一种下肢功能测试指标的测试方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】本申请的下肢功能评测方法，首先获取被测试者的RGB图像和景深图像，确定出被测试者的初始身体图像，根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标并保存起来用于后续的计算使用，再获取3D图像传感器实时拍摄的被测试者的待测试指标用身体图像，基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值。克服了现有技术中时，需要人工较大程度参与的技术缺陷，提升了测试的一致性和准确性，同时使得测试过程更简单。
【专利说明】一种下肢功能测试指标的测试方法、装置及系统
【技术领域】
[0001] 本申请涉及康复学领域，尤其涉及一种下肢功能测试指标的测试方法、装置及系 统。
【背景技术】
[0002] 物理治疗（PT,physical therapy)是康复医学的主要组成部分。对病人机体功能 进行评测是物理治疗的重要环节，目前，在对病人进行康复治疗前，医生要先对病人的机体 功能进行评测。在进行物理治疗时，为了评估治疗的进展也要进行定期评测。
[0003] 目前，对人体下肢的功能评测主要有五个指标，包括：膝关节角度、坐-站测试、单 腿站立平衡时间、起-走时间测试、4米步行时间。
[0004] 膝关节角度测量方法，医学界比较成熟的主要有两类。第一类是利用量角器进行 测量。但是，传统量角器方法是在病人体表画出两条直线，并在关节处定一个中心点，然后 用量角器贴于体表进行测量，根据操作者的实际经验，测量的准确度区别较大，该方案也需 要人工操作，不同经验的测试人员测量准确度差别较大。第二类测量角度方法是传感器方 案，在人体捆绑传感器，但由于捆绑传感器的部位不同对测试结果有很大影响，容易引起测 试误差，导致评测的准确性低。其他四个指标（坐-站测试、单腿站立平衡时间、起-走时 间测试、4米步行时间）当前测试方法是人工秒表计时和人工计数方式，记录繁琐、会引入 人为计时误差，甚至有可能会计数有误。
[0005] 可见，现有技术均需要人工较大程度参与，评测的结果受人为的影响较大，导致评 测误差大，准确性低。
【发明内容】
[0006] 本申请提供一种下肢功能测试指标的测试方法、装置及系统，能够自动对下肢功 能进行评测，评测结果准确、一致性好。
[0007] 根据本申请的第一方面，本申请提供一种下肢功能评测方法，包括：获取3D图像 传感器输出的被测试者的初始身体图像；根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预 定部位的初始坐标；获取3D图像传感器实时拍摄的被测试者的待测试指标用身体图像；基 于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值。
[0008] 根据本申请的第二方面，本申请提供一种下肢功能测试指标的测试装置，包括：获 取单元，用于获取3D图像传感器输出的被测试者的初始身体图像；确定单元，用于根据所 述初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标；第二获取单元，获取3D图像 传感器实时拍摄的被测试者的待测试指标用身体图像；计算单元，用于基于初始坐标和实 时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值。
[0009] 根据本申请的第三方面，本申请提供一种下肢功能测试指标的测试系统，包括：3D 图像传感器及处理器；3D图像传感器，用于摄取被测试者的初始身体图像及待测试指标用 身体图像并输出到所述处理器中；处理器，用于获取3D图像传感器输出的被测试者的初始 身体图像，根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标；基于初始坐 标和待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值。
