一种基于计算机视觉的关节康复训练方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于计算机视觉的关节康复训练方法及系统，通过人体姿态估计方法，获取患者的参数化人体模型，生成数字孪生形象。使用康复运动处方所规定的运动学参数驱动该数字孪生形象，通过混合现实的显示手段进行康复动作指导，能够有效地进行动作示教与评价。基于上述方法的系统包括：摄像头模块，用于动作采集；系统控制模块，用于姿态估计和云端交互；显示模块，用于混合显示呈现及系统交互。本发明专利技术采用了非接触式的手段，消除了外部设备引入的测量误差，提升了检测精度，降低了使用难度和设备成本。利用本发明专利技术提出的基于患者数字孪生形象的动作示教方法，提高了示教动作的个性化程度，增强患者运动沉浸感，改善康复运动训练效果。训练效果。训练效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算机视觉的关节康复训练方法及系统


[0001]本专利技术属于康复医疗
，尤其是涉及一种基于计算机视觉的关节康复训练方法及系统。

技术介绍

[0002]人体关节是支持躯体活动的关键部位，随着老龄化程度的加深，关节疾病发病情况日趋广泛。以骨关节炎为例，根据《中国骨关节炎诊疗指南(2021年版)》，我国40岁以上人群原发性骨关节炎的总体患病率已高达46.3％，且有逐渐上升的趋势。关节疾病会造成阵发性或持续性疼痛，关节活动受限或造成关节畸形。严重影响患者行动能力与生活质量。
[0003]国际骨关节炎研究学会发布的非手术治疗骨关节炎指南强推荐无论有无合并症，运动治疗是所有患者的首选治疗方式。其指出，在医生指导下选择正确的运动方式，制定个体化的运动方案，可减轻疼痛，改善关节功能，保持关节活动度，延缓疾病进程。关节疾病手术后的康复运动是重要的后续流程，良好的康复训练将有效提升关节恢复程度，改善患者的行动能力与生活质量。
[0004]专业的康复训练需要在医院或者康复机构内进行，在骨科医生或者康复科医生指导下，完成各项康复运动动作，并对动作完成情况进行评价。在当前的医疗条件下，患者无法在院内完成所有的康复训练，大部分的训练任务仅能在接受医生指导后居家进行。由于患者并不具备康复运动专业知识，居家运动时的动作质量无法得到保障，严重影响到康复进展。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于计算机视觉的关节康复训练方法及系统，通过非接触式的视觉人体动作捕捉方法，获取当前患者的参数化人体模型，生成患者的数字孪生形象,使用康复运动处方所规定的运动学参数驱动该数字孪生形象，通过混合现实的显示手段对患者进行康复动作指导，能够有效地进行动作示教与完成情况评估。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于计算机视觉的关节康复运动训练方法，所述方法包括：
[0008]步骤101、构建人体主要关节的康复训练动作库；
[0009]步骤102、构建康复训练动作的运动学参数库；
[0010]步骤103、针对特定患者生成个性化康复运动处方；
[0011]步骤104、生成由个性化康复运动处方驱动的数字孪生形象；
[0012]步骤105、基于数字孪生形象的康复训练示教；
[0013]步骤106、基于计算机视觉的运动过程监测、评估与反馈。
[0014]进一步的，所述步骤1中，构建人体主要关节的康复训练动作库，具体包括：
[0015]针对人体主要关节如髋、膝、踝、颈、肩、肘等，调研与收集康复医师与康复技师关于人体关节康复运动的知识经验，梳理每个关节常见的康复运动动作，构建康复训练动作
库。
[0016]进一步的，所述步骤2中，构建康复训练动作的运动学参数库，具体包括：
[0017]在康复训练动作库的基础上，根据不同的康复运动类型与阶段要求，添加关节运动学参数，包括关节点位置、肢体角度、肢体运动角速度和角加速度等，构建人体主要关节常见康复训练动作的运动学参数库。进一步的，基于真人动作捕捉与计算机制作，形成指定康复运动类型在相应运动学参数约束下关节运动的时序动作模型。
[0018]进一步的，所述步骤3中，针对特定患者生成个性化康复运动处方，具体包括：
[0019]针对特定患者，由康复医师或康复技师评估后确定该患者需要执行的运动处方内容，包括动作类型、速度、幅度、频率、组数与次数等。根据运动处方内容在运动学参数库中匹配对应的参数指标与时序动作模型，形成个性化且可被后续任务直接读取使用的数字化康复运动处方。
[0020]进一步的，所述步骤4中，生成由个性化康复运动处方驱动的数字孪生形象，具体包括：
[0021]通过摄像头设备采集患者站立自转一周的视频，采集到患者多个视角下的形态信息。通过多视角三维重建技术，回归患者的体态参数，包括肢体长度，身材比例等，构建出患者本人的参数化人体模型。该模型将患者的现实形象映射至计算机虚拟的三维空间中，生成可由运动学参数驱动执行康复训练动作的患者数字孪生形象。
[0022]进一步的，所述步骤5中，基于数字孪生形象的康复训练示教，具体包括：
