東方人群日常生活的運動數(shù)據(jù)庫
一項數(shù)據(jù)描述研究

引言：什么是技能的天花板效應(yīng)？
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(fù)雜多樣，不同個體、不同關(guān)節(jié)的靈活性千差萬別。正是基于對關(guān)節(jié)角度等關(guān)鍵運動學(xué)參數(shù)的深入分析，才有了符合人體結(jié)構(gòu)的各類工具、家具、生活用品。因此，科學(xué)家們致力于構(gòu)建全面的人體運動學(xué)數(shù)據(jù)庫，服務(wù)于疾病診斷、工具設(shè)計優(yōu)化等諸多領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的人體數(shù)據(jù)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(xué)數(shù)據(jù)庫中東方人群數(shù)據(jù)的空白，新加坡南洋理工大學(xué)新加坡康復(fù)研究機構(gòu)與機械與航空航天工程學(xué)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(shè)備實時記錄10名東方人進行12項不同活動時的關(guān)節(jié)角度、壓力中心等數(shù)據(jù)。相關(guān)研究結(jié)果以數(shù)據(jù)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(shè)計和數(shù)據(jù)采集
為了得到可靠、嚴(yán)謹(jǐn)、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，研究團隊對實驗參與者進行了嚴(yán)格的篩選，排除了三個月內(nèi)存在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、手術(shù)或醫(yī)療狀況、嚴(yán)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(wù)及6項下肢任務(wù)（見圖2、圖3），包括折疊毛巾，前伸抓握，側(cè)伸抓握，手夠到嘴，手夠到頭部，手夠到背部，定時起立行走，轉(zhuǎn)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(wù)由專業(yè)作業(yè)治療師師選出，任務(wù)均為日常生活的代表性任務(wù)。研究讓團隊將這12個任務(wù)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(jié)果偏差。對于上肢任務(wù)，受試者每側(cè)肢體重復(fù)每個動作6次；對于下肢任務(wù)，受試者每側(cè)肢體重復(fù)每個動作3次。
    
每位受試者均按照設(shè)定的標(biāo)記點放置反光光學(xué)標(biāo)記（見圖5）。所采用的標(biāo)記點基于改良版的“校準(zhǔn)解剖系統(tǒng)技術(shù)”（Calibrated Anatomical System Technique, CAST）進行設(shè)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(xué)數(shù)據(jù)。 此外，實驗中還布置了測力板、感測椅、握力計等設(shè)備用于記錄下肢任務(wù)中的三維地面反作用力、坐位壓力、握力等數(shù)據(jù)；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(xué)數(shù)據(jù)。同時，QTM與外部設(shè)備（如測力板及傳感器設(shè)備）進行了實時同步，并對缺失數(shù)據(jù)進行補插，確保不同類型數(shù)據(jù)能夠同步采集。
 
數(shù)據(jù)文件說明
數(shù)據(jù)最初以.qtm（Qualisys 的專有文件格式）保存，隨后轉(zhuǎn)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(jù)目前可在南洋理工大學(xué)數(shù)據(jù)倉庫（Dataverse）獲取。

每位受試者數(shù)據(jù)均在數(shù)據(jù)庫中有文件夾，文件夾中包含該受試者執(zhí)行上下肢任務(wù)及靜態(tài)姿勢的c3d數(shù)據(jù)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(wù)名稱縮寫><身體側(cè)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(wù)的數(shù)據(jù)文件。

研究的c3d 文件中均包含多組數(shù)據(jù)，分別存儲于不同數(shù)據(jù)組中：
•Video Data組 包含標(biāo)記點軌跡數(shù)據(jù)；
•Analog Data組 包含傳感器數(shù)據(jù)（詳見原文表4列出的傳感器清單）和力信號數(shù)據(jù)（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(yīng)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(shù)驗證
由于該文屬于數(shù)據(jù)描述文章，數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性成為了研究團隊關(guān)注的事項。研究過程中，所有標(biāo)記點均由接受過臨床醫(yī)師培訓(xùn)的研究人員進行放置。此外，為了評估數(shù)據(jù)的質(zhì)量，研究團隊進一步驗證了標(biāo)記點位置與步態(tài)運動學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性與可重復(fù)性。
研究團隊首先驗證在一項獨立試驗中評估了標(biāo)記點位置的可靠性，以確保數(shù)據(jù)采集程序具有良好的可重復(fù)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(biāo)記點的放置，以此評估受試者間（inter-tester）與受試者內(nèi)（intra-tester）的可靠性。通過計算關(guān)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(biāo)記放置后得到的步態(tài)運動學(xué)數(shù)據(jù)進行的。
由于已有許多關(guān)于10米步行測試的運動學(xué)研究，研究團隊選擇了下肢任務(wù)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(jù)，用于分析步態(tài)運動學(xué)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(guān)節(jié)角度的平均差值作為評估指標(biāo)，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(guān)節(jié)角度的平均差值均小于該文獻(xiàn)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(jù)采集具有高度的可靠性和可重復(fù)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(xué)結(jié)論。但該研究為上下肢運動學(xué)數(shù)據(jù)的采集提供了高質(zhì)量的范式，可作為未來研究運動學(xué)數(shù)據(jù)采集的優(yōu)質(zhì)參考依據(jù)。研究團隊還將該研究采集的數(shù)據(jù)全面詳細(xì)地保存于公開數(shù)據(jù)中，便于相關(guān)研究人員進行獲取、分析。
然而，截止該文發(fā)表時，該數(shù)據(jù)庫尚未完成大樣本數(shù)據(jù)收集，未來仍需擴大樣本量，彌補東方人群上下肢運動學(xué)數(shù)據(jù)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(xué)科團隊合作完成，團隊包括來自新加坡南洋理工大學(xué)新加坡康復(fù)機構(gòu)（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(xué)機械與航空航天工程學(xué)院（School of Mechanical & Aerospace engineering, Nanyang Technological University）的研究人員。
 
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。

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