IMU与手机无标记系统在认知挑战性着陆任务中下肢运动学的同步效度验证

本研究针对非接触性运动损伤筛查中传统光学运动捕捉系统(OMS)的局限性，验证了Xsens惯性测量单元(IMU)和OpenCap手机无标记系统在认知挑战性跳跃-着陆-跳跃任务中测量下肢关节运动学的准确性。通过30名竞技运动员的三系统同步测试，发现两种替代技术在矢状面波形相似性(CMC>0.85)良好，但髋关节屈曲存在显著幅度差异，且髋旋转等非矢状面运动测量效度有限。研究为运动生物力学领域提供了首个两种新兴技术的直接对比数据，对开发更便捷的运动损伤风险评估工具具有重要价值。

　　

在运动医学和生物力学领域，准确评估运动员的下肢运动模式对于预防非接触性损伤至关重要。传统的光学运动捕捉系统(OMS)虽精度高，但存在实验室环境限制、标记点耗时等缺陷，难以在真实运动场景中应用。随着Xsens惯性测量单元(IMU)和OpenCap手机无标记系统等替代技术的兴起，研究者亟需验证这些便携设备在复杂运动任务中的测量准确性。

意大利米兰理工大学( Politecnico di Milano )E4Sport实验室的Filippo Bertozzi团队在《Journal of Biomechanics》发表研究，首次同步比较了这两种新兴技术对认知挑战性着陆任务中下肢三维运动学的捕捉能力。研究设计了包含视觉线索干扰的跳跃-着陆-跳跃任务，通过30名团队运动员的494次有效试验，采用Bland-Altman分析、波形相似性系数(CMC)和统计参数映射(SPM)等方法系统评估测量差异。

关键技术包括：1) 三系统同步采集方案(OMS 100Hz，Xsens和OpenCap各60Hz)；2) 包含57个标记点的改良集群标记组；3) 基于力板10N阈值的事件检测；4) 时间序列对齐与标准化处理；5) 多维度效度评估指标(RMSE/NRMSE/CMC)。

【材料与方法】

研究纳入30名竞技运动员完成含认知干扰的侧向跳跃任务，同步记录OMS、Xsens和OpenCap数据。采用改良的集群标记组(57个标记点)和Xsens七传感器配置，通过力板(500Hz)确定接触相位。数据处理包括信号滤波(10Hz Butterworth)、时间对齐(以膝关节屈曲为参考)和101点时间标准化。

【结果】

1. 矢状面运动：膝关节屈曲显示最佳效度(NRMSE≤10%，CMC>0.97)，但Xsens高估初始接触角度5.9°，OpenCap低估髋屈曲峰值达30.8°；

2. 额状面运动：髋内收测量误差约5°(NRMSE 40-47%)，Xsens对膝外展峰值低估4.1°；

3. 水平面运动：髋旋转误差最大(NRMSE 60-78%)，CMC仅0.1-0.55；

4. SPM分析：90%以上接触时段存在系统间显著差异，仅膝关节屈曲中期一致性较好。

【讨论】

该研究揭示了替代运动捕捉技术的临床应用边界：虽然IMU和无标记系统能可靠获取矢状面运动波形(尤其膝关节)，但对髋关节三维运动和非矢状面角度的测量仍存在显著系统误差。这些发现对运动损伤筛查工具的选用具有重要指导意义——当评估髋关节主导的运动模式(如动态膝外翻)时，需谨慎解读测量结果。研究创新性地采用认知干扰任务，更贴近真实运动场景的不可预测性，为未来便携式生物力学设备开发提供了基准数据。值得注意的是，OpenCap当前版本无法获取膝额状面数据，这限制了其在ACL损伤风险评估等关键场景的应用。

该成果标志着运动生物力学测量技术向便携化、智能化发展的重要一步，但同时也提示研究者需根据具体临床需求选择适当工具。随着算法优化和设备升级，这些替代技术有望在未来实现实验室级精度的场外运动分析，为运动员个性化损伤预防开辟新途径。