[0010] 本申请的下肢功能评测方法、装置及系统，首先获取被测试者的RGB图像和景深 图像，确定出被测试者的初始身体图像，根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预定 部位的初始坐标并保存起来用于后续的计算使用，再获取3D图像传感器实时拍摄的被测 试者的待测试指标用身体图像，基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待 测试指标的测试值。克服了现有技术中时，需要人工较大程度参与的技术缺陷，提升了测试 的一致性和准确性，同时使得测试过程更简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将 变得明显和容易理解，其中：
[0012] 图1为本申请实施例一的方法流程图；
[0013] 图2为图1的步骤104的方法流程图；
[0014] 图3A-3R为本申请实施例二的膝关节测量的解说图；
[0015] 图4为图1的步骤104的另一方法流程图；
[0016] 图5为图1的步骤104的另一方法流程图；
[0017] 图6为图1的步骤104的另一方法流程图；
[0018] 图7为图1的步骤104的另一方法流程图；
[0019] 图8为本申请实施例的装置结构图；
[0020] 图9为本申请实施例的另一装置结构图；
[0021] 图10为本申请实施例的系统结构图。
【具体实施方式】
[0022] 下面通过【具体实施方式】结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请提供一种下 肢功能测试指标的测试方法、装置及系统，可以对人体下肢功能进行评测，提升评测一致性 及准确性。
[0023] 实施例一：
[0024] 请参阅图1，图1为本申请实施例一的方法流程图，如图1所示，本申请实施例提供 一种下肢功能测试指标的测试方法，包括：利用至少一个测试指标的测试值对所述下肢功 能进行评测，具体可以包括以下步骤：
[0025] S101、获取3D(三维）图像传感器输出的被测试者的初始身体图像。
[0026] 具体地，本申请实施例的3D(三维）图像传感器可以优选利用Kinect图像传感器 设备来获取被测试者的RGB图像和景深图像。
[0027] Kinect图像传感器设备可以准确获取被测试者的初始身体图像并能确定出被测 试者身体上预定部位的初始坐标。
[0028] S102、根据初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标。
[0029] 其中，RGB图像和景深图像共同构成可以得到被测试者的三维图像，因此，可以获 取被测试者身体各部位任意一点的三维坐标。
[0030] S103、获取3D图像传感器实时拍摄的被测试者的待测试指标用身体图像。
[0031] S104、基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试 值。
[0032] 本申请实施例中，利用膝关节角度、坐站次数、单腿站立时间、起走时间、以及4米 步行时间五个测试指标的至少一个测试指标的测试结果对下肢功能进行综合评测。
[0033] 为了对每个测试指标更准确地进行测试，可以将每个测试指标的测试过程分别写 入到一个API中。当接收到外部输入的指示对某个测试指标进行测试时，调用与该测试指 标对应的API，对被测试者的该测试指标进行计算。根据测试指标，从被测试者的初始身体 图像中提取出若干个初始坐标，根据测试指标的不同，调用不同的API进行计算。将所述测 试坐标输入到所述对应的API，计算得到所述待测的测试指标的测试值，以利用所述测试值 对所述待测的测试指标进行评测。
[0034] 由于本实施例方法可以准确地找到人体各个部位的三维坐标，因此对每个测试指 标的计算结果都更为精确，并且保证评测的一致性，进而提升下肢功能评测的准确性。
[0035] 本申请的下肢功能评测方法，首先获取被测试者的RGB图像和景深图像，确定出 被测试者的初始身体图像，根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始 坐标并保存起来用于后续的计算使用，再获取3D图像传感器实时拍摄的被测试者的待测 试指标用身体图像，基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的 测试值。克服了现有技术中时，需要人工较大程度参与的技术缺陷，提升了测试的一致性和 准确性，同时使得测试过程更简单。
[0036] 实施例二：
[0037] 请一并参阅图2,图2为图1的步骤104的方法流程图。本申请实施例二与实施例 一步骤基本相同，区别在于，实施例二的测试指标为膝关节角度。初始身体图像为身体侧面 站立图像，待测试指标用身体图像为身体侧面站立图像和身体侧面坐下图像，所述身体侧 面站立图像和身体侧面坐下图像包含被测试者的待测试的下肢的侧面图像。
