基于运动特征和知识图谱的人体肌骨健康状况分析方法

谱的人体肌骨健康状况分析方法，基于生物力学的知识图谱，从肌肉、骨骼、关节 等角度解释造成典型生物力学特征的原因；运用人工智能运动医学分析引擎分析测 试者的动作模式，从而精准客观地评估骨肌系统损伤风险，实时出具详细的报告分 析，给予针对性干预方案。
附图说明
8.图1为基于运动特征和知识图谱的人体肌骨健康状况分析流程图。
具体实施方式
9.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
10.本发明提供的基于运动特征和知识图谱的人体肌骨健康状况分析方法，包括如 下步骤：
11.步骤s1：通过6轴惯性传感测量单元作为传感器，测量人体的姿态。一共包含 13个部分。13个传感器分别置于腰部中间，左右侧大腿中部、左右侧小腿中部、左 右脚面中部、前胸部、左右侧大臂中部、左右侧小臂中部、头部。
12.步骤s2：通过一系列测试动作，测量内容包括颈部活动度和下肢髋关节、膝关 节和踝关节活动度。各个关节活动度包括髋关节、膝关节、踝关节、颈部活动度， 髋关节活动度是腰部与大腿之间在矢状轴，冠状轴、垂直轴上的最大活动角度；同 理，膝关节是大腿与小腿之间的最大角度、踝关节是小腿和脚之间的最大角度、颈 部活动度是头部与胸部之间的最大角度。包括前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转六 个方向活动度。还包括耐力、力量、平衡、稳定性、爆发力等测试动作。
13.步骤s3：在测量所得到的活动度随时间变化的角度曲线中，计算得出角度-时间 变化过程中的变化峰值的数量、变化低谷的数量、变化峰值之间的过度变化极值的 大小等曲线特征，曲线的多重导数特征。
14.步骤s4：把这些特征输入到知识图谱中。首先通过某个关节活动度推导出控制 该关节活动度的相关肌肉有哪些；然后从这些相关肌肉出发，推导出进一步判断该 肌肉是否存在问题的相关活动度测试特征；再通过这些相关活动度测试特征判断某 块肌肉是否存在问题。最后通过多次二次确认后锁定准确的存在问题的肌肉。肌肉 问题包括肌肉紧张、肌力不足和肌无力。同样的，也可以通过该逻辑判断关节-骨骼 存在的问题。
15.本发明使用的知识图谱为人体骨骼运动知识图谱，所述人体骨骼运动知识图谱 以人体关节为节点建立对应的关节肌群以及关节肌肉功能；所述人体关节的节点类 型设置如下表所示。
[0016][0017]
步骤s5：在已知某个特定肌肉和骨骼存在问题的基础上，通过知识图谱给出当 前被测试者所患问题的严重程度。
[0018]
步骤s6：对被测试者的整体肌肉和骨骼进行分析，进行打分，最终生成评估报 告。
[0019]
本发明提供的基于运动特征和知识图谱的人体肌骨健康状况分析方法，具有如 下优点：
[0020]
1.基于人体运动数据中解析其典型的生物力学特征，从而建立人体的生物力学 特征与肌肉、骨骼、关节、神经支配之间的关系，该部分算法前人少有涉及，精确 性和全面性属于国际领先，并且在计算速度和稳定性全面领先同类产品。
[0021]
2.智能分析引擎的数据库目前已经积累超过两千例规模的东亚人种的生物力学 数据，规模位于世界前列，且还在不断积累。
[0022]
3.智能分析引擎在以肌肉、骨骼、关节、神经支配为主要关系的人体肌骨健康 系统的评估检测应用是一个相对崭新的领域，包括对精确数据采集、生物力学数据 分析、体姿体态矫正、脊柱关节影像等，暂无直接对标产品。
[0023]
4.人体的数据来源完全属于非侵入式的数据类型，其安全性、准确性、快速性 等方面全面超越同类型的产品应用。
[0024]
下面举个通过髋关节、膝关节、踝关节的关节活动度来判断臀大肌紧张、无力 程度的例子。
[0025]
第一步：通过6轴惯性传感测量单元作为传感器，测量人体的姿态。各个肢体 在t时刻的空间中的姿态表达式如下：
[0026]
rf(t)＝r(t)
×rsit
×ro
[0027]
其中rf为各个肢体的最终姿态的旋转矩阵表达式，ro为测量初始时刻的姿态旋转矩 阵,即为r(0)；r(t)为当前t时刻测量得到的姿态旋转矩阵；r
sit
为坐姿校准时刻所得 到旋转矩阵，用于修正由于传感器任意穿戴所引起的误差。
[0028]
第二步：采用深蹲、单腿蹲、站立直膝屈髋、足背屈等动作测量包括髋关节、 膝关节、踝关节的活动度和力量。
[0029]
第三步：在测量所得到的活动度随时间变化的角度曲线中，计算得出髋关节、 膝关节、踝关节角度-时间变化过程中的变化峰值的数量、变化低谷的数量、变化峰 值之间的过度变化极值的大小等曲线特征，曲线的多重导数特征。最终的在t时刻的 活动度如下：
[0030]
qf(t)＝[q
f1
(t) q
f2
(t) q
f3
(t) q
f4
(t)]
[0031]
其中：
[0032]qf1
(t)＝-q
o1
(q2q
sit2-q1q
sit1
+q3q
sit3
+q4q
sit4
)
ꢀ‑qo2
(q1q
sit2
+q2q
sit1
+q3q
sit4-q4q
sit3
)-q
o3
(q1q
sit3
+q3q
sit1
ꢀ‑
q2q
