人体运动能力评价方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术实施例公开了一种人体运动能力评价方法、装置及系统，其中该方法包括：通过多个惯性传感器获取患者待测部位的运动姿态数据，其中待测部位包括至少一个关节，多个惯性传感器按照预设的人体运动模型固定于与所述关节相连的肢体上；根据运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度；根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力。本发明专利技术实施例基于临床需求和简化的人体运动模型，通过惯性传感器获取人体运动姿态数据，针对不同关节的各自由度对人体运动进行分解，计算运动角度，对运动能力进行评价，信息检测全面且能满足临床诊断需求。另外算法不受人体行走方向的限制，也不限制人体行走方向必须是直线，检测灵活。

Method, device and system for evaluating human movement ability

The embodiment of the invention discloses a method for evaluation of human motion ability and system, wherein the method comprises: acquiring motion data in part to be measured through a plurality of inertial sensors, the measured part includes at least one joint, a plurality of inertial sensors according to the preset fixed on the human motion model and the joint connected to the body; at least one joint movement angle calculation of the motion respectively according to the data; exercise capacity according to the movement angle of the at least one joint determines the position to be detected. The embodiment of the invention, the human motion model and the clinical needs based on simplified acquisition of human motion data by inertial sensors for different joints in different degrees of freedom motion decomposition, calculating the motion angle, to evaluate the exercise capacity, and comprehensive information detection can meet the clinical requirements. In addition, the algorithm is not limited by the direction of human walking, nor does it limit the direction of human walking. It must be straight and flexible.

【技术实现步骤摘要】
人体运动能力评价方法、装置及系统
本专利技术实施例涉及人体运动检测
，尤其涉及一种人体运动能力评价方法、装置及系统。
技术介绍
目前，我国老龄化问题日益严重，中风偏瘫是老年人群中的高发病，因此针对老年人偏瘫后的康复治疗显得尤为重要。由于神经系统的损伤，偏瘫患者缺乏肌肉运动控制能力，尤其是运动协调能力，因此，偏瘫患者的康复需要一个长期而且综合的训练。传统康复训练大多依靠治疗师手工操作，且患者康复状态及训练参数调整需依靠康复治疗师的主观判断，缺乏统一的量化标准，从而影响诊断的准确性。针对这一问题，国内外研究者提出，针对康复训练建立定量化评价系统。运动检测系统是建立运动能力评价系统的关键组成部分。目前常用的人体运动检测技术主要包含：机械跟踪、光学感应、声波追踪、电磁跟踪和惯性传感等。机械跟踪系统是最原始的运动跟踪技术，可用于人体运动跟踪、远程操作、康复医学和虚拟现实仿真。然而由于人之间的差异，机械跟踪系统必须为每个患者重新校准，校准复杂且耗时长。使用者难以以自然的方式与物理对象进行良好交互，且由于机械系统的蓬松性，很难准确采集患者的运动信息。光学感应是目前主要流行的运动检测方式，尤其是基于摄像机的运动跟踪系统。该系统通过摄像机追踪人体或固定于人体上的标记点，进而运算获得人体运动轨迹。通常情况下，大多数基于光学传感技术的运动跟踪都存在如下缺陷：所需光路被阻断会出现图像阻塞，其他光源的干扰。因此这些系统仅可用于在校准室，并不适用于室外。由于运动跟踪的标记应始终由多台摄像机观测到，在利用康复机器人对患者进行康复时使用光学感应系统，会受到机器人或康复治疗师的干扰，且需要对象始终在摄像机视线内。这些缺点限制了光学感应系统在康复训练中的应用。惯性传感是相对较新的运动跟踪系统，如Xsens公司的MVNBIOMECH运动捕捉系统通过莱卡西服将惯性传感器连接到身体，提供六自由度跟踪，但该传感器体积过大，穿戴过程中传感器易发生连线松动，影响信息采集。目前针对康复训练的众多运动检测与评价系统，无法满足复杂康复环境条件下的运动检测需求，例如，光学检测易受到康复机器人或治疗师的干扰，检测的运动信息不够全面也不够准确，导致运动检测和评价结果无法满足临床康复需求。针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种人体运动能力评价方法、装置及系统，临床运动信息检测全面，能够满足临床诊断需求，且不受人体行走方向的限制。第一方面，本专利技术实施例提供了一种人体运动能力评价方法，包括：通过多个惯性传感器获取患者待测部位的运动姿态数据，其中，所述待测部位包括至少一个关节，所述多个惯性传感器按照预设的人体运动模型固定于与所述关节相连的肢体上；根据所述运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度；根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力。进一步，根据所述运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度，包括：针对每个关节，根据与该关节相连的两肢体的运动姿态数据的相对变化计算该关节在相应自由度的运动角度。进一步，采用以下公式计算关节的运动角度：其中，TM表示x、y、z轴；表示关节J绕TM轴的旋转角度；atan2x(A，B)返回三维坐标A(xA，yA，zA)、B(xB，yB，zB)关于(yB+zAi)的幅角；atan2y(A，B)返回三维坐标A(xA，yA，zA)，B(xB，yB，zB)关于(zB+xAi)的幅角；atan2z(A，B)返回三维坐标A(xA，yA，zA)，B(xB，yB，zB)关于(xB+yAi)的幅角；表示在平面YOZ上的投影坐标，表示在平面XOZ上的投影坐标，表示在平面XOY上的投影坐标；表示经过所述运动姿态数据转换后的单位向量坐标；用于对VJCU′进行列变换。进一步，采用以下公式计算VJCU′：VJCU′＝qJC×VJCU×qJC-1，其中，分别表示沿坐标系x、y、z轴的单位向量坐标；qJC表示与关节J相连的两肢体相对姿态差异的四元数，表示与关节J相连的肢体SKn标定后的姿态四元数，表示与关节J相连的肢体SKn在时刻t的姿态四元数，表示肢体SKn在初始时刻的姿态四元数的逆；表示与关节J相连的肢体SKn+1标定后的姿态四元数，表示与关节J相连的肢体SKn+1在时刻t的姿态四元数，表示肢体SKn+1在初始时刻的姿态四元数的逆。进一步，根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力，包括：针对所述待测部位涉及的每个自由度，根据对应关节在该自由度的运动角度与相同步速下处于健康状态的该关节在该自由度的运动角度计算该自由度的康复程度；根据每个自由度的康复程度计算所述待测部位的康复程度。进一步，采用以下公式计算所述自由度的康复程度：其中，Ri表示第i个自由度的康复程度；Di表示对应关节在第i个自由度的运动角度；Hi表示相同步速下处于健康状态的所述对应关节在第i个自由度的运动角度；表示Di与Hi的相关系数。进一步，采用以下公式计算所述待测部位的康复程度：其中，RG表示所述待测部位的康复程度；N表示所述待测部位涉及的自由度个数；Ri表示第i个自由度的康复程度；ωi表示Ri的加权系数。进一步，根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力，包括：针对每个关节，根据所述关节的运动角度计算所述关节的角速度；计算所述关节的角速度与相同步速下处于健康状态的该关节的角速度的比值；根据所述比值确定所述关节的康复状态。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种人体运动能力评价装置，包括：数据获取模块，用于通过多个惯性传感器获取患者待测部位的运动姿态数据，其中，所述待测部位包括至少一个关节，所述多个惯性传感器按照预设的人体运动模型固定于与所述关节相连的肢体上；运动角度计算模块，用于根据所述运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度；运动能力确定模块，用于根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力。第三方面，本专利技术实施例还提供了一种人体运动能力评价系统，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；通信接口，用于与惯性传感器进行通信；惯性传感器，用于采集患者待测部位的运动姿态数据；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本专利技术任意实施例所提供的人体运动能力评价方法。本专利技术实施例人体运动能力评价方法、装置及系统，基于临床需求和简化的人体运动模型，通过惯性传感器获取人体运动姿态数据，针对不同关节的各自由度对人体运动进行分解分析，计算关节运动角度，对运动能力或运动状态进行评价，临床运动信息检测全面，能够满足临床诊断需求。另外本专利技术的算法不受人体行走方向的限制，即人体可以沿任意方向行走，也不限制人体行走方向必须是直线，检测起来比较灵活。附图说明图1是本专利技术实施例一提供的人体运动能力评价方法的流程图；图2是本专利技术实施例一提供的预设人体运动模型的示意图；图3是本专利技术实施例一提供的惯性传感器的坐标轴示意图；图4是本专利技术实施例一的固定传感器坐标系与全局参考坐标系关系图；图5是本专利技术实施例一的传感器安装位置示意图；图6是本专利技术实施例四提供的人体运动能力评价装置的结构框图；图7是本专利技术实施例五提供的人体运动能力评价系统的结构框图；图8a至图8g是本专利技术实施例六的受本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人体运动能力评价方法，其特征在于，包括：通过多个惯性传感器获取患者待测部位的运动姿态数据，其中，所述待测部位包括至少一个关节，所述多个惯性传感器按照预设的人体运动模型固定于与所述关节相连的肢体上；根据所述运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度；根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力。

