CN105469679A - 基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统及方法 - Google Patents

基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统及方法 Download PDF

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杨晓峰
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Abstract

本发明涉及一种基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统及方法，属于心肺复苏训练教学领域，该系统包括Kinect传感器、模拟病人、内置数据处理及图像输出模块的上位机。系统将按压过程中手臂的伸直度和手臂的垂直度作为判断按压姿势准确性的指标，应用Kinect传感器采集图像信息及人体骨骼特征信息，提出一种基于空间向量的手臂伸直度、手臂垂直度的计算方法，识别胸外按压姿势、垂直用力等操作，同时操作过程中手臂伸直度和垂直度可实时显示，并实现对整个操作的骨骼数据、视频信息保存。系统可给出评价结果，全面反映出操作人员的整体操作的准确性。训练过程中根据评价结果在显示界面中对动作的标准度给出不同颜色的提示，可以实时地给予指导。

Description

基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统及方法
技术领域
本发明涉及心肺复苏训练教学领域，将Kinect设备引入心肺复苏辅助训练系统，通过将Kinect传感器和模拟病人信息采集模块所采集的胸外按压操作信息进行融合，以图像的方式加以辅助提示，对学生的心肺复苏操作进行综合评价。
背景技术
心肺复苏术(CPR)是全球公认的最为普及的急救措施，其实际操作培训对于医护院校的教学有着重要意义。随着电子信息技术、计算机科学技术的快速发展，社会上出现了许多用于心肺复苏训练教学的设备及软件。但是，目前的心肺复苏训练教学系统，仅从模拟仿真病人的感知角度，采集了学员在CPR操作中三个重要步骤(胸外按压、气道开放、人工呼吸)中的操作数据，进而对学员的操作做出评判，而培训教学过程中，学员实际操作的结果只有“对”、“错”的评判，缺乏实际指导和实时操作的辅助反馈。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统及方法，利用Kinect设备采集操作信息，采用数据融合的思想，以图像的方式加以辅助提示，不仅可以实现对学员操作信息进行采集、评估，实现有针性的对辅助教学操作。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统，其特征在于：该系统包括：Kinect传感器、模拟病人、内置数据处理及图像输出模块的上位机；Kinect传感器放置于距离模拟病人胸外按压点2米距离，并保持与模拟病人水平方式，高度与模拟病人水平面一致，使Kinect的视觉中心线与模拟病人水平线垂直；
所述Kinect传感器，用于捕捉操作者动作信息；通过USB接口将信息上传至上位机；
所述数据处理及图像输出模块，内置数据分析处理软件，用于分析所采集的数据信息，判断操作者动作是否正确，并完成图像输出。
所述的数据处理及图像输出模块的数据分析处理软件的分析处理过程是：内置数据分析处理软件接收Kinect传感器及模拟病人信息采集模块采集到的施救者及病人的动作信息，通过计算得到操作者的手臂的伸直程度及胸外按压手臂与病人身体垂直度。
操作者的手臂的伸直程度的判断过程如下：
(1)Kinect传感器获取得到的操作者的上臂和头部的骨骼数据点的图像，得到各个关节点的三维坐标；
(2)取骨骼坐标系当中的手臂上的肩关节、肘关节、腕关节三个特征关节点的坐标，以肘关节点中为中心，生成肘关节与右肩和肘关节与右腕的两个不同方向的向量；
