利用运动捕捉技术对物体抓取任务进行三维运动学表征

摘要

本方案介绍了一种标准化的全身运动捕捉方法，用于评估物体拾取任务，阐明在此常见的功能性活动中，如何对不同的运动策略和代偿模式进行定量表征。

摘要

拾取物体任务是一项基本的日常生活活动，它在一个生态有效的单一动作中整合了躯干、下肢和上肢的协调性、平衡能力以及视觉运动控制。尽管该任务具有重要意义，但目前仍缺乏使用全身运动捕捉技术对拾取物体策略进行定量评估的标准化方案。本实验方案旨在展示一种利用全身三维运动捕捉技术记录和分析拾取物体任务的标准化方法，并说明如何识别和分类不同的运动策略。本方案详细描述了受试者准备、完整的标记点放置、任务执行过程以及典型的运动学分析方法。共30名受试者完成了拾取物体任务，期间采集了14项运动学变量。运动策略被分为以蹲举为主、以铰链动作为主以及混合型三种模式，代表了连续运动策略谱系中的典型及中间类型。代表性结果表明，不同策略组在关节运动学方面存在明显差异，尤其体现在膝关节和踝关节，同时躯干运动也起到重要作用。优势手与非优势手条件之间的差异进一步说明了该任务对代偿性运动适应的敏感性。本方案为评估功能性运动中的拾取物体策略及全身协调性提供了一个实用且可重复的研究框架。

引言

对人体运动的评估是肌肉骨骼系统和功能健康临床及科研评价的核心¹。传统上，运动评估主要依赖视觉观察，尽管在临床上具有价值，但其本质上具有主观性，易受评估者经验影响，且难以持续捕捉细微的协调模式。动作捕捉技术，包括基于标记和无标记系统，使得对全身运动进行详细且定量的分析成为可能，并且其可及性正不断提高^2,3,4,5。

在将这些工具应用于临床和科研环境时，可用空间、评估时间以及任务执行的便捷性等实际限制成为重要的考虑因素。因此，那些耗时短、准备简单且能提供丰富运动协调信息的功能性任务显得尤为宝贵。在此背景下，物体拾取任务是一种简单且高效的动作，能够反映整体身体功能的整合状态。该任务是Berg平衡量表及相关客观平衡评估指标中的标准项目^6,7,8。

在日常生活中，从地面拾取物体是一项基本活动，需要躯干、下肢和上肢的协调控制，同时结合平衡能力与视觉运动整合。该动作在一个连续的动作过程中融合了前屈、受控下降、伸手抓握、物体操作以及恢复直立姿势，对腰椎和下肢主要关节施加了显著的力学负荷，同时涉及上肢功能与姿势控制⁹。

拾取策略长期以来一直是职业健康与人体工程学的核心内容，构成了弯腰和手动搬运训练的基础，并通过促成和适应性机制与肌肉骨骼健康（尤其是下背痛）密切相关¹⁰。此外，在 Berg 平衡量表及相关客观平衡评估项目中，拾取物体任务被证明在区分老年跌倒者与非跌倒者方面具有最强的辨别能力¹¹。然而，尽管该任务与日常功能密切相关，但其评估通常以定性方式进行，或被嵌入综合性功能测试中，限制了其在不同研究间的可重复性和定量解读¹²。

全身运动捕捉技术能够对功能任务中的协调性节段运动进行详细表征，从而可以客观描述而非推断运动策略¹³。目前，利用全身运动学数据来采集和分类拾取物体运动策略的标准化方案仍然有限。本文展示了一种采用全身运动捕捉技术的标准化物体拾取任务，并说明如何基于全身运动学特征识别和分类不同的运动策略。

尽管该任务具有广泛的应用前景，但本研究的重点是演示实验方案并展示典型的运动策略，而非评估临床结果。此外，我们展示了执行该任务时的全身标记点放置方法，为研究人员和临床医生在实施基于标记点的金标准运动捕捉技术以进行全身功能性运动分析时提供实用参考。采用配备完整反射标记点组的基于标记点的全身三维运动捕捉系统来记录运动学数据(图1)。

