学术动态 | Qualisys三维运动采集分析系统12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12月份最新发表的12篇论文,研究涉及运动训练、脑卒中、外骨骼、移动健康等领域。

 

论文来源于以下期刊:

中国组织工程研究

天津体育学院学报

医用生物力学

Sensors(IF=3.9)

Computation(IF=2.2)

Healthcare(IF=2.8)

machines(IF=2.6)

 

01肌内效贴对下肢侧切运动中生物力学特征的影响

 

作者:尤婧,黄文琪,郑尉,芦劼明,郭彦桦,高 原,熊哲宇

 

期刊:中国组织工程研究

 

下肢贴扎反光标记点粘贴位置

 

摘要

背景:肌内效贴扎作为一种运动防护手段已被广泛应用,但作为纠正侧切动作时下肢生物力学异常变化手段的研究,其作用尚不明确。

目的:对比受试者膝关节在肌内效贴扎、安慰剂贴扎及空白对照情况下,完成侧切动作时下肢运动学、动力学特征的变化。

方法:招募39名篮球专项男性大学生为受试者,每位受试者分别在肌内效贴扎、安慰剂贴扎以及不进行任何贴扎情况下进行测试。采取力学矫正的贴扎方式对受试者优势侧膝关节进行贴扎干预。选取4.5-5.5m/s的助跑速度完成45°侧切动作,并运用三维动态捕捉系统及测力台同步采集运动学及动力学数据。选取初始触地时刻、地面反作用力峰值时刻的运动学及动力学参数进行数据分析。采用SPSS 27.0软件对测试数据进行统计学分析。

结果与结论:①运动学指标:肌内效贴条件下与无贴扎及安慰剂贴扎相比,初始触地时刻髋关节外展、膝关节外翻角度显著减小(P <0.05);侧向地面反作用力峰值时刻,髋关节外展、膝关节外翻及踝关节跖屈角度显著减小(P < 0.05),膝关节屈曲角度显著增加(P < 0.05)。②动力学指标:与无贴扎相比,肌内效贴扎及安慰剂贴扎条件下均可显著减小初始触地时刻髋关节外展、外旋力矩及膝关节外翻、外旋力矩(P < 0.05),显著减小垂直地面反作用力峰值、水平向后地面反作用力峰值(P < 0.05);与无贴扎及安慰剂贴扎相比,肌内效贴扎可显著减小侧向地面反作用力峰值(P < 0.05)。③结果表明,对膝关节进行肌内效贴扎可在一定程度上改善篮球专项大学生在完成侧切动作时与下肢损伤风险因素相关的部分运动学、动力学指标,可能对预防侧切过程中损伤的发生有一定积极作用;此外,膝关节安慰剂贴扎与肌内效贴扎在部分指标变化方面的作用趋势较为一致,提示肌内效贴扎的作用机制可能存在安慰剂效应。

 

关键词:肌内效贴扎;侧切;生物力学特征;篮球;运动学;动力学

 

DOI:10.12307/2024.553

 

02运动水平对不同跑速条件下的下肢关节协调性特征的影响

 

作者:王立端,曲峰

 

期刊:天津体育学院学报

 

跑步测试示意图

 

摘要:

目的:利用两关节之间连续相对相位作为评价协调性特征的指标,并通过对比运动员和普通人在常速跑和最大速度跑时协调性特征的差异,明确下肢关节协调性特征在不同跑速之间的变化,并确定运动水平对协调性特征的影响。

方法:选取32名男性大学生(运动员和普通人各16

名)为受试者。使用红外运动捕捉系统分别采集受试者在3m/s,5m/s和最大速度跑时的运动学数据,计算每名受试者在跑步支撑期同侧关节相对相位和双侧关节相对相位,使用重复测量方差分析的方法确定不同运动水平和速度跑步时协调性特征之间的差异。

结果:随着跑速增加,同侧关节和双侧关节的相对相位均发生改变,同侧膝踝关节相对相位减小,髋膝关节相对相位在不同阶段有不同的变化;双侧髋关节相对相位增加,膝关节相对相位增加,而踝关节相对相位减小。运动水平对下肢关节相对相位的影响主要表现在最大速度跑,对常速跑的影响不大。

结论:异相协调特征可能需要更高的神经肌肉控制能力。随着跑速的增加,动作控制策略表现为远端关节相对相位减小,提示在维持步态稳定性方面有重要作

用,而近端环节则主要与动作速度增加有关。运动员在常速运动中的动作控制策略与普通人一致,但是在需要发挥最大能力的运动中显著提高。

 

