DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-025-06535-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507223
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Johanna Vielemeyer وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
تصف هذه الفقرة مجموعة بيانات تتكون من بيانات التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد التي تم جمعها من 13 شابًا صحيًا (5 نساء، 8 رجال؛ متوسط العمر 28.2 ± 4.7 سنة) أثناء المشي على منحدر بزاويا مختلفة (0°، 7.5°، و10°). تعتبر البيانات قيمة لتطبيقات البحث المختلفة، بما في ذلك الأبحاث الأساسية والدراسات السريرية وتطوير الأجهزة الطبية، حيث تعمل كمرجع للمقارنة.
تم جمع البيانات باستخدام نظام متقدم لالتقاط الحركة ثلاثية الأبعاد (Vicon Motion Systems Ltd)، والذي تضمن 10 كاميرات بالأشعة تحت الحمراء، وكاميرتين فيديو، وثلاث لوحات قوة (Advanced Mechanical Technology, Inc.). سار المشاركون لأعلى ولأسفل منحدر مزود بأجهزة بطول 6 أمتار بسرعات يختارونها بأنفسهم، حيث تم التقاط خطوتين متتاليتين فوق لوحات القوة في كل تجربة. تشمل مجموعة البيانات كل من البيانات الحركية والبيانات الديناميكية الخام والمعالجة للأطراف السفلية والجذع العلوي، باستخدام نموذج الجسم الكامل Plug-in Gait للتحليل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية تقنية التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد في تحليل البيوميكانيكا البشرية، لا سيما في فهم استراتيجيات المشي بين الأفراد القادرين وأولئك الذين يعانون من أنماط حركة مرضية بسبب حالات مختلفة. تؤكد الورقة على أهمية مجموعات البيانات المتاحة للأفراد الأصحاء، والتي تسهل الدراسات المقارنة وتطوير الأجهزة الطبية المصممة لتناسب التضاريس المتنوعة، بما في ذلك المنحدرات ذات زوايا الميل 7.5° وما فوق. تعتبر هذه البيانات حيوية لتحسين تصميم المنتجات وتعزيز تجربة المستخدم في الأجهزة التعويضية الخارجية.
يقدم المؤلفون مجموعة بيانات شاملة للجسم الكامل مشتقة من التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد لـ 13 شابًا صحيًا يسيرون على منحدرات بزوايا مختلفة (0°، 7.5°، و10°) وسرعات يختارونها بأنفسهم. تتضمن مجموعة البيانات هذه بيانات العلامات، وبيانات لوحات القوة من اتصالات متتالية، وأحداث المشي، وبيانات أنثروبومترية، جميعها تمت معالجتها باستخدام مجموعة علامات معروفة متوافقة مع أنظمة Vicon. تتيح مرونة هذه المجموعة استخدامها في تطوير خوارزميات التحكم للأطراف الاصطناعية، والهياكل الخارجية، والروبوتات البشرية، بالإضافة إلى كونها مرجعًا للدراسات السريرية، مما يوسع من توفر البيانات البيوميكانيكية لأغراض البحث.
طرق
في هذه الدراسة، تم إبلاغ المشاركين بالإجراءات وتقديم موافقة مستنيرة قبل الانخراط في البروتوكول التجريبي، الذي تمت الموافقة عليه من قبل لجنة الأخلاقيات في جامعة يينا. التزمت الأبحاث بإرشادات إعلان هلسنكي. سار المشاركون لأعلى ولأسفل منحدر مزود بأجهزة بطول 6 أمتار تم ضبطه بزاويا 0°، 7.5°، و10° بسرعات يختارونها بأنفسهم. تم تسجيل قوى رد الفعل الأرضي باستخدام ثلاث لوحات قوة موضوعة بشكل استراتيجي في القسم الأوسط من المنحدر، مع تثبيت المنحدر لتقليل الاهتزازات. تم وضع منصة مستوية بطول 1 متر في نهاية المنحدر.
