專利名稱：一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到醫(yī)學(xué)信息智能處理領(lǐng)域，具體來說涉及一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法。
背景技術(shù)：
關(guān)節(jié)活動度(ROM)是指關(guān)節(jié)運動時所通過的運動弧或角度。在康復(fù)醫(yī)學(xué)上，為確定有無關(guān)節(jié)活動障礙及障礙程度，為選擇治療方法提供參考，需要進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度檢查與評定。關(guān)節(jié)活動度檢查是各種原因引起肢體活動功能障礙時最常用的檢查方法，分為主動關(guān)節(jié)活動度檢查和被動關(guān)節(jié)活動度檢查，前者是由肌肉主動收縮產(chǎn)生的，后者則完全由外力產(chǎn)生，無隨意肌肉活動。關(guān)節(jié)活動度評定是指運用一定的工具測量特定體位下關(guān)節(jié)的最大活動范圍，從而對關(guān)節(jié)的功能做出判斷。上肢關(guān)節(jié)活動度測量是進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度檢查與評定的重要手段。
傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)活動度測量時，傳統(tǒng)的測量工具有通用量角器、方盤量角器以及電子量角器。通用量角器由一個標(biāo)有指針的移動臂和一個附有刻度盤的固定臂構(gòu)成，兩臂于一端以活動鉸鏈連接，是臨床上最常用的測量關(guān)節(jié)角度的器械。方盤量角器的中央是一個有圓形分角刻度的正方形刻度盤，其底部有左右對稱的從O度 180度的刻度，中心安裝一個可旋轉(zhuǎn)的指針。而電子量角器固定于被測的關(guān)節(jié)，其原理是傳感器的電阻根據(jù)運動角度的變化而變化，并在顯示器上顯示相應(yīng)角度數(shù)值。采用傳統(tǒng)的測量工具有其自身的缺陷。首先，用傳統(tǒng)的測量工具進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度測量必須嚴(yán)格操作，應(yīng)由專人負(fù)責(zé)，以保證測量的準(zhǔn)確性。其次，量角器活動臂、固定臂和旋轉(zhuǎn)中心的放置均受肢體軟組織的存在形態(tài)而不同程度地受到影響。清華大學(xué)的胡海滔等人利用數(shù)碼照相機(jī)拍攝，直接在圖像上量出關(guān)節(jié)活動的角度。這種方法由于數(shù)碼相機(jī)的存儲卡容量有限，在拍攝一定數(shù)量的照片后需要取出存儲卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，在測量的實時性與便捷性上存在較大的問題。天津科技大學(xué)的張建國等人分別基于三維攝像測量系統(tǒng)和電磁跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行人體上肢運動測量。他們采用普通攝像機(jī)構(gòu)建了三維攝像分析測量系統(tǒng)，對人體上肢運動進(jìn)行測量分析。他們利用電磁傳感器測量肘、腕關(guān)節(jié)屈/伸軸實際方向，給出關(guān)節(jié)依次繞兩根互不垂直的軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)活動角度新算法。無論是三維攝像測量系統(tǒng)還是電磁跟蹤系統(tǒng)，都需要在軟硬件上進(jìn)行較大的投入，在應(yīng)用與普及方面有較大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，采用體感交互技術(shù)，由用戶的上肢動作與計算機(jī)交互，對上肢各關(guān)節(jié)進(jìn)行位置捕捉，實時記錄、計算及反饋關(guān)節(jié)活動度信息，并能及時提示糾正用戶的不合理測量動作。本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，具體步驟如下A、在裝有Windows7操作系統(tǒng)的計算機(jī)上安裝Kinect For Windows SDK, Kinect ForWindows SDK包含了 Kinect傳感器的驅(qū)動程序、Kinect傳感器接口和應(yīng)用程序編程接口API及相關(guān)文檔；