关键词:下肢关节协调性;连续相对相位;跑速

 

03 Predicting Tissue Loads in Running from Inertial Measurement Units

使用惯性测量单元预测跑步时的组织负荷

 

作者:John Rasmussen, Sebastian Skejø and Rasmus Plenge Waagepetersen

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

摘要

背景:跑者是重复性负荷损伤高发人群,跑步爱好者经常使用内置IMU传感器的智能手表来跟踪其运动表现和训练情况。如果来自此类IMU的加速计可以提供有关人体组织负荷的信息,那么就可以使用跑步手表来预防损伤。

方法:我们研究了一种基于物理仿真和基于数据相结合的方法。76名真实跑者共进行了285次跑步测试,通过物理仿真来模拟跟腱和髌韧带受力恢复;通过采集的数据使用弹性网络和梯度提升方法对数据模型进行训练和测试。

结果:髌韧带和跟腱的相关性分别为0.95和0.71,但无法确定单一的最佳预测算法。

结论:基于体载IMU的组织符合预测看起来很有前途,但跑步手表在真正用来减少跑步损伤之前,需要进一步的研究。

 

关键词:running; injuries; Achilles tendon; patella ligament; IMU; data science; biomechanics; public health

跑步;损伤;跟腱,髌韧带;惯性测量单元;数据科学;生物力学;公共健康

 

DOI:10.3390/s23249836

 

04 Effects of Running in Minimal, Maximal and Conventional Footwear on Tibial Stress Fracture Probability: An Examination Using Finite Element and Probabilistic Analyses

最小跑鞋、最大跑鞋和常规跑鞋对胫骨应力性骨折概率的影响:采用有限元和概率分析检验

 

作者:Jonathan Sinclair, Paul John Taylor

 

期刊:Computation(IF=2.2)

 

摘要:本研究采用有限元和概率分析的方法研究了最小跑鞋、最大跑鞋和常规跑鞋对胫骨压力和应力性骨折概率的影响。本研究考察了15名男性在3种鞋类条件(最小、最大和常规)下的跑步情况。受试者在以4.0 m/s的速度进行地上跑步时,使用8个摄像机的运动捕捉系统收集了运动学数据,并使用测力台收集了地面反作用力。最小跑鞋(4681.13 με)(p < 0.001),常规跑鞋(4498.84 με)(p = 0.007)的90百分位胫骨应变显著大于最大跑鞋(4069.65 με)。此外,最小跑鞋(0.22)(p = 0.047)的胫骨应力性骨折概率显著大于最大跑鞋(0.15)。本研究结果表明,与最小跑鞋相比,最大跑鞋可能可以有效减少跑者发生胫骨应力性骨折的可能性。

 

关键词:biomechanics; finite element analysis; footwear; simulation; probabilistic modelling

生物力学;有限元分析;鞋;仿真;概率建模

 

DOI:10.3390/computation11120248

 

05脑卒中患者运动过程中动力学特征的智能预测

 

作者:张楠,孟庆华,鲍春雨,周鲁星,崔帅琦

 

期刊:医用生物力学

 

摘要

目的:使用主成分分析(principal component analysis,PCA)和反向传播(back propagation,BP)神经网络预测脑卒中患者行走时患侧髋、膝、踝的关节力矩。

方法:30 例脑卒中患者通过8 镜头Qualisys 红外光点高速运动捕捉系统和Kistler 三维测力台同步采集运动学和动力学数据。通过OpenSim 计算脑卒中患者髋、膝、踝患侧关节力矩,采用PCA 来筛选累积贡献率达到99%的初始变量,采用标准均方根误差(normalized root mean squared error,NRMSE)、均方根误差(root mean squared error,RMSE )、平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)、R2 作为PCA-BP模型的评价指标。使用肯德尔W 系数评价计算关节力矩与预测力矩之间的一致性。

结果:PCA 数据显示躯干、骨盆、患侧髋、膝和踝关节在x、y、z 轴(矢状、冠状、垂直轴)对患侧髋、膝、踝关节力矩具有显著影响。预测值与测量值间NRMSE 为5.14%~8.86%,RMSE 为0.184~0.371,MAPE 为3.5%~4.0%,MAE为0.143~0.248,R2 为0.998~0.999。

结论:建立的PCA-BP 模型可准确预测脑卒中患者行走时的髋膝踝关节力矩,显著缩短测量时间。在脑卒中患者的步态分析中本模型可代替传统的关节力矩计算,为获得脑卒中患者生物力学数据提供新途径,以及为脑卒中患者临床治疗提供有效的方法。

