利用动作捕捉对物体拾取任务进行三维运动学特征描述

Summary

该方案提供了一种标准化的全身动作捕捉方法，用于评估物体拾取任务，展示了如何在这一共同功能活动中定量描述不同的运动策略和代偿模式。

Abstract

拾取物体任务是日常生活的基本活动，将躯干、下肢和上肢的协调、平衡和视觉运动控制整合在一个生态上有效的单一动作中。尽管具有相关性，但用于定量评估全身动作捕捉物体拾取策略的标准化方案仍然有限。该方案的目标是展示一种利用全身三维动作捕捉技术捕捉和分析物体拾取任务的标准化方法，并展示如何识别和分类不同的移动策略。该方案详细介绍了参与者的准备、全面的标记放置、任务执行以及具有代表性的运动学分析。30名参与者完成了物体拾取任务，期间收集了14个运动学变量。移动策略分为深蹲主导、铰链主导和混合模式，代表沿运动策略连续体的不同和中间方法。代表性结果显示，策略组间关节运动学差异明显，尤其是在膝盖和踝部，躯干运动也有额外贡献。主导手与非惯用手的差异进一步说明了该任务对代偿性运动适应的敏感性。该方案为评估功能性运动中的物品拾取策略和全身协调提供了实用且可重复的框架。

Introduction

人体运动评估是肌肉骨骼和^{功能健康临床}和研究评估的核心。传统上，运动评估主要依赖视觉观察，虽然视觉观察在临床上有价值，但本质上是主观的，受评定者体验影响，且在持续捕捉细微协调模式方面有限。动作捕捉技术，包括基于标记和无标记系统的系统，能够对全身运动进行详细且定量的检查，且可访问性更高 2,3,4,5。

在将这些工具应用于临床和科研环境时，实际限制如空间、评估时间和任务执行难易度成为重要考量。因此，简短、设置简便但能提供丰富运动协调信息的功能性任务尤为宝贵。在此背景下，物品拾取任务代表了一种简单且高效、能够体现整体功能的动作。它是伯格平衡量表及相关客观平衡指标^6、7、8中的标准项目。

在日常生活中，从地上捡起物体是一项基本活动，需要协调控制躯干、下肢和上肢，同时还需保持平衡和视觉运动整合。该任务结合了前屈、控制下降、伸手与抓握、物体操作以及恢复站立，在一个连续动作中完成，对腰椎和下肢主要关节施加了有意义的机械^{要求，同时}调动上肢功能和姿势控制。

拾取策略长期以来一直是职业健康和人体工学的核心，构成了弯曲和手动操作训练的基础，并且通过贡献机制和适应机制与肌肉骨骼健康，尤其是下背痛密切相关，¹⁰。此外，在伯格平衡量表及相关客观平衡指标中，拾取对象任务被证明在老年人中最明显地区分了跌倒者和非坠落者¹¹。然而，尽管拾取任务与日常功能相关，但通常通过定性评估或嵌入综合功能测试中，限制了其在研究中的重复性和定量解释性。¹²。

全身动作捕捉能够详细描述功能性任务中的协调分段运动，使运动策略能够客观描述，而非推断¹³。用于捕捉和分类全身运动学的拾取动作策略的标准化方案仍然有限。本文演示了使用全身动作捕捉的标准化物体拾取任务，并展示了如何基于全身运动学识别和分类不同的运动策略。

虽然该任务具有广泛的潜在应用，但本研究重点是演示该方案并展示具有代表性的运动策略，而非评估临床结果。此外，我们展示了用于该任务的全身标记放置方法，为寻求实施基于标记的黄金标准动作捕捉技术的研究人员和临床医生提供实用参考。采用基于标记的全身三维动作捕捉系统，配备全面的反射标记集，用于记录运动学数据 （见图1）。

Protocol

该研究（IRB-2018-04-014）已获得新加坡南洋理工大学机构审查委员会批准，并按照1964年《赫尔辛基宣言》或类似伦理标准进行。所有参与者在参与前均提供了书面知情同意。

1. 参与者准备

注意：任务要求参与者以舒适的速度从地上捡起一个标准化物品，然后站起来，并按照第7节的描述将物品交给他。

1. 要求参与者穿背心和轻便短裤，以便准确放置和可视化反光标记（见图2A）。
2. 确保参与者赤脚。
3. 指示参与者摘下反光配件，如手表。
4. 记录动作捕捉系统要求的参与者人体测量数据（如身高、体重），并记录手部优势。
   注意：对于体型受限的参与者，可选择全身动作捕捉服代替背心和短裤。

