一种实时生活场景步行稳定性评估方法技术

本发明专利技术公开一种实时生活场景步行稳定性评估方法。本发明专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于双摄像头的人体步行稳定性评估方法，实现对人体步行稳定性进行评估，当发现稳定性较差人群时，及时预警，给予重点关注，防止跌倒。基于视频的运动捕捉技术可以分为接触式运动捕捉技术和非接触式的无标记运动捕捉技术。由于接触式运动捕捉技术需要在被捕捉目标的身体上放置特制的标记，会干扰被捕捉目标的动作，而且使用复杂，因此本发明专利技术采用成本低、易用性强、非接触式的无标记运动捕捉技术。然后运用无标记点视频解析技术获取人体步行运动数据。据。据。

【技术实现步骤摘要】
一种实时生活场景步行稳定性评估方法


[0001]本专利技术属于运动生物力学领域，主要聚焦于老年人行走稳定性评估，涉及基于视频的非接触式的无标记运动捕捉技术和基于人体运动数据的行走稳定性评估方法。

技术介绍

[0002]人口老龄化是诸多国家面临的重要问题，中国作为世界上最大的发展中国家，于2000年正式步入人口老龄化行列，预计在2050年将成为世界上老年人口最多的国家。第七次人口普查结果显示，截止2020年末，中国60岁及以上的老年人口数达到2.64亿，占总人口比例18.70％，65岁及以上老年人口达到1.91亿人，占总人口的13.50％。截止2020年底，我国高原总人口占全国总人口的20.58％，而高原60岁及以上人口占全国60岁及以上总人口的18.77％。据世界卫生组织(WHO)报道：每年发生的致命跌伤为64.6万次，使之成为仅次于道路交通伤害的第二大非故意伤害死亡的原因，严重影响老年人的身心健康，因此应当重视跌倒对老年人健康和生命的严重威胁，怎样在日常生活中对老年人的步态稳定性进行快速评估，有效预防老年跌倒，是一项亟待解决的工作。
[0003]各类文献中关于人体运动稳定性的准确定义有所不同，但稳定性的一般定义是人体对抗变化的能力。Pai等人认为稳定性是在外界干扰后，人体不通过改变支撑面却能够保持平衡的能力。支撑面(Base of Support)是由各支撑部位的表面及它们之间所围的面积组成。当具有多个支撑部位时，它们之间的距离越大，支撑面积也越大，稳定性也越强。步行稳定性是指，人体在步行中的平衡受到干扰后，趋近或返回到初始平衡状态的能力也可以表达为人体行走时抵抗外界干扰的能力。有研究提出，稳定性定义应当依据实验的约束条件而定。由于实验设计中人体受到的扰动程度不同，相应的稳定性定义也应该有所不同。
[0004]在临床上评估老年人摔倒风险中，步态分析并没有在得到良好的量化，大多数分析多由运动表现测试得到，运动表现测试中分为测试静态平衡和动态平衡。静态平衡包括单腿平衡测试、功能性伸展测试、多方向伸展测试。国内多家康复医院借助重心平衡仪对康复病人的静态平衡功能进行检验,比如日本ANIMA公司生产的G5500型重心摆动仪，检测指标有:重心摆动面积、轨迹长、摆动中心位移，闭、睁眼面积比等。动态平衡测试有计时起立行走测试(TUG)、Tinetti步态和平衡测试、身体能力测试、Berg平衡量表和改良的步态异常量表，也可以使用Biodex步态分析系统进行步态表现分析。
[0005]目前对步态稳定性的分析主要有正常与不正常群体的比较研究、影响因素比较研究、不同年龄群体比较研究等等。而这些研究都有对稳定性进行定量分析的必要性。Nicholas Stergiou对人体运动的变异性、协调性、稳定性评价方法进行分类，总结了众多相关方法。Stergiou将变异性与动态系统理论进行分类介绍不同，Bruijn在其综述中将参数的变异性测量归类为DST的方法之一，认为变异性同样是动态系统理论的一部分，变异性也能够在一定程度上反映出非线性复杂系统内的特质，并也将其归为评价人体对微小扰动的抵抗能力，即平稳态行走稳定性的评价方法。张博峰等人认为，运动变异性源自于一个个体内的生物系统结构和功能方面的变化、运动过程的任务、环境、甚至个体的心理状态之间
