CN106164821B - 对肢体相关点在预定的3d空间中的运动进行评估的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于对肢体相关点(32)在预定的3D空间中的运动进行评估的方法，所述运动通过使用者使所述肢体(15)在3D空间中移位从而允许所述运动而实现，该方法包括下述步骤：提供计算机；提供在围绕使用者(10)的3D空间周围的一个或更多个显示表面(105)；设置肢体位置点(22)，该肢体位置点连接至使用者(10)的肢体(15)的与肢体相关点(32)相关联的预定部分；以及提供传感器，所述传感器适于对肢体位置点(22)在3D空间中相对于关节(31)的位置进行检测。计算机程序可以适于计算由关节(31)与肢体相关点(32)之间的直线(30)限定的方向，并且适于在显示表面(105)中的位于所述线(30)上的一个显示表面上提供肢体相关点(32)在3D空间中的位置的表示，所述表示为所述关节(31)与肢体相关点(32)之间的距离(35)的函数。

Description

对肢体相关点在预定的3D空间中的运动进行评估的方法和 系统
技术领域
本发明涉及用于对肢体相关点在预定的3D空间中的运动进行评估的方法和系统。
背景技术
Gregorij Kurillo、Jay J.Han、Richard T.Abresch、Alina Nicorici、Posu Yan和Ruzena Bajcsy已在PLOSONE(第7卷，第9期，e45341，www.plosone.org)(2012年9月17日)上发表了论文“基于立体相机的上肢工作空间评估在具有神经肌肉疾病的患者中的发展和应用(Development and Application of Stereo Camera-Based Upper ExtremityWorkspace Evaluation in Patients with Neuromuscular Diseases)”，该论文公开了一种基于立体相机的可达工作空间分析系统，该基于立体相机的可达工作空间分析系统能够对上肢近端功能性损伤程度不同的个体进行区分。沿着工作空间包络面执行规定的运动。由治疗专家引导使用者做运动。其结果用来获得作为基于模型的假设的球体区段。所公开的结合有定制的3D工作空间分析算法的基于立体相机的可达工作空间获取系统与亚毫米动作捕捉系统进行比较。基于立体相机的系统是稳健的，数据点的丢失程度最低，并且平均的手部轨迹误差为约40mm，其结果是总的臂距离有约5％的误差。对一些人的由立体相机所拍摄的3D手部轨迹产生的工作空间包络面面积进行了比较。所获得的可达工作空间表面面积相对于单位半球体的表面面积的标准化允许在受试者之间进行比较。健康组的右臂和左臂的相对表面面积分别为约0.618和0.552，而具有神经肌肉疾病的个体的右臂和左臂的表面面积的范围分别为0.03(受影响最严重的个体)至0.62(受影响很轻微的个体)和0.09(受影响最严重的个体)至0.50(受影响很轻微的个体)。经证明，严重肌无力的神经肌肉患者的运动主要限于其可达工作空间的身体同侧下方。
研究结果表明，所提出的基于立体相机的可达工作空间分析系统能够对上肢近端功能性损伤程度不同的个体进行区分。用以直观地显示并有效地分析可达工作空间的方法对传统的上肢功能评估进行了补充并且允许对上肢功能进行量化和监控。
Claudia Rudhe、Urs Albisser、Michelle L Starkey、Armin Curt和MarcBolliger已在神经工程学和复原杂志(Journal of NeuroEngineering andRehabilitation)2012,9；37(http://www.jneuroengrehab.com/)(2012年9月6日)中发表了论文“运动工作空间评定在脊髓损伤康复中使用的被动手臂矫正法中的可靠性(Reliability of movement workspace measurements in a passive arm orthosisused in spinal cord injury rehabilitation)”。使用者的臂移动至可达工作空间中的特定点以校准接近工作空间几何结构(箱、椭球体等)的模型。由于在具有神经障碍的受试者的上肢功能的康复中越来越多地使用自动锻炼装置和非自动锻炼装置，该论文提供了如利用ArmeoSpring系统(由瑞士的Hocoma AG提供)所评估的运动评定的可靠性的评估以应用于遭受颈椎脊髓损伤(SCI)的患者的康复。
