CN101489479A - 健康管理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种健康管理系统，其包括用于在三维空间中检测使用者身体或肢体的移动和位置的身体或肢体移动检测机构、用于对由该身体或肢体移动检测机构所执行的测量数据进行分析的移动分析机构，其中该身体或肢体移动检测机构包括至少三个传感器或标记用于通过测量使用者的两个身体部分所成的夹角来在三维空间中追踪使用者的身体或肢体移动，使用者的两个身体部分通过关节连接到彼此，该关节为待测量的角的顶点，在该关节处提供传感器或标记中的一个。为了检测偏移，两个相邻传感器或标记之间的距离变化表明与该顶点间隔开的该关节处的传感器的偏移。
Description
技术领域
本发明涉及用于治疗神经运动失调(诸如中风)的康复和/或物理疗法的系统和方法。
背景技术
在中风后，患者常常会在移动协调方面受到干扰。就脑损伤之后的功能恢复而言，这些干扰的机理尚不甚清楚，但常常是最使人衰弱的。这些协调缺陷表达为异常肌肉协同的形式，且这些协调缺陷导致功能残废的、有限且僵化的移动模式。这些肌肉协同约束的结果(例如)为肩外展与臂中的屈肘之间的异常关联，在中风幸存者克服重力举起损伤的臂时，这种关联显著地减小了他/她所能到达的空间。用于减轻这些异常协同的当前神经疾病治疗办法仅取得了有限的功能恢复。在腿中，异常协同的表达导致髋/膝伸展与髋内收的关联。这样的结果使得在站姿(stance)期间激活损伤腿中的髋外展肌的能力减弱。
当在医院或康复中心提供传统治疗时，通常一天一次或两次观察患者半小时时间。在门诊治疗中，这种情况减小为一周一次或两次。
当前的研究表明用于改进患者协调的动作锻炼可作为远程康复方案的一部分在家中进行。现有系统使用视频会议办法，其中患者在其方便时在摄像机前锻炼。这样的系统例如公开于US 2002/0146672 Al中。这种系统包括一装置，在患者通过与虚像相互作用进行锻炼时，该装置传感使用者的手指位置。第二装置向使用者提供反馈并在使用者通过与虚像相互作用进行锻炼时测量使用者手指的位置。虚像基于被确定用于使用者表现的目标来更新，以提供更难或者更容易的锻炼。因此，不管使用者的移动如何有限，如果使用者的表现属于确定的参数范围(determent parameter range)，那么使用者可通过锻炼试验并可逐渐提高难度水平。
使用者表现的数据由治疗师存储和审查。因此，康复系统通过康复位点、数据存储位点与数据存取位点之间的互联网连接而分布于这些位点之间。数据存取位点包括软件，其通过向医生或物理治疗师发送所记录的视频而允许医生/治疗师使用患者手部的图形图像来实时监控患者所执行的锻炼，医生/物理治疗师审查这些锻炼并给出反馈。存在多种被动装置和主动装置，例如，Theraband或Reck MotoMed，其允许使用者作为远程康复方案的一部分在家里进行这样的锻炼。
中风患者所遭受的最显著的残疾之一是上肢的半边瘫痪。只要训练强烈且患者在治疗中受到引导，康复锻炼被证明在重新获得动作控制方面是有效的。无监督家庭中风康复的技术方案需要在锻炼期间使用标记或传感器来获得患者姿势。
一个非常有吸引力的传感器方案是使用摄像机，取决于使用单个摄像机系统还是多个摄像机系统，其观察肢体和关节在空间中的二维或三维坐标。但是，从摄像机位置取得肢体位置需要在图像中找到并追踪肢体，这会是一个很重要的任务，且如果不使用标记是当前无法解决的问题(参看，例如“the evolution of methods for the capture ofh uman movement lea ding markerless motion capture for bio medicalapplications”，i.g.Mundermann等人，J.Neuro Engineering andRehabilitation 2006，3:6)，
