基于运动捕捉技术分析髋关节各自由度的运动能力

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3784

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (12): 1815-1819.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3784

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

基于运动捕捉技术分析髋关节各自由度的运动能力

张海峰，赵灿，刘美晓，宋翠荣，庞胤

沧州医学高等专科学校，河北省沧州市 061000

收稿日期:2020-05-11 修回日期:2020-05-15 接受日期:2020-06-17 出版日期:2021-04-28 发布日期:2020-12-25
通讯作者: 庞胤，硕士，医师，沧州医学高等专科学校，河北省沧州市 061000
作者简介:张海峰，男，1981年生，2014年河北医科大学毕业，硕士，副教授，主要从事人体三维重建、运动生物力学与康复研究。宋翠荣，女，1977年生，2007年天津医科大学毕业，硕士，副主任医师，讲师，主要从事损伤与修复研究。
基金资助:
河北省卫健委指导项目，项目负责人：张海峰

Analysis of various degrees of freedom of the hip movement based on motion capture technology

Zhang Haifeng, Zhao Can, Liu Meixiao, Song Cuirong, Pang Yin

Cangzhou Medical College, Cangzhou 061000, Hebei Province, China

Received:2020-05-11 Revised:2020-05-15 Accepted:2020-06-17 Online:2021-04-28 Published:2020-12-25
Contact: Pang Yin, Master, Physician, Cangzhou Medical College, Cangzhou 061000, Hebei Province, China
About author:Zhang Haifeng, Master, Associate professor, Cangzhou Medical College, Cangzhou 061000, Hebei Province, China Song Cuirong, Master, Associate chief physician, Lecturer, Cangzhou Medical College, Cangzhou 061000, Hebei Province, China Zhang Haifeng and Song Cuirong contributed equally to this paper.
Supported by:
the Hebei Provincial Health Commission Guidance Project (to ZHF)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
运动捕捉技术：应用高速摄像机实时捕捉记录人体运动关键点的空间坐标变化轨迹，通过处理软件建立运动模型，对动作进行时空参数和运动学参数分析，探索运动规律。
各自由度的运动能力：自由度为质点在空间运动的方向，髋关节可以围绕冠状轴、矢状轴、垂直轴做前屈与后伸、外展与内收、旋内与旋外运动，具有3个自由度。运动能力指运动所具备的能力，包括运动幅度、速度、角速度、加速度等，分析运动能力，可为评估关节功能、科学锻炼、制定康复方案提供理论依据。

背景：髋关节结构复杂，在支持体质量、日常活动中起着重要的作用，尚无客观评估其运动能力的方法。
目的：分析髋关节在围绕矢状轴、冠状轴、垂直轴运动过程的时空参数，总结运动参数变化规律。
方法：选择30名受试者，通过三维动作捕捉系统，捕捉受试者髋关节前屈、后伸、外展、内收、旋内、旋外及复位的运动轨迹，计算分析不同自由度运动中的最大幅度与角度变化。
结果与结论：①通过建立髋关节运动模型，获得髋关节在矢状面、冠状面、水平面的活动范围，计算出各平面的运动极值；②导出不同平面运动中角度-时间的变化曲线，总结出髋关节运动的变化规律：髋关节在矢状面上的屈伸范围远大于冠状面的内收外展及水平面上的旋内、旋外活动；髋关节在前屈、后伸、外展、旋外运动的主动阶段角加速度较大，复位运动中加速度较小；③提示基于运动捕捉技术建立运动学模型，分析运动学数据，可为髋关节功能的准确评估、运动损伤的预防及康复、体育训练、生物力学分析等研究提供一定借鉴。

https://orcid.org/0000-0001-9330-3497 (张海峰)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨, 髋关节, 运动捕捉, 运动模型, 自由度, 运动能力