在二十个控制受试者中，对运动工作空间(呈现多个运动范围)的可靠性(评估者内可靠性和评估者间可靠性)以及不同的就座状态(5种不同的椅子条件)的影响进行了评估。在具有颈椎SCI的8位患者中，对测试-复测可靠性(由同一评估者在同一天进行两次测试)以及运动工作空间与如由脊髓独立性评定(SCIM3)进行评分的恢复自我护理项目的相关性进行了评估。尽管在测试装置中所使用的运动工作空间具有立方体形状而不是解剖学上的球形形状，但发现研究结果与临床结果相关。通过由Armeo装置提供的数据计算出工作空间体积，并且随后在康复过程期间随时间对变化进行记录。
运动工作空间是多关节评定并且没有像在单关节运动范围评定中所评估的那样在单个方向上对最大肩部运动能力进行评估。然而，来自该更多功能性运动的可靠性信息与例如肩部的单关节测角术评定相比似乎是非常好的。因此，在肩部中进行的测角术评定的可靠性研究具有较大的评估者内可靠性和评估者间可靠性。
Klopcar N、Tomsic M和Lenarcic J已在生物机械杂志(J Biomech)2005,40:86-91中发表了论文“用以对臂可达工作空间进行评估的肩关节复合体的运动学模型(Akinematic model of the shoulder complex to evaluate the arm-reachableworkspace)”。所述论文公开了——特别地在论文的图10和图11以及相关描述中公开了——使用者的臂运动的计算出的可达工作空间。
在本申请人的EP 2 660 742中可以发现普通的锻炼装置以及利用该锻炼装置执行的对应方法，该锻炼装置特别地用作用以对人背部进行物理治疗的支承装置。US 2013/171601和WO2011/004403中公开了其他的类似装置。
发明内容
现有技术提供了一种对人的肢体特别是臂的移动性尤其是工作空间进行评估的方法。基于现有技术，本发明的目的在于改进该方法，特别是提高精确性，从而对移动性进行更好的评估。另一目的是通过提供直观的工作流程以及由肢体已扫掠过的区域的可视化来改进数据采集。
用于对通过使用者使肢体在3D空间中移位而实现的肢体相关点在预定的3D空间中的运动进行评估的方法包括若干步骤。移位可以绕关节发生或者在3D空间中不受约束地发生。使用者的选定的肢体设置有肢体位置点，该肢体位置点连接至肢体的与肢体相关点相关联的预定部分。使用者位于下述测量环境中，所述测量环境包括：计算机，该计算机具有处理器、存储器和计算机程序以执行该方法的若干步骤；传感器装置，该传感器装置适于对肢体位置点在预定的3D空间内的运动进行检测并且连接至计算机；以及一个或更多个显示表面，所述一个或更多个显示表面连接至计算机。使用者被定位在围绕3D空间的一个或更多个显示表面的前方，也可以被定位在显示表面之间。使用者位置可以被明确地限定，或者可以仅考虑末端效应器。使用者的选定的肢体例如整个臂设置有肢体位置点，该肢体位置点连接至肢体的与肢体相关点相关联的预定部分。当所选定的肢体是整个臂时，肢体相关点可以是待在3D空间中移动的手部，并且肢体位置点可以是允许确定该点相对于手部——可以为肢体位置点——的位置的元件。计算机与适于对肢体位置点本身在3D空间中的位置或者肢体位置点相对于关节的位置进行检测的传感器相连接，在使用者被提示移动肢体的同时，基于从传感器装置获得的数据以及肢体位置点与肢体相关点的位置关系，计算机程序适于计算并存储肢体相关点在3D空间中的位置以及3D空间的2+1D表示，并且适于基于该2+1D表示在显示表面中的一个显示表面上提供肢体相关点的位置的表示。所述方法的这个步骤可以利用不同的2+1D表示和不同的(2D)显示表面来重复进行以对在3D空间中的移动性进行更精确的评估。在另一步骤中，计算机可以适于基于先前步骤中存储的数据计算3D工作空间的一致表示。在另一步骤中，计算机可以适于计算由于移除外壳使得该工作空间中的点对使用者而言能够更容易地达到而为测得的工作空间的子集的3D工作空间的表示，或者，计算机可以适于计算由于增加外壳区域使得该工作空间中的点对使用者而言更加难以到达而比测得的3D空间大的3D工作空间的表示。