[0038] 其中，侧身的人体图像包含被测试者的待测试的下肢的侧面图像。待测试的下肢 可以是例如：正在进行物理治疗的患者的患腿。
[0039] 本实施例以通过Kinect传感器获取被测试者的RGB图像和景深图像进行举例，通 过Kinect传感器获取被测试者的待测的下肢的侧面图像。
[0040] 具体地，实施例一的步骤104 :基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计 算所述待测试指标的测试值可以包括以下步骤：
[0041] 106、基于初始坐标和身体侧面直立图像，测量被测试者侧身站立时的下肢坐标。
[0042] 在执行步骤106之前，可以执行步骤：抠除被测试者的另一下肢的图像。抠除另一 下肢的图像，可以减少采集待测试下肢的坐标时的干扰，提升坐标获取的准确度。
[0043] 106A、被测试者侧身站立时的下肢坐标包括：站立时臀部边缘点的坐标、站立时小 腿最窄处中心点的坐标以及站立时膝盖附近最窄处中心点的坐标。
[0044] 如图3A所示,本实施例以A表示站立时臀部边缘点的坐标，B表示站立时小腿最 窄处中心点的坐标，C表示站立时膝盖附近最窄处中心点的坐标，D表示脚底点的坐标。
[0045] 将B和C连接，所得的连线与水平线的夹角标记为Θ，将h表示为被测试者站立 时，小腿最窄处中心点B到脚底点D高度。h2表示被测试者站立时，臀部边缘点A到脚底点 D高度。
[0046] 106B、获取并存储被测试者人体图像上每一像素行的人体宽度及该像素行中的中 点坐标相对脚低点坐标的高度。
[0047] 107、根据所述站立时的下肢坐标，确定被测试者坐下时，小腿最窄处中心点坐标、 膝盖中心点坐标以及大转子的坐标。
[0048] 107A、小腿最窄处中心点坐标。
[0049] 107A1、首先确定被测试者坐下时，脚底点的坐标。
[0050] 考虑到患者的下肢的受伤情况以及恢复程度的不同，本实施例提供了人体脚部分 别处于三种姿势时，脚底点的坐标的测量方法，包括：
[0051] 脚掌着地时的脚底点坐标Dl (如图3B)、脚尖抬起时的脚底点坐标D2(如图3C) 以及脚后跟抬起时的脚底点坐标D3(如图3D)。显然，D2、D3可以比较直观地由人体三维 坐标信息推算得到。而由于Dl是脚掌着地时的脚底点坐标，在图像的实际采集过程中，脚 掌的图像可能会部分缺失，导致Dl的坐标不易被找准，因此，本实施例的Dl具体可以根据 Kinect摄像头与地面的距离进而定位得出。
[0052] 107A2、确定坐下时，脚掌着地时、脚尖抬起时以及脚后跟抬起时的小腿倾斜度。
[0053] 如图3E-3G所示，本实施例提供以下方法，用以测量小腿倾斜度，本实施例方法对 于脚掌着地时（图3E)、脚尖抬起时（图3F)以及脚后跟抬起时（图3G)均适用：找准小腿 后边缘上一定距离的两点坐标Bl和B2,将Bl和B2连接，Bl和B2连线与水平线的夹角记 为α，即为小腿的倾斜度。脚掌着地时、脚尖抬起时以及脚后跟抬起时的小腿倾斜度均适用 于以上方法。
[0054] 值得提出的是，上述测量小腿倾斜度的【具体实施方式】仅仅是其中的一个具体实施 例，该具体实施例意在对上述步骤进行具体阐明，并不构成具体限定。
[0055] 107Α3、根据步骤106Α中计算出的站立时小腿最窄处中心点B与脚站立时的脚底 点D之间的长度差h，结合步骤107Α2确定的小腿倾斜角度α，算出坐下时，脚底点与小腿 最窄点的高度差匕=Ii 1Xsin(Ci)，遍历小腿区域，找出满足此高度差的小腿后边缘点Β3， 进而再根据步骤106Β中存储的小腿最窄处的宽度，确定出坐时小腿最窄处中心点坐标M。 同样，上述方法对脚掌着地、脚尖抬起和脚后跟抬起均适用，如图3Η (脚着地）、图31 (脚尖 抬起）和图3J (脚后跟抬起）所不。
[0056] 107Β、膝盖中心点坐标
[0057] 107Β1、确定坐时大腿倾斜度。
[0058] 根据获取的人体三维坐标信息辅助定位，找出大腿上边缘的间隔一定距离的两个 点C1、C2,计算出该两点连线与水平线的夹角β，如图3Κ所示。
[0059] 107Β2、确定坐时膝盖切点位置。
[0060] 将107Α2中找出的小腿后边缘两点Bl和Β2连线平移后（如图3L中的线5)，与 步骤107Β1找出的大腿上边缘两点C1、C2连线相交，绘制出该两连线的角平分线1，如图3L 中" 1"所示，再做与该角平分线互相垂直的切线，如图3L中的线"2"所示，将该切线按"3" 箭头方向从上至下平移，当初次与患腿相交时的点即为膝盖切点，如图3L中的点"4"所示。