لضمان جمع بيانات دقيقة، خضع المشاركون لمرحلة تعارف مع زوايا المنحدر قبل تحليل المشي ثلاثي الأبعاد. تم عشوائية ترتيب الزوايا لكل مشارك، ولم يتم إبلاغهم بمواقع لوحات القوة لتجنب سلوك الاستهداف. تم تسجيل تجربة ثابتة قبل القياسات الديناميكية، وسار المشاركون بسرعات يختارونها بأنفسهم، بالتناوب بين تجارب الميل والانحدار. تم تسجيل ما مجموعه اثني عشر تجربة صالحة لكل حالة، تم تعريفها على أنها حالات حيث تلامس كل من القدم اليسرى واليمنى لوحات القوة دون تجاوز.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم جمع بيانات بيوميكانيكية من 13 شابًا صحيًا (متوسط العمر 28.2 سنة) باستخدام نظام تحليل المشي ثلاثي الأبعاد الذي يتكون من عشر كاميرات بالأشعة تحت الحمراء وثلاث لوحات قوة. تم تجهيز المشاركين بأحذية موحدة، وتم الالتزام ببروتوكولات معتمدة لوضع العلامات والقياس. خضعت البيانات الخام للمعالجة لتحديد أحداث المشي، مع استخدام عتبة قوة تبلغ 20 نيوتن لضربات الكعب ورفع الأصابع. استخدم التحليل نموذج الجسم الكامل Plug-in Gait، مع مخرجات تشمل المتغيرات الحركية والديناميكية، والتي تم توفيرها بتنسيقات مختلفة على مستودع عام.
شملت عملية التحقق من البيانات معايرة نظام الكاميرا ولوحات القوة قبل كل جلسة، مما يضمن قياسات دقيقة. قارن الدراسة نتائجها مع الأدبيات الموجودة حول بيانات مفاصل الجسم السفلي وقوى رد الفعل الأرضي (GRFs)، مما يظهر اتساقًا في حسابات نقطة المحور الافتراضية (VPP) وأنماط GRF عبر المشاركين. وُجد أن VPP يقع عند -2.3% من ارتفاع الجسم في الاتجاه الأمامي والخلفي و17% في الاتجاه العمودي، مما يتماشى مع الدراسات السابقة. مجموعة البيانات الشاملة، بما في ذلك البيانات الخام والمعالجة، متاحة لمزيد من التحليل والتحقق، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة حول المعلمات البيوميكانيكية أثناء المشي على المنحدرات.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على إمكانية تعميم نتائجها. أولاً، حجم العينة صغير نسبيًا (N = 13) ويظهر توزيعًا غير متوازن للجنس، مع 8 رجال و5 نساء. قد يؤثر هذا الاختلال على التحليلات التي تتطلب تمثيلًا متساويًا من كلا الجنسين؛ ومع ذلك، يُلاحظ أنه يمكن استخدام مجموعة فرعية متوازنة من خمسة مشاركين من كل جنس لمثل هذه التحليلات، مدعومة بتصميم القياس المتكرر الذي يسمح بتقييم موثوق للمعلمات البيوميكانيكية.
بالإضافة إلى ذلك، يقتصر إعداد لوحات القوة المستخدمة لجمع البيانات الديناميكية على تحليل خطوتين متتاليتين فقط، مما، رغم فائدته في تقييم المعلمات الديناميكية خلال مرحلة الدعم المزدوج، يحد من نطاق البيانات. علاوة على ذلك، لم تتحكم الدراسة في سرعة المشي عبر المشاركين أو مستويات الميل، وهي عوامل حاسمة حيث يمكن أن تؤثر التغيرات في سرعة المشي بشكل كبير على تحميل المفاصل والمعلمات الزمانية المكانية أثناء المشي لأعلى ولأسفل. يجب أخذ هذه القيود في الاعتبار عند تفسير النتائج وقابليتها للتطبيق على السكان الأوسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-025-06535-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507223
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Johanna Vielemeyer et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
This section describes a dataset comprising 3D motion capture data collected from 13 healthy young adults (5 women, 8 men; mean age 28.2 ± 4.7 years) during ramp walking at three different inclinations (0°, 7.5°, and 10°). The data is valuable for various research applications, including basic research, clinical studies, and medical device development, serving as a reference for comparison.
