文献解读：一项数据描述研究之东方人群日常生活的运动数据库
2025-06-17 来源:本站 点击次数:58
东方人群日常生活的运动数据库
一项数据描述研究
引言：什么是技能的天花板效应？
欣赏舞者的曼妙舞姿时，你是否惊叹于舞者身体的灵动？观看杂技演员表演惊险特技时，你又是否为表演者超凡的身体控制力而赞叹？人体的运动能力复杂多样，不同个体、不同关节的灵活性千差万别。正是基于对关节角度等关键运动学参数的深入分析，才有了符合人体结构的各类工具、家具、生活用品。因此，科学家们致力于构建全面的人体运动学数据库，服务于疾病诊断、工具设计优化等诸多领域。然而，现有的人体数据库主要在西方人群中捕捉人体日常生活活动和运动表现。
为了弥补运动学数据库中东方人群数据的空白，新加坡南洋理工大学新加坡康复研究机构与机械与航空航天工程学院联合探究了东方人群日常生活与运动中的表现，该研究通过动作捕捉系统、力台等设备实时记录10名东方人进行12项不同活动时的关节角度、压力中心等数据。相关研究结果以数据描述文章（Data descriptor article）形式发表在《Scientific data》上，题为“An Asian-centric human movement database capturing activities of daily living”。
实验设计和数据采集
为了得到可靠、严谨、高质量的数据，研究团队对实验参与者进行了严格的筛选，排除了三个月内存在神经系统疾病、手术或医疗状况、严重视觉问题等可能存在影响实验进行的情况的患者。截止文章发表时，研究团队共招募了10名健康受试者。接下来，受试者被要求完成6项上肢任务及6项下肢任务（见图2、图3），包括折叠毛巾，前伸抓握，侧伸抓握，手够到嘴，手够到头部，手够到背部，定时起立行走，转动钥匙，平衡测试，跨过障碍物，上下台阶，10 米行走。这12项任务由专业作业治疗师和物理治疗师选出，任务均为日常生活的代表性任务。研究让团队将这12个任务的顺序采用区组随机化（见图4）方式进行安排，该顺序通过在试验前掷骰子决定，以减少因患者精神和身体疲劳而造成的实验结果偏差。对于上肢任务，受试者每侧肢体重复每个动作6次；对于下肢任务，受试者每侧肢体重复每个动作3次。
图2. 上肢任务
图3. 下肢任务
图4. 实验中使用的随机化模块任务
每位受试者均按照设定的标记点放置反光光学标记（见图5）。所采用的标记点基于改良版的“校准解剖系统技术”（Calibrated Anatomical System Technique, CAST）进行设置，使用16台二百万像素的Miqus M3动作捕捉摄像机（Qualisys，瑞典）获取三维人体运动学数据。 此外，实验中还布置了测力板、感测椅、握力计等设备用于记录下肢任务中的三维地面反作用力、坐位压力、握力等数据；研究团队使用Qualisys Track Manager（QTM）v2019作为整合软件界面，实时便捷地记录运动学数据。同时，QTM与外部设备（如测力板及传感器设备）进行了实时同步，并对缺失数据进行补插，确保不同类型数据能够同步采集。
图5. 动作捕捉标记点位置
数据文件说明
数据最初以.qtm（Qualisys 的专有文件格式）保存，随后转换为c3d格式以便共享。c3d 格式被广泛支持于多种运动捕捉系统（如 Qualisys、Vicon）、分析软件（如 Visual3D）以及常见的编程语言库（如 Python、R语言、MATLAB）。文章中收录所有试验数据目前可在南洋理工大学数据仓库（Dataverse）获取。
每位受试者数据均在数据库中有唯一文件夹，文件夹中包含该受试者执行上下肢任务及静态姿势的c3d数据文件。文件夹命名为“SNxxx”，其中“xxx”为代表参与者编号的三位整数（如 SN001）。每个文件采用系统命名规则：“SNxxx_<文件编号><任务名称缩写><身体侧别><录制次数>”。例如，文件名“SN001_0028_towel_R02”表示参与者 SN001 在第二次记录中使用右手进行“折叠毛巾”任务的数据文件。
研究的c3d 文件中均包含多组数据，分别存储于不同数据组中：
•Video Data组 包含标记点轨迹数据；
•Analog Data组 包含传感器数据（详见原文表4列出的传感器清单）和力信号数据（详见原文表5的力信号说明）；
重要参数也分别保存在相应的组下（如 POINT、ANALOG、FORCE_PLATFORM）。例如，POINT:RATE 指的是运动捕捉中使用的采样率。
技术验证
由于该文属于数据描述文章，数据的可靠性、准确性成为了研究团队最为关注的事项。研究过程中，所有标记点均由接受过临床医师培训的研究人员进行放置。此外，为了评估数据的质量，研究团队进一步验证了标记点位置与步态运动学数据的可靠性与可重复性。
