专利名称：一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法
技术领域：
本发明涉及到医学信息智能处理领域，具体来说涉及一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法。
背景技术：
关节活动度(ROM)是指关节运动时所通过的运动弧或角度。在康复医学上，为确定有无关节活动障碍及障碍程度，为选择治疗方法提供参考，需要进行关节活动度检查与评定。关节活动度检查是各种原因引起肢体活动功能障碍时最常用的检查方法，分为主动关节活动度检查和被动关节活动度检查，前者是由肌肉主动收缩产生的，后者则完全由外力产生，无随意肌肉活动。关节活动度评定是指运用一定的工具测量特定体位下关节的最大活动范围，从而对关节的功能做出判断。上肢关节活动度测量是进行关节活动度检查与评定的重要手段。
传统的关节活动度测量时，传统的测量工具有通用量角器、方盘量角器以及电子量角器。通用量角器由一个标有指针的移动臂和一个附有刻度盘的固定臂构成，两臂于一端以活动铰链连接，是临床上最常用的测量关节角度的器械。方盘量角器的中央是一个有圆形分角刻度的正方形刻度盘，其底部有左右对称的从O度 180度的刻度，中心安装一个可旋转的指针。而电子量角器固定于被测的关节，其原理是传感器的电阻根据运动角度的变化而变化，并在显示器上显示相应角度数值。采用传统的测量工具有其自身的缺陷。首先，用传统的测量工具进行关节活动度测量必须严格操作，应由专人负责，以保证测量的准确性。其次，量角器活动臂、固定臂和旋转中心的放置均受肢体软组织的存在形态而不同程度地受到影响。清华大学的胡海滔等人利用数码照相机拍摄，直接在图像上量出关节活动的角度。这种方法由于数码相机的存储卡容量有限，在拍摄一定数量的照片后需要取出存储卡将数据传输到计算机，在测量的实时性与便捷性上存在较大的问题。天津科技大学的张建国等人分别基于三维摄像测量系统和电磁跟踪系统进行人体上肢运动测量。他们采用普通摄像机构建了三维摄像分析测量系统，对人体上肢运动进行测量分析。他们利用电磁传感器测量肘、腕关节屈/伸轴实际方向，给出关节依次绕两根互不垂直的轴旋转的关节活动角度新算法。无论是三维摄像测量系统还是电磁跟踪系统，都需要在软硬件上进行较大的投入，在应用与普及方面有较大的局限性。
发明内容
本发明提出了一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，采用体感交互技术，由用户的上肢动作与计算机交互，对上肢各关节进行位置捕捉，实时记录、计算及反馈关节活动度信息，并能及时提示纠正用户的不合理测量动作。本发明通过以下的技术方案实现的
一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，具体步骤如下A、在装有Windows7操作系统的计算机上安装Kinect For Windows SDK, Kinect ForWindows SDK包含了 Kinect传感器的驱动程序、Kinect传感器接口和应用程序编程接口API及相关文档；
B、用户通过计算机上的界面选择测量科目，所述测量科目包括左肩关节屈曲/伸展、右肩关节屈曲/伸展、左肩关节内收/外展、右肩关节内收/外展、左肘关节屈曲/伸展、右肘关节屈曲/伸展、左腕关节掌屈/背伸、右腕关节掌屈/背伸、左腕关节桡偏/尺偏、右腕关节桡偏/尺偏；
C、用户根据计算机界面的提示确定测量的初始体位，执行上肢体运动；
D、Kinect传感器利用红外线发射器发出的连续光照射在用户的被测量处，通过红外线CMOS摄像机记录测量空间的每一个散斑，结合原始散斑图案，对测量空间进行编码；
E、Kinect传感器中的感应器读取编码的光线，由Kinect传感器中的芯片运算进行解 码，生成所需的上肢关节的彩色图像数据、骨架数据和深度图像数据；
F、通过KinectFor Windows SDK获取用户上肢关节的彩色图像数据、骨架数据以及深度图像数据；
G、Kinect传感器把获取到的上肢关节的彩色图像数据、骨架数据以及深度图像数据通过USB接口传递给体感接口库，应用程序通过体感接口获取这些数据，并进行判定，及时反馈出上肢关节活动度。 具体的判定过程如下
(1)、上肢运动平面的深度判定