(3)计算其二者间的空间夹角即可判断出当前操作者的手臂的伸直程度；
具体计算过程如下：
将Kinect的骨骼坐标系通过坐标变换，将坐标系重新建立在以右手手肘为坐标原点的数学坐标系上，设右肩骨骼点坐标为SR(Sx,Sy,Sz)、右肘骨骼点坐标为ER(Ex,Ey,Ez)、右手腕骨骼点坐标为WR(Wx,Wy,Wz)。将Kinect获得的双臂关节点从Kinect坐标系转化到数学坐标系中，对于手臂伸直的计算转化为以肘关节点为原点的向量夹角的角度计算问题，即肘关节与右肩形成的空间向量和肘关节与右腕形成的空间向量的夹角θ；
根据上式计算的手臂向量夹角θ的角度值即可反映出胸外按压时的手臂伸直程度，根据复苏指南中的标准要求，正确胸外按压操作时的手臂伸直度，手臂向量夹角θ的夹角应接近180°。
所述的操作者胸外按压手臂与病人身体垂直度的判断过程如下：
根据Kinect传感器获取得到的人体的上臂和头部的骨骼数据点的图像，通过求模拟病人所在的空间水平面与施救者按压时人体双肩和手臂所组成的平面的夹角，计算出按压时用力的垂直度，具体计算过程如下：
现已知左肩、右肩以及手腕的坐标值，可求出该平面的法向量并且已知xoz平面的法向量即为y轴，a为任意实数，计算得到的两平面法向量的夹角θ即可表征胸外按压操作的垂直度；具体计算如下：
根据右肩骨骼点坐标SR(SRx,SRy,SRz)，左肩骨骼点左边SL(SLx,SLy,SLz)，手腕骨骼点坐标W(Wx,Wy,Wz)三个骨骼点确定一平面，该平面内的任意一个向量与该平面的法向量垂直，因此先通过右肩骨骼点、左肩骨骼点及手腕骨骼点三点的三维坐标，形成手腕与右肩间向量手腕与左肩间向量左肩与右肩间向量
根据向量垂直原理满足的关系，能得
求解得到：
x＝(SLy-SRy)*(Wz-SRz)-(SLz-SRz)*(Wy-SRy)
y＝(SLz-SRz)*(Wx-SRx)-(SLx-SRx)*(Wz-SRz)
z＝(SLx-SRx)*(Wy-SRy)-(SLy-SRy)*(Wx-SRx)
由上式即计算得到按压平面的其中一个法向量并得出按压平面与xoz平面的夹角θ，得到胸外按压手臂垂直度；
根据复苏指南中的标准要求，正确胸外按压操作时的手臂伸直度，按压平面与xoz平面的夹角θ接近90°。
本发明的有益效果：本发明采用上述技术方案，该心肺复苏辅助训练系统可以对操作过程中手臂伸直度和垂直度可实时显示，并实现对整个操作的骨骼数据、视频信息保存。通过Kinect传感器采集数据可与传统的心肺复苏训练系统所采集的心肺复苏操作信息相融合，得到包括操作体姿、按压强度、按压速度、按压位置等综合评价结果，全面反映出操作人员的整体操作的准确性。训练过程中评价结果在数据采集及显示模块的视频显示界面上显示，并对动作的标准度给出不同颜色的提示，可以实时地给予指导，学员可以针对自己操作的不足，做出相应的调整，进行有方向性的针对性训练。本系统不仅可以对学员心肺复苏训练进行指标评价，同时提供了辅助教学指导。
附图说明
图1为心肺复苏辅助训练系统示意图。
图2(a)为心肺复苏操作中人体上臂及头部骨骼节点示意图。
图2(b)为Kinect传感器获取的人体上臂及头部骨骼节点示意图。
图3(a)为Kinect坐标系中骨骼节点示意图。
图3(b)为坐标系转换后示意图。
图4(a)为心肺复苏辅助训练系统的操作空间示意图。
图4(b)为心肺复苏辅助训练系统的俯视图。
图5为手臂伸直度的夹角分析状态图。
具体实施方式
基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统，如图1所示，该系统包括Kinect传感器、模拟病人、内置数据处理及图像输出模块的上位机。
其中Kinect传感器，用于捕捉操作者动作信息，通过USB3.0接口将信息上传至上位机；本系统采用Microsoft公司Kinect2.0传感器。
标准的心肺复苏操作过程中按压的正确按压姿势是双手手臂伸直，双肩位于病人正上方，垂直向下用力按压。