Abstract: BACKGROUND: The hip joint is a complex structure, and plays an important role in supporting weight and daily activities, and there is no objective way to assess its athletic ability.
OBJECTIVE: To analyze the time and space parameters of hip joint in the process of motion around sagittal axis, coronal axis and vertical axis, and to summarize the variation rules of motion parameters.
METHODS: Thirty subjects were selected to capture the movement track of hip forward flexion, backward extension, abduction, adduction, rotation in, rotation out and reduction through three-dimensional motion capture system, calculate and analyze the maximum amplitude and angle changes in different degrees of freedom movement.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) By establishing the motion model of the hip joint to obtain the range of motion of the hip in the sagittal plane, coronal plane and horizontal plane. The extreme values of the motion of each plane were calculated. (2) The angle-time change curve of the motion of the hip in different planes was exported. The change rule of the motion of the hip was summarized: the flexion and extension range of the hip on sagittal plane was much larger than the adduction and abduction of the coronal plane and inward and outward rotation on a horizontal plane. The angular acceleration of the hip joint was larger in the active stages of forward flexion, backward extension, abduction and outward rotation, and the acceleration was smaller in the resetting movement. (3) The establishment of kinematic model based on motion capture technology and the analysis of kinematic data can provide some references for the accurate assessment of hip function, and the prevention or rehabilitation of injuries, sports training, biomechanical analysis and other studies.

Key words: bone, hip joint, motion capture, motion model, degree of freedom, athletic ability

中图分类号:

张海峰, 赵灿, 刘美晓, 宋翠荣, 庞胤. 基于运动捕捉技术分析髋关节各自由度的运动能力[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(12): 1815-1819.

Zhang Haifeng, Zhao Can, Liu Meixiao, Song Cuirong, Pang Yin. Analysis of various degrees of freedom of the hip movement based on motion capture technology[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(12): 1815-1819.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

随着经济水平的不断提高，人们健康意识逐渐增强，全民健身理念迅猛发展。但是，人们在运动健身过程中存在一定的盲动性与盲从性[1]，缺乏针对性与实效性，锻炼效果不理想，甚至导致慢性损伤。
运动学以研究质点或模型的运动为基础，从几何角度描述和分析物体位置随时间的变化规律，涉及到物理学、数学等多学科的理论，是一门综合性学科[2-3]。运动学参数包括运动轨迹、路径、位移、速度、加速度、角速度、角加速度等，分析运动学参数，对评估关节功能、指导运动方式、损伤预防、康复训练、体能锻炼具有重要意义。
近年来，随三维动作捕捉技术的发展，国内外众多机构、专家、学者相继开展人体运动学方面的研究，国外起步较早，如 KERRIGA 等[4]分析了步行中的运动学参数，SCHUTTE等[5]对脑卒中患者进行了步态测试；国内开展略晚，孙嘉利等[6]阐述了步态分析在临床诊断中的应用；赵辉等[7]分析了步态在膝关节置换术中的影响。其中大部分研究集中于行走、慢跑的步态分析，研究对象多为膝关节、踝关节；而髋关节运动能力是反映人体运动功能的一个重要指标，其活动范围与角度对运动功能评估有着不可替代的地位和作用[8]，然而未见有关髋关节运动能力的相关研究。
此次研究基于三维运动捕捉技术，对30名受试者髋关节不同自由度的运动过程进行实时捕捉，记录髋关节运动轨迹，建立运动模型；定量分析运动幅度、角速度等相关参数，为关节功能评估、康复训练、体育健身提供科学的理论指导。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计运动学测试与分析试验。
1.2 时间及地点于2019年7至11月在沧州医学高等专科学校科技实验中心完成。
1.3 对象选择沧州医学高等专科学校30名男性大一学生作为受试者，提前告知试验目的、方法，并签写知情同意书。受试者要求条件：年龄(20.1±0.5)岁，身高(1.73±0.10) m，体质量(62.4±0.7) kg；身体健康，解剖结构和功能正常，运动能力良好，无任何下肢损伤，24 h内未从事剧烈运动。
1.4 方法
1.4.1 运动捕捉系统采集受试者运动数据的硬件设备为三维红外运动捕捉系统(Vicon Motion Analysis 公司，英国)，配置与参数设定：装配12台红外摄像头，选择7 mm的红外反光Marker 球作为标识点，捕捉频率100 Hz。
1.4.2 粘贴mark 点受试者身穿深色紧身衣裤，在下肢粘贴固定发光标识点，即 Marker 点，选择优势侧肢体髂前上棘、髂后上棘、股骨大转子、股骨内上髁、股骨外上髁、股骨中部内侧面与外侧面、前面与后面，合计9个反光点[9-10]，见图1。