在上肢关节活动度测量中，上肢运动平面为人体冠状面，其法线方向为Z轴方向，沿Z轴方向分别设置前判定平面和后判定平面，前判定平面和后判定平面均为人体冠状面的平行面，对上肢关节点的深度值进行检测，并由人机交互界面传达判定信息，提示受测者按规范要求测量，Kinect传感器分别获取肩关节点Pc^肘关节点P1、腕关节点P2和中指指尖节点P3的深度值Z(Ptl)、Z(P1)、Z(P2)及Z(P3)，为确保实际测量时被测者上肢动作的准确程度，同时又要避免产生明显的测量误差，设定前判定平面与后判定平面距人体冠状面的距离均为 L，当 Max(Z(P。)，Z(P1), Z(P2), Z(P3))- Min(Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z(P3))彡 L时，上肢运动符合规范，可顺利进行关节活动度测量；当MaWZT^，Z(P1), Z(P2), Z(P3))-Min(Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z(P3)) > L时，上肢运动偏离规定范围，系统报错并纠正动作；
(2)、上肢伸直程度的线性插值判定
在上肢关节活动度测量中需要进行手臂伸直程度的判断，肩关节活动度的测量建立在手臂伸直的基础之上，而肘关节活动度的测量需要前臂伸直，设手臂的肩、肘、腕及中指尖关节点分别为点W2和P3，在Ptl与P3的连线上插入点F1与F2, F1和F2分别是P1和P2在线段PqP3上的投影，对PpP2与线段PqP3的共线程度进行计算线段F1P1和线段F2P2值大于预设值的范围，测量系统提示手臂未伸直不能进行关节活动度测量；点P:、P2> P3运动到点P/、P；、P3’位置，P；和P2’在P; P3’上的投影为F/、F2’，线段F/ P；和线段F2’ P；值小于预设值的范围，通过线性插值修正，修改节点数据获得共线的点Po”、P/’、P2”和P3”，对手臂关节节点显示进行修正。由于Kinect传感器的节点是根据对空间散斑进行编码获取的，衣着、背景等外部因素会影响原始图像、深度信息的准确性，预设值的设置可以抵消这一不利因素，同时还可以避免采用点重合判定过于苛刻的缺点，使得手臂伸直程度的判定更符合现实情况；
(3)、关节活动度的非线性插值修正
从Kinect传感器捕捉的节点信息由于受到多种因素的干扰，直接应用NUI API提供的数据会带来测量上的误差，因此需要对关节点和所测活动度值在算法上进行修正，在修正算法前需要进行校正测量，其中Ps为静关节点，Pm为动关节点，首先利用Kinect传感器记录选定的动关节点的位置Pmi至Pmi+4,并确保动关节点X坐标值间距相等，利用体感接口NUI API获得的原始关节点数据计算关节点的角度值,得到一条不规则的函数曲线y=p (X),获取y=P(x)离散点数据，构造拉格朗日插值多项式(η次多项式，η > 2)
权利要求
1.一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，其特征在于具体步骤如下 A、在装有Windows7操作系统的计算机上安装Kinect For Windows SDK, Kinect ForWindows SDK包含了 Kinect传感器的驱动程序、Kinect传感器接口和应用程序编程接口API及相关文档； B、用户通过计算机上的界面选择测量科目，所述测量科目包括左肩关节屈曲/伸展、右肩关节屈曲/伸展、左肩关节内收/外展、右肩关节内收/外展、左肘关节屈曲/伸展、右肘关节屈曲/伸展、左腕关节掌屈/背伸、右腕关节掌屈/背伸、左腕关节桡偏/尺偏、右腕关节桡偏/尺偏； C、用户根据计算机界面的提示确定测量的初始体位，执行上肢体运动； D、Kinect传感器利用红外线发射器发出的连续光照射在用户的被测量处，通过红外线CMOS摄像机记录测量空间的每一个散斑，结合原始散斑图案，对测量空间进行编码； E、Kinect传感器中的感应器读取编码的光线，由Kinect传感器中的芯片运算进行解码，生成所需的上肢关节的彩色图像数据、骨架数据和深度图像数据； F、通过KinectFor Windows SDK获取用户上肢关节的彩色图像数据、骨架数据以及深度数据； G、Kinect传感器把获取到的上肢关节的彩色图像数据、骨架数据以及深度数据通过USB接口传递给体感接口库，应用程序通过体感接口获取这些数据，并进行判定，及时反馈出上肢关节活动度。