[0061] 107B3、确定坐时膝盖中点坐标。
[0062] 根据106B中存储的膝盖点宽度（此处标记为W2)，将107B2中确定的膝盖切点"4" 沿着图3M中角平分线" 1"的方向平移W2距离即为坐时膝盖中点坐标C3。
[0063] 107C、确定大转子的坐标
[0064] 根据106确定的坐时脚底坐标Dl、D2或D3和107B确定的坐时膝盖中心点坐标 C3,可算出坐下时，被测试下肢处于不同姿势时，脚底点到膝盖点距离，记为L3，再根据106A 存储的站立时臀部边缘点A与脚底点Dl、D2或D3的高度度差h2，可算出坐时臀部A点与膝 盖中心点C3距离记为L 4 = h2-L3，所以大转子的ROI区域可以根据坐时膝盖点、臀部点和站 立时106B存储的臀部位置的宽度来确定。
[0065] 107C1、初步确定大转子坐标点。
[0066] 采用皮肤检测算法，识别出医生指尖指向的大转子坐标点所在的位置E，计算并存 储此时大转子坐标点E与膝盖中心点C3的距离记为L5，如图3N所示。
[0067] 107C2、取大腿上某一点坐标辅助点定位。根据107C1存储的大转子点坐标E与 107B确定的坐时膝盖中心点坐标C3,将其两点连线并取连线的靠近膝盖点的四分之一处 的点如图30中"5"，再从该点作与地面垂直的线交于大腿上边缘点如图30中"6"长度记为 a，再从该点作交于大腿上边缘且与大腿上边缘垂直的线如图30中"7"长度即为X，则根据 步骤107B1算出来的大腿边缘与水平线的夹角β可求得x = aXcos(P)，其中a可由"6" 两端的大腿边缘点和四分之一处的点的坐标求得，存储算出的X值。
[0068] 107C3、确定不同大腿姿势和位置的大转子点。
[0069] 根据107B1算出来的大腿边缘与水平线的夹角、107C1存储的大转子与膝盖中心 点的距离L5和107C2存储的X，当大腿处于不同位置和姿势时，确定新的大转子点，确定方 式为：
[0070] ①根据膝盖中心点坐标找出大腿上满足与膝盖点距离为
【权利要求】
1. 一种下肢功能测试指标的测试方法，包括：利用至少一个测试指标的测试值对所述 下肢功能进行评测，其特征在于，包括： 获取3D图像传感器输出的被测试者的初始身体图像； 根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标； 获取3D图像传感器实时拍摄的被测试者的待测试指标用身体图像； 基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值。
2. 如权利要求1所述的下肢功能测试指标的测试方法，其特征在于，所述测试指标为 膝关节角度，所述初始身体图像为身体侧面站立图像，待测试指标用身体图像为身体侧面 站立图像和身体侧面坐下图像，所述身体侧面站立图像和身体侧面坐下图像包含被测试者 的待测试的下肢的侧面图像；基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测 试指标的测试值包括： 基于初始坐标和身体侧面直立图像，测量被测试者侧身站立时的待测试的下肢坐标， 所述站立时的下肢坐标包括：站立时臀部边缘点的坐标、站立时小腿最窄处中心点的坐标 以及站立时膝盖附近最窄处的坐标； 根据所述侧身站立时的待测试的下肢坐标和身体侧面坐下图像，确定被测试者坐下 时，小腿最窄处中心点坐标、膝盖中心点坐标以及大转子的坐标； 根据坐下时所述小腿最窄处的中心点坐标、膝盖中心点坐标以及大转子的坐标，利用 余弦定理，计算大腿和小腿之间的角度； 医学上的膝关节角度为180度减去所述大腿和小腿之间的角度。
3. 如权利要求2所述的下肢功能测试指标的测试方法，其特征在于，确定被测试者坐 下时，大转子的坐标包括： 确定识别大转子位置的ROI区域； 采用皮肤检测算法，识别出医生指尖指向的大转子所在的位置； 将所述指向的大转子所在的位置与所述膝盖中心点连接，取连线上靠近膝盖距离为连 线总长的四分之一处作为辅助位置，计算所述辅助位置与大腿上边缘的距离； 根据所述辅助位置与大腿上边缘的距离以及所述指向的大转子所在的位置，计算出当 大腿处于不同姿势时的大转子的坐标。