利用Kinect传感器获取如图2(a)所示的人体的上臂和头部的骨骼数据点的图像，这里根据需要选取对操作有影响的骨骼点，其余的骨骼点的数据不予考虑。
数据处理及图像输出模块，内置仿真分析处理软件，用于分析所采集的数据信息，通过计算得到操作者的手臂的伸直程度及胸外按压手臂与病人身体垂直度；进而判断操作者动作是否正确，并完成图像输出；
其中，操作者的手臂的伸直程度的判断过程如下：
Kinect传感器获取得到的人体的上臂和头部的骨骼数据点的图像，得到各个关节点的三维坐标；如图2(b)所示；
此时，手臂伸直度的问题即转化为求解关节夹角问题。根据空间解析几何的原理，三维空间中，任意不重合的两个点构成一个具有大小和方向的几何对象——向量。在空间中，任意不重合的向量间可以计算二者的夹角。因此，取骨骼坐标系当中的手臂上的三个特征关节点的坐标，以手中为中心，生成两个不同方向的向量，通过计算其二者间的空间夹角即可判断出当前操作者的手臂的伸直程度。
以右侧手臂为例，由于向量的可平移性，为了计算方便，先将Kinect的骨骼坐标系通过坐标变换，将坐标系重新建立在以右手手肘为坐标原点的数学坐标系上，如图3(a)所示，右肩骨骼点坐标为SR(Sx,Sy,Sz)、右肘骨骼点坐标为ER(Ex,Ey,Ez)、右手腕骨骼点坐标为WR(Wx,Wy,Wz)。将Kinect获得的双臂关节点从Kinect坐标系转化到数学坐标系中，对于手臂伸直的计算转化为以肘关节点为原点的向量夹角的角度计算问题，即计算图3(b)中肘关节与右肩形成的空间向量和肘关节与右腕形成的空间向量的夹角θ。
根据上式计算的手臂向量夹角θ的角度值即可反映出胸外按压时的手臂伸直程度。根据复苏指南中的标准要求，正确胸外按压操作时的手臂伸直度，手臂向量夹角θ的夹角应接近180°。
所述的操作者胸外按压手臂与病人身体垂直度的判断过程如下：
在心肺复苏辅助训练系统中，胸外按压垂直度的检测也是重要一环，通过求模拟病人所在的空间水平面与施救者按压时人体双肩和手臂所组成的平面的夹角，就可以计算出按压时用力的垂直度。
为计算方便构建操作空间，具体要求为：Kinect传感器放置于距离模拟病人胸外按压点2米距离，并保持与模拟病人水平方式，高度基本保持与模拟病人水平面一致，使Kinect的视觉中心线与模拟人水平线垂直。具体如图4(a)、图4(b)所示。
根据图5所示进行手臂伸直度的夹角分析。将仿真模拟病人放置于Kinect坐标系的空间平面xoz面上，保证Kinect摄像头在水平位置放置来保证Kinect摄像头坐标系的xoz平面与世界坐标系的水平面平行。在Kinect提取的骨骼关节点中，选取施救者的操作平面为：左肩SL、右肩SR、左手腕WL(或者右手腕WR，因为实际操作时，左右手腕基本重合)。根据不重合且不在同一直线上的任意三点可以构成唯一平面，因而可以求解该空间平面与模拟病人所在平面的夹角。现已知左肩、右肩以及手腕的坐标值，可求出该平面的法向量并且已知xoz平面的法向量即为y轴(a为任意实数)，计算得到的两平面法向量的夹角θ即可表征胸外按压操作的垂直度。具体计算如下：
根据右肩骨骼点坐标SR(SRx,SRy,SRz)，左肩骨骼点坐标SL(SLx,SLy,SLz)，手腕骨骼点坐标W(Wx,Wy,Wz)三个骨骼点确定一平面，该平面内的任意一个向量与该平面的法向量垂直，因此先通过右肩骨骼点、左肩骨骼点及手腕骨骼点三点的三维坐标，形成手腕与右肩间向量手腕与左肩间向量左肩与右肩间向量
根据向量垂直原理满足的关系，能得
求解得到：
x＝(SLy-SRy)*(Wz-SRz)-(SLz-SRz)*(Wy-SRy)
y＝(SLz-SRz)*(Wx-SRx)-(SLx-SRx)*(Wz-SRz)
z＝(SLx-SRx)*(Wy-SRy)-(SLy-SRy)*(Wx-SRx)
由上式即计算得到按压平面的其中一个法向量则可计算得出按压平面与xoz平面的夹角θ，得到胸外按压手臂垂直度。
根据复苏指南中的标准要求，正确胸外按压操作时的手臂伸直度，按压平面与xoz平面的夹角θ接近90°。