2. 参与者筛查和安全检查

1. 指示参与者以舒适的自选速度，距离考官一小段距离（见图2B）。
2. 让参与者转身并以同样的速度向考官走去（见图2C）。
3. 观察参与者在行走两个方向时，确认他们能够在没有辅助的情况下行走、转身并保持平衡。
4. 请参与者依次执行以下动作：仰视颈部伸展，向下看颈部屈曲，头部向左右旋转，头部向两侧倾斜（图2D）。
5. 请参与者依次完成以下动作：身体向前弯曲，身体向后弯曲，身体向左右旋转，以及向两侧侧弯曲（图2E）。
6. 观察参与者能够在无不适或明显限制的情况下执行指令和完成所有动作。
7. 如果发现任何行动受限或困难，请在继续前记录。
8. 当参与者舒适且安全地完成所有动作后，指示其保持站立以便后续标记放置。
   注意：此简短筛查旨在确认参与者安全、遵守指令能力，并在任务执行前记录任何明显的活动限制。此阶段不记录任何动作捕捉数据，筛查也不是作为诊断评估或结果测量。

3. 全身标记的放置

1. 指示参与者背对考官。
2. 确保参与者站立时保持放松、挺直的姿势，双臂自然地垂在两侧。
   注：共放置了50个反射标记在解剖标志和10个段段簇上，以捕捉全身运动学。
3. 触诊后部解剖标志，依次将磁基覆盖T4、T8和T10棘突、左右后上髂棘（PSIS）以及髂嵴后表面（约位于PSIS上方2-3英寸处）（见图3A）。
4. 后磁基座定位后，用胶带固定（见图3B）。
5. 在进行手术前，目视确认中线对齐、双侧对称性和参与者的舒适度。
6. 让参与者转身面向考官，同时保持站立。
7. 触摸左右前上髂棘（ASIS），双侧放置磁基。
8. 触摸剑突，并将磁基覆盖在这个标志上。
9. 用胶带固定前方磁基座。
10. 请参与者重新穿上上衣，恢复直立站立姿势。
11. 通过衣物触摸先前放置的磁性底座，并依次在磁性底座上安装反光标记（见图3C）。
12. 确保所有反光标记牢固地固定在对应的磁基座上并保持可见。
13. 让参与者背对考官，将颈部向前弯曲。
14. 触摸第七颈椎（C7），并在该标志上放置反光标记（图4A）。
15. 请参与者回到中立的头部位置，转身面向考官。
16. 触摸胸骨，在这个标志上放置反光标记。
17. 触摸左右肩峰，双侧放置反光标记（图4B）。
18. 让参与者舒适地坐着，右手掌放在左膝上。
19. 触诊右肱骨的内侧和外侧上髁，并在两个标志点上放置反光标记。
20. 左肘重复同样的操作（见图4C）。
21. 请参与者双手舒适地放在大腿上。
22. 触摸桡骨和尺骨茎突，双侧放置反光标记（图4D）。
23. 触摸手中的头骨，并在每个手的这个标志上放置反光标记。
24. 在每只手的拇指甲和无名指甲上各放置一个反光标记（图5A，B）。
25. 参与者坐姿舒适时，触摸右膝内侧和外侧股骨髁，并在两个标志点上放置反光标记（图5C）。
26. 左膝重复同样的手术。
27. 触诊右踝内侧和外侧颯骨，并在两个标志点上放置反光标记（图5D）。
28. 左脚踝重复同样的操作。
29. 触诊右脚第一、第二和第五跖骨头，并在每个标志处放置反光标记。
30. 触摸右脚的中间楔形文字，放置反光标记。
31. 触摸右脚的跟骨结节，放置反光标记。
32. 左脚重复第29–31步，完成脚标记的放置（见图6A）。
33. 双侧将标记簇附在前臂、上臂、手、大腿和腿段（腿）上（图6B-D）。
34. 用绑带或胶带牢牢固定每个集群。
35. 让参与者面对考官站立，目视前方。
36. 在额骨上方双侧放置反光标记，就在眉毛上方。
37. 在颞骨上双侧放置反光标记（图7A）。
38. 目视检查所有标记和簇，确认位置、对称性和可见性。
39. 用胶带固定所有标记底座，以防止任务执行时位置移位或脱落。
40. 对于所有直接放置在皮肤上的标记（无磁基）以及放置在皮肤上的簇状标记，使用可洗皮肤标记标记相应位置，以记录位置并方便如有需要时保持一致的重新定位（见图7B）。
41. 检查是否有松动的标记、群聚移动或站立时的阻塞。
42. 根据需要纠正任何放置错误或不安全的附件。
43. 如果未发现问题，继续进行物品拾取任务。
    注意：上述标记位置反映了我们实验室中对物体拾取任务进行全身运动学捕捉的工作流程。虽然不同实验室可能使用不同的标记集，但解剖标志识别、一致性和验证的原则依然至关重要。

