Qualisys三维运动采集分析系统1~2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2024年1~2月份最新发表的11篇论文,研究涉及射击、击剑、田径运动学习、骨骼肌疲劳动力学、无标记点测试方法、飞虫、帕金森、消防员救援任务、Y-平衡练习、普拉、人体运动学数据测试方法等研究。

 

论文来源于以下期刊:

中国体育科技 (北大核心)

Sensors (IF=3.9)

Journal of Biomechanics (IF=2.4)

Frontiers in Sports and Active Living (IF=2.7)

nature communications (IF=16.6)

scientific reports (IF=4.6)

healthcare (IF=2.8)

sensors (IF=3.9)

 

 

01

不同水平射箭运动员撒放阶段动作特征的差异研究——基于统计参数映射

 

作者:邢睿,张璟,周兴龙,曲峰

 

期刊:中国体育科技 (北大核心)

 

摘要

目的:基于统计参数映射法(statistical parametric mapping, SPM),探讨不同水平射箭运动员在撒放阶段的动作姿态特征和姿势控制能力差异。

方法:20名男子射箭运动员按运动员技术等级分为健将组(n=10)和一级组(n=10),运用Qualisys红外光点运动捕捉系统采集成绩在10环区域以内的射箭运动学数据,采用统计参数映射法对比分析不同水平射箭运动员在撒放阶段的动作特征差异。

结果:不同水平射箭运动员持弓侧与拉弓侧的姿态角向量场在整个撒放阶段均存在统计学差异,结合事后SPM两独立样本t检验发现,该差异主要来源于,与一级组相比,健将组:1)在撒放前,持弓侧肩关节屈曲角、水平屈曲角更大(P=0.001),拉弓侧肘关节屈曲角、前臂旋转角更大(P=0.001);2)撒放后,拉弓侧各肩关节姿态角变化速率更小(P=0.001),且2组运动员肘关节屈伸角在撒放后即刻表现出相反的变化趋势。此外,在撒放前,健将组的持弓侧肩点与腕点、拉弓侧肩点与肘点,以及弓点的晃动体积均显著小于一级组(P<0.05)。

结论:不同水平射箭运动员在撒放阶段的姿态特征以及姿势控制方面存在差异。姿态特征方面,在撒放前,健将级运动员身体与弓箭系统之间的距离相对较远,且拉弓侧前臂外旋更多;姿势控制方面,健将级运动员在撒放前对近端环节及弓的稳定控制能力更强,在撒放后即刻对拉弓侧肩关节的姿势控制能力较高,能够有效减少惯性对其姿态的影响;此外,应注重撒放后即刻对远端环节肢体的控制,降低撒放动作对箭支的影响。

 

关键词:射箭;撒放阶段;统计参数映射;

 

DOI:10.16470/j.csst.2024007

 

运动捕捉系统:Qualisys Oqus 700 (已经停产,更新升级款 Qualisys Arqus

Quslisys Arqus 运动捕捉摄像机

 

02

Proficiency Barrier in Track and Field: Adaptation and Generalization Processes

田径运动中的熟练度障碍:适应和泛化过程

 

作者:M. Teresa S. Ribeiro, Filipe Conceição,Matheus M. Pacheco

 

期刊:Sensors (IF=3.9)

 

受试者动作示范:(a)下蹲跳 (b)立定跳远(c)跨步跳(d)跳高(e)跳远(f)跨栏转体

 

摘要:关于动作发展和训练的文献假设了学习技能的层次结构——学习“基础”——这一点尚未得到实证证明。本研究通过验证:( 1 )这种强层级结构(即,熟练程度障碍)在三种基本技能和三种运动技能之间是否成立,以及( 2 )考虑由于这种强层级结构的存在而产生的不同的转化过程(泛化/适应)来解决这个问题。27名儿童和青少年参与完成了下蹲跳、立定跳远、跨步跳、跳高、跳远、跨栏转体动作。我们在两对任务(在下蹲跳与跳高之间以及立定跳远与跳远之间)中确定了熟练度障碍。尽管如此,转化过程与熟练度障碍无关。我们的结论是,所提出的学习层级对某些任务是成立的。其背后的原因尚不清楚。

