针对桡骨缺失肢体差异人群，利用基于标记的运动捕捉技术追踪前臂残余部分的建议

《Medical Engineering & Physics》：Recommendations for tracking the residual forearm in people with trans-radial limb difference using marker-based motion capture

　　本研究针对TR残肢用户现有国际生物力学协会（ISB）推荐的腕部标记不适用的问题，通过18种新的ulna骨跟踪框架进行实验，优化了不依赖腕部标记的生物力学分析技术。研究发现，采用肘关节内外侧沟标记和不同比例的尺骨远端标记（长残肢62.5%-75%尺骨长度，短残肢25%-50%），能有效降低标记位移误差，运动学分析显示在肘关节屈伸、肩关节外展及前臂旋转时误差均优于ISB标准框架。该方法为后续假肢耦合力学分析提供了新方案，但需进一步验证在TR残肢人群中的适用性。

　　### 研究背景与问题

在上肢假肢的使用中，用户常常报告对假肢套筒与残肢之间的配合不满意，这导致了较差的使用体验和功能表现。假肢套筒的贴合度是影响假肢性能的重要因素之一，然而，当前的评估方法存在局限性。例如，传统的测量方法通常依赖于6自由度（DoF）模型，但这些模型主要用于截肢者在上臂截肢后的情况，而对于截腕（TR）残肢的测量则相对不足。由于截腕残肢的特殊性，通常无法使用手腕骨突作为标记点，而国际生物力学学会（ISB）推荐的标记系统又依赖于这些点，因此不适合TR残肢的使用者。

为了改善这一问题，研究者提出了新的标记系统，旨在独立于手腕骨突的情况下，准确追踪TR残肢的尺骨位置和运动。通过分析不同标记组合在不同动作中的表现，研究者希望找到一种更合适的标记配置，从而提升假肢套筒与残肢之间的配合质量，改善用户的使用体验和功能表现。

### 研究方法

研究者在研究中选取了10名拥有完整上肢的参与者，他们来自英国索尔福德大学的学生和教职员工。每位参与者都给予了书面知情同意，并且所有数据的采集均遵循伦理委员会的批准。这些参与者被要求执行六种不同的动作，每种动作重复九次，以确保数据的可靠性。

在实验中，参与者被要求穿着短袖T恤，并将一侧袖子卷起以露出肩峰，以便固定标记。研究者使用了多种标记，包括尺骨上的OL和U1-U7，以及手腕骨突（US）和桡骨骨突（RS）等，用于定义ISB推荐的标记系统。此外，还固定了肩峰（AC）和尺骨的内外上髁（EM、EL）等标记，用于构建标记系统。为了支持虚拟标记的使用，研究者还在上臂上固定了四个标记（HC1-4）。

实验设备包括一个13个红外相机的Qualysis系统，用于追踪反光标记的位置。系统校准成功与否取决于每个相机的平均追踪残差是否低于1毫米。研究者在实验室环境中进行实验，并且对参与者进行了一系列动作测试，包括肘部屈伸、肩部内收外展以及前臂旋前旋后等。这些动作的选择基于它们在前臂和肘部区域最容易引发软组织伪影（STA）的特点。

为了评估不同的标记系统，研究者采用了一种基于点云的评估方法。对于每个标记系统，研究者计算了尺骨上所有标记点在动态动作中的位移，并与它们的平均位置进行比较。研究者认为，最佳的标记系统是那些能够最小化所有标记点位移的系统。此外，研究者还考虑了不同尺骨长度的情况，以评估标记系统在不同残肢长度下的适用性。

### 研究结果

研究结果表明，使用物理标记的尺骨追踪系统在几乎所有动作中都表现出更小的平均位移值，相较于使用虚拟标记的系统。在前臂旋前旋后动作中，最佳的标记系统是使用物理标记的尺骨内外上髁和尺骨远端的U5或U6点，这些点分别位于尺骨长度的62.5%和75%处。对于较短的残肢，最佳的标记系统是使用物理标记的尺骨内外上髁和尺骨远端的U2点，这些点位于尺骨长度的25%和50%处。

研究还发现，使用虚拟标记的系统在某些动作中表现出更高的位移值，这可能是由于肌肉活动对虚拟标记位置的影响。此外，研究者注意到，标记点的位移值与BMI之间存在一定的相关性，但在其他动作中这种相关性并不显著。因此，研究者认为，BMI可能并不是影响标记点位移的主要因素。

研究者还发现，对于完整的尺骨长度，使用物理标记的系统能够提供更准确的追踪，而使用虚拟标记的系统则在某些情况下表现出更高的位移值。这表明，虽然虚拟标记在某些情况下可以减少STA的影响，但在其他情况下，它们的追踪效果并不理想。

### 研究意义

这项研究为截腕残肢的使用者提供了一种新的标记系统，可以更准确地追踪尺骨的位置和运动。研究者认为，这种新的标记系统可以用于评估假肢套筒与残肢之间的配合情况，从而帮助改进假肢设计，提高用户的舒适度和功能表现。此外，研究者还指出，这种标记系统可以应用于其他需要追踪尺骨的情况，例如手腕矫形器或外骨骼的评估，以及需要手腕石膏固定的康复情况。

### 研究局限与未来方向

尽管这项研究取得了一定的成果，但它仍然存在一些局限性。首先，参与者年龄在25至33岁之间，且BMI普遍处于正常范围内，因此可能无法代表所有截腕残肢的使用者。其次，研究者只考虑了部分日常动作，未来研究需要扩展动作范围，以更全面地评估标记系统的适用性。此外，研究者使用的是皮肤固定的标记点，因此仍然受到STA的影响，未来可以考虑使用X射线或视频透视技术来获取更准确的尺骨位置信息。

总之，这项研究为截腕残肢的使用者提供了一种新的标记系统，可以更准确地追踪尺骨的位置和运动，从而帮助改进假肢设计，提高用户的舒适度和功能表现。然而，研究者也指出，未来需要进一步验证这些标记系统在实际截腕残肢用户中的适用性，并考虑使用更先进的追踪技术来减少STA的影响。