4. 动作捕捉系统设置

1. 将动作捕捉摄像机围绕捕捉体积布置，确保前倾、物体互动和恢复站立时全身可见性。
2. 定义一个足够大的捕获体积，以容纳完整的拾音器运动且不造成遮挡。
3. 根据制造商的指导方针校准动作捕捉系统，建立全球坐标系。
4. 确认所有相机都能清晰检测反光标记，且捕获区域内无意外反光物体。
   注意：该系统设置通常在参与者放置标记之前或同时进行，但由另一名工作人员操作。对下肢、躯干和上肢的充分覆盖对于捕捉拾取任务的完整动作序列至关重要。

5. 数据采集

1. 在指导参与者开始动作之前，先开始动作捕捉录制。
2. 只有在参与者完成任务后才停止录制。
3. 在进入下一个录音之前，请检查录音，确保所有标记都已存在。
4. 重复这个过程，记录所需的录音数量。
   注意：持续录制确保所有任务阶段的完整记录，避免在移动中开始或停止录制时可能出现的分段错误。

6. 静态审判

1. 让参与者在捕捉体内站直。
2. 指导参与者将双臂外展至约45°离身体，肘部完全伸展，手掌朝前（见图8A）。
3. 让参与者保持静止2秒，考官大声数“一千，两千”。
4. 指导参与者将双臂外展至约90°，肘部保持伸展，手掌朝下（见图8B）。
5. 让参与者保持静止2秒，考官大声数“一千，两千”。
6. 指导参与者双臂放下，保持放松的中立姿势（见图8C）。
   注意：静态校准试验旨在建立段坐标系统，改善上肢关节的定义，并在动态任务执行前验证标记的可见性。

7. 物品拾取任务

1. 在捕获体积内预定位置放置一个标准化物体。
2. 让参与者以舒适的自选姿势站直，面向物体（图9A）。
3. 向参与者提供以下 指示：“请以舒适的速度从地上捡起物体，回到站立姿势，并递交物品。”
4. 在试行间隙，舒适地坐着或跪着，取回并重新定位物体，确保放置一致。
5. 如有需要，允许参与者进行一次熟悉试验。
6. 指示参与者用一只手完成三次试验（图9B，C）。
7. 指示参与者用另一只手重复该任务三次（见图9D）。
8. 根据需要，允许试验间短暂休息，以减少疲劳。
   注意：没有关于移动策略的指导，以允许物体拾取行为自然变化。虽然该协议侧重于运动学分析，但如果需要动力学数据，也可在力板上执行该任务。在这种情况下，可以指示参与者站在与力板对齐的预定区域内，每个力板上放一只脚。

8. 数据清理、标签与后处理

1. 根据Liang^等人的说法，使用Qualisys轨道管理器（QTM）软件对标记进行标记。
2. 使用轨迹编辑器功能，从静态和运动文件中插值缺失的标记数据。确保所有标记都100%填满。
3. 利用自动标记识别（AIM）功能生成模型，以辅助后续试验的标记。
4. 将清理后的数据导出为.c3d文件（见图10）。
5. 将 .c3d 文件导入 Visual 3D（V3D）专业软件。
6. 将运动文件分配给相应的校准（静态）文件。
7. 对所有原始标记数据应用Butterworth低通滤波器（6Hz）。
8. 应用模型文件 （补充文件1） 对静态文件和分配的运动文件¹⁴实现混合模型。
9. 利用基于模型的数据计算函数，相应地计算所需的联合角。
   注意：模型文件作为 补充文件1 提供，方便读者复制我们的模型。要使用该型号，将文件扩展名从“.txt”改为“.mdh”。数据标记、模型创建、过滤和关节角度计算的具体步骤可能因所使用的动作捕捉和生物力学分析软件而异。

9. 运动阶段的定义

1. 应用V3D中编写的定制流程，将六次重复分为三个不同阶段：1）下降，2）上升，3）对象切换（见表1）（图11）。
2. 通过评估手腕标记轨迹定义左右物体拾取，并纳入定制开发的流程中（图12A、B）。
3. 在同一流程中，利用上述下行和上升事件导出顶矢状面躯干、髋关节、膝盖和踝关节角度，并在拾起任务中按主导手与非主导手进行区分。
   注意：标记位移和关节运动学建议作为不同相分段的信号。鉴于任务执行中的运动差异，建议选择位移较大的信号以克服噪声。