1.4.3 摄像头校正标识点粘贴完毕后，校准摄像头，设置Vicon数据采集软件测量模式、采集区域，根据屏幕显示调整受试者所站位置，使之处于摄像机的捕捉区域。建立空间直角坐标系，以空间原点为基准，左右方向为X轴，前后方向为Y轴，上下方向为Z轴[11-12]。
1.4.4 数据采集试验前关闭门窗，遮挡一切发光的物体，避免外界光线对数据采集的影响。启动三维运动捕捉设备，输入受试者信息、试验时间、采集频率，开始试验。
试验内容：受试者在采集前练习3-5次，听到开始信号后，按照动作要求(选取优势侧下肢，身体直立、最大幅度、最快速度)，髋关节依次做前屈、后伸、内收、外展、旋内、旋外及复位动作；每个动作做20次。Vicon三维运动捕捉系统追踪记录marker点运动轨迹，将受试者髋关节的位置变化转化为空间矢量变量。所有受试者数据均由固定人员实施、记录，以“.c3d”文件存储。
1.4.5 数据处理所用分析软件为Vicon Nexus Workstation(Vicon Motion Analysis公司，英国)，版本为 1.8.5。打开采集的运动数据，检验受试者标识点数、标识点间的连接关系，运动轨迹。运动中固定的标识点至少需要两台摄像机捕捉到，若没有捕捉到，出现标识点的“闪现”或“丢失”现象[13]。标识点丢失即为无效数据，需要进行补点修复，按照运动轨迹，逐帧查找，点击“补间数据”，追踪显示，依次连接，保证运动轨迹的完整。修复完成后，再对运动数据采用低通滤波处理，插值计算，以“TRC 文件”，输出保存，见图2。

此次研究主要从髋关节在各个平面中的最大运动幅度、角度随时间变化过程两方面来分析髋关节的运动能力。
1.4.6 建立下肢运动模型经过对标识点命名，将所采集的运动学信号数据去除噪点、删补轨迹等一系列处理，建立下肢运动模型，在三维窗口展示髋关节的各种运动轨迹；数据栏可以显示运动中每一帧图像的速度、角度。图像采集频率为100 Hz，帧与帧间隔为0.01 s，根据公式：速度=距离/时间，可以计算出角速度。
1.4.7 获得运动学参数髋关节的关节角度为股骨的长轴线与垂直于地面的参考线之间的夹角，前屈角度为正，后伸角度为负；外展角度为正，内收角度为负；旋外角度为正，旋内角度为负[14-16]。
1.5 主要观察指标受试者髋关节在矢状轴、冠状轴、垂直轴上的最大运动幅度与时间，分析计算极值、速度与角速度等运动学数据。
1.6 统计学分析将所有受试者髋关节运动幅度、角度等运动学数据导入SPSS 20.0统计软件分析离散度，选择95%置信区间，计算平均值，以x±s表示，最终获得各自由度髋关节的活动范围及最大幅度(极值)。