Data collection was performed using a sophisticated 3D motion capture system (Vicon Motion Systems Ltd), which included 10 infrared cameras, two video cameras, and three force plates (Advanced Mechanical Technology, Inc.). Participants walked up and down a 6-meter instrumented ramp at self-selected speeds, with two consecutive strides captured over the force plates in each trial. The dataset encompasses both raw and processed kinematic and kinetic data for the lower limbs and upper body, utilizing the Plug-in Gait full body model for analysis.
Introduction
The introduction highlights the significance of 3D motion capture technology in analyzing human biomechanics, particularly in understanding gait strategies among both able-bodied individuals and those with pathological movement patterns due to various conditions. The paper emphasizes the importance of accessible datasets for healthy individuals, which facilitate comparative studies and the development of medical devices tailored for diverse terrains, including ramps with incline angles of 7.5° and higher. Such data are crucial for optimizing product design and enhancing user experience in exo-prosthetic devices.
The authors present a comprehensive full-body dataset derived from 3D motion capture of 13 healthy young adults walking on ramps at different angles (0°, 7.5°, and 10°) and self-selected speeds. This dataset includes marker data, force plate data from two consecutive contacts, gait events, and anthropometric data, all processed using an established marker set compatible with Vicon systems. The versatility of this dataset allows for its application in developing control algorithms for prostheses, exoskeletons, and humanoid robots, as well as serving as a reference for clinical studies, thereby expanding the availability of biomechanical data for research purposes.
Methods
In this study, participants were informed about the procedures and provided informed consent before engaging in the experimental protocol, which was approved by the ethics committee of the University of Jena. The research adhered to the Declaration of Helsinki guidelines. Participants walked up and down a 6 m instrumented ramp set at inclinations of 0°, 7.5°, and 10° at their self-selected speeds. Ground reaction forces were recorded using three force plates strategically placed in the ramp’s middle section, with the ramp stabilized to minimize vibrations. A 1 m level platform was positioned at the ramp’s end.
To ensure accurate data collection, participants underwent a familiarization phase with the ramp’s inclinations before the 3D gait analysis. The order of inclinations was randomized for each participant, and they were not made aware of the force plates’ locations to prevent targeting behavior. A static trial was recorded prior to dynamic measurements, and participants walked at their self-selected speeds, alternating between incline and decline trials. A total of twelve valid trials were recorded for each condition, defined as instances where both the left and right foot made contact with the force plates without overstepping.
Discussion
In this study, biomechanical data were collected from 13 healthy young adults (mean age 28.2 years) using a 3D gait analysis system comprising ten infrared cameras and three force plates. Participants were equipped with standardized footwear, and data collection adhered to established protocols for marker placement and measurement. The raw data underwent processing to identify gait events, with a force threshold of 20 N used for heel strikes and toe-offs. The analysis utilized the Plug-in Gait full body model, with outputs including kinematic and kinetic variables, which were made available in various formats on a public repository.
The data validation involved calibration of the camera system and force plates before each session, ensuring accurate measurements. The study compared its findings with existing literature on lower body joint data and ground reaction forces (GRFs), demonstrating consistency in the virtual pivot point (VPP) calculations and GRF patterns across participants. The VPP was found to be positioned at -2.3% of body height in the anteroposterior direction and 17% in the vertical direction, aligning with previous studies. The comprehensive dataset, including raw and processed data, is accessible for further analysis and validation, contributing valuable insights into biomechanical parameters during ramp walking.
Limitations
The study presents several limitations that may impact the generalizability of its findings. Firstly, the sample size is relatively small (N = 13) and exhibits a skewed gender distribution, with 8 male and 5 female participants. This imbalance may affect analyses that require equal representation from both genders; however, it is noted that a balanced subset of five participants from each gender could be utilized for such analyses, supported by the repeated measurement design that allows for reliable biomechanical parameter assessment.
Additionally, the force plate setup used for collecting kinetic data restricts the analysis to only two consecutive steps, which, while beneficial for evaluating kinetic parameters during the double support phase, limits the scope of the data. Furthermore, the study did not control for walking speed across participants or incline levels, which are critical factors as variations in walking speed can significantly influence joint loading and spatio-temporal parameters during both uphill and downhill walking. These limitations should be considered when interpreting the results and their applicability to broader populations.