sit4
+q4q
sit2
)-q
o4
(q1q
sit4
+q2q
sit3-q3q
sit2
+q4q
sit1
)
[0033]qf2
(t)＝q
o1
(q1q
sit2
+q2q
sit1
+q3q
sit4-q4q
sit3
)-q
o2
(q2q
sit2-q1q
sit1
+q3q
sit3 +q4q
sit4
)-q
o3
(q1q
sit4
+q2q
sit3-q3q
sit2
+q4q
sit1
)+q
o4
(q1q
sit3 +q3q
sit1-q2q
sit4
+q4q
sit2
)
[0034]qf3
(t)＝q
o1
(q1q
sit3
+q3q
sit1-q2q
sit4
+q4q
sit2
)+q
o2
(q1q
sit4
+q2q
sit3-q3q
sit2 +q4q
sit1
)-q
o3
(q2q
sit2-q1q
sit1
+q3q
sit3
+q4q
sit4
)-q
o4
(q1q
sit2 +q2q
sit1
+q3q
sit4-q4q
sit3
)
[0035]qf3
(t)＝q
o1
(q1q
sit4
+q2q
sit3-q3q
sit2
+q4q
sit1
)-q
o2
(q1q
sit3
+q3q
sit1-q2q
sit4 +q4q
sit2
)+q
o3
(q1q
sit2
+q2q
sit1
+q3q
sit4-q4q
sit3
)-q
o4
(q2q
sit2
ꢀ‑
q1q
sit1
+q3q
sit3
+q4q
sit4
)
[0036]
q＝[q
1 q
2 q
3 q4]为当前时刻的四元数分量，qo＝[q
o1 q
o2 q
o3 q
o4
]为测量 初始时刻的姿态四元数分量；q
sit
＝[q
sit1 q
sit2 q
sit3 q
sit4
]为坐姿校准时刻所得 到四元数分量，用于修正由于传感器任意穿戴所引起的误差。
[0037]
第四步：若被测试者在深蹲测试中膝关节活动度角度达到正常人的平均水平， 则根据知识图谱所关联的关节-肌肉得出的结论，认为被测试者臀大肌紧张程度无问 题。若被测试在深蹲测试中膝关节活动度角度不及正常人平均水平，则根据知识图 谱所关联的关节-肌肉得出的结论，测试者膝关节的附近肌肉可能存在问题。相关肌 肉包括臀大肌、小腿三头肌、股四头肌等。肌肉可能存在紧张或者肌力不足等问题。
[0038]
第五步：通过知识图谱所关联的肌肉-关节方向对第四步所出现的相关肌肉进行 进一步的锁定和确认。根据知识图谱所关联的肌肉-关节得出，臀大肌的肌力情况可 以通过单腿蹲的膝关节活动度角度进行判断。单腿蹲角度为x，数据库的最大极限值 为θ＝140，数据库的阶梯值为δ＝20。股四头肌和臀肌无力程度的计算公式f(x)为：
[0039][0040]
若单腿蹲的膝关节活动度角度大于正常人平均水平，则臀大肌肌力正常。若单 腿蹲的膝关节活动度角度远小于正常人平均水平，则臀大肌肌力不足。
[0041]
第六步：深蹲测试中膝关节活动度角度异常可能是臀大肌、小腿三头肌、股四 头肌紧张所造成的，需要进一步进行筛选判断。根据知识图谱所关联的肌肉-关节得 出，小腿三头肌的紧张程度可以通过足背屈测试进行判断。步态的踝关节屈伸角度 为x，数据库的最大极限值为θ＝36，数据库的阶梯值为δ＝9。深蹲角度为y，数据 库的最大极限值为数据库的阶梯值为σ＝25。小腿三头肌紧张程度的计算 公式为g(x)：
[0042][0043][0044][0045]
若足背屈的角度大于正常人平均水平，则臀大肌或者股四头肌紧张，若足背屈 的角度远小于正常人平均水平，则小腿三头肌的紧张，臀大肌紧张程度需要进一步 判断。
[0046]
第七步：根据知识图谱所关联的肌肉-关节得出，臀部肌肉的紧张程度可以通过 站立直膝屈髋进行判断，若站立直膝屈髋角度大于正常人平均水平，且足背屈的角 度远小于正常人平均水平，则被测试者小腿三头肌的紧张，臀大肌或者股四头肌不 紧张。若站立直膝屈髋角度远小于正常人平均水平，且足背屈的角度远小于正常人 平均水平，则测试者臀大肌或者股四头肌、小腿三头肌都紧张。
[0047]
第八步：若得出臀大肌或者股四头肌紧张的结论后，需要进一步判断是臀大肌 还
是股四头肌紧张。根据知识图谱所关联的肌肉-关节得出，若深蹲测试动作中，脚 面离开地面角度过大，则股四头肌紧张，否则为臀大肌紧张。深蹲角度为x，数据库 的最大极限值为θ＝148，数据库的阶梯值为δ＝22。双手单腿腹桥骨盆旋转角度为 y，数据库的平均值为数据库的阶梯值为σ＝6。臀大肌紧张程度的计算公 式为g(x)：
[0048][0049][0050][0051]
第九步：通过上述测量动作中角度与正常人平均值的比较，对被测试者的肌肉 紧张或者无力的程度进行线性判断，并进行打分。
[0052]
第十步：对被测试者的整体肌肉和骨骼按照第1-9步进行分析，进行打分，最 终生成评估报告。
[0053]
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发 明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。