一种基于新型冗余标记点集的运动功能评估方法与流程

1.本发明涉及动作捕捉领域，特别涉及一种基于新型冗余标记点集的运动功能评估方法。


背景技术：

2.运动捕捉与肌骨建模是最常见的用于人体运动特征评测的技术。目前广泛用于体育表现的评估，骨科疾病的功能评估，电影动画的制作等领域。其中，骨科疾病的功能量化评估是其在医学中的最重要应用，具体过程主要是在评估对象的皮肤表面骨性标识位粘贴光学标记点(包括被动反光球和主动红外发光器两大类)，然后捕捉评估对象在日常活动或者特定动作下的光学标记点的空间坐标信息。随后通过肌骨建模并通过特定的匹配方法，使运动中的标记点驱动肌骨模型完成日常活动，从而量化评估对象的关节运动，肌肉发力等特征参数。在整个分析过程中，不同应用场景下，采用的标记点粘贴方法(包括标记点数量和位置)存在较大差异。
3.目前，骨关节疾病的运动功能评估方法中主要采用的标记点粘贴方法为plugin-gait-markerset(图1)(包括数量和位置)，plugin-gait-markerset是运动捕捉与肌骨建模分析过程中的标准标记点粘贴方法。该标记点粘贴方法最大的优势之一是实现了最少的标记点数量驱动肌骨模型(或其它模型)完成运动功能评估，简化了评估过程，并且适用于绝大部分的应用场景。但是，由于标记点过少，在建模的过程中不得不进行关节运动模式的简化(如，膝关节设计成单自由度，脊柱运动单元之间的相对运动采用固定节律)，从而导致对于大多数骨关节系统疾病的功能无法准确评估(如脊柱侧弯)。此外，由于plugin-gait-markersets中的每个标记点都有明确的驱动关节。因此，任何标记点的放置偏差都会造成较大的关节参数计算偏差。综上所述，标准的标记点粘贴方法，在目前的动作捕捉和肌骨建模技术下还无法在骨关节疾病的运动功能评估中准确应用。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有运动功能评估方法还存在对放置标记点的位置准确度要求高以及由于标记点过少造成的无法准确评估运动功能的问题，而提出了一种基于新型冗余标记点集的运动功能评估方法。
5.一种基于新型冗余标记点集的运动功能评估方法，具体包括以下步骤：
6.步骤一、在受试者的皮肤表面粘贴光学标记点，具体位置为：
7.在受试者胸部的第一、三、五、七、九、十一、十二椎体棘突处的皮肤表面粘贴光学标记依次记为t1、t3、t5、t7、t9、t11、t12；
8.在受试者腰部的第一、二、三、四、五椎体棘突处的皮肤表面粘贴光学标记依次记为l1、l2、l3、l4、l5；
9.在受试者第一骶椎的棘突处的皮肤表面粘贴光学标记记为s1；
10.在骨盆位置的皮肤表面粘贴光学标记，包括以下位置：左侧髂前上棘记为lasi，左
侧髂后上棘记为lpsi，左侧髂嵴最高点记为lic，右侧髂前上棘记为rasi，右侧髂后上棘记为rpsi，右侧髂嵴最高点记为ric；
11.在受试者大腿皮肤表面粘贴光学标记，包括以下位置：
12.左侧大腿上粘贴光学标记点的位置包括：左侧股骨外侧髁记为lkne_o，左侧股骨内侧髁记为lkne_i，左侧股骨大转子与外侧髁连线的近端和远端分别依次记为lthi_u、lthi_d，左侧股骨大转子与外侧髁连线的内侧和外侧分别记为lthi_f、lthi_b；
13.右侧大腿上粘贴光学标记点的位置包括：右侧股骨外侧髁记为rkne_o，右侧股骨内侧髁记为rkne_i，右侧股骨大转子与外侧髁连线的近端和远端分别依次记为rthi_u、rthi_d，右侧股骨大转子与外侧髁连线的内侧和外侧分别依次记为rthi_f、rthi_b；
14.在受试者小腿的皮肤表面粘贴光学标记，包括以下步骤：
15.左侧小腿上粘贴光学标记点的位置包括：左侧外踝记为lank_o，左侧内踝记为lank_i，左侧股骨外侧髁与外踝连线的近端和远端分别依次记为ltib_u、ltib_d，左侧股骨外侧髁与外踝连线的内侧和外侧分别依次记为ltib_f、ltib_b；
16.右侧小腿上粘贴光学标记点的位置包括：右侧外踝记为rank_o，右侧内踝记为rank_i，右侧股骨外侧髁与外踝连线的近端和远端分别依次记为rtib_u、rtib_d，右侧股骨外侧髁与外踝连线的内侧和外侧分别依次记为rtib_f，rtib_b；
17.在受试者足的皮肤表面粘贴光学标记，包括以下位置：左侧脚跟记为lhee，左侧大脚趾记为ltoe，左侧第五跖趾关节处记为lm5，左侧跗骨背部处记为ltrs；右侧脚跟记为rhee，右侧大脚趾记为rtoe，右侧第五跖趾关节处记为rm5，右侧跗骨背部处记为rtrs。