B、用戶通過計算機(jī)上的界面選擇測量科目，所述測量科目包括左肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展、右肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展、左肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、右肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、左肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展、右肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展、左腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸、右腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸、左腕關(guān)節(jié)橈偏/尺偏、右腕關(guān)節(jié)橈偏/尺偏；
C、用戶根據(jù)計算機(jī)界面的提示確定測量的初始體位，執(zhí)行上肢體運動；
D、Kinect傳感器利用紅外線發(fā)射器發(fā)出的連續(xù)光照射在用戶的被測量處，通過紅外線CMOS攝像機(jī)記錄測量空間的每一個散斑，結(jié)合原始散斑圖案，對測量空間進(jìn)行編碼；
E、Kinect傳感器中的感應(yīng)器讀取編碼的光線，由Kinect傳感器中的芯片運算進(jìn)行解 碼，生成所需的上肢關(guān)節(jié)的彩色圖像數(shù)據(jù)、骨架數(shù)據(jù)和深度圖像數(shù)據(jù)；
F、通過KinectFor Windows SDK獲取用戶上肢關(guān)節(jié)的彩色圖像數(shù)據(jù)、骨架數(shù)據(jù)以及深度圖像數(shù)據(jù)；
G、Kinect傳感器把獲取到的上肢關(guān)節(jié)的彩色圖像數(shù)據(jù)、骨架數(shù)據(jù)以及深度圖像數(shù)據(jù)通過USB接口傳遞給體感接口庫，應(yīng)用程序通過體感接口獲取這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判定，及時反饋出上肢關(guān)節(jié)活動度。 具體的判定過程如下
(1)、上肢運動平面的深度判定
在上肢關(guān)節(jié)活動度測量中，上肢運動平面為人體冠狀面，其法線方向為Z軸方向，沿Z軸方向分別設(shè)置前判定平面和后判定平面，前判定平面和后判定平面均為人體冠狀面的平行面，對上肢關(guān)節(jié)點的深度值進(jìn)行檢測，并由人機(jī)交互界面?zhèn)鬟_(dá)判定信息，提示受測者按規(guī)范要求測量，Kinect傳感器分別獲取肩關(guān)節(jié)點Pc^肘關(guān)節(jié)點P1、腕關(guān)節(jié)點P2和中指指尖節(jié)點P3的深度值Z(Ptl)、Z(P1)、Z(P2)及Z(P3)，為確保實際測量時被測者上肢動作的準(zhǔn)確程度，同時又要避免產(chǎn)生明顯的測量誤差，設(shè)定前判定平面與后判定平面距人體冠狀面的距離均為 L，當(dāng) Max(Z(P。)，Z(P1), Z(P2), Z(P3))- Min(Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z(P3))彡 L時，上肢運動符合規(guī)范，可順利進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度測量；當(dāng)MaWZT^，Z(P1), Z(P2), Z(P3))-Min(Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z(P3)) > L時，上肢運動偏離規(guī)定范圍，系統(tǒng)報錯并糾正動作；
(2)、上肢伸直程度的線性插值判定
在上肢關(guān)節(jié)活動度測量中需要進(jìn)行手臂伸直程度的判斷，肩關(guān)節(jié)活動度的測量建立在手臂伸直的基礎(chǔ)之上，而肘關(guān)節(jié)活動度的測量需要前臂伸直，設(shè)手臂的肩、肘、腕及中指尖關(guān)節(jié)點分別為點W2和P3，在Ptl與P3的連線上插入點F1與F2, F1和F2分別是P1和P2在線段PqP3上的投影，對PpP2與線段PqP3的共線程度進(jìn)行計算線段F1P1和線段F2P2值大于預(yù)設(shè)值的范圍，測量系統(tǒng)提示手臂未伸直不能進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度測量；點P:、P2> P3運動到點P/、P；、P3’位置，P；和P2’在P; P3’上的投影為F/、F2’，線段F/ P；和線段F2’ P；值小于預(yù)設(shè)值的范圍，通過線性插值修正，修改節(jié)點數(shù)據(jù)獲得共線的點Po”、P/’、P2”和P3”，對手臂關(guān)節(jié)節(jié)點顯示進(jìn)行修正。由于Kinect傳感器的節(jié)點是根據(jù)對空間散斑進(jìn)行編碼獲取的，衣著、背景等外部因素會影響原始圖像、深度信息的準(zhǔn)確性，預(yù)設(shè)值的設(shè)置可以抵消這一不利因素，同時還可以避免采用點重合判定過于苛刻的缺點，使得手臂伸直程度的判定更符合現(xiàn)實情況；
