一种人体步态稳定性评估方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种人体步态稳定性评估方法及装置，本发明专利技术利用深度摄像头捕捉人体在行走时的全身运动数据，结合人体各体段质量分布信息估计出人体质心COM在每一时刻的位置和速度，然后利用人体质心的位置和速度计算出外推的质心位置XCOM，同时采用电子步道用来获取人体在行走时的支撑面位置BOS。该方法基于XCOM和BOS在同一时刻的3维空间位置关系得到参数值——角度化的稳定裕度AMOS，可以定量表示人体的步态稳定性，AMOS的平均值越大，表示人体步态越稳定，而且该方法不受个体身高的影响，非常适合于个体间步态稳定性的评估和比较，为人体步态稳定性研究提供了可靠的工具。人体步态稳定性研究提供了可靠的工具。人体步态稳定性研究提供了可靠的工具。

【技术实现步骤摘要】
一种人体步态稳定性评估方法及装置


[0001]本专利技术属于步态检测
，涉及一种利用人体质心及支撑面的相对位置进行步态稳定性评估的方法及装置。

技术介绍

[0002]人体步态稳定性是指人体在运动过程中感知身体质心并通过肢体等运动将身体质心控制在支撑面内保持身体稳定的能力，良好的步态稳定性是进行各种日常活动的基本条件。然而，随着年龄的增长，与稳定能力有关的身体各项机能会出现衰退，可能会导致跌倒。跌倒会对人身安全造成很大的威胁，而跌倒风险和人体步态稳定性具有紧密的联系。据目前所知，人的年龄，神经肌肉类疾病，走路姿势等都会对步态稳定性造成影响。通过对人体步态稳定性进行评估可以筛选出具有高跌倒风险的人群，进而采取对应的措施来减低这类人的跌倒风险，这具有重要的意义。步态稳定性的评估一般临床上采用临床观察法、量表评估法等手段，医生通过观察受试者在不同测试项目下的表现进行评分。这些方法主观性强，不同医生的评估结果可能有较大差异，难以定量、客观评价，而且更没有办法给出受试者平衡问题的主要来源的相关信息，因此其应用在有较大局限性的同时其临床诊断的指导价值也很有限。
[0003]目前有相关研究结合人体质心的位置和速度提出了外推质心(XCOM)这个概念，已有相关方法利用XCOM到支撑面的投影和支撑面边界的距离来评估人体的步态稳定性，称为“稳定裕度(Margin of Stability,MOS)”。但是该方法对步态稳定性进行评估还是存在局限性，该方法会受到身高的影响。而用该方法来分析某种因素对人体步态稳定性的影响时，个体间的身高差异可能会影响我们的判断，所以这会限制对研究对象的选取，给相关研究带来困难。

