基于惯性传感器与姿态估计的单平面水中运动量化分析：一种便捷化运动监测新方法

《Scientific Reports》：Uniplanar aquatic exercise quantified with inertial sensors and pose estimation

本研究针对水中康复训练缺乏便捷、客观量化工具的问题，开展了基于惯性测量单元（IMU）和计算机视觉（CV）姿态估计的水中单平面运动监测方法验证。研究通过对比分析20名健康年轻人膝关节屈伸-伸展和髋关节屈伸-伸展运动的运动范围（ROM）、角速度和重复持续时间等参数，发现两种方法具有极好的一致性（ICC≥0.94）。该研究为水中康复训练提供了可替代传统标记式运动捕捉系统的低成本、便捷化技术方案，有助于推动水中康复训练的客观化监测进程。

　　

在康复医学和运动科学领域，准确量化人体运动对于评估功能状态、制定训练方案和监测康复进展至关重要。然而，当运动场景从陆地转移到水中时，这一看似简单的任务却面临着巨大挑战。传统的光学运动捕捉系统虽然被视为"金标准"，但其高昂的成本、复杂的操作流程以及对专业环境的依赖，使得它们在日常临床实践和社区康复中心中难以普及。正是这种技术空白，促使科学家们不断探索更便捷、更经济的替代方案。

水中康复训练因其能够提供低冲击负荷的环境，特别适用于老年人群和运动损伤患者的康复，已被证实能够有效改善活动能力、平衡功能和疼痛结局。然而，与陆地康复训练拥有大量客观量化工具不同，水中康复一直缺乏方便、可靠的性能监测手段。治疗师通常只能依靠主观观察来评估患者的训练效果，这种局限性严重制约了水中康复训练的科学化发展。

为了破解这一难题，由E.P.McShane和T.Rantalainen共同领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新性研究。他们首次系统评估了两种新兴技术——惯性测量单元（IMU）和基于计算机视觉的姿态估计——在水环境中量化单平面运动的能力。这两种技术各有优势：IMU作为可穿戴传感器，能够直接测量肢体的加速度和角速度；而姿态估计则通过普通摄像视频自动识别关节点位置，实现无标记运动分析。研究人员假设，如果这两种完全不同的技术能够对同一种运动得出一致的量化结果，那么它们很可能都提供了有意义的运动表征。

研究团队招募了20名健康年轻成年人（9名女性，年龄20-26岁），让他们在1.2米深的水池中执行两种单关节运动：膝关节屈伸-伸展和髋关节屈伸-伸展。参与者右侧踝关节佩戴了防水IMU传感器，同时水下双摄像机系统记录运动过程。通过对获取的数据进行处理分析，研究人员提取了三个关键性能指标：运动范围（Range of Motion， ROM）、角速度和重复动作持续时间。

研究采用的关键技术方法包括：通过MMPose姿态估计算法从双视角水下视频中自动提取踝、膝关节关键点；利用直接线性变换（Direct Linear Transformation）原理将二维坐标转换为三维空间坐标；使用主成分分析（PCA）对IMU采集的多维角速度数据进行降维处理；采用类内相关系数（ICC）和Bland-Altman分析评估两种方法的一致性。

结果

方法间一致性

研究发现，对于膝关节屈伸-伸展运动，两种方法在所有评估指标上均表现出极好的一致性（ICC 0.96-1.00）。类似地，髋关节屈伸-伸展运动也显示出极好的一致性（ICC 0.94-0.98）。尽管一致性很高，但Bland-Altman分析揭示了存在显著的系统偏差，表明两种方法不能简单互换使用。

具体偏差分析

对于膝关节屈伸-伸展运动，IMU基于方法在重复持续时间和运动范围上比相机基于方法显示高5.5%至6.7%的值。对于髋关节屈伸-伸展运动，在角速度方面IMU基于方法比相机基于方法低4.6%，而在运动阶段持续时间方面高5.8%。所有偏差均具有统计学显著性。

敏感性分析

通过剔除明显异常值进行的敏感性分析并未改变主要发现，表明结果对这些极端数据点具有稳健性。一些变量对残差不符合正态分布的情况，但这对总体结论没有实质性影响。

讨论与结论

该研究证实了IMU和计算机视觉姿态估计这两种便捷、低成本的运动量化方法在水中运动监测中的可行性。尽管存在系统偏差，但极好的一致性表明这两种方法都能为水中单平面运动提供有意义的性能指标。Bland-Altman分析显示，运动范围的随机误差约为±10°，角速度约为±20°/秒，这意味着在应用于临床前仍需进一步确认其可靠性。

研究的实际意义在于，这两种方法的价值可能不在于其绝对测量精度，而在于它们能够提供便捷、快速的性能反馈，无需复杂的成像设置、手动运动捕捉数字化或昂贵的硬件。对于临床医生和教练而言，能够追踪相对性能变化而非绝对值的工具已经具有重要价值，特别是在水中康复这种传统上缺乏客观测量手段的领域。

研究的局限性包括缺乏金标准系统的直接比较、姿态估计在能见度差或肢体部分遮挡时的敏感性、以及仅关注单平面运动而复杂多关节运动的适用性尚待验证。未来研究应评估这些方法在更复杂运动模式和真实康复项目中的临床效用。

总之，这项研究为水中康复领域提供了重要的概念验证，证明低成本的可穿戴和计算机视觉技术能够为水中运动监测提供便捷、潜在的临床相关见解。随着技术的进一步优化和验证，这些方法有望填补水中康复技术的长期空白，为治疗师和患者提供可靠的进展追踪工具。