的交互作用。杜凝青张宇歌通过变异性指标、最大Lyapunov指数和Hurst指数对穿着不同鞋子的步态稳定性进行了研究。但要辨别群体内的稳定性水平，仅通过步态参数及其变异性分析也许未必准确。而且不管是传统变异性指标还是改进后基于混沌系统的指数指标，都需要测试被试的数十个步态周期参数，且测试时需要被测保持平地直行，需要较大场地。
[0006]综上所述，不论是临床检查方法还是变异性指标的方法，都不能快速、方便的对步态进行评测，本研究结合近年来快速发展的无标记点视频解析技术和对类人机器人行走稳定性的评估技术，提出了一种可以通过一个步态周期进行行走稳定性评估的快速方法。
[0007]相关参考文献如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实时生活场景步行稳定性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于PTP协议实现两个摄像机间的高精度时钟同步；步骤2，通过标定板，以同步时间戳定义同一时刻，通过张正友标定方法标定每一个相机的固定内参，建立两个相机的姿态关系，并通过特征标定杆在拍摄位置的挥舞和放置实现对拍摄位置三维坐标的自动化标定；步骤3，利用双目相机对待评估对象进行连续拍摄，基于拍摄的图像实现人体运动跟踪；步骤4，参考BVH人体骨骼模型，将每一个需要估计的关节点，定义为一种姿态类别，训练现有的卷积神经网络；步骤5，针对拍摄的运动视频，基于训练好的卷积神经网络获得所有关节点的姿态类别概率图；步骤6，通过实际运动过程中的人体关节约束对姿态类别概率图进行修正，所述姿态类别概率图即关节点热图；步骤7，获得关节点热图的相似性度量，从多人运动场景中将跟踪目标和其他目标区分开来；步骤8，针对关节点热图，使用巴特沃斯低通滤波器去除人体关节点的高频抖动噪声；步骤9，使用统一标记对多人运动场景中的跟踪目标个体进行标记；步骤10，利用DLT三维重建方法进行空间位置计算，实现人体姿态的三维重建；步骤11，运用定标后的三维人体模型，提取人体各部分运动学参数，参考BVH人体骨骼模型和据国家标准GBT 17245
‑
2004中的表A.3确定每一体段的质量系数和质心位置系数，确定每一体段的质心位置；步骤12，根据每一体段的质心位置，计算人体重心CM位置，零力矩点ZMP位置，质心力矩枢轴CMP位置；步骤13，根据步行过程中ZMP、CMP与CM地面投影点的偏离程度，定义并计算人体稳定系数，据此判别人体行走过程中的稳定调节能力。2.如权利要求1所述的一种实时生活场景步行稳定性评估方法，其特征在于：人体重心位置计算公式如下；位置计算公式如下；为身体各部分质心位置矢量，可由双目摄像头提取数据获取；m
i
为人体各部分的质量，M为人体总质量，人体各部分的质量系数，可以通过文献查得；n表示身体的各个部分；该公式中不需要知道m
i
和M的具体数值，因二者之比即为人体各部分的质量系数，由公式1计算得到即人体的质心位置矢量。3.如权利要求2所述的一种实时生活场景步行稳定性评估方法，其特征在于：零力矩点ZMP位置的计算公式如下；其中是关于零力矩点ZMP的地面反作用力力矩的水平分量，G.R.
指地面反作用力，horizontal是地面反作用力产生力矩的水平分量，代表零力矩点位置矢量；公式2意味着从地面施加在身体上的关于ZMP的合力力矩总是垂直水平方向的，或平行于重力加速度g；零力矩点ZMP可以定义为地面上由惯性力和重力引起的净力矩沿水平轴没有分量的点，即：其中Inertial指惯性力，也就是人体...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，钟亚平，
申请(专利权)人：武汉体育学院武汉中体智美科技有限公司，
类型：发明
国别省市：