技术实现思路

[0004]为了解决人体步态稳定性评估存在的实际问题，消除身高对步态稳定性评估带来的影响，本专利技术提出了一种不受身高影响的步态稳定性评估方法及装置。该方法基于外推质心(XCOM)和BOS的3D空间位置关系得到参数值AMOS，可以定量表示人体的步态稳定性，AMOS的平均值越大，表示人体步态越稳定。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种人体步态稳定性评估方法，该方法包括以下步骤：
[0006]1)利用3D深度摄像头捕捉人体在行走时的各关节点坐标，再结合人体各部分质量分布信息估计出人体质心(Center of Mass,COM)在每个时刻的位置。
[0007]2)根据步骤1)估计出的人体质心(COM)在行走时的每个时刻的位置信息计算出人体在步行过程中外推的质心位置(XCOM)。
[0008]3)使用电子步道获取人体在行走时的支撑面位置(BOS，足底与地面的接触面)。
[0009]4)基于XCOM和BOS在同一时刻的3维空间位置关系计算得到每一时刻的参数
值——角度化的稳定裕度(Angled Margin of Stability，AMOS)；
[0010]AMOS＝sin(θ)
[0011]其中θ是XCOM与BOS边界点的连线与垂直方向倾斜角；
[0012]最后再计算步行期间AMOS的平均值作为步态稳定性评估参数，其中AMOS的平均值越大表示人体的步态越稳定。
[0013]进一步地，所述步骤1)具体包括以下子步骤：
[0014]1.1)3D深度摄像头放置于实验者的正前方，捕捉人体在行走时的全身运动数据，然后输出人体多个关节点的坐标，坐标轴为右手系，其中x为左右方向坐标，向右为正；y为前后方向坐标，向前为正；z为上下方向坐标，向上为正。
[0015]1.2)根据成年人各体段相对质量及质心相对位置分布以及人体各体段惯性参数，将人体分成15个体段，每个体段都可以由两个关节点确定，由各关节点的坐标及已知各体段的质心相对位置分布，可以得到各体段的质心位置坐标，假设其中一个体段的两个关节点坐标为(jx1，jy1，jz1)和(jx2，jy2，jz2)，r是该体段质心上部尺寸占本体段全长的百分比，则可以得到该体段的质心坐标为：
[0016](x，y，z)＝(jx1，jy1，jz1)*r+(jx2，jy2，jz2)*(1-r)
[0017]1.3)根据以下公式可以对人体质心进行计算，(X
COM
，Y
COM
，Z
COM
)为人体整个质心的坐标，(x
i
，y
i
，z
i
)表示各体段质心的坐标，p
i
表示各体段的相对质量(占总体重的比例)。最后得到人体质心(COM)的位置为：
[0018][0019]进一步地，所述步骤2)具体包括以下子步骤：
[0020]2.1)根据人体质心(COM)在步行期间连续时间内的位置坐标，得到一个人体质心的位置序列[P
com(1)
，P
com(2)
，...P
com(i)
，P
com(i+1)
，...]，序列的时间间隔为Δt，可以得到在步行期间任意时刻的人体质心速度：
[0021]V
com(i)
＝(P
com(i+1)-P
com(i)
)/Δt
[0022]2.2)根据已知的步行时期的某时刻人体质心(COM)位置P
com
和对应时刻的质心速度V
com
可以得到人体外推质心(XCOM)的位置：
[0023][0024]其中g是重力加速度常数，计算XCOM时是将人体看作一个倒立摆模型，l是倒立摆的摆长。
[0025]进一步地，所述步骤3)具体包括以下子步骤：
[0026]3.1)人体步行时期，足底和电子步道接触的区域会被激活，被激活的区域加上时间标记后一起记录到计算机上，将步行时期所有被激活的区域拼接起来，就构成了人在步行期间留下的全部足迹。
[0027]3.2)所有的足迹可以构成一幅足迹图，利用图像处理中的区域标记技术可以将每一步的足迹识别，分离出来，每一步的足迹都有对应的时间标记，而每一步的足迹位置就是
人行走时期的支撑面(BOS)。
[0028]进一步地，所述步骤4)具体包括以下子步骤：
[0029]4.1)通过步骤3)得到的人体步行期间支撑面(BOS)的位置，可以获取支撑面的边界点，包括前边界点B
A
、后边界点B
P
、左边界点B
L
和右边界点B
R
。计算人体前后方向(矢状面)的稳定性时，只需要BOS前边界的位置，计算人体左右方向(额状面)的稳定性时，只需要BOS左右边界的位置。
[0030]4.2)已知步行期间某时刻外推质心的位置(XCOM)和支撑面的边界，可以计算得到该时刻步态稳定性参数AMOS的值：
[0031][0032]其中B是该时刻支撑面的某个边界点，P是该时刻XCOM在支撑面的投影点，s是XCOM到B的连线，h是XCOM在Z方向的高度，θ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人体步态稳定性评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)利用3D深度摄像头捕捉人体在行走时的各关节点坐标，再结合人体各部分质量分布信息估计出人体质心COM在每个时刻的位置。2)根据步骤1)估计出的人体质心COM在行走时的每个时刻的位置信息计算出人体在步行过程中外推的质心位置XCOM。3)使用电子步道获取人体在行走时的支撑面位置BOS。4)基于XCOM和BOS在同一时刻的3维空间位置关系计算得到每一时刻的AMOS值；AMOS＝sin(θ)其中θ是XCOM与BOS边界点的连线与垂直方向倾斜角；再计算步行期间AMOS的平均值作为步态稳定性评估参数，其中AMOS的平均值越大表示人体的步态越稳定。2.根据权利要求1所述的一种人体步态稳定性评估方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下子步骤：1.1)3D深度摄像头放置于实验者的正前方，捕捉人体在行走时的全身运动数据，然后输出人体多个关节点的坐标，坐标轴为右手系，其中x为左右方向坐标，向右为正；y为前后方向坐标，向前为正；z为上下方向坐标，向上为正。1.2)根据成年人各体段相对质量及质心相对位置分布以及人体各体段惯性参数，将人体分成15个体段，每个体段都可以由两个关节点确定，由各关节点的坐标及已知各体段的质心相对位置分布，可以得到各体段的质心位置坐标，假设其中一个体段的两个关节点坐标为(jx1,jy1,jz1)和(jx2,jy2,jz2)，r是该体段质心上部尺寸占本体段全长的百分比，则可以得到该体段的质心坐标为：(x,y,z)＝(jx1,jy1,Jz1)*r+(jx2,jy2,jz2)*(1-r)1.3)根据以下公式可以对人体质心进行计算，(X
COM
,Y
COM
,Z
COM
)为人体整个质心的坐标，(x
i
,y
i
,z
i
)表示各体段质心的坐标，p
i
表示各体段的相对质量。最后得到人体质心COM的位置为：3.根据权利要求1所述的一种人体步态稳定性评估方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下子步骤：2.1)根据人体质心COM在步行期间连续时间内的位置坐标，得到一个人体质心的位置序列[P
com(1)
,P
com(2)
,
…
P
com(i)
,P
com(i+1)
,...]，序列的时间间隔为Δt，可以得到在步行期间任意时刻的人体质心速度：V
com(i)
＝(P
com(i+1)-P
com(i)
)/Δt2.2)根据已知的步行时期的某时刻人体质心位置P
com
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁钢民，徐胜前，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：