一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置及方法

本发明涉及三维测量和颈部运动评估领域，尤其是一种集颈部运动轨迹采集和对颈椎运动度对称性分析于一体的装置及方法。

背景技术：

1、颈部疾病的症状常体现在颈部运动特征的改变上，目前对颈部运动的测量方法有很多种，如颈椎活动测量仪、拍照分析等装置，能够实现各方向运动极限角的测量，或把x光、超声等手段用于运动极限角的精准测量和运动轨迹的提取中，一定程度上描述其颈椎活动度，还可根据运动极限角和颈椎运动轨迹达到辅助诊断、疾病筛查的目的。

2、但是，现有设备中大都只分析开始和终止两个状态，虽然能够得出运动极限角，但却忽视了其整个运动过程，或是提取其运动轨迹后没有进行详细的轨迹曲线分析，从而无法对运动中各时刻的运动速度、运动对称性等指标进行明确清晰的反映，因此现有技术下对颈椎活动度的认识不够全面、直观。

技术实现思路

1、针对现存问题，本发明提出一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，可有效提取颈部运动学指标，评估在各个方向性颈部运动的对称性、稳定性。

2、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于采集分析装置包括用于标记头部特征位置的标记球固定帽8；用于提高数据质量的补光灯13；用于提高数据质量的暗室9；用于采集数据的双目相机10；用于存储数据、处理数据的处理计算机11；用于连接双目相机和处理计算机的数据传输线12。

3、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于双目相机通过rj-45水晶头连接数据传输线12，数据传输线12另一端通过rj-45水晶头连接至处理计算机11任一端口。其中，数据传输线12采用10base-t双绞线传输数据。

4、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于可采集并分析三种颈部运动，分别为左右侧屈、前屈后伸、左右旋转。三种颈部运动初始状态均为坐姿中立位，左右侧屈运动为颈部在冠状面内向左侧屈至极限位置后回到中立位，再向右侧屈至极限位置回到中立位；前屈后伸运动为在矢状面内先前屈至极限位置回到中立位，再后伸至极限位置回到中立位；左右旋转运动为颈部在横截面内先向左旋转至极限位置后回到中立位，再向右旋转至极限位置后回到中立位。

5、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于运动过程中标记6个特征位置。其中标记球固定帽由绑带6、倒“t”固定架5和固定于倒“t”固定架5三端的三反光标记球4组成，分别标记头部左、右、上三个特征位置，另外在第2颈椎、第5颈椎、第7颈椎的棘突分别用反光标记点标记三个特征位置。

6、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于双目相机10采用两台gige工业相机制作，采集像素1280*1024，采集帧率33帧/秒。

7、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于设计的用于计算动态数据流中标记点三维坐标的标记点批量识别与标记软件。此软件安装于处理计算机11上，包括用于识别图片标记点二维坐标的标记点识别标号模块14；检测标记点识别错误帧的异常检测模块15；用于显示识别结果和用户交互的显示交互模块16；计算标记点三维坐标的三维测量模块17。模块间关系如下：标记点识别标号模块14识别标记点二维坐标，异常检测模块15按照二维坐标数据和帧采集顺序进行异常检测，若抛出异常则将异常帧交付显示交互模块16，由用户进行标记点识别和标号操作；若无异常或用户操作完成，将二维坐标数据交由三维测量模块17；三维测量模块17按照三角测量原理计算标记点三维坐标。

8、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的装置，其特征在于设计的用于三种颈部运动轨迹提取和分析的轨迹提取分析软件。该软件安装于处理计算机11，包括用于提取并分析左右侧屈、前屈后伸、左右旋转运动轨迹的分析模块18，分析模块包括分别对应三种运动的三个子模块；用于用户选择操作目录和显示运动分析结果的显示交互模块19。用户通过显示交互模块19选择目标文件目录和待分析的颈部运动，交由分析模块18中对应的子模块提取并分析轨迹，并将结果显示至显示交互模块19。

9、一种集颈部运动轨迹采集和运动对称性分析于一体的方法，其特征在于使用步骤如下：

10、s1、被试者头戴标记球固定帽，并分别在第7颈椎、第5颈椎、第2颈椎的棘突粘贴反光标记点，处于暗室并开启补光灯，分别做左右侧屈、前屈后伸、左右旋转运动，并用双目立体视觉装置记录。