 

关键词:

transfer of performance; motor development; stages; skill acquisition

能力转化;动作发展;阶段;技能习得

 

DOI:10.3390/s24031000

 

运动捕捉系统:Qualisys Miqus Video无标记点运动捕捉

Qualisys Miqus Video

 

03

Electromyography-driven musculoskeletal models with time-arying fatigue dynamics improve lumbosacral joint moments during lifting

随时间变化的疲劳动力学的肌电图驱动骨骼肌模型改善举重过程中的腰骶关节力矩

 

作者:Mohamed Irfan Mohamed Refai, Alejandro Moya-Esteban , Massimo Sartori

 

期刊:Journal of Biomechanics (IF=2.4)

 

受试者执行动态任务:将一个12.6kg的圆盘在左右两个凳子间转移

 

摘要:

肌肉疲劳在日常生活十分常见。追踪肌肉疲劳有助于了解肌肉过度使用和可能导致肌肉骨骼疾病的损伤风险。目前的疲劳模型不适合真实环境,因为它们通常是通过模拟验证的,或是通过非功能性任务验证的。此外,捕捉由于疲劳引起的肌肉活动变化的模型常假设肌肉活动和肌力之间是线性关系,或使用简单的肌肉模型。个性化肌电图(EMG)驱动的骨骼肌模型(pEMS)提供了个人特定的方法来模拟日常生活任务中广泛的肌肉和关节动力学。这些模型利用肌电图,从而捕捉多肌肉生物电活动的中枢疲劳依赖性变化。然而,在这些模型中,缺失了周围肌力的衰减。因此,我们研究了疲劳对躯干的大范围pEMS的影响。11名健康受试者进行了功能性不对称举重任务。根据逆动力学估计体重标准化腰骶力矩(BW-LM)的平均峰值为2.55±0.26 Nm/kg。下背部完全力竭后,pEMS对BW-LM的高估峰值为0.64±0.37 Nm/kg。然后,我们建立了时变肌肉力衰减模型,得到了时变pEMS ( t-pEMS )。这将t - pEMS估测的BW - LM与参考值之间的差异减小到0.49 ± 0.14 Nm / kg。我们还表明,五次疲劳收缩足以校准t-pEMS。因此,本研究提出了追踪功能性任务中疲劳的个人和肌肉的特定模型。

 

关键词:

Muscle fatigue;Musculoskeletal model;Electromyography-driven modelling; digital twin

肌肉疲劳;骨骼肌模型;肌电图驱动建模;数字孪生

 

DOI: 10.1016/j.jbiomech.2024.111987

 

04

Vertical Center-of-Mass Braking and Motor Performance during Gait Initiation in Young Healthy Adults, Elderly Healthy Adults, and Patients with Parkinson's Disease: A Comparison of Force-Plate and Markerless Motion Capture Systems

健康青年、健康老人和帕金森患者步态启动过程中的垂直质心制动和运动表现:测力台和无标记点运动捕捉系统

 

作者:Arnaud Simonet, Arnaud Delafontaine, Paul Fourcade,Eric Yiou

 

期刊:Sensors (IF=3.9)

 

实验设置:无标记点运动捕捉系统和测力台

 

摘要

背景:本研究测试了无标记点运动捕捉系统和测力台(“金标准”)之间的一致性,以量化步态启动期间的稳定性控制和运动表现。

方法:健康成人(年轻人和老年人)和帕金森病患者在串联放置的两个测力台上以自发和最大速度开始步行,同时由无标记点运动捕捉系统拍摄。利用两个系统的信号计算向前的质心速度峰值(运动表现指标)和制动指标(稳定控制指标)。

