OpenCap 单摄: 来自单部手机视频的 3D 人类运动学与肌肉生物力学动力学

对人类运动（运动学）和肌肉生物力学力量（动力学）进行大规模量化，例如估计坐起运动中的股四头肌力量，可能变革与相关疾病相关的运动能力预测、治疗和监测。然而，传统上对运动学和动力学进行量化需要耗时且成本高昂的分析，且局限于专业实验室，从而限制了临床转化。亟需一种可扩展、精确的生物力学评估工具。我们引入 OpenCap 单摄，一款算法，可从单部手机视频中估计 3D 人类骨架运动学和动力学。该方法通过优化来细化来自单摄姿态估计模型（WHAM）的 3D 人体姿态估计，计算受生物力学约束的骨架模型的运动学，并通过基于物理的仿真和机器学习来估计动力学。我们对 OpenCap 单摄进行了验证，使用标记式运动捕捉和力板数据进行行走、深蹲和坐起任务测试。OpenCap 单摄实现了较低的运动学误差（旋转自由度的均值绝对误差为 $4.8^{\circ}$；骨盆平移为 $3.4$ cm），在旋转精度上超越回归-only 计算机视觉基线 $48\%$（$p = 0.036$），在平移精度上超越 $69\%$（$p < 0.001$）。OpenCap 单摄还能在行走时估计地面反作用力，精度可与或优于我们先前的双摄 OpenCap 系统相当。我们展示了该算法在与老年体能下降和膝关节类风湿性关节炎相关的临床应用中，能够以临床意义的精度估计重要的动力学结果，例如估计坐起转换中的膝关节伸展力矩和行走时的膝关节内翻力矩。OpenCap 单摄通过手机应用、网页应用和安全云计算平台（https://opencap.ai）部署，使免费、易于访问的单部手机生物力学评估成为可能。