基于OpenCap的亚洲老年女性肌少症五次坐立测试分析

《Frontiers in Aging》：OpenCap-based five-times sit-to-stand analysis in older Asian women with and without sarcopenia

　　

引言： 与肌少症相关的下肢功能损伤通常采用五次坐立测试（5STS）完成时间来评估，但该方法提供的关于任务内表现差异的信息有限。本研究探讨了两个问题：OpenCap所获取的下肢运动学数据与Vicon在重复五次坐立测试中的一致性，以及OpenCap所获取的运动学和时间指标能否区分健康与肌少症的亚洲老年女性。 方法： 根据2025年亚洲肌少症工作组（AWGS 2025）标准，将24名受试者分为健康组（n=12）和肌少症组（n=12），并同步完成OpenCap和Vicon记录。一致性评估基于受试者水平的平均波形，采用均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）衡量角度误差幅度，采用组内相关系数ICC(A,1)衡量绝对一致性，采用决定系数R2衡量波形相似性，并分析相位依赖性偏倚。 结果： 膝关节屈曲/伸展的绝对误差最低且一致性高（RMSE = 1.84°，ICC(A,1) = 0.998）。髋关节屈曲/伸展也表现出较高一致性，但绝对误差较大（RMSE = 5.42°，ICC(A,1) = 0.970）。踝关节一致性变异较大。统计参数映射（SPM）识别出肌少症组髋关节和膝关节屈曲的局部减少，而角速度波形无显著差异。肌少症受试者还表现出更长的总时长、起立和坐下时长以及更大的重复相关减慢，而重复时长变异无显著差异。 讨论： 在本研究方案内，OpenCap在髋关节和膝关节运动学方面表现出较强的受试者水平一致性，并提供了5STS表现的相位和重复特异性描述指标。所衍生时间指标的独立效度和增量临床价值有待进一步评估。

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一、研究背景与问题

肌少症是与年龄相关的骨骼肌质量和功能下降，可导致老年人衰弱、跌倒、活动受限和残疾，已成为重大公共卫生问题，在老年人群中患病率约为10%至40%。亚洲肌少症工作组（AWGS）和欧洲肌少症工作组均推荐将五次坐立测试（5STS）作为下肢体能表现的实用测量工具。然而，常规临床评估通常仅使用秒表记录总完成时间，这一指标虽能概括整体任务表现，却无法识别任务中具体哪个动作环节导致了功能受损。事实上，5STS是一项重复性运动任务，每次重复均包含身体质量前移、从椅子起立、直立稳定、控制性下坐和重新就座等连续环节，各环节对下肢力量产生、姿势控制、平衡和神经肌肉协调的要求各不相同。具有相似总完成时间的个体可能通过不同的运动模式完成任务，如起立时间延长、下坐谨慎、重复间逐渐减慢或关节活动度改变。因此，关节、相位和重复特异性的分析对于识别功能受限发生的具体环节至关重要。

实验室三维动作捕捉系统是该分析的参考标准，但其依赖反光标记、专用设备、受过培训的操作人员和专用空间，限制了在社区和大规模筛查场景中的应用。近年来，无标记动作捕捉和计算机视觉技术的进步为生物力学评估提供了可扩展的途径。在此背景下，OpenCap平台将同步智能手机视频与肌肉骨骼建模相结合，可估计三维人体运动，其便携性支持临床和社区评估。然而，OpenCap的效度验证具有任务、关节和人群特异性。此前研究已将其应用于膝骨关节炎步态评估、混合神经疾病队列以及脑瘫儿童站立平衡评估，但在肌少症5STS评估中，OpenCap能否再现实验室动作捕捉的关节水平运动学、其衍生指标能否表征任务内功能差异，这两个问题尚未得到解答。由于AWGS 2025对肌肉质量和力量采用性别特异性阈值，本研究验证队列限定为亚洲老年女性以保持样本同质性。