计算机还可以对由在关节——该关节在本段的说明中为肩部——与末端效应器位置之间的直线限定的方向进行存储。这在3D空间中是距所述关节的距离以及因此是距局部z坐标的距离的函数，或者换言之是在该线上的距离的函数。
实际上，计算步骤——其利用适于计算的计算机程序——确定肢体相关点的位置的第一函数的值以及肢体相关点在3D空间中的位置在显示表面中的一个显示表面上的作为肢体相关点的位置的第一函数的所述值的第二函数的表示。该描述转向两个实施方式，其中，在一个实施方式中，第一函数涉及笛卡尔2D坐标，并且第二函数是距由该第一函数平面确定的平面的距离。应当指出的是，该平面不一定是平的。在此处描述的另一实施方式中，第一函数涉及从作为使用者的关节的中心点开始的方向，并且第二函数是肢体点距起始点的距离。当然，可以选择其他函数来得到相同的结果，唯一的前提条件是第一函数限定肢体点的特定位置/取向，并且第二函数允许由使用者对所述肢体点的运动进行评估。
对3D工作空间进行评估的直观可视化通过提供真实任务用以提示使用者来实现，例如，用画笔在室内的壁上涂色。因此，使用者或患者直观地知道要做什么。显示表面上的表示包括斑点，这些斑点基于肢体相关点的在该方法的这个步骤或先前步骤期间得到的位置的2+1D表示的2D分量而置于2D位置处，而所述斑点的一个或更多个视觉特性例如颜色、色调、亮度和不透明度是基于肢体相关点的位置的2+1D表示的1D分量的。在简单的实施方式中，3D空间可以是使用者前方的立方体，即，当假设在笛卡尔坐标系的情况下，后壁与x-y平面平行，2+1D表示可以由立方体内的肢体相关点朝向立方体的后侧的平行投影产生，x坐标和y坐标构成2+1D表示的2D部分，而z坐标构成2+1D表示的1D部分。换言之，当使用者将肢体定位成使得肢体相关点位于某一(x，y，z)位置处时，在显示表面上的与(x，y)对应的位置处显示有斑点，并且斑点的颜色色调与(z)对应。由于移动性的评估需要使用者尽可能地朝向后壁伸展，因此在肢体相关点在评估期间的稍后时间处处于相同的(x，y)位置，并且(z)分量更靠近于后壁的情况下，斑点被重新涂色。由于肢体相关点在一次评估期间可能不会处于所有的位置，因此显示表面上的某些位置可能没有用斑点进行涂色。斑点具有与该方法所期望的精度对应的有限的尺寸，例如在5mm与50mm之间，对于手部工作空间的评估而言通常为20mm。
根据本发明的方法的另一优点归功于下述事实：由臂已扫掠过的3D区域的表示能够在2D显示表面上、特别是在提供示出3D空间的显示表面的多个2D计算机屏幕上容易地理解。该表示包括壁上的已涂色斑点。色调的不透明度表示深度，即，臂功能的所及范围。这避免了复杂的3D结构的可视化。
本发明并不限于立方体的3D空间以及在立方体的侧面上的平行投影。例如，3D空间可以是三维空间的任何简单地连接的区域，投影可以利用三维空间中的具有正交矢量或倾斜矢量——沿着该正交矢量或倾斜矢量对第三坐标进行测量——的任意平面。3D空间至3个坐标的非线性映射和弯曲映射也是可行的，特别地包括极坐标或球坐标。
根据本发明的方法可以应用于任何肢体以及应用于多种位置测量。
如果执行多个测量步骤，则每个测量步骤均提供3D空间中的通常呈弯曲的有限的2D表面形式的工作空间边界的一部分。在附加的步骤中，这些表面部分可以合并在一起。在替代方法中，肢体相关点的在测量步骤期间采取的所有位置被汇集，并且计算机适于利用标准的数学方法来计算该云的边界。
该方法的优点特别地在于该方法为纯数据推导的方法，而无需利用工作空间的像箱或球体一样的形状基元。使用者的肢体的每个(x，y)位置或每个方向均与2D屏幕中的一个2D屏幕的特定表面部分相关联，并且因此以较高的精度表示出真实的人的工作空间。