 

关键词:数学模型;脑卒中;主成分分析;反向传播神经网络;关节力矩

 

06 Feasibility of 3D Body Tracking from Monocular 2D Video Feeds

in Musculoskeletal Telerehabilitation

基于2D视频的3D身体追踪在肌肉骨骼远程康复中的可行性

 

作者:Carolina Clemente, Gonçalo Chambel, Diogo C. F. Silva, António Mesquita Montes, Joana F. Pinto, Hugo Plácido da Silva

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

实验设置

图片显示了部分Qualisys摄像机,2个2D摄像机,受试者和2个2D摄像机的相对位置

 

摘要

肌肉骨骼疾病影响着全球数百万人。然而,传统治疗方法在价格、可行性和便利性方面存在挑战。许多远程康复解决方案作为替代方案吸引着研究者,但它们依赖于复杂的硬件来进行身体追踪。本研究通过比较单目2D视频(MediaPipe Pose)和地面实况值进行比较,探讨了物理治疗背景下单目2D视频的3D人体姿势预估(HPE)模型的可行性。肌肉骨骼物理治疗期间的8次常规练习中对MediaPipe Pose进行研究,其中对人体关节的活动范围(ROM)进行评估。该模型在肩关节外展、肩关节按压、肘关节屈曲和深蹲等动作的表现最佳。结果表明,MAPE范围为14.9% ~ 25.0%,皮尔逊系数范围为0.963 ~ 0.996,余弦相似度在0.987 ~ 0.999之间。一些练习(如,坐位伸膝和屈肩)由于不是常规动作、遮挡和深度模糊等原因而出现数据采集困难,这可能与缺乏训练数据有关。本研究证明了基于单目2D视频的HPE作为一种无标记、可负担、易获得的肌肉骨骼远程康复方法的潜力。未来的工作应该集中在探索在物理治疗相关数据集上训练3D HPE 模型的变化,例如Fit3D数据集,以及后期预处理技术来增强模型的性能。

 

关键词:telerehabilitation; musculoskeletal; 3D Human Pose Estimation; MediaPipe Pose; ROM; 2D camera; monocular; videos; deep learning

远程康复;肌肉骨骼;3D人体姿势评估;MediaPipe Pose;关节活动范围;2D摄像机;单目;视频;深度学习

 

DOI:10.3390/s24010206

 

07 Comparing the Impact of Upper Body Control and Core Muscle Stabilization Training on Landing Biomechanics in Individuals with Functional Ankle Instability: A Randomized Controlled Trial

比较上半身控制训练和核心肌群稳定训练对功能性踝关节不稳落地生物力学的影响:随机对照试验

 

作者:Daekook M. Nekar, Dong-Yeop Lee, Ji-Heon Hong, Jin-Seop Kim, Seong-Gil Kim, Yeon-Gyo Nam, Jae-Ho Yu

 

期刊:Healthcare(IF=2.8)

 

在单脚落地试验中的运动捕捉系统

 

摘要

功能性踝关节不稳(Functional ankle instability,FAI)是由多种因素导致活动过程中生物力学控制受损,尤其是那些涉及落地任务的活动,其特征是反复的踝关节扭伤和自我感觉关节不稳定。虽然目前的研究主要关注下肢和核心稳定干预对FAI的影响,但上肢控制对该人群脚落地生物力学的贡献仍然缺乏足够的研究。在这项研究中,42名患有FAI的(男19例,女23例)受试者被随机分配到上半身控制训练组(UBCTG)或核心肌群稳定训练组(CMSTG)。两组均进行为期6周的干预,UBCTG组进行包含上半身控制的动态核心运动方案,CMSTG组进行静态核心肌群训练。干预前后的评估包括腓肠肌、胫骨前肌和腓骨长肌的肌电图,下肢的运动分析和单腿跳任务中的地面反作用力(GRF)数值。此外,采用Y平衡测试评估动态平衡,并进行踝关节不稳的自我评估报告。结果显示,两组患者的肌肉激活、关节运动和自我评估报告的踝关节不稳定评分都有类似的增加。然而,在膝关节屈曲角度、动态平衡和踝关节不稳评分方面,组间差异显著,但更有利于UBCTG。虽然两组的峰值垂直GRF均显著降低,达峰时间均延长,但UBCTG组的变化更显著。我们的研究结果表明,动态核心训练结合额外的上半身控制训练可以提高FAI患者的落地生物力学、动态平衡和稳定性。因此,我们建议将肩带练习、本体感觉练习和平衡练习纳入动态核心训练中。