研究团队首先验证在一项独立试验中评估了标记点位置的可靠性，以确保数据采集程序具有良好的可重复性。该试验由两名测试者按交替顺序在同一受试者身上进行两次解剖标记点的放置，以此评估受试者间（inter-tester）与受试者内（intra-tester）的可靠性。通过计算关节角度的绝对平均差值以及采用线性拟合法（Linear Fit Method）得到的决定系数 R² 来评估可靠性。受试者间的可靠性评估是通过比较两位测试者第一次标记放置后得到的步态运动学数据进行的。
由于已有许多关于10米步行测试的运动学研究，研究团队选择了下肢任务中的10米步行测试中提取了3-4次记录的10个步态周期数据，用于分析步态运动学的可靠性。研究团队采集了脚后跟着地（heel strike）、足趾离地（toe-off）、最大屈曲角 和 最大伸展角 时的下肢关节角度的绝对平均差值作为评估指标，与先前研究的最小可检测变化（Minimal Detectable Changes, MDC）进行了对比，并发现本研究中所有关节角度的绝对平均差值均小于该文献中报告的MDC。此外，所有R²值均大于或等于先前研究所报告的95%置信区间下界值（踝：0.86，膝：0.96，髋：0.98），进一步表明本研究的数据采集具有高度的可靠性和可重复性。
讨论与展望
尽管该研究并未包括深入的分析或新的科学结论。但该研究为上下肢运动学数据的采集提供了高质量的范式，可作为未来研究运动学数据采集的优质参考依据。研究团队还将该研究采集的数据全面详细地保存于公开数据中，便于相关研究人员进行获取、分析。
然而，截止该文发表时，该数据库尚未完成大样本数据收集，未来仍需扩大样本量，弥补东方人群上下肢运动学数据库的缺失。
原文链接
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.
https://doi.org/10.1038/s41597-020-00627-7
研究团队介绍
该研究由多学科团队合作完成，团队包括来自新加坡南洋理工大学新加坡康复机构（Rehabilitation Research institute of Singapore, Nanyang Technological University）、新加坡Tan Tock Seng医院（Tan Tock Seng Hospital）以及南洋理工大学机械与航空航天工程学院（School of Mechanical & Aerospace engineering, Nanyang Technological University）的研究人员。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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一项数据描述研究
引言：什么是技能的天花板效应？
欣赏舞者的曼妙舞姿时，你是否惊叹于舞者身体的灵动？观看杂技演员表演惊险特技时，你又是否为表演者超凡的身体控制力而赞叹？人体的运动能力复杂多样，不同个体、不同关节的灵活性千差万别。正是基于对关节角度等关键运动学参数的深入分析，才有了符合人体结构的各类工具、家具、生活用品。因此，科学家们致力于构建全面的人体运动学数据库，服务于疾病诊断、工具设计优化等诸多领域。然而，现有的人体数据库主要在西方人群中捕捉人体日常生活活动和运动表现。
为了弥补运动学数据库中东方人群数据的空白，新加坡南洋理工大学新加坡康复研究机构与机械与航空航天工程学院联合探究了东方人群日常生活与运动中的表现，该研究通过动作捕捉系统、力台等设备实时记录10名东方人进行12项不同活动时的关节角度、压力中心等数据。相关研究结果以数据描述文章（Data descriptor article）形式发表在《Scientific data》上，题为“An Asian-centric human movement database capturing activities of daily living”。
图1. 文章信息
实验设计和数据采集
为了得到可靠、严谨、高质量的数据，研究团队对实验参与者进行了严格的筛选，排除了三个月内存在神经系统疾病、手术或医疗状况、严重视觉问题等可能存在影响实验进行的情况的患者。截止文章发表时，研究团队共招募了10名健康受试者。接下来，受试者被要求完成6项上肢任务及6项下肢任务（见图2、图3），包括折叠毛巾，前伸抓握，侧伸抓握，手够到嘴，手够到头部，手够到背部，定时起立行走，转动钥匙，平衡测试，跨过障碍物，上下台阶，10 米行走。这12项任务由专业作业治疗师和物理治疗师选出，任务均为日常生活的代表性任务。研究让团队将这12个任务的顺序采用区组随机化（见图4）方式进行安排，该顺序通过在试验前掷骰子决定，以减少因患者精神和身体疲劳而造成的实验结果偏差。对于上肢任务，受试者每侧肢体重复每个动作6次；对于下肢任务，受试者每侧肢体重复每个动作3次。
图2. 上肢任务
图3. 下肢任务
图4. 实验中使用的随机化模块任务