[0023]患者通过互联网下载待执行的个性化运动处方，该处方规定的运动学参数和时序运动模型与患者数字孪生形象的形态数据进行匹配，使得数字孪生形象可以准确演示规定的运动训练动作。患者跟随示教动作进行康复运动训练，摄像头采集患者执行动作的影像，显示设备将患者真实运动影像与数字孪生形象进行重叠显示以实现混合现实效果，数字孪生形象是患者本人的准确映射，患者按照指示跟随数字孪生形象到达的指定运动位置即是处方所要求的目标参数。
[0024]进一步的，所述步骤6，基于计算机视觉的运动过程监测、评估与反馈，具体包括：
[0025]当患者进行某一关节的康复训练时，摄像头对患者动作进行拍摄，实时地进行人体姿态估计，获取当前患者关节的运动学参数。将获取到的运动学参数与当前所执行的运动处方中目标参数间进行对比以得出达成情况，得到不足、正确、过量的判断结果与准确的偏差数值。进一步的，显示设备以文字、颜色等信息提示患者当前动作的达成情况，实现动作纠偏。进一步的，处方执行完毕后，汇总所执行的各项运动项目的目标参数达成情况与偏差值，生成本次运动训练执行效果报告。进一步的，将当次康复运动执行效果报告上传至医生端进行专业评估，医生根据指标的达成情况，更新患者的康复运动处方。进一步的，将当次康复运动的执行过程上传至医生端，患者的运动过程也通过参数化人体模型映射至计算机虚拟的三维空间中，可供医生任意缩放与变换角度，与示教形象对比以进一步评估当前处方的执行效果。
[0026]根据本专利技术的另一方面，提出一种基于计算机视觉的关节康复训练系统，其组成包括：
[0027]摄像头采集模块，用于利用摄像头采集患者的形态参数和运动过程中的影像数据；
[0028]系统控制模块，用于对摄像头采集数据的原始数据处理、人体姿态估计、运动参数解算和与云服务器间的信息交互；
[0029]显示模块，用于显示当前动作要求、混合现实呈现，动作完成情况展示及交互操作。
[0030]有益效果：
[0031]本专利技术提供的一种基于计算机视觉的关节康复训练方法及系统，能够弥补现有技术的不足，通过计算机视觉信息捕捉患者运动状态，采用了非接触式的手段，消除了由佩戴如惯性传感器等外部设备引入的测量误差，提升了检测精度，降低了使用难度和设备成本。利用本专利技术提出的基于患者数字孪生形象的动作示教方法，通过混合现实显示手段，提高了示教动作的个性化程度，增强患者运动沉浸感，改善康复运动训练效果。
附图说明
[0032]图1是本专利技术提供的一种基于计算机视觉的关节康复训练方法流程图；
[0033]图2是本专利技术提供的一种基于计算机视觉的关节康复训练系统结构图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机视觉的关节康复运动训练方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤101、构建人体主要关节的康复训练动作库；步骤102、构建康复训练动作的运动学参数库；步骤103、针对特定患者生成个性化康复运动处方；步骤104、生成由个性化康复运动处方驱动的数字孪生形象；步骤105、基于数字孪生形象的康复训练示教；步骤106、基于计算机视觉的运动过程进行监测、评估与反馈。2.根据权利要求1所述的关节康复运动训练方法，其特征在于，所述步骤1中，构建人体主要关节的康复训练动作库，具体包括：所述人体主要关节包括髋、膝、踝、颈、肩、肘，调研与收集康复医师与康复技师关于人体关节康复运动的知识经验，梳理每个关节常见的康复运动动作，构建康复训练动作库。3.根据权利要求2所述的关节康复运动训练方法，其特征在于，所述步骤2中，构建康复训练动作的运动学参数库，具体包括：在康复训练动作库的基础上，根据不同的康复运动类型与阶段要求，添加关节运动学参数，所述关节运动学参数包括关节点位置、肢体角度、肢体运动角速度和角加速度，构建人体主要关节常见康复训练动作的运动学参数库；进一步的，基于真人动作捕捉与计算机制作，形成指定康复运动类型在相应运动学参数约束下关节运动的时序动作模型。4.根据权利要求3所述的关节康复运动训练方法，其特征在于，所述步骤3中，针对特定患者生成个性化康复运动处方，具体包括：针对特定患者，由康复医师或康复技师评估后确定该患者需要执行的运动处方内容，包括动作类型、速度、幅度、频率、组数与次数；根据运动处方内容在运动学参数库中匹配对应的参数指标与时序动作模型，形成个性化且可被后续任务直接读取使用的数字化康复运动处方。5.根据权利要求4所述的关节康复运动训练方法，其特征在于，所述步骤4中，生成由个性化康复运动处方驱动的数字孪生形象，具体包括：通过摄像头设备采集患者站立自转一周的视频，采集到患者多个视角下的形态信息；通过多视角三维重建技术，回归患者的体态参数，所述体态参数包括肢体长度，身材比例，构建出患者本人的参数化人体模型；所述参数化人体模型将患者的现实形象映射至计算机虚拟的三维空间中，生成可由运动学参...

【专利技术属性】
技术研发人员：马祖长，张瑞骐，王广军，孙怡宁，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：