(3)、關(guān)節(jié)活動度的非線性插值修正
從Kinect傳感器捕捉的節(jié)點信息由于受到多種因素的干擾，直接應(yīng)用NUI API提供的數(shù)據(jù)會帶來測量上的誤差，因此需要對關(guān)節(jié)點和所測活動度值在算法上進(jìn)行修正，在修正算法前需要進(jìn)行校正測量，其中Ps為靜關(guān)節(jié)點，Pm為動關(guān)節(jié)點，首先利用Kinect傳感器記錄選定的動關(guān)節(jié)點的位置Pmi至Pmi+4,并確保動關(guān)節(jié)點X坐標(biāo)值間距相等，利用體感接口NUI API獲得的原始關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)計算關(guān)節(jié)點的角度值,得到一條不規(guī)則的函數(shù)曲線y=p (X),獲取y=P(x)離散點數(shù)據(jù)，構(gòu)造拉格朗日插值多項式(η次多項式，η > 2)
權(quán)利要求
1.一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，其特征在于具體步驟如下 A、在裝有Windows7操作系統(tǒng)的計算機(jī)上安裝Kinect For Windows SDK, Kinect ForWindows SDK包含了 Kinect傳感器的驅(qū)動程序、Kinect傳感器接口和應(yīng)用程序編程接口API及相關(guān)文檔； B、用戶通過計算機(jī)上的界面選擇測量科目，所述測量科目包括左肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展、右肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展、左肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、右肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、左肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展、右肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展、左腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸、右腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸、左腕關(guān)節(jié)橈偏/尺偏、右腕關(guān)節(jié)橈偏/尺偏； C、用戶根據(jù)計算機(jī)界面的提示確定測量的初始體位，執(zhí)行上肢體運動； D、Kinect傳感器利用紅外線發(fā)射器發(fā)出的連續(xù)光照射在用戶的被測量處，通過紅外線CMOS攝像機(jī)記錄測量空間的每一個散斑，結(jié)合原始散斑圖案，對測量空間進(jìn)行編碼； E、Kinect傳感器中的感應(yīng)器讀取編碼的光線，由Kinect傳感器中的芯片運算進(jìn)行解碼，生成所需的上肢關(guān)節(jié)的彩色圖像數(shù)據(jù)、骨架數(shù)據(jù)和深度圖像數(shù)據(jù)； F、通過KinectFor Windows SDK獲取用戶上肢關(guān)節(jié)的彩色圖像數(shù)據(jù)、骨架數(shù)據(jù)以及深度數(shù)據(jù)； G、Kinect傳感器把獲取到的上肢關(guān)節(jié)的彩色圖像數(shù)據(jù)、骨架數(shù)據(jù)以及深度數(shù)據(jù)通過USB接口傳遞給體感接口庫，應(yīng)用程序通過體感接口獲取這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判定，及時反饋出上肢關(guān)節(jié)活動度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，其特征在于步驟G中的具體判定過程如下 (A)、上肢運動平面的深度判定 在上肢關(guān)節(jié)活動度測量中，上肢運動平面為人體冠狀面(1)，其法線方向為Z軸方向，沿Z軸方向分別設(shè)置前判定平面(2)和后判定平面(3)，所述前判定平面(2)和所述后判定平面(3 )均為所述人體冠狀面(I)的平行面，對上肢關(guān)節(jié)點的深度值進(jìn)行檢測，并由人機(jī)交互界面?zhèn)鬟_(dá)判定信息，提示受測者按規(guī)范要求測量，Kinect傳感器分別獲取肩關(guān)節(jié)點Ptl、肘關(guān)節(jié)點P1、腕關(guān)節(jié)點P2和中指指尖節(jié)點P3的深度值Z (P0)、Z (P1)、Z (P2)及Z (P3)，為確保實際測量時被測者上肢動作的準(zhǔn)確程度，同時又要避免產(chǎn)生明顯的測量誤差，設(shè)定所述前判定平面(2 )與所述后判定平面(3 )距所述人體冠狀面(I)的距離均為L，當(dāng)Max (Z (P0)，Z (P1)，Z(P2), Z(P3))- Min (Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z (P3))彡L時，上肢運動符合規(guī)范，可順利進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度測量；當(dāng) Max (Z(Ptl)，Z(P1), Z(P2), Z(P3))- Min (Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z(P3))> L時，上肢運動偏離規(guī)定范圍，系統(tǒng)報錯并糾正動作； (B)、上肢伸直程度的線性插值判定 在上肢關(guān)節(jié)活動度測量中需要進(jìn)行手臂伸直程度的判斷，肩關(guān)節(jié)活動度的測量需手臂伸直，肘關(guān)節(jié)活動度的測量需要前臂伸直，設(shè)手臂的肩、肘、腕及中指尖關(guān)節(jié)點分別為點Po、P” P2和P3,在P0與P3的連線上插入點F1與F2, F1和F2分別是P1和P2在線段P0P3上的投影，對Pp P2與線段PtlP3的共線程度進(jìn)行計算線段F1P1和線段F2P2值大于預(yù)設(shè)值的范圍，測量系統(tǒng)提示手臂未伸直不能進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度測量；APi、P2、P3運動到點P/、P2’、P3’位置，P；和P2’在Po’ P3’上的投影為F/、F；，線段F/ P；和線段F2’ P；值小于預(yù)設(shè)值的范圍，通過線性插值修正，修改節(jié)點數(shù)據(jù)獲得共線的點Ptl^P1 ”、P2”和P3”，對手臂關(guān)節(jié)節(jié)點顯示進(jìn)行修正； (C)、關(guān)節(jié)活動度的非線性插值修正 對上述獲得的關(guān)節(jié)點和所測活動度值在算法上進(jìn)行修正，在修正算法前需要進(jìn)行校正測量，其中PS為靜關(guān)節(jié)點，Pm為動關(guān)節(jié)點，首先利用Kinect傳感器記錄選定的動關(guān)節(jié)點的位置Pmi至Pmi+4，并確保動關(guān)節(jié)點X坐標(biāo)值間距相等，利用體感接口獲得的原始關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)計算關(guān)節(jié)點的角度值，得到一條不規(guī)則的函數(shù)曲線y=p(x)，獲取y=p(x)離散點數(shù)據(jù)，構(gòu)造拉格朗日插值多項式(η次多項式，η≥2)
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，其特征在于在一臺計算機(jī)上連接多個Kinect傳感器,用戶通過體感接口來訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，其特征在于當(dāng)用戶的執(zhí)行動作與測量要求不符時，計算機(jī)系統(tǒng)會發(fā)出報錯信息，并對用戶進(jìn)行動作糾正，幫助用戶更好地完成科目。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Kinect傳感器的上肢關(guān)節(jié)活動度測量方法，它包括了測量肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展、內(nèi)收/外展，肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展，腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸以及橈偏/尺偏等測量項目。測量時，采用體感人機(jī)交互方式，根據(jù)被測者的上肢動作，通過Kinect傳感器對上肢各關(guān)節(jié)進(jìn)行位置捕捉，實時記錄、計算及反饋關(guān)節(jié)活動度信息，自動完成測量，直觀實時獲得測量結(jié)果，操作簡單，便捷。用戶可自行選擇測量科目，在每個科目中，用戶根據(jù)提示確定測量的初始體位，執(zhí)行上肢運動。當(dāng)執(zhí)行動作與測量要求不符時，系統(tǒng)報錯并及時提示和糾正用戶不合理的測量動作和體姿。
文檔編號A61B5/103GK102824176SQ20121035608
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者瞿暢, 王君澤, 張小萍, 高瞻, 丁晨 申請人:南通大學(xué)