【技术特征摘要】
1.一种人体运动能力评价方法，其特征在于，包括：通过多个惯性传感器获取患者待测部位的运动姿态数据，其中，所述待测部位包括至少一个关节，所述多个惯性传感器按照预设的人体运动模型固定于与所述关节相连的肢体上；根据所述运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度；根据所述至少一个关节的运动角度确定所述待测部位的运动能力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述运动姿态数据分别计算所述至少一个关节的运动角度，包括：针对每个关节，根据与该关节相连的两肢体的运动姿态数据的相对变化计算该关节在相应自由度的运动角度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用以下公式计算关节的运动角度：其中，TM表示x、y、z轴；表示关节J绕TM轴的旋转角度；atan2x(A，B)返回三维坐标A(xA，yA，zA)、B(xB，yB，zB)关于(yB+zAi)的幅角；atan2y(A，B)返回三维坐标A(xA，yA，zA)，B(xB，yB，zB)关于(zB+xAi)的幅角；atan2z(A，B)返回三维坐标A(xA，yA，zA)，B(xB，yB，zB)关于(xB+yAi)的幅角；表示在平面YOZ上的投影坐标，表示在平面XOZ上的投影坐标，表示在平面XOY上的投影坐标；表示经过所述运动姿态数据转换后的单位向量坐标；用于对VJCU′进行列变换。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用以下公式计算VJCU′：VJCU′＝qJC×VJCU×qJC-1，其中，分别表示沿坐标系x、y、z轴的单位向量坐标；qJC表示与关节J相连的两肢体相对姿态差异的四元数，表示与关节J相连的肢体SKn标定后的姿态四元数，表示与关节J相连的肢体SKn在时刻t的姿态四元数，表示肢体SKn在初始时刻的姿态四元数的逆；表示与关节J相连的肢体SKn+1标定后的姿态四元数，表示与关节J相连的肢体SKn+1在时刻t的姿态四元数，表示肢体SKn+1在初始时刻的姿态四元数的逆。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述至少一个关...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春宝，孙同阳，段丽红，刘铨权，石青，申亚京，尚万峰，林焯华，王玉龙，韦建军，吴正治，李伟光，李萌，陈朋方，龙建军，李华，郭珊珊，王林，张晓丽，韦成栋，陆志祥，侯安新，王暖，
申请(专利权)人：王春宝，
类型：发明
国别省市：广东,44