一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量方法，尤其是涉及胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方 法。
【背景技术】
[0002] 脊柱运动是三维运动，在人体各关节运动中最为复杂。了解病人脊椎的运动范围 对于指导医生进行脊柱物理治疗与康复治疗具有重要意义。
[0003] 目前对脊柱运动学的研宄存在不少困难，因为脊柱的运动是在三维空间内的耦合 运动而非特定的平面运动，需要精确的测量技术和计算方法。脊椎的三维运动有前屈/后 伸，左/右侧弯和左/右旋转三个方向的角度自由度。本发明专门用于测量脊柱冠状面内 左右方向的侧弯运动。
[0004] 脊柱运动测量方法可分为在体测量和离体测量。所谓离体测量，就是对人类或者 动物尸体上取出的脊柱标本进行测量。离体运动范围测量包含接触性测量和非接触性测量 (平面测量、立体光学测量、光电测量、激光测量）。目前的测量技术通常只能测量脊椎的运 动范围，通常不能实时得到脊柱当前的运动姿态。
[0005] 在体测量就是直接对人体进行测量，通常是无损的。目前的在体测量方法包含X 线测量、CT测量、MRI测量、传感器测量、超声测量以及莫尔云纹法测量等。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Kinect体感交互技术的胸腰段脊椎 的侧弯运动的实时在体测量方法，实现脊柱胸腰椎段在侧弯运动过程中姿态测量和推测， 并输出各椎体中心节点坐标。测量时，被测量者面向Kinect传感器直立并在冠状面内做出 左右方向侧弯躯干的动作。通过Kinect传感器对人体躯干的姿态和动作的实时捕捉，根据 被测者的躯干运动姿态，结合多体系统运动学，对脊柱各椎体的位置和姿态进行计算，实时 获得椎体中心点坐标和姿态角度，操作简单便捷，其脊柱姿态与椎体中心节点实时显示在 系统交互界面上。
[0007] 本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
[0008] 一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :采用Kinect传感器测得被测对象的胸腰段脊椎的骨架数据；
[0010] 步骤2 :根据骨架数据计算各椎体中心节点数据，具体包括：
[0011] 步骤2-1 :输入骨架数据，包括肩部中心节点Tl的坐标和骶部中心节点S的坐标， 定义胸椎段为T，对腰椎分段为LU L2、L3、L4、L5,并设定其椎体中心距离的值；
[0012] 步骤2-2 :计算肩部中心节点与骶部中心节点之间的X，y向距离；
[0013] 步骤2-3 :当脊柱侧弯时，肩部中心节点Tl与骶部中心节点S连线Tl-S与X轴夹 角记为α ;
[0014] 步骤2-4 :侧弯过程中椎间盘产生变形，相邻腰椎节段产生相对转动，定义L5相对 于S的转角为θ L4相对于L5的转角为Θ M，L3相对于L4的转角为Θ u，L2相对于L3的 转角为Θ ^ Ll相对于L2的转角为Θ u，Tl相对于Ll的转角为θ τ，并计算θ τ、Θ u、Θ ^ Θ L3、Θ L4和 Θ L5;
[0015] 步骤2-5:计算胸椎段1\腰椎段1^1、1^2、1^3、1^4、1^5的分量长度1''、1^1、1^ 2、1^3、 L' μ、L' U5及分量总长Z ;
[0016] 步骤2-6 :定义LI'、L2'、L3'、L4'、L5'分别为1^1儿2、1^3儿4、1^5在肩部中心节点 Tl与骶部中心节点S连线Tl-S连线上的投影，并分别计算LI'、L2'、L3'、L4'、L5'的X、y 轴坐标；
[0017] 步骤2-7 :分别计算LU L2、L3、L4、L5的X、y轴坐标；
[0018] 步骤3 :输出各椎体中心节点数据。
[0019] 进一步的，步骤2-1中，输入的骨架数据包括肩部中心节点Tl坐标Tl (Tx，Ty)和 骶部中心节点S坐标S(Sx，Sy);根据《中国成年人人体尺寸》标准来对腰椎分段并设定腰 椎的L1-L2段、L2-L3段、L3-L4段、L4-L5段以及L4-S段的椎体中心距尚Lu、k、Lu、L m、 U5的值。
[0020] 进一步的，步骤2-2中，计算肩部中心节点与骶部中心节点的x、y向距离Lx、L y的 具体公式为：
[0021] Lx= ITx-Sx
[0022] Ly= |Ty-Sy|。
[0023] 进一步的，步骤2-3中，计算肩部中心节点Tl与骶部中心节点S连线Tl-S与X轴 夹角α的具体公式为：
[0024]
【主权项】