讨论

运动能力指个体运动或训练所具有的能力，包括力量、速度、耐力及柔韧性等方面；与身体结构、肌肉、心肺功能密切相关，是个体形态、功能与心理素质多种因素的综合表现。近年来，关节功能障碍“腰腿疼”发病率逐年增高，科研人员对人体下肢的运动能力分析成为一热点[17]。人体下肢关节有髋关节、膝关节和踝关节，髋关节的运动能力表现在围绕各运动轴上的运动幅度和运动速度。然而，人体结构复杂，测量髋关节运动幅度，传统研究方法主观性较强，难以准确评估关节的运动能力；不同机构与学者研究结论差距较大，缺乏权威性[18]。
随计算机技术的发展，兴起了运动捕捉技术，在运动目标的关键位置粘贴标记点，由红外摄像系统实时追踪、记录目标的移动轨迹，通过计算机进行图像解析计算，获得全方位的运动学参数来分析运动能力。与以往分析方法相比，采集数据真实，结果可靠，提高了分析的准确性和科学性，广泛用于体育、医学、军事等领域[19-21]。但是，相关下肢运动能力的研究多集中在步态分析，或上下楼梯，或某一动作，尚未见运动极值的分析[22-24]。此次研究基于运动捕捉技术，实时捕捉、记录髋关节在不同自由度的运动信息，经检测、修补，成功构建了下肢运动模型，客观、准确地计算出了髋关节在矢状面、冠状面、水平面运动中的最大幅度即极值[25]。
2018年《中国人口老龄化发展趋势预测研究报告》表明，到2023年国内老年人口将达到2.7亿；流行病学研究表明，1.42%的老年人患有关节功能障碍。国内养老服务体系尚不健全，如何准确评估老年人肢体运动功能是当前医学界面临的难题[26-28]，此次研究可为客观评价老年人髋关节的运动能力提供一定借鉴。
此外，此次研究绘出髋关节不同运动中的角度-时间曲线，根据斜率，可以计算出瞬时角速度；斜率改变，表明存在角速度的变化，即存在角加速度。由曲线图可见，前屈、后伸、外展、旋外4种运动的开始阶段角加速度较大，复位阶段角加速度较小；旋内运动实施阶段角加速度较小，复位阶段角加速度较大；内收由于运动幅度较小，主动实施与复位大致呈对称状，角加速度大致相等。根据牛顿定理，加速度的产生来源于力[29]，髋关节在不同运动与复位过程中，关节合力在不断变化，应力分布不均衡将导致关节损伤，即下肢运动损伤易发生在应力极值的时刻。临床病例调查表明，人体长期进行剧烈运动，常导致关节损伤，士兵、运动员是关节损伤的高发人群[30]；髋关节运动损伤常发生在超幅度运动，或快速运动过程中；膝关节在屈曲时做强力外翻或内翻、内旋或外旋，半月板上面随股骨髁活动，下面与胫骨平台之间形成旋转摩擦剪力，超过了半月板允许范围，即引起半月板的损伤，符合此次研究角加速度的变化即应力改变与临床损伤的内在联系，可为相关运动生物力学研究的设计提供一定参考。
医学康复是通过日常锻炼或专项运动等方式帮助患者最大程度地恢复运动能力[31-33]。有学者分析了外展不同角度以及不同负荷对髋关节应力分布及应变的报道[34-35]，但此类研究大都是静态或运动中某一体位的力学分析，或模拟体质量负荷，未考虑运动过程中肌肉力的影响，结果有待进一步完善。下一步计划联合测力台与肌电信号采集设备[36-39]，获得受试者的力学信息，导入有限元分析平台，从传统的静态力学分析深入到动态力学研究，分析运动中关节的应力与应变规律；有助于医护人员设计科学的治疗方案，监测人体下肢运动能力，对治疗效果的评价具有重要意义。
人类的体能在不断提高，体育向更快、更高、更强的目标发展，世界纪录不断被刷新又被打破。基于三维动作捕捉技术实时记录运动过程，全面定量地分析运动学参数，与标准动作对比，直观展示动作的不足与自身缺陷[40-42]，从而设计针对性的练习并进行改善，为提高训练效果提供科学指导。
总之，基于运动捕捉技术将运动过程转化为数学模型进行参数分析，可为运动员乃至广大民众的科学训练、全民健身避免运动损伤提供科学依据，进而改善和提高国民体质，有着较高的应用价值与广阔前景，值得更深一步研究和探索。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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