结果:描述性统计表明,两种系统采集到组间差异和速度效应相似,而Bland-Altman图分析显示,在所有组和条件下,两种生物力学指标的平均偏差几乎为零。贝叶斯因子01表明,强(制动指数)和中等(运动表现)证据表明,这两种系统提供了相同的值。然而,对Bland-Altman图的逐个试验分析显示,两种系统之间可能存在10%的差异。

结论:尽管存在不可忽略的差异,但无标记点运动捕捉系统在检测帕金森病和不同速度情况对制动指数和运动性能的影响方面似乎与测力台系统一样有效。

 

关键词:

markerless motion capture; force-plate; gait initiation; braking index; motor performance;

Bland and Altman; Bayes factor 01; Parkinson’s disease; healthy adults; biomechanics

无标记点运动捕捉;测力台;步态启动;制动指数;运动表现;Bland - Altman图;贝叶斯因子01;帕金森;健康成年人;生物力学

 

DOI:10.3390/s24041302

 

运动捕捉系统:Qualisys Miqus Hybrid无标记点运动捕捉

Qualisys Miqus Hybrid 混合运动捕捉摄像机

 

05

Assessing the validity of two-dimensional video analysis for measuring lower limb joint angles during fencing lunge

评估2D视频分析法测量击剑弓箭步时下肢关节角度的有效性

 

作者:Kenta Chida1, Takayuki Inami, Shota Yamaguchi, Takuya Nishioka, Yasumasa Yoshida, Naohiko Kohtake

 

期刊:Frontiers in Sports and Active Living (IF=2.7)

 

Qualisys运动捕捉系统标记点贴放图

 

摘要

简介:击剑弓箭步以最小的身体旋转为特征,是一个非常适合2D视频分析的运动。然而,据我们所知,2D视频分析对击剑的有效性还没有得到验证。本研究旨在通过使用2D视频分析和3D运动分析方法,比较弓步时下肢关节(髋关节、膝关节和踝关节)的角度来验证2D视频分析。

方法:用8台运动捕捉摄像机(Qualisys Miqus M1)和2台数码摄像机(Sony AX-450和AX450a)同时采集22名男子击剑运动员的弓箭步动作。

结果:2D视频分析结果与3D动作分析结果(r = 0.93 ~ 0.99)在矢状面的前后腿膝关节角度具有非常大的相关性。然而,虽然发现前、后腿踝关节角度( r = 0.82 ~ 0.84)之间具有显著的相关性,但也观察到较大偏差( -5.23 ° ~ -21.31 °)。相反,对于后腿的髋关节,发现了中等相关性(r = 0 . 31)和较大的偏差(- 10.89 °)。

结论:这项研究的结果将有助于推行教练在比赛中使用2D视频分析方法,因为在矢状面测量前腿和后腿膝关节角度时,这种分析可以作为3D运动分析的有效替代方案。但对于踝关节角度,还需要进一步研究数字摄像机的最佳拍摄位置和高度;而对于髋关节角度,此时建议使用3D运动分析。

 

关键词:hip, knee, ankle, lunge performance, Qualisys, Frame-DIAS, sagittal plane

髋,膝,踝,弓箭步,Qualisys,Frame-DIAS,矢状面

 

DOI:10.3389/fspor.2024.1335272

 

运动捕捉系统:Qualisys Miqus M1

 

Qualisy Miqus 运动捕捉摄像机

 

 

 

06

Why flying insects gather at artificial light

为什么飞虫会聚集在人造光下

 

作者:Samuel T. Fabian, Yash Sondhi, Pablo E. Allen, Jamie C. Theobald & Huai-Ti Lin

 

期刊:nature communications (IF=16.6)

立体光刻3D打印机制作的刚体粘贴到昆虫身上

用于运动捕捉测试

 

对昆虫的运动捕捉表明,它们始终背向光线方向倾斜

 

