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为探究膝上截肢者使用假肢的生物力学影响，研究人员开展相关研究，获得其坐立动作数据集，助力假肢设计与康复。
### 一、研究背景
在日常生活中，站立和坐下是人们再熟悉不过的动作，但对于膝上截肢者来说，这却充满了挑战。膝上截肢后，患者的生物膝关节和踝关节被假肢取代，目前大多数市面上的假肢是 “能量被动型” 的，无法提供净正能量来恢复缺失肢体的生物力学功能。这一缺陷在诸如爬楼梯、站立和爬坡等活动中尤为明显，导致膝上截肢者不得不过度使用假肢侧（残肢）髋关节、健全侧下肢以及上半身来进行补偿 。长期的代偿性运动不仅会引发背部疼痛和骨关节炎等继发性健康问题，还可能使他们因行动不便和害怕摔倒而减少社交活动，进而产生更高水平的抑郁情绪。然而，代偿性运动、继发性疾病和行动能力之间的关系却鲜为人知。为了深入了解这些问题，满足对截肢者进行运动捕捉研究的迫切需求，研究人员开展了此项研究。
二、研究概况
来自美国犹他大学（University of Utah）的研究人员针对膝上截肢者在站立和坐下动作中的生物力学进行了研究。他们的研究成果发表在《Scientific Data》上，为该领域提供了重要的数据支持和研究方向。
三、研究方法
- 数据采集：招募 9 名 K3 级 “完全社区步行者” 的膝上截肢患者，这些患者均为单侧膝上截肢，日常使用规定的假肢，且能够独立或借助双手完成站立和坐下动作。研究人员在一次不超过 4 小时的测试中，使用 12 台 Vicon “Vantage 5” 相机（200Hz）记录反射标记的 3D 位置，两台 AMTI OR6 - 7 力板（2000Hz）记录力，Delsys Trigno Avanti 传感器（2000Hz）记录肌电图（EMG）信号，同时使用 Go - Pro Hero 5 和 Vicon Vue Video 相机记录视频。
- 数据处理：利用 Vicon Nexus 2 对 3D 标记数据进行重建、标记和填充，并计算功能性髋关节中心和功能性膝关节轴；在 Visual 3D 中创建 3D 动力学和运动学模型，计算运动学和动力学信号并导出；使用 MATLAB R2022B 进行进一步的数据处理，包括初始化参数、处理原始数据、计算二级变量、滤波、确定动作起止索引、分段处理数据并导出为 csv 文件。
四、研究结果
- 数据集构成：该数据集包含 9 名膝上截肢者在站立和坐下动作中的运动学、动力学、肌电图和视频记录，是首个关于截肢者在站立和坐下动作中使用被动、微处理器控制假肢的生物力学数据集。数据集中的文件包括 Vicon 数据库文件、Visual 3D 工作区文件、MATLAB 处理文件以及视频文件等，涵盖了从原始数据到处理后数据的各个阶段。
- 数据变量：数据集中包含多种变量，如关节角度（ankle_angle_X、Y、Z，knee_angle_X、Y、Z，hip_angle_X、Y、Z 等）、关节扭矩（ankle_torque_X、Y、Z，knee_torque_X、Y、Z，hip_torque_X、Y、Z 等）、关节功率（ankle_power、knee_power、hip_power）、地面反作用力（GRF_X、Y、Z）、压力中心（COP_X、Y、Z，COP_combined_X、Y、Z）等，还包括肌电图信号（gastrocnemius、vastus_medialis、biceps_femoris、tibialis_anterior）及其原始信号（EMG_raw）。这些变量从不同方面反映了截肢者在坐立过程中的生物力学特征。
- 数据处理细节：在数据处理过程中，研究人员对不同来源的数据进行了一系列处理。例如，对 EMG 信号进行延迟校正（仅 TF01），处理 NaN 值，对部分信号进行下采样、滤波和数值微分等操作。同时，根据膝关节角度、速度和运动持续时间等阈值确定站立和坐下动作的起始和结束索引，并对数据进行分段和插值处理，以方便后续分析。
五、研究结论与意义
本研究提供的数据集为研究人员和临床医生提供了宝贵资源，涵盖人体工程学、职业健康、康复和工程等多个学科领域。通过对该数据集的分析，研究人员可以深入探讨被动假肢使用的生物力学影响，进而设计出更优质的假肢和康复策略，以提高膝上截肢者的行动能力、生活质量和护理标准。这一研究成果不仅为理解截肢者的健康护理需求提供了重要依据，也为新一代动力假肢和控制器的设计奠定了基础，推动了截肢者康复领域的发展。未来，基于这些数据的进一步研究有望带来更多改善截肢者生活的创新成果。
