【技术实现步骤摘要】
基于Kinect体感技术的三维步态信息采集与分析方法
本专利技术涉及临床医学中的步态数据采集与分析
,具体涉及基于Kinect体感技术的三维步态信息采集与分析方法。
技术介绍
行走及其步态是在中枢神经系统的控制下在生物力学水平上的体现,正常步态有赖于中枢神经系统、周围的神经系统及肌肉骨骼系统的协调工作。当下肢肌肉、韧带、骨骼、关节、脑、脊髓、周围神经的正常生理功能及相互间协调与平衡受到损伤时均可导致不同程度的异常步态,步态信息的采集与分析是辅助医生对患者进行康复评估、训练规划、疾病诊断、假肢适配等工作的量化的重要工具。可穿戴惯性传感器测试、足底压力测试、肌电测试、二维图像测试、三维标记点测试等是步态分析中常用的数据采集方式。可穿戴惯性传感器测试方式需要将陀螺仪和加速度器同时使用才能捕捉到人体运动过程,在确定人体世界坐标系中的运动过程时算法复杂计算出的运动轨迹精度低,同时可穿戴测试设备的穿戴过程复杂,实验不具有严格的重复性,并且难以实现关节解剖位置的监测。足底压力测试方式可以检测足底压力随着时间的变换情况,能实现简单的步态时相变化,然而该方法并不能记录步态运动的整个周期,因为步态运动中的摆动阶段是在悬空进行,此时与地面无接触,无法捕捉完整的周期,而且足底力捕捉信息单一,步态捕捉时间短,不能完整的记录步态信息。肌电测试方式是针对下肢运动肌肉的检测,该方法是从隐含信息对步态进行测试,并且需要对隐含信息进行宏观解释,所以该方法不具有直观性,同时该种测试方式信息类型少。二维图像测试方法需要使用算法对人体骨骼进行识别,识别精度较低,只能记录人体运动的二维信息,所 ...
【技术保护点】
基于Kinect体感技术的三维步态信息采集与分析方法,其特征在于,包括以下步骤:1)搭建步态数据采集硬件系统:步态数据采集硬件系统包括跑步机,跑步机旁边设有可调高度角度的Kinect支撑云台,Kinect支撑云台上安装有Kinect传感器,Kinect传感器的输出和计算机连接,首先跑步机与Kinect传感器相对不动,然后让人在跑步机上连续运动,实现连续无限距离的步态采集;2)选择跑步机速度:在跑步机不同速度时对受试者进行测量,跑步机速度最小增量为0.1km/h,根据确定的速度构建健康人体步态数据库;3)使用Kinect传感器获取人体骨骼数据:Kinect传感器是Xbox360使用的体感传感器,进行实时动作捕捉,并通过对人体的三维姿态进行识别;Kinect传感器能够追踪人体并获取人体25个骨骼点三维坐标,从中选取下肢运动关键关节点,Kinect传感器以30Hz的速度不断的读取人体骨骼点的三维空间变化,完成步态数据采集功能;4)骨骼数据的双指数滤波:使用不同的滤波器的组合进行滤波;第一阶段消除抖动:
【技术特征摘要】
1.基于Kinect体感技术的三维步态信息采集与分析方法,其特征在于,包括以下步骤:1)搭建步态数据采集硬件系统:步态数据采集硬件系统包括跑步机,跑步机旁边设有可调高度角度的Kinect支撑云台,Kinect支撑云台上安装有Kinect传感器,Kinect传感器的输出和计算机连接,首先跑步机与Kinect传感器相对不动,然后让人在跑步机上连续运动,实现连续无限距离的步态采集;2)选择跑步机速度:在跑步机不同速度时对受试者进行测量,跑步机速度最小增量为0.1km/h,根据确定的速度构建健康人体步态数据库;3)使用Kinect传感器获取人体骨骼数据:Kinect传感器是Xbox360使用的体感传感器,进行实时动作捕捉,并通过对人体的三维姿态进行识别;Kinect传感器能够追踪人体并获取人体25个骨骼点三维坐标,从中选取下肢运动关键关节点,Kinect传感器以30Hz的速度不断的读取人体骨骼点的三维空间变化,完成步态数据采集功能;4)骨骼数据的双指数滤波:使用不同的滤波器的组合进行滤波;第一阶段消除抖动:公式中为第一阶段滤波值,Xn为测试值,为前一帧第二阶滤波值,α为第一阶段噪声抑制系数;第二阶段高斯噪声的虑除:公式中为第二阶段滤波值,Xn为测试值,β为第二阶段噪声抑制系数,bn为该帧趋势,bn-1为前一帧趋势,γ为趋势控制系数;5)计算下肢关键部位运动学曲线:骨盆中心为PelvisCenter、左髋节点Hipleft、右髋节点HipRight、左膝关节KneeLeft、右膝关节KneeRight、左踝关节AnkleLeft、右踝关节AnkleRight、左脚为FootLeft、右脚为FootRight,分别构建向量L1、L2、L3、L4、R1、R2、R3、R4,向量的计算计算如下式对于膝关节的运动角度θKneeLeft、θKneeRight和踝关节的运动角度θAnkleLeft、θAnkleRight,将膝关节和踝关节简化为一个自由度,其计算方法如下式对于髋关节,髋关节的运动规律的描述是相对骨盆进行描述,因此需要先定义骨盆的局部坐标系,骨盆局部坐标坐标原点定义在骨盆中心PelvisCenter,其y轴定义为右髋关节指向左髋关节,其z轴方向定义为骨盆平面的垂线,其中骨盆平面由PelvisCenter、HipRight、HipLeft三个点确定,所以骨盆的局部坐标系定义为骨盆的矢状面运动角度θHipLeftsag、θHipRightsag,冠状面运动角度θHipLeftcor、θHipRightcor,水平面运动角度θHipLefttra、θHipRighttra,定义proj(x,y)为任意向量向平面投影的公式,其中x为平面法向量,y为任意向量,各关节角度计算定义式如下
【专利技术属性】
技术研发人员:徐光华,王振宇,麻晓龙,贺敏琪,锁霖,
申请(专利权)人:西安交通大学,
类型:发明
国别省市:陕西,61
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