由光学范围和红外线摄像机对标记位置的追踪是非常可靠的。在这个领域，存在大量的商品。
这个办法所存在的问题在于现有的基于标记的追踪系统假设使用者能足够熟练地将标记精确地放到可再现的部位；因此应达到一致的结果。但如果使用者是中风受害者，那么这个假设变成不现实的。替代地，由于使用者失去对他的臂、手和/或手指移动的控制，使用者不能将标记或传感器固定于完全相同的位置，标记在肢体上的精确位置还因使用不同而彼此不同。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种系统和方法，即使在将标记或传感器不准确地放置到使用者肢体上的情况下其仍确保该系统的正常功能。
利用根据权利要求1和7所述的系统和方法来实现这个目的。
根据本发明的健康管理系统包括用于检测使用者身体或肢体移动的身体或肢体移动检测机构、用于对由身体或肢体移动检测机构所执行的测量数据进行分析的移动分析机构，其中该身体或肢体移动检测机构包括至少三个标记用于追踪使用者身体或肢体移动。为了分析该移动，测量通过关节连接到彼此的使用者的两个身体部分所成的角。关节建置为待测量的角的顶点，在关节处提供标记中的一个。
为了判断在关节处的标记是否被精确地放置到正确位置，测量使用者肢体上两个相邻标记之间的距离。两个相邻传感器或标记之间的距离变化表明在与角顶点间隔开的关节处的传感器的偏移。
为了计算或估计在关节处标记的偏移，移动分析机构可包括自动运动学习程序，其中该运动学习程序包括遵循以下方程式的算法：
x＝argmin{0<x}(SUM{t＝1..T}(Lt 2)-SUM{t＝1..T} 2(Lt))，
其中Lt＝(1+x)(RMarker3-RMarker2).
利用此算法，通过估计第一偏移(x)并通过分析使用者运动来调整假设，以评价从位于肢体上的标记位置(RMarker3，RMarker2)所得出的关节角(也参看图2)。标记或传感器的当前输出表明两个相邻传感器之间的距离变化减小，直到标记偏移会聚到标记偏移的真实值(x＝o)的测量准确度内的一值。
因而该系统以较大自由度给予使用者在其肢体上放置标记的自由且仍接收到可传感的系统行为。
自动运动学习程序可选择初始偏移范围作为不满足所述预定成功标准的、每个后来测量系列的随后的目标偏移范围，且传感器单元的当前输出可表明两个相邻传感器之间的距离变化的减小。
本发明的替代实施例提供另一程序作为自动运动学习程序的替代，该程序在测量关节处的标记的偏移时产生使得使用者朝向建置于使用者的肢体之间的角顶点移动传感器的刺激信号来最小化关节处标记的偏移。
身体或肢体移动测量机构可为至少一个基于摄像机的计算机视觉，其中由计算机视觉和/或一个惯性传感器、至少一个传感器衣服(sensor garment)和/或任何其它的运动或位置传感器对标记或标记运动追踪。取决于使用哪种摄像机，标记可为彩色标记或回反射IR标记。
将参看图1至图3在下文中描述一系统，该系统实现上述目的并提供根据本发明的目前优选示范性实施例的其它有益特征。本领域技术人员应易于了解在本文中关于附图所给出的描述只是出于说明目的且决不限制本发明的范围。
附图说明
图1示出使用者的上臂与下臂的夹角的变化。
图2示意性地示出该角与标记或传感器的放置的相关性。
图3示出标记偏移学习曲线的实例。
具体实施方式
如在图1中可以看出，用两个不同的线来表明追踪关节区域中的标记的两个位置的实例。在一种情况下，标记或传感器精确地放置于关节处使得由三个传感器或标记所建置的角与上臂和下臂的夹角相同。在第二根线的情况下，标记可以一定偏移放置到上臂上。那么假设肘标记已被精确地放置到关节处(换言之，放置到上臂与下臂的夹角顶点处)将导致错误的角。如果在关节处的传感器被定位于上臂上与顶点间隔开，那么由三个传感器所建置的角大于传感器被精确地定位在关节处情况的角。另一方面，如果在关节处的传感器在下臂上与顶点间隔开，那么该角小于传感器被准确定位的角。
