人工搬運(yùn)中的脊柱負(fù)荷估算 | Xsens MVN Analyze的應(yīng)用

丹麥奧爾堡大學(xué)體育技術(shù)系的碩士生嘗試了一種新的分析方法，僅通過Xsens MVN Analyze的輸入就能估計(jì)腰椎的內(nèi)部負(fù)荷。

在與工作相關(guān)的肌肉骨骼疾病中，腰痛是最常見的一種。它通常由人工搬運(yùn)物料的工作導(dǎo)致，例如搬運(yùn)重物。這種工作對(duì)脊柱施加大量壓力，尤其在L4-L5椎間盤周圍最為明顯，可能導(dǎo)致椎間盤和椎骨終板的骨折、變性或永久性損傷（Brinckmann et al. 1998）。然而，由于涉及侵入性方法，在現(xiàn)場對(duì)脊柱負(fù)荷做評(píng)估充滿挑戰(zhàn)，而且這種做法很少見。出于這個(gè)原因，幾種其他方法被用來估計(jì)這些力，包括采用解剖詳細(xì)、基于計(jì)算機(jī)形成的肌肉骨骼模型（Dreischarf et al. 2016）。直到最近，準(zhǔn)確的肌肉骨骼模型一直需要基于相機(jī)的動(dòng)作捕捉和底座上的力板，方法昂貴且不便于現(xiàn)場使用（Faber et al. 2008）。

動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的最新進(jìn)展允許在任何工作環(huán)境中應(yīng)用全身運(yùn)動(dòng)捕捉，而最小化受磁扭曲影響，例如Xsens MVN Analyze（Filippeschi et al. 2017）。利用全身移動(dòng)慣性運(yùn)動(dòng)捕捉（IMC）測量方向估計(jì)，肌肉骨骼模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)輸入已經(jīng)通過使用地面反作用力(GRF)預(yù)測方法的逆動(dòng)態(tài)計(jì)算進(jìn)行了測試（Karatsidis et al. 2018）。但是，在典型的人工搬運(yùn)任務(wù)中，這種方法尚未得到驗(yàn)證。因此，本研究的目的是基于各種搬運(yùn)和移動(dòng)重物任務(wù)期間，由IMC數(shù)據(jù)和GRF預(yù)測驅(qū)動(dòng)的肌肉骨骼模型來驗(yàn)證L4-L5脊柱用力的估計(jì)。為此，我們將L4-L5椎間盤上的關(guān)節(jié)反作用力與光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉（OMC）和測力板驅(qū)動(dòng)的肌肉骨骼模型進(jìn)行了比較。這種方法將有助于確定由IMC數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的肌肉骨骼模型和預(yù)測的GRF是否可用于估計(jì)在現(xiàn)場脊柱負(fù)荷。

13名健康受試者進(jìn)行了三次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)包括四個(gè)搬運(yùn)任務(wù)，包括對(duì)稱搬運(yùn)、不對(duì)稱搬運(yùn)和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。在搬運(yùn)任務(wù)中，受試者將10公斤的箱子從地面抬起到豎直位置，放在面前的桌子上，以及不對(duì)稱地放置在側(cè)面的桌子上。負(fù)荷轉(zhuǎn)移涉及在兩個(gè)桌子之間移動(dòng)一個(gè)10公斤的箱子。同時(shí)使用OMC和IMC系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。OMC包括42個(gè)被動(dòng)反射標(biāo)記的全身軌跡，用8個(gè)紅外攝像機(jī)在120赫茲采樣測量。使用17個(gè)慣性測量單元（IMU）在60赫茲下采樣測量IMC。使用三個(gè)安裝在地板上的測力板測量GRF和力矩，放于腳下方及盒子下方，以1200赫茲采樣。所有測量均在Xsens MVN Analyze中同步上傳。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果，開發(fā)了三種肌肉骨骼模型，每種模型都來自不同的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)輸入：

1）光學(xué)動(dòng)作捕捉和測量地面的反作用力（OMC-MGRF）

2）光學(xué)動(dòng)作捕捉和預(yù)測地面的反作用力（OMC-PGRF）

3）慣性動(dòng)作捕捉和預(yù)測地面的反作用力（IMC-PGRF）

肌肉骨骼模型是在AnyBody建模系統(tǒng)（AMS）中開發(fā)的。 OMC-MGRF被認(rèn)為是黃金標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗亲畛Ｓ玫南到y(tǒng)，用于為肌肉骨骼模型提供運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)輸入。 IMC-PGRF模型是根據(jù).bvh文件中包含的段之間的關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)的距離進(jìn)行縮放的。在由.bvh數(shù)據(jù)和AMS中的肌肉骨骼模型創(chuàng)建的棍形圖形上引入虛擬標(biāo)記，以在兩個(gè)模型之間執(zhí)行標(biāo)記跟蹤（Karatsidis et al. 2018）。使用類似于先前研究的方法（Karatsidis et al. 2018; Skals et al. 2017），預(yù)測IMC-PGRF和OMC-PGRF模型的GRF和力矩。

根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算了L4-L5椎間盤上的軸向壓縮力和前后剪切力。將力標(biāo)準(zhǔn)化為體重百分比（％BW），并將力矩標(biāo)準(zhǔn)化為體重百分比乘以體高（％BW?BH）。每個(gè)搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移任務(wù)的參與者進(jìn)行平均試驗(yàn)。單個(gè)數(shù)據(jù)序列的時(shí)間歸一化為100%，表示負(fù)荷物不與地面接觸的周期。

預(yù)測的GRF&Ms以及估計(jì)的L4-L5關(guān)節(jié)反作用力的準(zhǔn)確性，采用基于IMC數(shù)據(jù)的逆動(dòng)態(tài)肌肉骨骼建模方法來試驗(yàn)。分析顯示，與OMC-MGRF和OMC-PGRF相比，IMC-PGRF可用于在人工搬運(yùn)期間估計(jì)L4-L5椎間盤的壓縮力和前后剪切力，具有高精度。與IMC-PGRF相關(guān)的不準(zhǔn)確性已進(jìn)行試驗(yàn)，并可作為未來研究的考慮因素。該方法可用于簡單人工搬運(yùn)過程中肌肉骨骼負(fù)荷的估算。利用這種肌肉骨骼模型作為分析工具，準(zhǔn)確地估計(jì)椎體之間的關(guān)節(jié)反作用力，可能會(huì)使在現(xiàn)場環(huán)境中的人機(jī)工程學(xué)分析發(fā)生革命性的變化。

主題：人體動(dòng)作測量，運(yùn)動(dòng)分析

應(yīng)用：生物力學(xué)分析，人類工程學(xué)

產(chǎn)品：Xsens MVN Analyze