東方人群日常生活的運動數(shù)據庫
一項數(shù)據描述研究

引言：什么是技能的天花板效應？
欣賞舞者的曼妙舞姿時，你是否驚嘆于舞者身體的靈動？觀看雜技演員表演驚險特技時，你又是否為表演者超凡的身體控制力而贊嘆？人體的運動能力復雜多樣，不同個體、不同關節(jié)的靈活性千差萬別。正是基于對關節(jié)角度等關鍵運動學參數(shù)的深入分析，才有了符合人體結構的各類工具、家具、生活用品。因此，科學家們致力于構建全面的人體運動學數(shù)據庫，服務于疾病診斷、工具設計優(yōu)化等諸多領域。然而，現(xiàn)有的人體數(shù)據庫主要在西方人群中捕捉人體日常生活活動和運動表現(xiàn)。

為了彌補運動學數(shù)據庫中東方人群數(shù)據的空白，新加坡南洋理工大學新加坡康復研究機構與機械與航空航天工程學院聯(lián)合探究了東方人群日常生活與運動中的表現(xiàn)，該研究通過動作捕捉系統(tǒng)、力臺等設備實時記錄10名東方人進行12項不同活動時的關節(jié)角度、壓力中心等數(shù)據。相關研究結果以數(shù)據描述文章（Data descriptor article）形式發(fā)表在《Scientific data》上，題為“An Asian-centric human movement database capturing activities of daily living”。
 

 

 
實驗設計和數(shù)據采集
為了得到可靠、嚴謹、高質量的數(shù)據，研究團隊對實驗參與者進行了嚴格的篩選，排除了三個月內存在神經系統(tǒng)疾病、手術或醫(yī)療狀況、嚴重視覺問題等可能存在影響實驗進行的情況的患者。截止文章發(fā)表時，研究團隊共招募了10名健康受試者。接下來，受試者被要求完成6項上肢任務及6項下肢任務（見圖2、圖3），包括折疊毛巾，前伸抓握，側伸抓握，手夠到嘴，手夠到頭部，手夠到背部，定時起立行走，轉動鑰匙，平衡測試，跨過障礙物，上下臺階，10 米行走。這12項任務由專業(yè)作業(yè)治療師和物理治療師選出，任務均為日常生活的代表性任務。研究讓團隊將這12個任務的順序采用區(qū)組隨機化（見圖4）方式進行安排，該順序通過在試驗前擲骰子決定，以減少因患者精神和身體疲勞而造成的實驗結果偏差。對于上肢任務，受試者每側肢體重復每個動作6次；對于下肢任務，受試者每側肢體重復每個動作3次。
 

 
圖2. 上肢任務

圖3. 下肢任務

圖4. 實驗中使用的隨機化模塊任務

 
每位受試者均按照設定的標記點放置反光光學標記（見圖5）。所采用的標記點基于改良版的“校準解剖系統(tǒng)技術”（Calibrated Anatomical System Technique, CAST）進行設置，使用16臺二百萬像素的Miqus M3動作捕捉攝像機（Qualisys，瑞典）獲取三維人體運動學數(shù)據。 此外，實驗中還布置了測力板、感測椅、握力計等設備用于記錄下肢任務中的三維地面反作用力、坐位壓力、握力等數(shù)據；研究團隊使用Qualisys Track Manager（QTM）v2019作為整合軟件界面，實時便捷地記錄運動學數(shù)據。同時，QTM與外部設備（如測力板及傳感器設備）進行了實時同步，并對缺失數(shù)據進行補插，確保不同類型數(shù)據能夠同步采集。
 

 
圖5. 動作捕捉標記點位置

數(shù)據文件說明
數(shù)據最初以.qtm（Qualisys 的專有文件格式）保存，隨后轉換為c3d格式以便共享。c3d 格式被廣泛支持于多種運動捕捉系統(tǒng)（如 Qualisys、Vicon）、分析軟件（如 Visual3D）以及常見的編程語言庫（如 Python、R語言、MATLAB）。文章中收錄所有試驗數(shù)據目前可在南洋理工大學數(shù)據倉庫（Dataverse）獲取。