 

关键词:functional ankle instability; upper body control; core stabilization training; landing biomechanics

功能性踝关节不稳;上半身控制;核心稳定训练;落地生物力学

 

DOI:10.3390/healthcare12010070

 

08 Lower Limb Joint Torque Prediction Using Long Short-Term Memory Network and Gaussian Process Regression

使用长短期记忆网络和高斯过程回归预测下肢关节力矩

 

作者:Mengsi Wang, Zhenlei Chen, Haoran Zhan, Jiyu Zhang, Xinglong Wu, Dan Jiang,Qing Guo

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

EMG 传感器和反光标记在受试者身上的贴放位置

 

摘要

在各种应用中都需要对关节力矩进行准确的预测。一些传统方法,如逆动力学模型和肌电(EMG)驱动的神经肌肉骨骼(NMS)模型,依赖于地面反作用力(GRF)数据,并且涉及复杂的优化求解过程。近年来,机器学习方法被广泛用于以表面肌电信号(s EMG)和运动学信息为输入的关节力矩预测。本研究旨在预测行走过程中矢状面内的下肢关节力矩,分别使用长短期记忆(LSTM)模型和高斯过程回归(GPR)模型,从5块肌肉和3个关节角度的sEMG信号中提取7个特征作为数据输入。两个模型的标准化均方根误差(NRMSE)值大部分在15 %以下,皮尔逊相关系数(R)值大部分超过0.85,决定性因子(R2)值大部分超过0.75。这些结果表明,使用以sEMG信号和关节角度为输入的机器学习方法进行力矩的联合预测是可行的。

 

关键词:joint torque; electromyography signals; machine learning; long short-term memory; Gaussian process regression

关节力矩;肌电信号;机器学习;长短期记忆;高斯过程回归

 

DOI:10.3390/s23239576

 

09 Exploring the Impact of Passive Ankle Exoskeletons on Lower-Limb Neuromechanics during Walking on Sloped Surfaces: Implications for Device Design 探索被动踝关节外骨骼在斜坡表面行走时对下肢神经力学的影响:对设备设计的启示

 

作者:James L. Williamson, Glen A. Lichtwark,Taylor J. M. Dick

 

期刊:machines(IF=2.6)

外骨骼结构和离合器设计

 

摘要

在日常生活中,人类和动物面对复杂多变的地形。可穿戴辅助外骨骼与生物组织相互作用可以增强运动。然而,我们对这些设备如何影响稳态环境以外的运动生物力学的理解仍然有限。我们研究了被动踝关节外骨骼在水平、上坡和下坡表面行走过程中如何影响下肢的机械能量和神经肌肉控制。受试者穿戴不同刚度的外骨骼设备(0-280 Nm rad-1)在水平、上坡和下坡行走。我们采集了运动学和动力学数据以确定踝关节、膝关节和髋关节的力,采集表面肌电以确定下肢肌肉的激活。研究结果表明,穿着踝关节外骨骼在上坡表面行走时,膝关节的负功和功率增加,髋关节的正功和功率增加。关节能量的这些变化可能与在上坡时加载弹性外骨骼的额外要求有关。使用踝关节外骨骼进行下坡行走对膝关节或髋关节的能量没有影响,可能是由于外骨骼离合器的驱动受到破坏。为了在斜面行走过程中有效地卸载肌肉骨骼系统,需要对被动踝关节外骨骼离合器设计进行改动。

 

关键词:biomechanics; locomotion; plantarflexors; spring-loaded; wearable assistive devices

生物力学;行走;屈肌群;弹簧加载;可穿戴辅助器具

 

DOI:10.3390/machines11121071

 

10 A Machine Learning App for Monitoring Physical Therapy at Home

一款用于居家物理治疗监测的机器学习APP

 

作者

Bruno Pereira, Bruno Cunha, Paula Viana, Maria Lopes, Ana S. C. Melo, Andreia S. P. Sousa

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

摘要

肩关节康复需要物理治疗来恢复患肢活动能力。然而,康复训练往往受限于专业技术人员的能力和费用,以及患者前往康复治疗地点的交通成本。本文提出了一种新颖的基于智能手机的方法,使用姿态评估算法来评估训练的质量并提供反馈,让患者执行自主康复训练。本文回顾了用于人体检测和康复支持的可穿戴设备和基于摄像头的系统的最新进展,并介绍了所开发的系统。使用 MediaPipe提取患者身上33个关键点的坐标,并将其与专业物理治疗师使用余弦相似度和动态时间规整制作的参考视频进行比较。本文还使用Qualisys(一种用于运动捕捉的光电系统)的临床研究,以验证智能手机应用程序所使用的方法。结果表明,对于不同的练习,3种方法之间存在统计学意义上的显著性差异,凸显了针对具体练习选择合适方法的重要性。本文讨论了研究结果的意义和局限性,并提出了未来研究的方向。

