成年人手部运动学、动力学、肌电和影像学的手部生物力学数据集

为什么了解我们的手如何工作很重要

每次你转动门把、打开罐子或演奏乐器时，双手都在无声地完成一项工程奇迹。然而，用来设计更好治疗、工具和装置的手部计算模型的研究者们，长期以来缺乏关于真实人群的手如何移动、施力和感到疼痛的丰富、现代化数据。本文介绍了一个新的开放数据库，该数据库汇集了数百名成年人手部力量、运动、肌肉活动和解剖学的详细测量，为希望理解和改善手功能的研究者、临床医生和设计师提供了共享资源。

对大量手部的总体观察

该项目称为手部生物力学建模（BHaM）数据库，包含两个主要部分。第一部分是来自726名健康成年人的大型“群体”数据集，年龄在18到91岁之间，在大学、社区场所和一次生物力学会议上进行测试。对于每位受试者，团队记录了基本人口统计信息、使用标准问卷自报的手功能和疼痛情况、握力与捏力，以及通过照片捕获的详细手部尺寸。这一广泛样本突显了手部大小、力量和舒适度在年龄、性别及其他特征间的巨大差异，并为当前许多手部模型仍依赖的旧有参考数据提供了最新的比较基准。

聚焦运动、肌肉与力学细节

第二部分是来自其中30名成年人的规模较小但深度更高的“生物力学”数据集，涵盖年轻、中年和老年参与者，且握力范围广泛。这些志愿者完成了两次实验室测试。在一次测试中，研究者在记录前臂肌电和使用测力椅记录关节力矩的同时，测量了肘部和手腕的行为。在另一次测试中，研究团队聚焦于手和拇指，结合了动作捕捉标记、置入八块拇指肌肉的细丝电极，以及放置于指尖和类似罐状物体上的力传感器。参与者执行了19种不同任务，包括捏合、抓握、拧盖以及让拇指完成其主要活动范围的动作。子集中的15名志愿者还接受了从肩膀到手腕的高分辨率MRI扫描，以便将个体肌肉体积和骨骼形状映射为三维模型。

从原始信号到有意义的运动

收集这些测量只是工作的一半；使之可用才是另一半。作者们仔细处理了原始信号，以清除力传感器噪声、标准化肌电活动，并将标记位置转换为关节角度。他们使用成熟的软件将通用的臂与手模型缩放到每个人的体型，然后求解每个关节必须如何移动以匹配动作捕捉数据。他们还开发了自动方法来检测每次记录中试验的开始与结束，便于其他研究者快速提取可比的时间窗。虽然他们提供了处理后的数据版本，但也共享了原始记录，便于他人用新方法或替代建模选择重新分析。

验证数据是否合理

为证明群体数据集反映现实模式，团队检验了手部疼痛、日常活动与人口统计学之间的已知关系。通过自报的疼痛评分和有关开罐、扣钮等常见任务的问题，他们发现如预期那样，较高的疼痛通常伴随更大的困难。疼痛水平在女性多于男性、老年人多于年轻人、以及某些种族和族群相对于其他群体更高，这些趋势与早期健康研究报告的情况一致。他们还探讨了参与需要大量手部活动的爱好（如演奏乐器、手工艺或球拍运动）与疼痛之间的关系，并展示了在是否将自报零疼痛的人包含进去时结果会发生变化，强调在疼痛研究中谨慎处理“地板效应”的重要性。

这对我们的双手及其未来意味着什么

总体而言，BHaM数据库为健康手部的结构、力量、运动方式及成年期不同阶段的感受提供了异常丰富的图景。通过免费共享将解剖学、肌电活动、关节运动、力和自报体验联系起来的测量数据，作者旨在为肌肉骨骼建模社区提供一个共同的基础，用以构建和检验手部的计算模拟。从实际角度看，这一资源有助于研究者设计更好的手术方案、辅具，甚至让日常物品对我们的手更友好——以便尽可能多的人能在舒适的情况下继续转钥匙、拧罐子或从事喜爱的爱好。

引用: Diaz, M.T., Benoit, A.R., Kearney, K.M. et al. A hand biomechanics dataset of kinematics, kinetics, electromyography, and imaging in healthy adults. Sci Data 13, 646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06939-4

关键词: 手部生物力学, 肌肉骨骼建模, 握力, 肌电图, 手部疼痛