健康年轻成年志愿者在地面和跑步机上行走与跑步的三维运动分析数据集

研究背景

三维运动分析系统常用于捕捉人体运动，在临床中可辅助诊断和评估治疗效果，在体育领域能评估运动员表现、预防运动损伤。虽然已有许多人类数据集，但缺乏在相同参与者上采集不同速度、不同环境（地面和跑步机）下的行走和跑步数据，且临床对照组参与者数量有限，多聚焦于舒适步行任务。本数据集涵盖多种速度和环境下的行走与跑步数据，可用于分析病理运动、模拟行走和跑步生物力学等多个科学领域，部分数据已用于相关研究，但整体数据的价值还有待科学界进一步挖掘。

方法

参与者：招募 30 名健康参与者（16 名男性，14 名女性，年龄 28.0±5.6 岁，身高 1.73±0.09 米，体重 68.2±11.1 kg）。参与者需满足健康、年龄大于 18 岁、能理解运动指令且居住在研究地点半径 50 公里内等条件，排除未参加国家健康保险、受法律保护措施限制、无法表达同意、髋关节脱位、影响行走的疾病或残疾以及可能影响步态模式的共病患者。所有参与者均提供知情口头同意，研究方案符合赫尔辛基宣言和良好临床实践规范，经伦理委员会批准并在临床试验注册平台备案。
实验过程：每个参与者的数据采集分两次进行，每次约 2 小时。第一次采集时，研究人员先向参与者介绍实验室和研究目的，接着进行医学访谈以收集人口统计信息并核实纳入 / 排除标准，随后依据制造商说明校准系统，参与者更换实验服装和鞋子、佩戴符合常规步态模型的反光标记点并采集人体测量学信息，之后进行校准文件 / 静态记录，要求参与者保持特定姿势 5 秒，若标记点有误则重新记录；之后分别进行地面行走试验（参与者穿鞋子沿约 10 米地面直线以自发、慢、快三种速度行走，每个速度下每条腿至少记录 3 次踏上力板的步骤）、跑步机行走试验（参与者在跑步机上以慢、舒适、快三种速度行走，舒适速度由志愿者在 2 分钟熟悉试验后选择，慢速度为舒适速度减 1km/h，快速度为舒适速度加 2km/h，每个速度持续 2 分钟，中间休息 1 分钟）、地面跑步试验（参与者穿实验用鞋在约 6 米地面直线上以舒适和快速两种速度跑步，每个速度下每条腿至少记录 3 次踏上力板的步骤）以及跑步机跑步试验（速度选择和计算方式与跑步机行走试验相同，每个速度持续 2 分钟，中间休息 1 分钟）；最后在实验结束时移除标记点和电极，向参与者展示视频和 3D 动画解释记录内容。第二次采集在第一次采集 7 天后进行，重复除医学访谈外的其他步骤，且两次采集在同一周的同一天、相似时间段进行，以减少步态的日波动，每次采集都记录志愿者包括 ID、人口统计参数和与常规步态模型相关人体测量学参数在内的元数据。
数据采集与分析：使用 18 个采样率为 100Hz 的光电相机（11 个 VERO 和 7 个 MX-T10 相机，Vicon System®）和 Nexus 软件（2.12.1 版本）跟踪 63 个反光标记点的三维轨迹，两个力板（AMTI®，1000Hz）记录地面反作用力，一个数字相机（piA640 – 210gc，Basler Pilot®，50Hz）检查力板踏步步数，所有系统通过 Vicon Giganet® 硬件和 Nexus® 软件同步。数据集提供原始数据文件（二进制 c3d 和 CSV 文件，包含未处理的点轨迹和力数据）和预处理后文件（c3d 和 CSV 文件，包含标记点轨迹标注和动力学计算结果）。标记点轨迹经 Woltring 多项式插值和 6Hz 低通零相位巴特沃斯滤波器滤波，使用 Vicon Nexus® 软件（2.12.1 版本）计算虚拟标记点、关节运动学和动力学参数，依据 O’Connor 等人提出的方法计算步态事件和步态周期，最后对预处理后的测量数据进行裁剪、存储并重新命名。

数据说明

数据存储：所有数据记录存于 figshare，以 c3d 和 CSV 文件格式存储。c3d 格式受所有运动捕捉系统制造商和生物力学软件支持，用于存储同步的 3D 标记点坐标、模拟数据和元数据；CSV 文件可使用文本数据读取工具读取。数据按 ID/ Session/Trial/Speed/Data/Files.extention 分层文件夹结构存储。

数据内容
包括标记点轨迹、地面反作用力和力矩、虚拟标记点、关节运动学和动力学参数等，涵盖全身多个部位的运动和力学信息。