 

关键词:pose estimation; exercise evaluation; mobile health; remote monitoring; rehabilitation

姿势评估;训练评价;移动健康;远程监测;康复

 

DOI:10.3390/s24010158

 

11 Concurrent Validity of Cervical Movement Tests Using VR Technology—Taking the Lab to the Clinic

利用VR技术进行颈椎运动测试的同时效度——从实验室到临床

 

作者:Karin Forsberg, Johan Jirlén, Inger Jacobson and Ulrik Röijezon

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

 

实验设置(俯视图)

示意图,比例不是很精确。黄色点是粘贴到VR眼镜上的Qualisys反光标记点。当受试者移动头部时,同时获得VR信息和Qualisys的运动学数据

 

摘要

颈痛人群通常会出现颈椎活动度范围(ROM)减少和运动速度降低。运动特征的客观评估对于识别功能障碍、制定针对性的干预措施以及评估治疗效果具有重要意义。本研究的目的是探讨一种新开发的VR技术,用于评估颈椎ROM和运动速度的同时效度,将VR技术与金标准三维光学运动捕捉系统进行了比较。有20名受试者参与了本次定量横断面研究,其中13人无颈痛,7人有颈痛。根据右/左旋转、前屈、后伸、右/左侧屈和4个对角线方向评估ROM。根据颈椎向左和向右的快速旋转来评估速度。颈椎ROM和速度的VR和光学系统之间的相关性良好,组内相关系数(ICC)值均> 0.95。VR与光学系统的ROM变量平均偏差≤2.1°,最大速度< 12°/s,平均速度≤3.0°/s。总之,VR是ROM和速度测量的评估设备,具有临床可接受的偏差,为临床客观测量颈椎运动提供了可行的工具。

 

关键词:neck pain; cervical; virtual reality; VR; 3D motion capture; validity; agreement; correlation; range of motion; velocity

颈痛;颈椎;虚拟现实;VR;三维运动捕捉;效度;同意;相关性;运动范围;速度

 

DOI:10.3390/s23249864

 

12 Efficacy of Marker-Based Motion Capture for Respiratory Cycle Measurement: A Comparison with Spirometry

标记点运动捕捉对呼吸周期测量的有效性:与肺活量测定法的比较

 

作者:Natalia D. Shamantseva, Tatiana A. Klishkovskaia, Sergey S. Ananyev, Andrey Y. Aksenov, Tatiana R. Moshonkina

 

期刊:Sensors(IF=3.9)

本研究中标记点贴放位置

 

摘要

呼吸频率监测是临床工作的基础,其测量方法的准确性至关重要。本研究旨在开发和验证基于运动捕捉视频系统的光电容积描记法(OEP)评估不同体位呼吸频率和呼吸周期时相持续时间的方法。提出了两种分析方法,即求和法和三角形法。本研究的重点是确定最佳的标记点数量,实现呼吸参数测量的准确性。结果表明,大多数分析方法显示每分钟呼吸次数的差异≤0.5次,与肺活量法相比,R2≥0.94(p < 0.001)。呼吸频率的最佳OEP方法为腹部三角形和所有体位的腹部标记点之和。该研究探讨了吸气和呼气持续时间。研究发现,5 ~ 9个标记点足以准确测定所有体位下的呼吸时间成分,与以往研究相比降低了标记点要求。这种OEP方法与标准肺量计的互换性证明了非侵入性方法在同时评估身体环节运动、压力动态中心和呼吸运动方面的潜力。未来的研究需要提高这些方法的临床适用性。

 

关键词:biomechanics; locomotion; plantarflexors; spring-loaded; wearable assistive devices

呼吸频率;运动捕捉;光电容积描记法;肺功能测定;呼吸时间成分

 

DOI:10.3390/s23249736

 

 

 

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。

 

1、镜头具有主动滤光功能,可以在强自然光的户外使用

2、测量镜头可同时捕获被动和主动两种标记点的能力

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:

运动训练,脑卒中,外骨骼,移动健康,动作捕捉,Qualisys,医用生物力学,天津体育学院学报,中国组织工程研究

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