本研究由Florian Michaud、Urbano Lugrís和Javier Cuadrado共同完成，他们均来自西班牙拉科鲁尼亚大学机械工程实验室。该研究于2022年6月24日发表在《Sensors》期刊上，文章标题为”Determination of the 3D Human Spine Posture from Wearable Inertial Sensors and a Multibody Model of the Spine”。
这项研究属于生物医学工程和运动分析交叉领域，主要关注脊柱姿态的非侵入性评估技术。脊柱作为人体重要的力学结构，其姿态异常与多种背部疾病密切相关。传统影像学技术如X光、CT和MRI虽然精确，但存在辐射暴露、成本高昂、检查环境受限等缺点。近年来，基于惯性测量单元(Inertial Measurement Units, IMUs)的可穿戴技术因其便携性和低成本优势，成为脊柱姿态评估的潜在替代方案。
然而，现有技术存在明显局限：多数研究仅能提供二维评估；皮肤表面曲线与内部脊柱曲线之间存在位移差异；缺乏考虑个体解剖学差异的系统方法。本研究旨在开发一种结合可穿戴惯性传感器和脊柱多体模型的新方法，实现三维脊柱姿态的精确重建，并解决传感器校准、角度偏移、比例缩放和性别差异等关键问题。
研究招募了14名健康志愿者(7男7女，平均年龄41±12岁)，所有参与者均无脊柱手术史或躯干疾病。研究采用6个STT-IWS型惯性传感器(采样频率100Hz)分别贴附于受试者脊柱的T1、T4、T7、T10、L1和L5椎体位置。每个IMU上固定三个光学标记，由18台OptiTrack Flex 3红外运动捕捉摄像机(采样频率100Hz)同步记录数据。研究人员使用软尺测量了从T1到L5的背部皮肤表面距离(平均43±4cm)，用于后续模型缩放。
研究开发了名为TPM(Thoracolumbar Posture Method)的创新方法，包含两个变体：TPM-IMU(完全基于惯性传感器数据)和TPM-opt(基于光学运动捕捉系统提供的传感器方向数据)。方法的核心流程包括：
传感器方向与地磁参考系校准：通过特制木质校准板消除不同IMU之间的初始相对偏移，统一光学系统与惯性系统的参考坐标系。
脊柱多体模型构建：将胸腰椎建模为由17个解剖节段(12个胸椎和5个腰椎)组成的三维多体系统，各节段通过理想球关节连接，形成具有51个自由度(DOFs)的模型。模型考虑了棘突长度和软组织厚度的个体差异，特别在L5区域增加了额外的软组织厚度补偿(男性1.7cm，女性2.05cm)。
椎体方向预测：采用分段三次多项式插值(pchip)方法，通过有限数量的传感器数据估计所有17个椎体的方向。针对骨盆前倾导致的L5倾斜，为男性增加10°、女性增加14°的额外旋转补偿。
角度偏移校正与比例缩放：计算传感器测量方向与估计皮肤表面方向之间的角度偏移，进行校正后重新确定椎体方向。根据实测背部长度与模型估计长度的比例因子，对椎体高度、棘突长度和软组织厚度进行个体化缩放。
研究通过比较TPM方法估计的传感器位置与光学系统直接测量的位置，验证方法的准确性。具体评估了从#2到#6传感器(L1到T1)的位置误差，测试了4-6个传感器的不同配置方案。
实验数据显示，使用6个传感器时，TPM-opt方法的平均位置误差为11.6mm，TPM-IMU为12mm。减少传感器数量后，两种方法的精度变化如下：
特别值得注意的是，在胸腰椎顶端(T1)的位置误差(e6)低于9mm(约占总背部长度的2%)，表明该方法在脊柱远端仍能保持较高精度。尽管靠近模型原点(L5)的L1和T10区域误差相对较大，这是由于该区域软组织较厚且受骨盆倾斜影响较大所致。
视觉对比显示，TPM-opt和TPM-IMU重建的脊柱曲线与受试者实际背部轮廓高度吻合，且两种方法的结果差异几乎无法通过肉眼辨别。14名受试者的三维模型显示，无论脊柱大小和形状如何变化，该方法都能较好地重建个体化脊柱形态。
本研究成功开发了一种结合可穿戴惯性传感器和脊柱多体模型的三维脊柱姿态评估方法，具有以下重要价值：
科学价值：首次提出了一套完整的从表面传感器数据重建内部脊柱三维姿态的计算框架，解决了皮肤-脊柱位移、个体解剖差异等关键问题，为脊柱生物力学研究提供了新工具。
临床应用价值：该方法无需辐射暴露，成本显著低于传统影像学检查，可在自然站立姿势下进行评估，适合脊柱疾病的预防筛查、治疗评估和长期随访。
技术通用性：方法设计不依赖于特定类型的传感器系统，既适用于商业IMU设备，也可与光学运动捕捉系统配合使用，具有较好的适应性和扩展性。
本研究的主要创新点包括：
多体模型与传感器数据的创新结合：通过建立个体化的脊柱多体模型，实现了从有限传感器数据到完整脊柱三维重建的精确映射。
全面考虑解剖学变异：系统纳入了棘突长度、软组织厚度、性别差异等个体因素，显著提高了模型的解剖真实性。
双重验证机制：同时开发了基于惯性传感器和光学系统的两种实施方案，通过交叉验证确保了方法的可靠性。
实用化设计：通过优化传感器配置(最少仅需4个传感器)，在保证精度的同时提高了临床实用性。
作者指出几个有待进一步研究的方向：(1)与X光成像的金标准进行对比验证；(2)扩大受试者范围，包括脊柱侧弯等畸形患者以及不同年龄、体脂比例的人群；(3)研究运动过程中皮肤伪影对传感器位置的影响。这些工作将进一步完善该方法的应用范围和可靠性。
这项研究为脊柱姿态的非侵入性评估提供了重要技术突破，其方法框架也可拓展至其他骨骼系统的运动分析领域，具有广阔的临床应用前景和科研价值。