二、研究设计与方法概述

本研究招募24名亚洲老年女性，根据AWGS 2025标准分为健康组（n=12）和肌少症组（n=12）。肌少症分类要求同时满足低肌力（握力<18.0 kg）和低肌量（骨骼肌质量指数SMI<5.7 kg/m²），健康分类要求握力≥18.0 kg且SMI≥5.7 kg/m²。肌量通过生物电阻抗分析（BIA）评估，握力使用手持式测力计测量。研究采用的主要关键技术方法包括：同步采集OpenCap三台iPhone 14视频（720p、60 fps）和Vicon八摄像头光学动作捕捉系统数据（250 Hz）；使用HRNet姿态估计算法处理视频；以LaiUhlrich2022模型几何作为共同解剖参考，在OpenSim 4.5中分别进行无标记和基于标记的逆向运动学分析；采用四阶零滞后巴特沃斯低通滤波器（6 Hz截止频率）统一处理两组关节角度轨迹；通过左膝屈曲/伸展波形的全互相关进行跨系统时间对齐；使用均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、ICC(A,1)和R²评估一致性；采用统计参数映射（SPM）进行波形组间比较；基于膝屈曲轨迹的自动分割算法提取重复时长指标。

三、研究结果

3.1 受试者特征

分析纳入12名健康和12名肌少症受试者。两组年龄、身高、体重指数（BMI）和体重无显著差异。肌少症组的四肢骨骼肌量（ASM）、骨骼肌质量指数（SMI）、握力和小腿围均显著低于健康组（均p<0.001），与分组分类和身体成分特征一致。

3.2 OpenCap与Vicon运动学在5STS中的一致性

所有88个有效试验均成功完成时间对齐，中位绝对时间滞后为1.017秒。膝关节屈曲/伸展的绝对误差最低（RMSE = 1.84°，MAE = 1.52°），绝对一致性极高（ICC(A,1) = 0.998）。髋关节屈曲/伸展一致性高（ICC(A,1) = 0.970），但绝对误差较大（RMSE = 5.42°，MAE = 4.62°）。踝关节背屈/跖屈绝对误差较小（RMSE = 1.52°，MAE = 1.32°），但相对一致性变异较大（ICC(A,1) = 0.881）。R²值分别为髋0.976、膝0.998、踝0.846。周期平均偏倚（OpenCap减Vicon）为髋0.19°、膝?0.02°、踝?0.05°，一致性界限均较窄。

3.3 OpenCap运动学波形的组间差异

SPM检测到OpenCap髋关节和膝关节角度波形的显著组间差异。髋关节屈曲/伸展方面，两个超阈值簇分别位于0.0%–9.2%（簇水平p = 0.0301）和89.8%–100.0%（簇水平p = 0.0267），肌少症组在两个区域髋屈曲角度均较低。膝关节屈曲/伸展方面，两个短暂簇位于36.5%–38.4%（簇水平p = 0.0487）和49.3%–50.2%（簇水平p = 0.0497），肌少症组膝屈曲角度较低。髋和膝的绝对角速度波形均无显著组间差异。

3.4 时间相关5STS表现指标的组间差异

肌少症组总完成时间显著长于健康组（16.23 ± 3.73秒 vs. 10.65 ± 1.46秒，p < 0.001，Hedges' g = 1.90，95% CI 0.94–2.87）。肌少症组的重复时长斜率也显著更大（0.09 ± 0.08秒/次 vs. 0.04 ± 0.04秒/次，p = 0.032，Hedges' g = 0.93，95% CI 0.09–1.77），表明随重复次数增加出现更明显的减慢。

四、讨论与结论

在本研究方案内，OpenCap在髋关节和膝关节运动学方面与Vicon表现出较强的受试者水平一致性，膝关节误差最小，髋关节误差稍大但仍处于可接受范围，踝关节一致性变异较大。SPM分析识别出肌少症组在坐立周期起始和结束阶段髋屈曲减少、站立过渡阶段膝屈曲短暂减少，提示肌少症相关功能受限具有相位特异性。时间指标方面，肌少症组不仅总完成时间更长，还表现出更大的重复相关减慢，而重复时长变异无显著差异，表明肌少症组的减慢模式具有渐进性特征。研究结论为：OpenCap在5STS任务中能够提供关节水平运动学数据，其衍生时间指标可表征肌少症相关的相位和重复特异性功能差异，支持其在社区和临床环境中作为便携式评估工具的潜力。所衍生时间指标的独立效度和增量临床价值仍需进一步评估。