方案

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的批准，并按照1964年《赫尔辛基宣言》或同等伦理标准中规定的伦理要求进行。所有参与者在参与研究前均签署了书面知情同意书。

1. 受试者准备

注意：该任务要求参与者以舒适的速度从地面拾起一个标准化物体，恢复站立姿势，然后将物体递出，具体步骤如第7节所述。

1. 要求受试者穿着背心和轻便短裤，以便准确放置和观察反光标记点(图2A)。
2. 确保受试者赤脚。
3. 指导受试者取下反光饰品，例如手表。
4. 根据运动捕捉系统的要求记录受试者的人体测量数据（如身高、体重），并记录利手。
   注意：对于有隐私顾虑的受试者，可使用全身运动捕捉服代替背心和短裤。

2. 受试者筛选与安全检查

1. 指导受试者以自己感到舒适的自选速度，从检查者处向前行走一段短距离 (图2B)。
2. 要求受试者转身，以相同的速度走回检查者处 (图2C)。
3. 在受试者往返行走过程中进行观察，确认其能够行走、转身并保持平衡，且无需他人协助。
4. 要求受试者依次完成以下动作：仰头伸展颈部、低头屈曲颈部、向左右两侧旋转头部，并向两侧倾斜头部 (图2D)。
5. 要求受试者依次完成以下动作：躯干前屈、躯干后伸、躯干向左右两侧旋转，以及向两侧侧弯 (图2E)。
6. 观察受试者是否能够遵从指令，并顺利完成所有动作，且无不适感或明显活动受限。
7. 若观察到任何活动受限或动作困难，应在继续下一步前予以记录。
8. 当受试者能够舒适且安全地完成所有动作后，指导其保持站立姿势，以便进行后续的标记点放置。
   注： 此简要筛查旨在确认受试者的安全性、遵从指令的能力，并在任务执行前记录任何明显的活动限制。本阶段不采集运动捕捉数据，且该筛查并非用于诊断性评估或作为结局指标。