1. 一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :采用Kinect传感器测得被测对象的胸腰段脊椎的骨架数据； 步骤2 :根据骨架数据计算各椎体中心节点数据，具体包括： 步骤2-1 :输入骨架数据，包括肩部中心节点Tl的坐标和骶部中心节点S的坐标，定义 胸椎段为T，对腰椎分为五段，分别为：LU L2、L3、L4、L5,并设定其椎体中心距离的值； 步骤2-2 :计算肩部中心节点Tl与骶部中心节点S之间的X，y向距离； 步骤2-3 :当脊柱侧弯时，计算肩部中心节点Tl与骶部中心节点S的连线Tl-S与X轴 夹角，记为α ; 步骤2-4 :侧弯过程中椎间盘产生变形，相邻腰椎节段产生相对转动，定义L5相对于S 的转角为θ L4相对于L5的转角为Θ L3相对于L4的转角为Θ u，L2相对于L3的转角 为Θ ^ Ll相对于L2的转角为Θ u，Tl相对于Ll的转角为θ τ，并计算θ τ、Θ u、Θ ^ Θ u、 θ L4和 θ L5; 步骤2-5 :计算胸椎段Τ、腰椎段L1、L2、L3、L4、L5的分量长度Τ'、L' U、L\2、L' U、L' Μ、 L' ω及分量总长Z ; 步骤2-6 :定义LI'、L2'、L3'、L4'、L5'分别为L1、L2、L3、L4、L5在肩部中心节点Tl与 骶部中心节点S连线Tl-S连线上的投影，并分别计算LI'、L2'、L3'、L4'、L5'的X、y轴坐 标； 步骤2-7 :分别计算LU L2、L3、L4、L5的X、y轴坐标； 步骤3 :输出各椎体中心节点数据。
2. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，步骤2-1中，输入的骨架数据包括肩部中心节点Tl坐标Tl (Tx，Ty)和骶部中心节点S 坐标S (Sx，Sy);根据《中国成年人人体尺寸》标准来对腰椎分段并设定腰椎的L1-L2段、 L2-L3段、L3-L4段、L4-L5段以及L4-S段的椎体中心距尚Lu、1^2、L u、LM、Llj5的值。
3. 根据权利要求1或2所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特 征在于，步骤2-2中，计算肩部中心节点Tl与骶部中心节点S的X、y向距离L x、Ly的具体 公式为： Lx= Itx-Sx Ly= |t y-sy| 〇
4. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，步骤2-3中，计算肩部中心节点Tl与骶部中心节点S连线Tl-S与X轴夹角α的具体 公式为：
5. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，步骤2-4中，计算θτ、0 U、0U、0^和θ ω的具体公式为：
6. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，步骤2-5中，计算胸椎段T、腰椎段L1、L2、L3、L4、L5的分量长度Τ'、L' U、L\2、L' U、L' L\5及分量总长Z的具体公式为：
7. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，步骤2-6中，计算LI'、L2'、L3'、L4'、L5'的X、y轴坐标的具体公式为：
8. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，步骤2-7中，计算L1、L2、L3、L4和L5的x、y轴坐标的具体公式为：
9. 根据权利要求1所述的一种胸腰段脊椎左右侧弯运动实时在体测量方法，其特征在 于，所述Kinect传感器利用红外线发射器发出的连续光线照射在用户进行编码，并通过红 外线CMOS摄像头接受并记录用户的人体散斑数据，利用感应器读取人体散斑数据，并由芯 片进行解码，生成骨架数据。
【专利摘要】本发明公开了一种基于Kinect体感交互技术的胸腰段脊椎的左右侧弯运动的实时在体测量方法，实现脊柱胸腰椎段在侧弯运动过程中姿态测量和推测，并输出各椎体中心节点坐标。测量时，采用体感人机交互方式，通过Kinect传感器对人体躯干的姿态和动作的实时捕捉，结合多体系统运动学，对脊柱各椎体的位置和姿态进行计算，实时获得椎体中心点坐标和姿态角度，操作简单便捷，其脊柱姿态与椎体中心节点实时显示在系统交互界面上。
【IPC分类】A61B5-11
【公开号】CN104856686
【申请号】CN201510233931
【发明人】高瞻, 潘海燕, 王杰华, 赵剑, 蒋峥峥, 李硕, 陆建华
【申请人】南通大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月8日