Claims (4)

1.基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统，其特征在于：该系统包括：Kinect传感器、和内置数据处理及图像输出模块的上位机；Kinect传感器放置于距离模拟病人胸外按压点2米距离，并保持与模拟病人水平方式，高度与模拟病人水平面一致，使Kinect的视觉中心线与模拟病人水平线垂直；
所述Kinect传感器，用于捕捉操作者动作信息，通过USB接口将信息上传至上位机；
所述数据处理及图像输出模块，内置数据分析处理软件，用于分析所采集的数据信息，判断操作者动作是否正确，并完成图像输出。
2.如权利要求1所述的基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统，其特征在于：所述的数据处理及图像输出模块的数据分析处理软件的分析处理过程是：内置数据分析处理软件接收Kinect传感器的施救者及病人的动作信息，通过计算得到操作者的手臂的伸直程度及胸外按压手臂与病人身体垂直度。
3.根据权利要求2所述的基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统，其特征在于：所述的操作者的手臂的伸直程度的判断过程如下：
(1)Kinect传感器获取得到的操作者的上臂和头部的骨骼数据点的图像，得到各个关节点的三维坐标；
(2)取骨骼坐标系当中的手臂上的肩关节、肘关节、腕关节三个特征关节点的坐标，以肘关节点中为中心，生成肘关节与右肩和肘关节与右腕的两个不同方向的向量；
(3)计算其二者间的空间夹角即可判断出当前操作者的手臂的伸直程度；
具体计算过程如下：
将Kinect的骨骼坐标系通过坐标变换，将坐标系重新建立在以右手手肘为坐标原点的数学坐标系上，设右肩骨骼点坐标为SR(Sx,Sy,Sz)、右肘骨骼点坐标为ER(Ex,Ey,Ez)、右手腕骨骼点坐标为WR(Wx,Wy,Wz)；将Kinect获得的双臂关节点从Kinect坐标系转化到数学坐标系中，对于手臂伸直的计算转化为以肘关节点为原点的向量夹角的角度计算问题，即肘关节与右肩形成的空间向量和肘关节与右腕形成的空间向量的夹角θ；
根据上式计算的手臂向量夹角θ的角度值即可反映出胸外按压时的手臂伸直程度，根据复苏指南中的标准要求，正确胸外按压操作时的手臂伸直度，手臂向量夹角θ的夹角应接近180°。
4.根据权利要求2所述的基于Kinect的心肺复苏辅助训练系统，其特征在于：所述的操作者胸外按压手臂与病人身体垂直度的判断过程如下：
根据Kinect传感器获取得到的人体的上臂和头部的骨骼数据点的图像，通过求模拟病人所在的空间水平面与施救者按压时人体双肩和手臂所组成的平面的夹角，计算出按压时用力的垂直度，具体计算过程如下：
现已知左肩、右肩以及手腕的坐标值，可求出该平面的法向量并且已知xoz平面的法向量即为y轴，a为任意实数，计算得到的两平面法向量的夹角θ即可表征胸外按压操作的垂直度；具体计算如下：
根据右肩骨骼点坐标SR(SRx,SRy,SRz)，左肩骨骼点左边SL(SLx,SLy,SLz)，手腕骨骼点坐标W(Wx,Wy,Wz)三个骨骼点确定一平面，该平面内的任意一个向量与该平面的法向量n垂直，因此先通过右肩骨骼点、左肩骨骼点及手腕骨骼点三点的三维坐标，形成手腕与右肩间向量手腕与左肩间向量左肩与右肩间向量
根据向量垂直原理满足的关系，能得
求解得到：
x＝(SLy-SRy)*(Wz-SRz)-(SLz-SRz)*(Wy-SRy)
y＝(SLz-SRz)*(Wx-SRx)-(SLx-SRx)*(Wz-SRz)
z＝(SLx-SRx)*(Wy-SRy)-(SLy-SRy)*(Wx-SRx)
由上式即计算得到按压平面的其中一个法向量并得出按压平面与xoz平面的夹角θ，得到胸外按压手臂垂直度；
根据复苏指南中的标准要求，正确胸外按压操作时的手臂伸直度，按压平面与xoz平面的夹角θ接近90°。
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