11、s2、使用标记点批量识别与标记软件对双目相机采集的所有图片进行标记点识别和标号，进而计算标记点三维坐标；

12、s3、对每个标记点的坐标逐帧排列，得到该标记位置的三维运动轨迹；

13、s4、使用轨迹提取分析软件对空间运动轨迹进行分析和指标提取。

14、上述步骤s4中提取的指标包括：对于左右侧屈和左右旋转运动，分别计算其左右运动极限角及比值、左右运动过程中摇摆幅度、左右运动轨迹平均距离、左右运动平均加速度比、颈部运动不平衡系数，并绘制左右运动速度、加速度曲线；对于前屈后伸运动，分别计算其前屈和后伸极限角、前屈后伸过程中摇摆幅度、前屈后伸平均速度比，并绘制前屈后伸轨迹曲线、前屈后伸速度、加速度曲线。

15、上述步骤s4采用本发明提取的基于圆拟合和空间距离的运动对称性度量方法，以左右侧屈为例，包括以下子步骤：

16、s41、将左、右侧屈轨迹拟合为圆弧，则中立位对应的半径为rm，分别计算左右侧屈轨迹对应的圆心角角度θl、θr，则左右侧屈角度比θratio的计算方法如下：

17、

18、s42、将左侧屈轨迹以rm为轴翻折,设θr<θl，对θr取整[θr]，由圆弧的圆心每隔1度向外引射线(从rm所在射线开始)，共[θr]条，每条射线交两轨迹曲线于两点，计算两点间空间距离d1、d2……d[θr]，计算所有距离平均值d，作为轨迹曲线对称性度量值；

19、s43、左右侧屈平均加速度比：若左、右侧屈轨迹长度为sl、sr，左右侧屈总帧数为il、ir，相机帧率k＝33,则左侧屈平均加速度右侧屈平均速度则左右侧屈平均加速度比aratio的计算方法为：

20、

21、将aratio作为左右运动过程中待测者发出力的大小对称性的度量值；

22、s44、标记点第n帧空间位置pn(xn,yn,zn)，第n+1帧空间位置pn+1(xn+1,y n+1,z n+1)，则这一时刻的瞬时速度vn为：

23、

24、以此可画出左右侧屈速度曲线，对速度曲线求导，可画出左右侧屈加速度曲线，用以直观显示运动状态；

25、s45、计算左右侧屈空间轨迹相似性度量指标sim，该指标从整体上评价两条轨迹曲线的对称性，sim的计算方法见s451-s452。整合运动对称性描述数组[θratio，d，aratio，sim]，从多个方向描述左右侧屈过程中的运动对称性；

26、s46、运动对称性指标计算完毕，通过svr神经网络获取颈部运动不平衡系数和对称性描述数组中各影响因素之间的关系模型。实验时使用71例测量数据(50例颈部运动正常数据，21例颈部运动受限数据)作为训练集，经交叉验证，利用高斯核函数的回归模型预测结果最好，回归模型平均测量误差mae、均方差mse、判定系数r2分别为0.114、0.018和0.911。确定模型后，输入任意对称性描述数组，可计算其颈部运动不平衡系数(接近0为颈部运动对称性良好，接近1为颈部运动严重不对称)，例：

27、input＝[0.03549,12.25,0.088044,66.76]→output＝[-0.02085159]

28、该数据为正常人数据，输出为-0.02。

29、左右侧屈空间轨迹相似性度量指标sim的计算方法为：

30、s451、首先对两条空间曲线进行最短路径规划，设左侧屈空间点序列li(i＝1,2，……n)，右侧屈空间点序列rj(j＝1,2,……m)，计算两序列不同位置点对应的距离，构成一个距离矩阵，矩阵中元素(li，rj)对应为空间点li和空间点rj的欧氏距离；

31、s452、定义路径w，w是距离矩阵中一条从(l0，r0)通向(ln，rm)的通路。遍历距离矩阵中存在的所有路径，寻找途径路径点的和最小的路径，这一路径上所有路径点的均值即为指标sim。

32、本发明有益效果在于：

33、(1)本发明数据采集使用的是双目立体视觉测量相机，可获得视场内任意空间点的三维空间坐标，有了三维空间坐标及采集速率，即可方便地计算每一采集时刻瞬时速度以及瞬时加速度，并可绘制运动过程中速度和加速度曲线，更可由此曲线进行待测者每一颈部位置用力程度的评估，得出待测者颈部在该时刻颈部位置的发力程度；

34、(2)本发明对运动轨迹对称性提出了一种新的度量方法，在现有的曲线相似性和运动学特征结合起来，更为全面细致的描述颈部运动轨迹、运动速度的对称度，充实了目前现有的运动对称性描述方法。