3. 全身标记点放置

1. 指导受试者背对检查者。
2. 确保受试者以放松、直立的姿势站立，双臂自然下垂于身体两侧。
   注意：共在解剖标志点和10个节段簇上放置了50个反光标记点，以采集全身运动学数据。
3. 触诊后方解剖标志，并依次将磁性基座放置于T4、T8和T10棘突，左侧和右侧髂后上棘（PSIS），以及髂嵴后表面，位置约在PSIS上方外侧2-3英寸处 (图3A).
4. 在后部磁性基座定位后，用胶带将其固定 (图3B).
5. 在继续操作前，目视确认中线对齐、双侧对称以及受试者的舒适度。
6. 要求受试者直立站立，转身面向检查者。
7. 触诊左右两侧髂前上棘（ASIS），并在两侧放置磁性底座。
8. 触诊剑突，并将磁性底座置于该解剖标志上方。
9. 用胶带固定前部磁性底座。
10. 要求受试者重新盖上盖子，并恢复直立站姿。
11. 通过衣物触诊先前放置的磁性基座，并依次将反射标记物贴附到磁性基座上 (图3C).
12. 确保所有反光标记牢固地安装在相应的磁性底座上，并保持可见。
13. 要求受试者背向检查者，并向前屈曲颈部。
14. 触诊第七颈椎（C7），并在该解剖标志处放置反光标记 (图4A).
15. 要求受试者恢复至头部中立位置，并转身面向检查者。
16. 触诊胸骨，并在此解剖标志处放置一个反光标记。
17. 触诊左右肩峰突起，并在两侧放置反光标记 (图4B).
18. 让受试者舒适地坐下，并将右手掌放在左膝上。
19. 触诊右侧肱骨的内上髁和外上髁，并在两个解剖标志处放置反光标记。
20. 重复上述步骤处理左侧肘部 (图4C).
21. 要求受试者将双手自然放在大腿上。
22. 触诊桡骨和尺骨茎突，并在双侧放置反光标记 (图 4D).
23. 触诊手部的头状骨，并在每只手的该解剖标志处放置反光标记。
24. 在拇指指甲和中指指甲上各放置一个反光标记 每只手的指甲 (图 5A、B).
25. 让受试者舒适地坐好，触诊右膝的内侧和外侧股骨髁，并在这两个解剖标志点上放置反光标记 (图5C).
26. 对左膝重复上述步骤。
27. 触诊右侧踝关节的内踝和外踝，并在两个解剖标志处放置反光标记 (图 5D).
28. 对左踝重复上述步骤。
29. 触诊右足第一、第二和第五跖骨头，并在每个解剖标志点处放置反光标记。
30. 触诊右足中间楔骨并放置反光标记。
31. 触诊右足跟结节并放置反光标记。
32. 重复步骤 29–31 左脚完成足部标记的放置 (图6A).
33. 在前臂、上臂、手、大腿和小腿（腿）节段的双侧附着标记簇 (图6B-D).
34. 使用绑带或胶带将每个簇牢固固定。
35. 要求受试者面向检查者站立，并目视正前方。
36. 在额骨两侧、眉毛上方放置反光标记。
37. 在双侧颞骨上放置反射标记 (图7A).
38. 目视检查所有标记点和聚类，以确认其位置正确、对称且可见。
39. 用胶带固定所有标记物底座，以防止在任务执行过程中发生移位或脱落。
40. 对于所有直接放置在皮肤上（无磁性底座）的标记物以及置于皮肤上的标记簇，应使用可擦洗的皮肤标记笔勾画出相应位置，以记录放置位置，并在需要时便于一致地重新定位 (图7B).
41. 检查站立姿势期间是否存在标记物松动、簇移动或遮挡。
42. 根据需要纠正任何位置错误或不牢固的连接。
43. 若未发现任何问题，则继续执行物体抓取任务。
    注意：上述标记点的放置方式反映了本实验室在进行全身运动学捕捉物体拾取任务时所采用的工作流程。尽管不同实验室可能使用不同的标记点组合，但解剖学标志点的识别、放置的一致性及验证原则仍然至关重要。

4. 动作捕捉系统设置

1. 将动作捕捉相机布置在捕捉区域周围，确保在前屈、与物体交互以及返回站立姿势期间能够完整观测全身。
2. 定义足够大的捕捉区域，以容纳完整的拾取动作，避免遮挡。
3. 根据制造商的指导说明校准动作捕捉系统，建立全局坐标系。
4. 确认所有相机均能清晰检测到反光标记，并确保捕捉区域内不存在意外的反光物体。
   注意：该系统设置通常由其他工作人员在受试者贴标记之前或同时完成。充分覆盖下肢、躯干和上肢对于完整捕捉拾取任务的运动序列至关重要。

5. 数据采集

1. 在指示参与者开始动作之前，先启动运动捕捉记录。
2. 只有在参与者完成任务后，才停止记录。
3. 回放记录，确保所有标记点均完整出现在记录中，然后再进行下一次记录。
4. 根据所需次数重复该操作。
   注意： 持续记录可完整捕捉任务的各个阶段，避免在运动过程中启停记录所导致的分段错误。

6. 静态试验

1. 要求受试者在捕捉范围内直立站立。
2. 指导受试者将双臂从身体两侧外展至约45°，肘关节完全伸展，手掌朝前(图8A)。
3. 要求受试者保持静止2秒，期间由检查者大声计数“一千、两千”。
4. 指导受试者进一步将双臂外展至约90°，肘关节保持伸展，手掌朝下(图8B)。
5. 要求受试者保持静止2秒，期间由检查者大声计数“一千、两千”。
6. 指导受试者将双臂放回身体两侧，保持放松的自然站立姿势(图8C)。
   注：静态校准试验用于建立节段坐标系、优化上肢关节定义，并在执行动态任务前确认标记点的可见性。