每位受试者均按照设定的标记点放置反光光学标记（见图5）。所采用的标记点基于改良版的“校准解剖系统技术”（Calibrated Anatomical System Technique, CAST）进行设置，使用16台二百万像素的Miqus M3动作捕捉摄像机（Qualisys，瑞典）获取三维人体运动学数据。 此外，实验中还布置了测力板、感测椅、握力计等设备用于记录下肢任务中的三维地面反作用力、坐位压力、握力等数据；研究团队使用Qualisys Track Manager（QTM）v2019作为整合软件界面，实时便捷地记录运动学数据。同时，QTM与外部设备（如测力板及传感器设备）进行了实时同步，并对缺失数据进行补插，确保不同类型数据能够同步采集。
图5. 动作捕捉标记点位置
数据文件说明
数据最初以.qtm（Qualisys 的专有文件格式）保存，随后转换为c3d格式以便共享。c3d 格式被广泛支持于多种运动捕捉系统（如 Qualisys、Vicon）、分析软件（如 Visual3D）以及常见的编程语言库（如 Python、R语言、MATLAB）。文章中收录所有试验数据目前可在南洋理工大学数据仓库（Dataverse）获取。
每位受试者数据均在数据库中有唯一文件夹，文件夹中包含该受试者执行上下肢任务及静态姿势的c3d数据文件。文件夹命名为“SNxxx”，其中“xxx”为代表参与者编号的三位整数（如 SN001）。每个文件采用系统命名规则：“SNxxx_<文件编号><任务名称缩写><身体侧别><录制次数>”。例如，文件名“SN001_0028_towel_R02”表示参与者 SN001 在第二次记录中使用右手进行“折叠毛巾”任务的数据文件。
研究的c3d 文件中均包含多组数据，分别存储于不同数据组中：
•Video Data组 包含标记点轨迹数据；
•Analog Data组 包含传感器数据（详见原文表4列出的传感器清单）和力信号数据（详见原文表5的力信号说明）；
重要参数也分别保存在相应的组下（如 POINT、ANALOG、FORCE_PLATFORM）。例如，POINT:RATE 指的是运动捕捉中使用的采样率。
技术验证
由于该文属于数据描述文章，数据的可靠性、准确性成为了研究团队最为关注的事项。研究过程中，所有标记点均由接受过临床医师培训的研究人员进行放置。此外，为了评估数据的质量，研究团队进一步验证了标记点位置与步态运动学数据的可靠性与可重复性。
研究团队首先验证在一项独立试验中评估了标记点位置的可靠性，以确保数据采集程序具有良好的可重复性。该试验由两名测试者按交替顺序在同一受试者身上进行两次解剖标记点的放置，以此评估受试者间（inter-tester）与受试者内（intra-tester）的可靠性。通过计算关节角度的绝对平均差值以及采用线性拟合法（Linear Fit Method）得到的决定系数 R² 来评估可靠性。受试者间的可靠性评估是通过比较两位测试者第一次标记放置后得到的步态运动学数据进行的。
由于已有许多关于10米步行测试的运动学研究，研究团队选择了下肢任务中的10米步行测试中提取了3-4次记录的10个步态周期数据，用于分析步态运动学的可靠性。研究团队采集了脚后跟着地（heel strike）、足趾离地（toe-off）、最大屈曲角 和 最大伸展角 时的下肢关节角度的绝对平均差值作为评估指标，与先前研究的最小可检测变化（Minimal Detectable Changes, MDC）进行了对比，并发现本研究中所有关节角度的绝对平均差值均小于该文献中报告的MDC。此外，所有R²值均大于或等于先前研究所报告的95%置信区间下界值（踝：0.86，膝：0.96，髋：0.98），进一步表明本研究的数据采集具有高度的可靠性和可重复性。
讨论与展望
尽管该研究并未包括深入的分析或新的科学结论。但该研究为上下肢运动学数据的采集提供了高质量的范式，可作为未来研究运动学数据采集的优质参考依据。研究团队还将该研究采集的数据全面详细地保存于公开数据中，便于相关研究人员进行获取、分析。
然而，截止该文发表时，该数据库尚未完成大样本数据收集，未来仍需扩大样本量，弥补东方人群上下肢运动学数据库的缺失。
原文链接
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.
https://doi.org/10.1038/s41597-020-00627-7
研究团队介绍
该研究由多学科团队合作完成，团队包括来自新加坡南洋理工大学新加坡康复机构（Rehabilitation Research institute of Singapore, Nanyang Technological University）、新加坡Tan Tock Seng医院（Tan Tock Seng Hospital）以及南洋理工大学机械与航空航天工程学院（School of Mechanical & Aerospace engineering, Nanyang Technological University）的研究人员。
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