为了获得正确的角，必须确定标记或传感器与关节之间的偏移，这在图1所描绘的情况下，与所表明的角度相比较导致更小的角。
因此，根据本发明的系统分析移动数据并将人身体的约束考虑在内。因此，基于标记或传感器的追踪系统变得习惯于放置标记或传感器的变化。
为了分析移动数据并将人身体约束考虑在内，在本发明的一个实施例中的健康管理系统包括计算机系统，其具有CPU、存储装置和屏幕。为了追踪使用者的移动，在此实施例中提供摄像机。摄像机可以光学或红外线操作且连接到计算机。三个标记被放置到患者肢体上，在这个实例中，放置到患者臂上。取决于所使用的摄像机类型，标记或传感器可为彩色标记或反射性标记。一个传感器放置于使用者的腕部，且一个放置于上臂上且一个放置于关节区域(在这个情况下肘部)。而且，提供用于获得标记运动的存储装置。
在启动计算机程序以从基于标记的摄像机图像估计患者姿势之后，做出关节与标记之间的偏移为零的初始假设，这个假设表示标记精确地定位于正确位置而没有任何偏移。之后，使用者开始移动且系统记录该移动并通过分析该运动来反复地调整关于标记偏移的假设。
由于如果在腕部或上臂的标记或传感器并不精确地放置到相同的位置，传感器的角度或关系并无变化，因此如果它们放置于比先前使用或测量略高或略低的位置也没有关系。
唯一关键的标记定位是在待检测的肢体关节处的标记定位。因此，分析两个相邻标记或传感器之间的距离。如果相邻标记之间的距离并无变化，那么在关节处的标记精确地放置于正确位置且可立刻开始测量而无需任何进一步调整步骤。
但在两个相邻标记之间的距离变化表明传感器在关节处的放置存在偏移。现在，在处理偏移方面存在两种可能。
一个替代方案指示使用者在关节方向移动在关节处的标记。因此，在标记的紧固机构处设有定位机构，例如定位螺钉，其允许在准确移动其手指方面具有一定困难的使用者通过驱动该定位螺钉来精确地调整该标记从而在朝向关节的正确方向缓慢地且精确地移动标记。如果在对关节处的标记进行调整之后，距离变化变得更大，那么会有标记已在错误的方向移动的指示且系统可指示使用者在另一方向驱动螺钉。
在第二实施例的情况下，甚至无需朝向关节移动标记。在对使用者的移动进行分析的过程中，标记的偏移被计算并自动地整合和识别。在这种情况下，首先，必须计算在上臂上的标记与在关节区域中的标记和在下臂或在腕部的标记与在关节区域的标记的运动之间的相关性以查明在关节处的标记被放置于上臂上还是下臂上。
由于上臂和下臂本身较硬，预期同一臂上的标记具有更高的相关性。因此，如果(例如)能测量到下臂的标记与关节标记之间的两个相邻传感器或标记之间的距离变化，那么表明在关节处的标记放置于该其它臂部位，在此实例中，放置于上臂上。
一旦已知关节标记放置在哪个臂上，必须估计与关节的偏移。遵循关节标记(标记3)放置于上臂的上述假设，关节标记与下臂上的标记(标记1)之间的距离将取决于臂的移动而变化，这导致上臂与下臂夹角的变化，而在上臂上的标记(标记2)与在关节处的标记之间的距离没有任何变化，因为在这个方向骨骼是刚性的。因此，可使用以下算法从身体运动来估计肢体上的标记位置：
关节(此处为肘)的位置由下式给出(也参看图2)：
Elbow＝(1+x)(RMarker3-RMarker2)
如果标记在下臂上，那么该位置相应地由下式给出：
Elbow＝(1+x)(RMarker3-RMarker2)
其中，x是作为标记2与3或替代地标记1与3之间距离的分数给出的偏移。通过以下算法，如从所记录的运动所观察，通过使期望关节位置与腕部位置的距离变化最小，发现逼近正确x＝o，其中。是实际偏移：
x＝argmin{0<x}(SUM{t＝1..T}(Lt 2)-SUM{t＝1..T} 2(Lt))，
其中Lt＝(1+x)(RMarker3-RMarker2).