7. 物体抓取任务

1. 在捕捉范围内的预设位置的地面上放置一个标准化物体。
2. 要求受试者以舒适、自主选择的姿势直立站立，面向该物体 (图9A)。
3. 向受试者提供以下指令：“请以舒适的节奏从地面上拾起该物体，恢复直立姿势，并将物体递出。”
4. 实验人员以舒适的方式坐在或跪在地面上，在每次试验之间取回并重新放置物体，确保物体位置一致。
5. 如有需要，允许受试者进行一次熟悉性试验。
6. 指导受试者用一只手完成三次试验 (图9B, C)。
7. 指导受试者用另一只手重复该任务三次 (图9D)。
8. 根据需要在试验之间安排短暂休息，以尽量减少疲劳。
   注意： 不提供关于运动策略的任何指令，以允许受试者在拾物行为中表现出自然的个体差异。尽管本方案侧重于运动学分析，但如果需要动力学数据，也可在测力台上进行该任务。在此类情况下，可指示受试者站在与测力台对齐的预设区域内，每只脚分别置于一块测力台上。

8. 数据清洗与标注 & 后处理

1. 根据梁等人¹³的方法，使用 Qualisys Track Manager (QTM) 软件对标记点进行标注。
2. 使用轨迹编辑功能，对静态文件和运动文件中缺失的标记点数据进行插值，确保所有标记点数据完整率达到 100%。
3. 使用自动标记点识别（Automatic Identification of Markers, AIM）功能生成模型，以辅助后续试验的标记点标注。
4. 将清理后的数据导出为 .c3d 文件 (图 10)。
5. 将 .c3d 文件导入 Visual 3D (V3D) Professional 软件。
6. 将运动文件与相应的标定（静态）文件进行匹配。
7. 对所有原始标记点数据应用 Butterworth 低通滤波器（6 Hz）。
8. 应用模型文件 (补充文件 1)，对静态文件及已匹配的运动文件实施混合模型¹⁴。
9. 使用“基于模型的数据计算”（Compute Model Based Data）功能，计算所需的关节角度。
   注：模型文件作为 补充文件 1 提供，以便读者复现我们的模型。使用该模型时，需将文件扩展名从“*.txt”更改为“*.mdh”。数据标注、模型创建、滤波及关节角度计算的具体步骤可能因所使用的动作捕捉与生物力学分析软件而有所不同。

9. 运动阶段的定义

1. 使用在 V3D 中自定义开发的分析流程，将每次实验的六个重复过程分割为三个不同阶段：1）下降阶段，2）上升阶段，3）物体交接阶段 (表 1) (图 11)。
2. 通过评估手腕标记点的运动轨迹来确定物体的右侧与左侧抓取动作，并将其整合至自定义开发的分析流程中 (图 12A, B)。
3. 在同一分析流程中，利用先前识别出的下降和上升事件，导出矢状面躯干、髋关节、膝关节和踝关节的最大关节角度，并根据身体侧别（左侧 vs 右侧；例如左侧髋关节屈曲、右侧髋关节屈曲）以及抓取任务中优势手与非优势手进行结果分类。
   注意：建议使用标记点位移和关节运动学参数作为划分不同阶段的信号。鉴于任务执行过程中存在运动差异，推荐选择位移较大的信号以克服噪声干扰。

10. 抓取策略的分类

1. 分析下降阶段躯干和下肢的运动学特征。
2. 根据躯干屈曲与下肢关节运动的相对贡献，将拾物策略分为以下类别：
   1. 蹲举主导型 (图13A)
   2. 铰链主导型 (图13B)
   3. 混合型 (图13C)
      注： 尽管拾物任务有可能支持对多种生物力学、神经运动及协调相关结果的分析，本方案重点在于演示如何根据躯干和下肢的运动模式识别并分类拾物策略，从而提供一个正常参考标准。

