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利用慣性運動捕捉技術估算舉重過程中的脊柱負荷







研究背景

■ 腰痛是最常見的肌肉骨骼疾病（Andersson, 1999)

■ 評估材料搬運過程中的脊柱負荷

  • 2D生物力學模型 (Potvin 1997, Merryweather 2009)

  • 實驗室中的 3D 電腦模擬 ( Bassani等人，2017)

■ 慣性運動捕捉

■ 將運動學與預測的GRF結合起來，以估計脊柱負荷 (Karatsidis等人，2019)



研究目標

評估一個完全使用IMC (慣性運動捕捉)驅動的肌肉骨骼模型的併發有效性。肌肉骨骼模型完全使用IMC驅動和GRF預測，用以估計L4和L5脊柱在各種提舉和轉移任務中承受的力量。


實驗數據

■ 測試人數：9位男性、4位女性

■ 標準的提昇動作 （採用逐漸增加負荷的方式，負荷重量為 5~20 Kg）

■ 運動學

  • Qualisys (42 markers, 120Hz)

  • Xsens MVN Awinda (17 IMU, 60Hz)

■ 動力學

  • AMTI force plates (1200 Hz)





電腦模擬

■ 將IMU資料轉入至 AnyBody系統中

  • 應用感測器，測量身體尺寸和校準

  • 運動圖像來自.bvh文件

  • 虛擬標記（Skals等人，2017）

■ 預測地面反作用力（Fluit等人，2014；Skals等人，2017）。

■ 腳下放置接觸元件進行量測






資料分析與統計

■ 需要研究的參數

  • 軀幹彎曲

  • 右腳和左腳的垂直GRF

  • L4 L5椎間盤的JRFs

  • 力量豎脊肌的力量

■ 統計學比較

  • 類內相關係數

  • 均方根誤差

  • 相對均方根誤差

  • 布蘭德-奧特曼偏差 ((Bland-Altman bias)) 和協議的界限


結果：SYM Vertical GRF



結果： ASYM Vertical GRF



結果：SYM axial compression force



結果：ASYM axial compression force



結果：Axial compression force LOA



結果：SYM anteroposterior shear force



結果：ASYM anteroposterior shear force



結果：SYM mediolateral shear force



結果：ASYM mediolateral shear force



結果：SYM Erector spinae



結果：ASYM and TRA Erector spinae




結果：Thorax-Pelvis orientation



結論

  • 在動態的人工材料搬運任務中，IMC PGRF模型可用於評估人體的肌肉骨骼負荷

  • 與步態研究 (Karatsidis等人, 2019) ，在分析中引入負擔的結果是準確度較低。

  • IMC PGRF模型可在現場跟蹤軸向壓縮力的相對變化

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