随着SUM值然后会聚成期望值，x的估计随着时间改进且以最佳的方式变成x＝o。
在图3中可看出此标记偏移随时间的结果。在大约一分钟后，标记偏移会聚成在标记偏移的真实值的估计的测量准确度内的一值。利用此循环和迭代逼近，发生自动标记位置学习。因此，系统以很大的自由度给予使用者在其肢体上放置标记的自由且仍接收可传感的系统行为。
Claims (10)
1.一种健康管理系统，其包括：
身体或肢体移动检测机构，用于在三维空间检测使用者身体或肢体的移动和位置，
移动分析机构，用于对由所述身体或肢体移动检测机构所执行的测量数据进行分析；
其中，所述身体或肢体移动检测机构包括至少三个传感器或标记，以通过测量使用者的两个身体部分的夹角而在三维空间中追踪使用者的身体或肢体移动，所述使用者的两个身体部分通过关节彼此连接，所述关节为待测量的角的顶点，在所述关节处提供所述传感器或标记中的一个，
所述健康管理系统的特征在于：在两个相邻传感器或标记之间的距离变化表明了在与所述顶点间隔开的关节处的所述传感器的偏移。
2.根据权利要求1所述的健康管理系统，
其特征在于，从对所述关节处的所述标记的偏移的测量来产生用于使所述使用者朝向所述顶点来移动所述传感器的刺激信号。
3.根据权利要求1所述的健康管理系统，其特征在于，所述移动分析机构包括自动运动学习程序，其中所述运动学习程序包括遵循以下方程式的算法：
其中Lt＝(1+x) (RMarker3-RMarker2).
4.根据权利要求3所述的健康管理系统，
其特征在于，所述自动运动学习程序选择所述初始偏移范围作为不满足所述预定成功标准的每个后来的测量系列的随后目标偏移范围，且所述传感器单元的当前输出表明两个相邻传感器之间的距离变化的减小。
5.根据前述权利要求中任一项所述的健康管理系统，
其特征在于，所述身体或肢体移动测量机构是至少一个基于摄像机的计算机视觉，其中由计算机视觉和/或一个惯性传感器、至少一个传感器衣服和/或任何其它的运动或位置传感器对标记或标记运动进行追踪。
6.根据前述权利要求中任一项所述的健康管理系统，其特征在于，其包括至少一个模式刺激器，所述模式刺激器包括音频模式刺激器或视频模式刺激器，所述音频模式刺激器包括音频刺激单元，所述视频模式刺激器包括视频刺激单元。
7.一种用于基于摄像机的肢体追踪的自动位置学习方法，其特别应用在家庭中风康复中，所述方法包括以下步骤：
将至少三个标记放置于待分析的使用者的肢体上以追踪使用者的身体或肢体移动，使得所述至少三个标记建置成一个角，所述角为所述使用者的两个身体部分的夹角，所述使用者的两个身体部分通过关节连接到彼此，所述关节为待测量的所述角的顶点，在所述关节处提供所述标记中的一个；
相对于彼此比较所述标记的位置，其中两个相邻标记之间的距离变化表明在与所述顶点间隔开的所述肢体的关节处的标记的偏移。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
计算所述相邻传感器之间的运动来判断在所述关节处的所述标记是放置于所述上肢处还是下肢处；
产生假设关节与标记之间的偏移为零的第一偏移值；
记录使用者的移动，并且通过分析所述运动来调整关于所述标记或传感器偏移的假设。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
如从所述记录的运动所观察，使所述标记与所述期望的关节位置之间的距离变化最小。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
当所述偏移数据超过所述目标偏移范围时产生可视和/或附加的刺激信号，以使所述使用者通过所述关节并通过朝向所述使用者肢体的夹角顶点来移动所述传感器来调整所述传感器的位置。
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