4. 如权利要求1或2所述的下肢功能测试指标的测试方法，其特征在于，所述测试指标 为坐站次数，所述初始身体图像为身体侧面站立图像，待测试指标用身体图像为交替的身 体侧面站立图像和身体侧面坐下图像，所述身体侧面站立图像和身体侧面坐下图像包含被 测试者的待测试的上身的侧面图像；基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所 述待测试指标的测试值包括： 根据初始身体图像计算被测试者站立时，脖子点的纵向高度Yi、膝盖点的纵向高度Y2 以及臀部点的纵向高度Y3 ; 根据实时的待测试指标用身体图像，计算被测试者当前的脖子点的纵向高度Y，若r<K-I1"2-Kl，则判断被测试者的状态为坐下，坐下的次数加1;否则，判断被测试者的 状态为站立，站立次数加1; 统计预设的测试时间内被测试者的坐站次数。
5. 如权利要求1或2所述的下肢功能测试指标的测试方法，其特征在于，所述测试指标 为单腿站立时间，所述初始身体图像为身体正面站立图像，待测试指标用身体图像为身体 正面站立图像，所述身体正面站立图像包含被测试者的待测试的下肢的正面图像；基于初 始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值包括： 获取被测试者正面的人体图像，分别得到两腿的脚踝骨骼点的坐标； 当其中一腿的脚踝骨骼点的纵向坐标1大于另一腿的脚踝骨骼点的纵向坐标￥5，并且Y4_Y5的绝对值超过预设值时，则判断被测试者当前为单腿站立，并开始计时； 当Y4-Y5的绝对值不超过所述预设值时，判断被测试者当前为两腿站立，停止计时； 统计开始计时与停止计时的时间差，并将所述时间差作为单腿站立时间。
6. 如权利要求1或2所述的下肢功能测试指标的测试方法，其特征在于，所述测试指标 为起走时间，所述初始身体图像为身体侧面站立图像，待测试指标用身体图像为身体侧面 站立图像和身体侧面坐下图像，所述身体侧面站立图像和身体侧面坐下图像包含被测试者 的待测试的下肢的侧面图像；基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测 试指标的测试值包括： 记录被测试者坐下时的臀部点的纵向坐标Y6 ; 获取被测试者当前的臀部点的纵向坐标Y2，当Y2与Y6的差值大于一定值时，开始计 时； 当Y2与Y6的差值小于阈值时，停止计时，并统计所述起走时间。
7. 如权利要求1或2所述的下肢功能测试指标的测试方法，其特征在于，所述测试指标 为4米步行时间，所述初始身体图像为身体侧面站立图像，待测试指标用身体图像为身体 侧面站立图像，所述身体侧面站立图像包含被测试者的待测试的下肢的侧面图像；基于初 始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的测试值包括： 获取被测试者的脚踝骨骼点坐标，当所述脚踝骨骼点坐标的横向坐标位移超过预设阈 值时，判断被测试者开始行走； 当被测试者两腿的脚踝骨骼点的坐标稳定超过预设时间，则判断行走完毕； 计算开始行走与行走完毕之间的时间，从而得到4米步行时间。
8. -种下肢功能测试指标的测试装置，包括：利用至少一个测试指标的测试值对所述 下肢功能进行评测，其特征在于，包括： 获取单元，用于获取3D图像传感器输出的被测试者的初始身体图像； 确定单元，用于根据所述初始身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标； 第二获取单元，获取3D图像传感器实时拍摄的被测试者的待测试指标用身体图像； 计算单元，用于基于初始坐标和实时的待测试指标用身体图像计算所述待测试指标的 测试值。
9. 一种下肢功能测试指标的测试系统，其特征在于，包括：3D图像传感器及处理器； 所述3D图像传感器，用于摄取被测试者的初始身体图像及待测试指标用身体图像并 输出到所述处理器中； 所述处理器，用于获取3D图像传感器输出的被测试者的初始身体图像，根据所述初始 身体图像，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标；以及，基于初始坐标和待测试指标用 身体图像计算所述待测试指标的测试值。
10.如权利要求9所述的下肢功能测试指标的测试系统，其特征在于，包括：所述处理 器具体用于：通过逼近算法，确定被测试者身体上预定部位的初始坐标，所述预定部位包 括：膝盖中心点。
【文档编号】A61B5/00GK104274179SQ201410453244
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】胡波, 杨径, 李智民, 康智远, 卢海颜, 翟爱亭, 徐伟 申请人:深圳市职业病防治院, 深圳市创云世纪科技有限公司