每位受試者數(shù)據均在數(shù)據庫中有文件夾，文件夾中包含該受試者執(zhí)行上下肢任務及靜態(tài)姿勢的c3d數(shù)據文件。文件夾命名為“SNxxx”，其中“xxx”為代表參與者編號的三位整數(shù)（如 SN001）。每個文件采用系統(tǒng)命名規(guī)則：“SNxxx_<文件編號><任務名稱縮寫><身體側別><錄制次數(shù)>”。例如，文件名“SN001_0028_towel_R02”表示參與者 SN001 在第二次記錄中使用右手進行“折疊毛巾”任務的數(shù)據文件。

研究的c3d 文件中均包含多組數(shù)據，分別存儲于不同數(shù)據組中：
•Video Data組 包含標記點軌跡數(shù)據；
•Analog Data組 包含傳感器數(shù)據（詳見原文表4列出的傳感器清單）和力信號數(shù)據（詳見原文表5的力信號說明）；
重要參數(shù)也分別保存在相應的組下（如 POINT、ANALOG、FORCE_PLATFORM）。例如，POINT:RATE 指的是運動捕捉中使用的采樣率。

技術驗證
由于該文屬于數(shù)據描述文章，數(shù)據的可靠性、準確性成為了研究團隊關注的事項。研究過程中，所有標記點均由接受過臨床醫(yī)師培訓的研究人員進行放置。此外，為了評估數(shù)據的質量，研究團隊進一步驗證了標記點位置與步態(tài)運動學數(shù)據的可靠性與可重復性。
研究團隊首先驗證在一項獨立試驗中評估了標記點位置的可靠性，以確保數(shù)據采集程序具有良好的可重復性。該試驗由兩名測試者按交替順序在同一受試者身上進行兩次解剖標記點的放置，以此評估受試者間（inter-tester）與受試者內（intra-tester）的可靠性。通過計算關節(jié)角度的平均差值以及采用線性擬合法（Linear Fit Method）得到的決定系數(shù) R2 來評估可靠性。受試者間的可靠性評估是通過比較兩位測試者次標記放置后得到的步態(tài)運動學數(shù)據進行的。
由于已有許多關于10米步行測試的運動學研究，研究團隊選擇了下肢任務中的10米步行測試中提取了3-4次記錄的10個步態(tài)周期數(shù)據，用于分析步態(tài)運動學的可靠性。研究團隊采集了腳后跟著地（heel strike）、足趾離地（toe-off）、屈曲角和伸展角 時的下肢關節(jié)角度的平均差值作為評估指標，與先前研究的最小可檢測變化（Minimal Detectable Changes, MDC）進行了對比，并發(fā)現(xiàn)本研究中所有關節(jié)角度的平均差值均小于該文獻中報告的MDC。此外，所有R2值均大于或等于先前研究所報告的95%置信區(qū)間下界值（踝：0.86，膝：0.96，髖：0.98），進一步表明本研究的數(shù)據采集具有高度的可靠性和可重復性。

討論與展望 
盡管該研究并未包括深入的分析或新的科學結論。但該研究為上下肢運動學數(shù)據的采集提供了高質量的范式，可作為未來研究運動學數(shù)據采集的優(yōu)質參考依據。研究團隊還將該研究采集的數(shù)據全面詳細地保存于公開數(shù)據中，便于相關研究人員進行獲取、分析。
然而，截止該文發(fā)表時，該數(shù)據庫尚未完成大樣本數(shù)據收集，未來仍需擴大樣本量，彌補東方人群上下肢運動學數(shù)據庫的缺失。

原文鏈接
Liang P, Kwong WH, Sidarta A, Yap CK, Tan WK, Lim LS, Chan PY, Kuah CW, Wee SK, Chua K, Quek C. An Asian-centric human movement database capturing activities of daily living. Scientific data. 2020 Sep 8;7(1):290.
 

研究團隊介紹
該研究由多學科團隊合作完成，團隊包括來自新加坡南洋理工大學新加坡康復機構（Rehabilitation Research institute of Singapore, Nanyang Technological University）、新加坡Tan Tock Seng醫(yī)院（Tan Tock Seng Hospital）以及南洋理工大學機械與航空航天工程學院（School of Mechanical & Aerospace engineering, Nanyang Technological University）的研究人員。
 
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