摘要

关于夜行昆虫围绕火或灯不规律地飞行的解释有“月球导航”和“逆向光”理论。但是,没有对它们进行严格的三维飞行数据采集,它们的奇怪行为的原因就一直悬而未决。我们在实验室采用了高分辨率的运动捕捉技术,在野外采用了立体摄像技术,重建了昆虫在人造光周围飞行的3D运动学。与引诱的预期相反,昆虫不会直接转向光线。相反,昆虫将背朝光线,产生垂直于光源的飞行。在自然光下,背朝最亮的视觉半球倾斜有助于保持适当的飞行姿态和控制。然而,在人工光源附近,这种高度保守的背光反应可以产生持续的绕光转向,诱捕昆虫。我们的指导模型表明,这种背向倾斜足以造成昆虫在灯光附近看似不规定的飞行路径,是解释为什么飞虫会聚集在人造光下聚集的最有可能的模型。

DOI:10.1038/s41467-024-44785-3

 

07

The effect of dopaminergic treatment on whole body kinematics explored through network theory

通过网络理论探讨多巴胺能治疗对全身运动学的影响

 

作者:Antonella Romano, Marianna Liparoti, Roberta Minino, Arianna Polverino, Lorenzo Cipriano, Anna Carotenuto, Domenico Tafuri, Giuseppe Sorrentino, Pierpaolo Sorrentino & Emahnuel Troisi Lopez

 

期刊:scientific reports (IF=4.6)

 

摘要

三维运动分析技术是一种定量评估健康和疾病时的时空和运动学变化。然而,这些参数提供了环节信息,却缺少表征生理和/或病理状态下复杂的全身运动学微小变化。我们的目的是评估左旋多巴摄入对全身的影响,通过评估系统各要素之间关系的网络理论来分析帕金森病(PD)步态过程中的运动学相互作用。本研究的受试者为23名PD患者,在步态测试时每人身上贴有21个反光标记点。使用网络理论分析这些标记点的加速度运动学数据,进而研究了步态数据。我们获得了每个受试者的运动学相互作用矩阵(即运动组),在左旋多巴摄入前后,我们进行了拓扑分析来评估身体元素之间的大规模相互作用,并进行了多元线性回归分析来验证运动组的拓扑结构是否可以预测左旋多巴引起的临床变化。我们发现,左旋多巴摄入后,PD患者躯干和头部同步性减少(p-头 = 0.048;p-第7颈椎= 0.032;p-第10胸椎= 0.006),上下肢同步得到改善(右肘,p = 0.002;左肘,p = 0.005),(右手腕,p = 0.003;左手腕,p = 0.002;右膝,p = 0.003;左膝,p = 0.039),且与UPDRS-III评分成正比。这些结果可能是由于药物治疗后僵硬程度有所降低产生的。

 

DOI:10.1038/s41598-023-50546-x

 

08

Biomechanical characterization of firefighters running under different rescue tasks

消防员在不同救援任务下跑步的生物力学特征

 

作者:Xinxin Zhang, Haili Feng, Xindai Liu, Pincao Gao, Peng Guo, Shenghui Tang, Xinhe Nie, Tianjin Feng & Weiguo Liu

 

期刊:scientific reports (IF=4.6)

 

静态数据采集

 

救援任务

 

摘要:

不同救援任务的消防员跑步的生物力学特征尚不清楚。本研究旨在探讨消防员在不同救援任务中跑步生物力学特征,为消防员培训和职业伤害预防提供理论和实践参考。随机选取18名健康男性消防员作为受试者,测试他们在不同的救援任务中跑步情况:穿着消防防护服(FPC), FPC+携带气体罐(20公斤,FPC+ C),FPC+携带人体模型(60公斤,FPC+M)。使用8台Qualisy红外摄像机和一台AMTI三维力台采集受试者的下肢运动学/动力学数据。结果表明,与FPC救援任务相比,FPC+GC和FPC+ M救援任务的步速和步长显著降低,而支撑时间显著增加。与FPC救援任务相比,FPC+GC救援任务在垂直地面反作用力(vGRF)、踝关节背屈最小角度和踝关节跖屈最大力量方面均有显著降低。相比之下,FPC+M救援任务在踝关节活动范围、髋关节最大伸展角度、膝关节最小屈曲角度、踝关节最大背屈角度、髋关节最大伸展力矩、膝关节最大屈曲力矩、髋关节最大屈曲功率、髋关节和膝关节刚度方面显著增加,而在踝关节最小背屈角度方面显著降低。与FPC+GC救援任务相比,FPC+M救援任务在髋关节最大伸展角度、膝关节最小屈曲角度、踝关节最大背曲角度、髋关节最大屈曲力矩、髋关节最大伸展力矩、膝关节最大屈曲力矩、踝关节最大跖曲力矩、髋关节最大屈曲力、踝关节背屈力、髋关节僵硬程度和vGRF上均有显著性增加。相反,则表现为膝关节最大屈曲力的显著下降。综上所述,与FPC救援任务相比,FPC + GC和FPC + M救援任务改变了消防员的步态表现,表现为步速和步长降低,支撑时间增加。FPC + M救援任务会增加消防员髋、膝关节损伤的风险。因此,建议消防员在大负荷状态(60 kg及以上)下,增加躯干、髋、膝关节肌肉的力量训练,作为日常训练计划的一部分,以降低救援任务中的损伤风险。

 

DOI: 10.1038/s41598-024-52440-6

 

09

Examining the joint coordination during dynamic balance learning using vector coding and statistical parametric mapping analyses

使用矢量编码和统计参数映射分析来研究动态平衡学习过程中的关节协调能力

 

作者:Sungmin Kim, Feng Qu, Yi Wang & Wingkai Lam

 

期刊:scientific reports (IF=4.6)

 

摘要

我们的研究目的是探索在Y平衡练习期间下肢平衡能力、运动学变量和关节协调性的变化。20名女大学生从第3天到第7天连续完成了5个Y-平衡学习模块(135次试验)。在第1天和第9天进行预实验和测试。采集前方(AL)、后外侧(PL)和后内侧(PM)各方向的最大伸展距离、关节峰值角度和关节协调性等数据,以确定Y-平衡练习的有效性。通过重复测量方差分析来确定学习是否发生。结果表明,第5天的最大伸展距离比其他学习日要长。学习后,最大伸展距离在PL和PM各方向上显著增加。学习后髋屈曲(PL/PM)、外展(PM)、内旋(PM)、外旋(PL)角度增加。膝关节屈曲角度在AL和PL方向均增大。只有踝关节背屈角度在AL方向上增加。关节协调表明膝关节和髋关节在内旋过程中同时进行。采用背屈和屈曲策略进行踝关节-膝关节协调。统计参数映射分析显示,AL方向的踝关节矢状面、PL方向的髋关节水平和髋关节/膝关节矢状面、PM方向的髋关节/膝关节矢状面和髋额状面/水平面存在显著差异。这些数据表明,新手的动态平衡能力的提高与学习后协调模式的改变有关。本研究结果可以应用于其他人群,以提高他们的动态平衡和预防跌倒损伤。

 

DOI:10.1038/s41598-023-44216-1

 

10

Methodology and Experimental Protocol for Studying Learning and Motor Control in Neuromuscular Structures in Pilates

研究普拉提中神经肌肉结构的学习和运动控制的方法和实验方案

 

作者:Mário José Pereira, Alexandra André, Mário Monteiro, Maria António Castro, Rui Mendes, Fernando Martins, Ricardo Gomes, Vasco Vaz, Gonçalo Dias

 

期刊:healthcare (IF=2.8)

 

Qualisys运动捕捉系统标记点贴放图

 