18.步骤二、利用动作捕捉系统捕捉粘贴光学标记点后的受试者在日常活动中各光学标记点的三维空间坐标变化轨迹；
19.步骤三、在anybody模型库中的标准模型mocap的基础上，去除脊柱椎体间固定的脊柱节律约束，改用步骤一光学标记点粘贴方法构建驱动模型；
20.步骤四、利用步骤二获得的各光学标记点的三维空间坐标变化轨迹驱动步骤三构建的驱动模型，从而获得脊柱、骨盆及下肢在不同日常活动中的关节运动角度，分析不同骨关节疾病对下肢，骨盆和脊柱运动功能的影响。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明针对标准的plugin-gait-markersets在骨关节疾病评估应用中的不足，提出了改进的标记点粘贴方法，主要包括在下肢增加冗余标记点和脊柱棘突处增加额外标记点，从而实现标记点粘贴的鲁棒性以及更加精细的脊柱运动功能评估，提升了运动功能评估的准确性。本发明的光学标记点粘贴方法能将脊柱各个运动单元的相对运动准确的计算出来，能准确描述各个运动单元之间的变化，实现分析不同部位的脊柱疾病对脊柱运动功能的影响。使用本发明提出的光学标记点粘贴方法，当标记点放置出现偏差后，受影响的关节参数对放置偏差的敏感性显著低于标准粘贴方法，因此本发明的光学标记粘贴方法降低了对光学标记粘贴位置准确度的要求，即提升了标记点粘贴方法的鲁棒性。同时，当出现标记点遮挡时，本发明通过未被遮挡的点构建相对位置关系的结构模型，对遮挡的点进行补偿，使得本次采集的数据仍然有效，提升了采集数据的效率，从而提升运动功能评估的效率。
附图说明
23.图1为标准的plugin-gait-markersets粘贴方法示意图；
24.图2为本发明中针对下肢和躯干的改进标记点粘贴方法示意图；
25.图3为传统贴方式与本发明贴点方式对脊柱运动驱动效果对比图；
26.图4为膝关节处标记点粘贴偏差示意图；
27.图5为本发明标记点粘贴方案和plugin-gait-markersets粘贴方案对膝关节标点放置偏差的影响对比示意图。
具体实施方式
28.具体实施方式一：本实施方式一种基于新型冗余标记点集的运动功能评估方法具体过程为：
29.步骤一、如图2，在受试者胸部的第一、三、五、七、九、十一、十二椎体棘突处(即t1、t3、t5、t7、t9、t11、t12)，腰部第一、二、三、四、五椎体棘突处(即l1、l2、l3、l4、l5)、第一骶椎的棘突处(即s1)、骨盆、大腿、小腿、足的皮肤表面粘贴光学标记点；
30.粘贴在受试者骨盆位置皮肤表面的光学标记点包括：左侧髂前上棘记为lasi，左侧髂后上棘记为lpsi，左侧髂嵴最高点记为lic，右侧髂前上棘记为rasi，右侧髂后上棘记为rpsi，右侧髂嵴最高点记为ric；
31.本发明发在传统的左右侧髂前上棘和髂后上棘处粘贴标记点外，在髂嵴上需要增加冗余标记点，不局限于两个点，也不局限于髂嵴最高点这一个单一位置；
32.粘贴在受试者大腿位置皮肤表面的光学标记点包括：
33.左侧大腿的标记点包括：左侧股骨外侧髁记为lkne_o，左侧股骨内侧髁记为lkne_i，左侧股骨大转子与外侧髁连线的近端和远端分别依次记为lthi_u、lthi_d，左侧股骨大转子与外侧髁连线的内侧和外侧分别记为lthi_f、lthi_b；
34.其中，lthi_u以手臂自然下垂后中指落在大腿的部位为宜，lthi_d以距离lkne_o一拳宽度以上为宜，且保持lthi_u和lthi_d之间距离超过一拳宽度以上为宜，lthi_f，lthi_b分别以落在lthi_u和lthi_d的垂直平分线上为宜；
35.所述一拳的宽度最好为受试者的一拳宽度，宽度大小对本发明的结果影响较小。
36.右侧大腿部分的粘贴标记点包括：右侧股骨外侧髁记为rkne_o，右侧股骨内侧髁记为rkne_i，右侧股骨大转子与外侧髁连线的近端和远端分别依次记为rthi_u、rthi_d，右侧股骨大转子与外侧髁连线的内侧和外侧分别依次记为rthi_f、rthi_b；
37.其中，右侧标记点的推荐位置与左侧相同。本发明中的大腿标记点粘贴位置不仅限于上述推荐的位置，也包括除plugin-gait-markerset中推荐标记点外，大腿部分增加的其它冗余点的数量和放置位置，只要粘贴三个点以上均可实现；
38.粘贴在小腿皮肤表面的光学标记点包括：
