变化。当配置为负阻尼时,在跑步机上步行时,躯干峰值角速率和躯干角速度变异性都增加了。这一探索性研究表明,陀螺驱动器可以影响平衡和步态运动学。我们的结果反映了我们早期研究的结果;随着设备重量减少50%以上,其实用性和临床适用性就指日可待。

 

关键词:wearable robotics; balance; walking; control moment gyroscope; postural control; falling

可穿戴机器人;平衡;步行;控制力矩陀螺;姿势控制;跌倒

 

DOI:10.3390/healthcare11212841

 

 

八、一种综合IMU和多通道肌电图实时监测膝关节动力学的方法

An Integrated Approach for Real-Time Monitoring of Knee Dynamics with IMUs and Multichannel EMG

 

作者:Nebojsa Malesevic, Ingrid Svensson, Gunnar Hägglund and Christian Antfolk

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

 

EMG 电极的贴放位置。将运动捕捉系统的5个标记点和IMU的3D打印模型放置在大腿和小腿上

 

摘要:

测量人体关节动力学对于理解我们的身体如何运动和功能至关重要,将为生物力学和运动控制提供有价值的见解。脑瘫(CP)是一种影响运动控制和姿势的神经系统疾病,导致多种步态异常,包括膝关节角度改变。准确测量和分析CP患者的膝关节角度对于了解其步态模式、评估治疗结果和指导干预措施至关重要。本文提出了一种新的多模态方法,结合惯性测量单元(IMU)传感器和肌电图(EMG)来测量CP患者在步态和其他日常活动中的膝关节角度。我们讨论了这种综合方法的性能,并与光学运动捕捉系统相比,IMU传感器在捕捉膝关节运动方面的准确性,以及肌电图在评估肌肉激活模式方面提供的补充见解。此外,我们深入研究了所开发设备的技术问题。结果表明,角度测量误差在基于先进IMU的膝关节角度测量设备的报告值之内,同时实现了长时间高质量的肌电记录。虽然该设备主要是为测量CP患者的膝关节活动而设计和开发的,但它的可用性超出了这个特定的用例场景,使其适用于涉及人体关节评估的应用。

 

关键词:cerebral palsy; spasticity; knee angle measurement; inertial measurement unit; electromyography; wearable device

脑瘫;痉挛状态;膝关节角度测量;惯性测量单元;肌电图;可穿戴设备

 

DOI:10.3390/s23218955

 

 

九、GU-HAU:用于语言的三维人类行为分析的数据集

DGU-HAU: A Dataset for 3D Human Action Analysis on Utterances

 

作者:Jiho Park , Kwangryeol Park and Dongho Kim

 

期刊:Electronics(IF=2.9)

 

数据采集系统:12个 Qualisys Arqus A9, 3个 Qualisys Miqus Video

 

左:运动捕捉数据示例;右:注释数据示例

 

视频数据示例

 

摘要:

构建多样且复杂的多模态数据集对于推进人体行为分析研究至关重要,为训练深度学习网络提供真实值注释,并使开发跨真实世界场景的鲁棒模型成为可能。在各种应用中,生成自然和情境适当的非语言手势对于增强沉浸式和有效的人机交互至关重要。这些应用程序包括视频游戏、具象化虚拟助手和虚拟世界中的对话。然而,现有的与语言相关的人类数据集主要集中在风格迁移上,因此它们存在局限性,不适合三维人类行为分析研究,如人类行为识别和生成。因此,我们引入了一个新的多模态数据集,DGU-HAU,这是一个用于日常生活中常见的语言的3D人类行为的数据集。我们使用人类动作生成模型Action2Motion (A2M)验证了数据集,这是一种最先进的3D人类动作生成模型。

 

关键词:3D human action analysis; human activity understanding; motion capture; multi-modal dataset; utterance dataset

三维人体动作分析;人类活动理解;运动捕捉;多模态数据集;语言数据集

 

DOI:10.3390/electronics12234793

 

 

十、温血马直线小跑过程中骨盆侧倾运动模式的正常变化

Normal variation in pelvic roll motion pattern during straight‑line trot in hand in warmblood horses

 

作者:

A. Byström, A. M. Hardeman, M. T. Engell, J. H. Swagemakers, M. H. W. Koene, F. M. Serra‑Bragança, M. Rhodin & E. Hernlund

 

期刊:Scientific Reports(IF=4.6)

 

标记点贴放

 

摘要:

马的臀部不对称,即小跑时后肢伸展时臀部向上运动的左右差异,是跛行的重要标志。髋部垂直运动是复杂的,受骨盆侧倾和骨盆垂直运动的影响。兽医要发现轻微跛行十分困难,并且具有识别正常行为的知识储备是辨别异常的先决条件。这项研究的受试对象为100匹临床健康的温血马,本研究旨在描述骨盆侧倾模式的正常变化。用光学动作捕捉法收集直线小跑时的数据。对时间(步幅0 ~ 100 %)和振幅(马的平均步幅运动范围为± 0.5)进行归一化处理的跨节段骨盆侧倾数据被建模为正弦曲线和余弦曲线的线性组合。每步一周期的正弦曲线和每步三周期的余弦曲线解释了侧倾运动的最大比例:模型估计为0.335 (p <0.01)和0.138 (p <分别为0.01)。利用有限混合模型,可以将马分为三组,它们具有共同的骨盆侧倾特征。综上所述,在大多数马小跑时,骨盆侧倾运动遵循相似的基本规律,但在大多数特征的相对显著性方面存在显著的个体差异。

 

DOI:10.1038/s41598-023-44223-2

 

 

相关设备

 

 

Qualisys三维运动采集与分析系统由数字运动捕捉摄像机、分析软件、获取单元、校准设备、标记球和设备固定装置组成,可与测力跑台、测力台、肌电等外设进行集成整合,组合成一套人体运动状态及力学分析测试平台。

 

 

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3、镜头除了计算标记点位置外,还能够记录校准的高速、高分辨率视频

 

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关键词:

帕金森,智能穿戴,人类行为分析,马的步态,膝骨关节,动作捕捉,Qualisys

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