2.根据权利要求I所述一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，其特征在于步骤G中的具体判定过程如下 (A)、上肢运动平面的深度判定 在上肢关节活动度测量中，上肢运动平面为人体冠状面(1)，其法线方向为Z轴方向，沿Z轴方向分别设置前判定平面(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 )均为所述人体冠状面(I)的平行面，对上肢关节点的深度值进行检测，并由人机交互界面传达判定信息，提示受测者按规范要求测量，Kinect传感器分别获取肩关节点Ptl、肘关节点P1、腕关节点P2和中指指尖节点P3的深度值Z (P0)、Z (P1)、Z (P2)及Z (P3)，为确保实际测量时被测者上肢动作的准确程度，同时又要避免产生明显的测量误差，设定所述前判定平面(2 )与所述后判定平面(3 )距所述人体冠状面(I)的距离均为L，当Max (Z (P0)，Z (P1)，Z(P2), Z(P3))- Min (Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z (P3))彡L时，上肢运动符合规范，可顺利进行关节活动度测量；当 Max (Z(Ptl)，Z(P1), Z(P2), Z(P3))- Min (Z(P0), Z(P1), Z(P2), Z(P3))> L时，上肢运动偏离规定范围，系统报错并纠正动作； (B)、上肢伸直程度的线性插值判定 在上肢关节活动度测量中需要进行手臂伸直程度的判断，肩关节活动度的测量需手臂伸直，肘关节活动度的测量需要前臂伸直，设手臂的肩、肘、腕及中指尖关节点分别为点Po、P” P2和P3,在P0与P3的连线上插入点F1与F2, F1和F2分别是P1和P2在线段P0P3上的投影，对Pp P2与线段PtlP3的共线程度进行计算线段F1P1和线段F2P2值大于预设值的范围，测量系统提示手臂未伸直不能进行关节活动度测量；APi、P2、P3运动到点P/、P2’、P3’位置，P；和P2’在Po’ P3’上的投影为F/、F；，线段F/ P；和线段F2’ P；值小于预设值的范围，通过线性插值修正，修改节点数据获得共线的点Ptl^P1 ”、P2”和P3”，对手臂关节节点显示进行修正； (C)、关节活动度的非线性插值修正 对上述获得的关节点和所测活动度值在算法上进行修正，在修正算法前需要进行校正测量，其中PS为静关节点，Pm为动关节点，首先利用Kinect传感器记录选定的动关节点的位置Pmi至Pmi+4，并确保动关节点X坐标值间距相等，利用体感接口获得的原始关节点数据计算关节点的角度值，得到一条不规则的函数曲线y=p(x)，获取y=p(x)离散点数据，构造拉格朗日插值多项式(η次多项式，η≥2)
3.根据权利要求I所述一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，其特征在于在一台计算机上连接多个Kinect传感器,用户通过体感接口来访问相应的数据。
4.根据权利要求I所述一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，其特征在于当用户的执行动作与测量要求不符时，计算机系统会发出报错信息，并对用户进行动作纠正，帮助用户更好地完成科目。
全文摘要
本发明公开了一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，它包括了测量肩关节屈曲/伸展、内收/外展，肘关节屈曲/伸展，腕关节掌屈/背伸以及桡偏/尺偏等测量项目。测量时，采用体感人机交互方式，根据被测者的上肢动作，通过Kinect传感器对上肢各关节进行位置捕捉，实时记录、计算及反馈关节活动度信息，自动完成测量，直观实时获得测量结果，操作简单，便捷。用户可自行选择测量科目，在每个科目中，用户根据提示确定测量的初始体位，执行上肢运动。当执行动作与测量要求不符时，系统报错并及时提示和纠正用户不合理的测量动作和体姿。
文档编号A61B5/103GK102824176SQ20121035608
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者瞿畅, 王君泽, 张小萍, 高瞻, 丁晨 申请人:南通大学