摘要

因为普拉提对肌肉、心理、心脏健康以及身体成分等方面的有利影响,已被广泛研究。本研究旨在探讨普拉提方法对练习过程、运动控制和神经肌肉躯干稳定性的影响,特别是在有经验和没有经验的练习者中的区别。这项半随机对照试验比较了36名普拉提练习者在运动控制和练习两种普拉提基础技能(站立平板和侧交叉)方面的经验水平。通过各种评估方法收集数据,包括腹肌超声(AWMUS)、剪切波弹性成像(SWE)、注视行为(GA)评估、脑电图(EEG)和视频记录。由于样本中不同的形态和心理运动特征,预期个体内和个体间有显著差异。采用线性和非线性分析为神经肌肉结构随时间和空间的演变进行全面的评估,提供定量和定性的见解。与非专业组相比,非线性分析有望揭示专业组中更高的熵,这意味着他们的运动控制更为复杂。在稳定性方面,专业组可能表现出较高的Lyapunov指数值,表明稳定性和协调性增强,同时Hurst指数值较低。在弹性成像中,经验丰富的练习者由于他们具有更高熟练程度,预计会显示出更高的腹横肌(TrA)肌肉弹性。对于GA方面,非专业组被认为会表现出更多的扫视,关注更多的兴趣区域(AOIs),以及更短的注视时间,而专业组被认为有更有效的注视控制能力。在EEG中,我们预期非专业组的θ波值比专业组高。这些预估源于弹性成像的类似研究以及眼动追踪和脑电图的相关研究。它们与普拉提方法的原理和其他相关技术的科学知识是一致的。

 

关键词:pilates; electroencephalography; gaze behavior; abdominal ultrasound; elastography; motor control

普拉提;脑电图;注视行为;腹部超声检查;弹性成像;运动控制

 

DOI:10.3390/healthcare12020229

 

11

Sensor-to-Bone Calibration with the Fusion of IMU and Bi-Plane X-rays

融合IMU和双平面X射线的传感器-骨校准

 

作者:Xavier Gasparutto, Kevin Rose-Dulcina, Gautier Grouvel, Peter DiGiovanni, Lena Carcreff, Didier Hannouche, Stéphane Armand

 

期刊:sensors (IF=3.9)

 

步态分析过程

CI:传统IMU, Kin.: 运动学,MRK:标记点测试

 

摘要

惯性测量单元(IMU)需要经过传感器-环节的校准来测量人体运动学数据。这有很多方法可用,但在评估运动功能病变人群时,就出现了各种局限性,比如保持姿势(受关节疼痛和僵硬的限制),执行特定任务(受缺乏选择性的限制)或肢体对齐假设(受骨骼畸形和关节僵硬的限制)。我们提出了一种基于双平面x射线的传感器-骨的校准方法和一个专门设计的融合盒来测量IMU相对于底层骨骼的方向。8名患者参与了这项研究,他们都在临床治疗中使用双平面x射线进行全髋关节置换术。使用融合盒和皮肤标记对患者进行双平面X射线检查,然后使用IMU和基于标记点的测试方法进行步态分析。比较传统的传感器-环节校准和传感器-骨校准测量骨盆、大腿和髋关节运动学的有效性。结果表明:(1)双平面X射线和IMU融合测量解剖轴方向具有可行性;(2)骨盆倾斜角的传感器-骨校准具有较高的有效性,其他自由度的传感器-骨校准具有相似的有效性。这种新型的校准方式的主要优点是消除了在病理人群中经常无法遵循关于关节和环节方向的传统假设。

 

关键词:gait analysis; IMU; fusion; sensor-to-segment calibration; bi-plane X-rays; medical imaging

步态分析;惯性测量单元;融合;传感器-环节校准;双平面X射线;医学影像学

 

DOI:10.3390/s24020419

 

 

    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:

Qualisys,动作捕捉,击剑,射击,田径运动学习,骨骼肌疲劳动力学,论文合集

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