10. 拾取策略的分类

1. 在下降阶段检查躯干和下肢的运动学。
2. 根据躯干屈曲和下肢关节活动的相对贡献，将拾取策略分为以下几类：
   1. 深蹲主导 （图13A）
   2. 铰链主导 （图13B）
   3. 杂交 （图13C）
      注意：尽管物体拾取任务有潜力支持对多种生物力学、神经运动和协调相关结果的分析，本协议特别侧重于展示如何根据躯干和下肢运动模式识别和分类拾取策略，提供规范参考。

Results

30名参与者完成了物体拾取任务，期间收集了14项运动学变量。随后，参与者被分为三个策略组，分别代表着不同且中间的移动策略连续体，分别被解释为深蹲主导（第1组）、铰链主导（第2组）和混合策略（第3组）。在年龄、性别分布、身高或体重方面，组间未观察到统计学上显著差异 （见表2）。所有参与者均为右手惯用。

在拾取物体任务期间，按组计算的平均关节运动学数据被统计 （见表3）。组间差异在膝关节和踝关节最为明显，无论是主导手还是非惯用手。膝关节屈曲角度在各组间差异显著（均为 p < 0.001），且效应量较大。同样，踝关节运动学在不同条件下显示显著的组别差异（均为 p < 0.001），且效应量较大。主导手和非主导手的躯干屈曲在组间差异显著（p = 0.008和 p = 0.024），效果值中等。相比之下，髋关节运动学在主导和非主导手疾病中组间无显著差异。这些发现表明，预设策略类别能够捕捉...

Discussion

该协议展示了一种利用全身三维动作捕捉技术捕捉和分析物体拾取任务的标准化方法，并展示了如何定量表征不同的移动策略。参与者被有意选择并分组，以代表样本中观察到的不同和中间移动策略模式。关节运动学的目视检查显示，膝关节屈曲幅度是主要的区分特征，中间病例中观察到重叠。因此，策略被解释为深蹲主导、铰链主导和混合型，反映了一系列连续的动作方法，而非离散的生物力学类别¹⁵。

在这些策略组内分析时，关节运动学表现明显，膝盖和踝部差异最为显著，躯干运动也有额外贡献。在非惯用手使用时观察到左膝屈曲和踝关节背屈增加，很可能是次要的任务相关适应，可能反映肢体协调能力降低及下肢屈曲的代偿性增加。这些发现共同表明，物体拾取策略是由运动链上的协调再分布定义的，而非孤立的关节行为。

物体拾取任务的一个显著特征是存在多条补偿性通路¹⁶。即使在没有明显神经或肌肉骨骼损伤的个体中，也观察到脊柱、下肢和上...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
取货任务箱	无	无	70毫米 x 70毫米 x 70毫米（长×宽×高）<布尔/>用聚乳酸（PLA）耗材3D打印（eSUN;深圳厄孙工业公司，中国）。
集群标记	夸利西斯，阿尔伯塔省	·160146 上半身 和 middot;160145 下半身 ·160149 集群用的SuperWrap	这些簇包括两个上半身簇（上臂）和四个下半身簇（两个在大腿，两个在腿部）。
簇状标记（定制）	无	无	专门设计的集状标记用于追踪手腕（RFA，LFA）和手部（RHMC，LHMC）使用聚乳酸（PLA）耗材（eSUN;深圳厄孙工业公司，中国）。
计算机工作站	通用	匿名	英特尔Core i9处理器，32GB内存，10TB硬盘，NVIDIA RTX2080
双面粘性贴皮胶带	夸利西斯，阿尔伯塔省	160188 双面胶带	用于将马克笔底座固定在皮肤上
力板	基斯特勒	9260AA6型	地板下方嵌入两块板（600×50毫米），每英尺一块。nbsp;
低过敏性皮肤胶带	3岁月	微孔
标记底座	Optitrack	M4 标记底座
动作捕捉系统	夸利西斯，阿尔伯塔省	Miqus Video Aqus A12	x2，全高清 / 2 MP格式，分辨率1920及以下;1080 x12,12 MP 300fps，分辨率4096及时间;3072，FOV 54及时间;42 & deg;（机动车）
钕磁铁	通用	无	直径15毫米，厚度1毫米
Qualisys 轨道管理器（QTM）	夸利西斯，阿尔伯塔省	2019年版本	该软件用于记录实验中的运动并进行数据后处理。
反射标记	Optitrack	12.7毫米（1/2）M4 标记
视觉三维	HAS-运动	2021年版本	该软件用于生物力学建模并生成相关的接头角度