结果

共有30名参与者完成了物体拾取任务，在此期间采集了14个运动学变量。根据连续性运动策略中表现出的不同及中间模式，参与者被分为三组策略组，分别代表以深蹲为主（第1组）、以屈髋为主（第2组）和混合策略（第3组）。各组在年龄、性别分布、身高或体重方面均未观察到统计学上的显著差异（表2）。所有参与者均为右利手。

物体拾取任务中各组关节运动学的平均值已汇总于表格中（表3）。在使用优势手和非优势手的条件下，组间差异在膝关节和踝关节处最为显著。各组之间的膝关节屈曲角度差异具有统计学意义（所有p < 0.001），且效应量较大。同样，踝关节运动学在不同条件下也表现出显著的组间差异（所有p < 0.001），且效应量较大。在优势手和非优势手条件下，躯干屈曲在各组之间均存在显著差异（分别为p = 0.008 和 p = 0.024），效应量中等。相比之下，在优势手或非优势手条件下，髋关节运动学在各组之间均无显著差异。这些结果表明，预定义的策略类别能...

讨论

本方案展示了一种利用全身三维运动捕捉技术记录和分析物体抓取任务的标准化方法，并说明了如何对不同的运动策略进行定量表征。受试者经过有目的的选择和分组，以代表样本中观察到的典型及中间型运动策略模式。通过关节运动学的视觉检查发现，膝关节屈曲幅度是主要的区分特征，中间情况则表现出一定程度的重叠。因此，这些策略被解释为蹲举主导型、铰链主导型和混合型，反映了一种连续的运动方式谱系，而非离散的生物力学类别¹⁵。

在对这些策略分组进行分析时，观察到关节运动学存在明显差异，其中膝关节和踝关节的差异最为显著，躯干运动也产生了额外影响。在使用非优势手时观察到的左膝屈曲和踝关节背屈增加，可能代表一种与次要任务相关的适应性调整，反映出肢体间协调性降低以及下肢屈曲的代偿性增加。总体而言，这些发现表明，拾取物体的策略是由整个动力链中运动的协调性再分配所决定的，而非由单个关节的独立行为所决定。

物体拾取任务的一个显著特征是存在多条代偿通路¹⁶。即使在没有明显神经或...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
抓取任务用盒子	N/A	N/A	70mm x 70mm x 70mm (Lx W x H) 使用聚乳酸（PLA）耗材（eSUN；深圳易生工业有限公司，中国）进行3D打印。
集群标记	Qualisys, AB	· 160146 上半身 · 160145 下半身 · 160149 SuperWrap 集群用	集群包括两个上半身集群（上臂）和四个下半身集群（大腿和小腿各两个）。
自定义集群标记	N/A	N/A	用于追踪手腕（RFA, LFA）和手部（RHMC, LHMC）的自定义设计集群标记，使用聚乳酸（PLA）耗材（eSUN；深圳易生工业有限公司，中国）进行3D打印。
计算机工作站	通用	NA	Intel Core i9 处理器，32 GB 内存，10 TB 硬盘，NVIDIA RTX2080
双面粘性皮肤胶带	Qualisys, AB	160188 双面粘性胶带	用于将标记底座固定在皮肤上
测力台	Kistler	型号 9260AA6	两个测力板（600 × 500 x 50 mm）嵌入地面下方，每只脚一个。
低致敏性粘性皮肤胶带	3M	Micropore
标记底座	Optitrack	M4 标记底座
运动捕捉系统	Qualisys, AB	Miqus Video Aqus A12	x2，全高清 / 2 MP，分辨率 1920 × 1080 x12，12 MP 300fps，分辨率 4096 × 3072，视场角 54 × 42 °（电动）
钕磁铁	通用	N/A	直径 15mm，厚度 1mm
Qualisys 轨迹管理器（QTM）	Qualisys, AB	版本 2019	该软件用于记录实验过程中的运动数据并进行数据后处理。
反光标记点	Optitrack	12.7 mm (1/2) M4 标记点
Visual3D	HAS-Motion	版本 2021	该软件用于进行生物力学建模并生成相关关节角度