39.左侧小腿的光学标记点包括：左侧外踝记为lank_o，左侧内踝记为lank_i，左侧股骨外侧髁与外踝连线的近端和远端分别依次记为ltib_u、ltib_d，左侧股骨外侧髁与外踝连线的内侧和外侧分别依次记为ltib_f、ltib_b。
40.其中，保持ltib_u和ltib_d之间距离超过一拳宽度以上为宜。ltib_f，ltib_b分别以落在ltib_u和ltib_d的垂直平分线上为宜。
41.右侧小腿的光学标记点位置包括：右侧外踝记为rank_o，右侧内踝记为rank_i，右侧股骨外侧髁与外踝连线的近端和远端分别依次记为rtib_u、rtib_d，右侧股骨外侧髁与外踝连线的内侧和外侧分别依次记为rtib_f，rtib_b。
42.其中，右侧标记点的推荐位置与左侧相同。但是，本发明中的小腿标记点粘贴位置不仅限于上述推荐的位置，也包括在除plugin-gait-markerset中推荐标记点外，小腿部分增加的其它冗余点的数量和放置位置。
43.粘贴在足皮肤表面的光学标记点包括：左侧脚跟记为lhee，左侧大脚趾记为ltoe，左侧第五跖趾关节处记为lm5，左侧跗骨背部处记为ltrs；右侧脚跟记为rhee，右侧大脚趾记为rtoe，右侧第五跖趾关节处记为rm5，右侧跗骨背部处记为rtrs。
44.本发明中的足部增加的冗余点不仅限于上述增加的第五跖趾关节处和跗骨背部处，也包括在plugin-gait-markerset中足部分增加的其它冗余点的数量和放置位置。
45.所述光学标记点为光学反光球或红外发光器；
46.本发明在腰部每个椎体的皮肤表面至少要有1个标记点，胸部每两个椎体的皮肤表面至少有1个标记点，棘突是最常见的放置位置，但不仅限于棘突这一单一位置。
47.步骤二、采用motionanalysis动作捕捉系统捕捉粘贴光学标记点后的受试者在日常活动中(如行走，上下台阶等)各光学标记点的三维空间坐标变化轨迹；
48.步骤三、在anybody模型库中的标准模型mocap的基础上，去除脊柱椎体间固定的脊柱节律约束，改用步骤一光学标记点粘贴方法构建驱动模型，如图2所示：
49.改用步骤一光学标记点粘贴方法构建驱动模型即利用步骤一粘贴光学标记的位置驱动对应部位；
50.步骤四、利用步骤二获得的各光学标记点的三维空间坐标变化轨迹驱动步骤三构建的驱动模型，从而量化计算脊柱、骨盆及下肢在不同日常活动中的关节运动角度，分析不同骨关节疾病对下肢，骨盆和脊柱运动功能的影响。
51.实施例：
52.按照图1所示的标准粘贴方法和图2改进的粘贴方法在受试者对应骨性标志位以及本发明推荐地增加的冗余标记点数量和放置位置的皮肤表面粘贴标记点(光学反光球或红外发光器)。采用motionanalysis动作捕捉系统捕捉上述光学标记点在受试者进行日常活动中(如行走，上下台阶等)的三维空间坐标变化轨迹。在anybody模型库中的标准模型mocap的基础上，去除脊柱椎体间固定的脊柱节律约束，改用具体实施方式所述的标记点粘贴方法构建驱动模型，从而实现量化计算脊柱，骨盆及下肢在上述不同日常活动中的关节运动角度，进而可量化分析不同骨关节疾病对下肢，骨盆和脊柱运动功能的影响。
53.从图3效果可以看出，采用标准标记点粘贴方法，脊柱各个运动单元之间的相对运动是固定的，无法描述各个运动单元之间的变化，也无法分析不同部位的脊柱疾病对脊柱运动功能的影响；而本发明的标记点粘贴方法，可以将脊柱各个运动单元的相对运动较为准确的计算出来。图4显示膝关节处的标记点放置偏差示意图，图5为标记点不同放置偏差下的关节运动曲线标准差曲线以及标准差曲线的均方根。从图5可以看出，采用本发明的标记点粘贴方法后，当膝关节标记点放置出现偏差后，受影响的关节参数对放置偏差的敏感性显著低于标准粘贴方法，也即本发明的标记点粘贴方法具有更好的鲁棒性。(本发明效果不仅限于膝关节处的标记点偏差，任何下肢的plugin-gait-markersets上的标记点偏差都
可以达到较好的贴点鲁棒性)。同时，光学标记点的采集过程中，标记点被遮挡导致无效是极其常见的情况，尤其是动作捕捉镜头较少的情况下，容易出现大面积遮挡，对plugin-gait-markersets而言，当出现任何一个标记点遮挡，则此组数据将无效，而本发明的标记点粘贴方法，当出现标记点遮挡时，可以通过未被遮挡的点构建相对位置关系的结构模型，对遮挡的点进行补偿，从而使得本次采集的数据仍然有效，提升了采集数据的效率。