使用不同的阈值以表示使用者在特定方向上的运动的可能性类似于从围绕肩部最小距离处的被约束的气泡或球体开始。接着，当使用者将其臂沿任何特定方向推动并且超过代表白色(或黑色)背景的初始阈值时，屏幕的颜色在该斑点处发生改变，变得较暗(较亮)，或者根据肩部与手部之间的距离而呈不同的颜色。在斑点在显示屏幕上的位置仅与末端效应器的x，y位置有关并且z位置——即，距显示屏幕或者与该屏幕平行的另一相关水平高度或部段的距离——将使斑点能够变得较暗(较亮)或者根据手部与参考水平高度之间的距离而呈不同颜色的情况下，可以实现相同的功能。
评估耗费的时间通过选择不同的“画笔直径”或喷嘴喷洒面积——该“画笔直径”或喷嘴喷洒面积可以由表面部分的边界可见地或不可见地表示——来调整。这相当于用以优化临床应用的商业可用性和速度与精确性的对抗。所述较大的画笔面积还可以在单次评估中应用于不同的方向，以为前部区域提供更精确的评估而为顶部区域或底部区域提供较不精确的评估。
在任何锻炼中都可以通过单个参数值引入挑战等级。最常见地，锻炼规定了使用者必须移动至工作空间——在这种情况下由该方法提供的工作空间——内的目标。可以将任何阈值都乘以110％、120％等，因此使必须达到的初始气泡膨胀，以在开始时获得为在屏幕上的斑点的反应并且还在使用者达到最高阈值水平——该最高阈值水平相当于在肩部与手部之间实现的最大距离——时限定最佳的(＝最暗的或最亮的)颜色改变。工作空间可以通过将3D空间的呈围绕所测得的工作空间的外壳形式的部分包括在内来扩大。类似地，工作空间可以通过将所测得的工作空间的外壳排除在外来缩小。扩大工作空间导致较高的挑战等级，原因在于在锻炼期间必须达到在测量期间到达的工作空间外部的目标。与此相反，对于缩小的工作空间，由于必须达到不太远的目标，因而挑战等级较低。
除利用阈值以外，使工作空间扩大和缩小可以利用有符号的距离函数来实现。这避免了对参考点——从该参考点执行缩放——的需求。在此，3D空间中的通过锻炼表面得到的分散的表面点被用来生成有符号的距离函数。因此，由使用者到达的所有点都可以被描述为SDF(x)＝0。当使用相同的用于锻炼的可视化装置时，可以通过为特定的颜色或色调选择阈值来得到锻炼效果，如SDF(x)的＝0.01米，即，受试者必须移动超过先前的工作空间另外的1厘米以得到与第一次行进中相同的着色强度。在能够在http://www.cs.jhu.edu/ ～misha/Fall05/Papers/carr01.pdf下检索到的J.C.Carr等的论文“利用径向基函数对3D对象进行的重建和表示(Reconstruction and Representation of 3D Objects withRadial Basis Functions)”中描述了进一步的细节。
除设置空白表面并且允许使用者到达每个方向以外，还可以为使用者关联已限定的工作空间，使用者被期望到达该已限定的工作空间。在这种情况下，在该区域外部的所有区域都不是评估的部分。这种区域可以通过身体局限来限定，例如，如果使用者在工作空间中的特定位置处，则使用者只能特别地根据臂长将其手部和末端效应器向其左侧和右侧(x位置，y位置)移动至特定的所及范围。因此，限定“边界外部”的区域避免了使用者由于不可达区域而受挫。
用以基于如上所述的数据收集来实现锻炼项目的方法可以是根据本发明的锻炼方法的一部分，其中，控制单元利用工作空间限定在3D工作空间内的有效的测试点并且将因装置局限或使用者的运动局限而无法到达的点排除在外。
本发明的其他实施方式在从属权利要求中给出。
附图说明
在下文中参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，附图是出于示出本发明的优选实施方式的目的而非出于限制本发明的目的。在附图中：
图1示出了画笔、由3D空间的表面构成的显示器的一些壁以及前显示器上的已涂色斑点，
图2示出了在左显示器上具有另外的斑点的图1的壁，
图3示出了在右显示器上具有另外的斑点的图2的壁，
图4示出了在上显示器上具有另外的斑点的图3的壁以及对可达工作空间思想的说明，
图5示出了在下显示器上具有另外的斑点的图3的壁，
图6示出了在壁中的一个壁的前方的使用者的示意性图示，
图7示出了系统的用以执行评估的部分的图示，以及
图8示出了从图1的一些壁上方观察到的视图的示意性图示，其中，以横截面视图对可达工作空间的要素进行了图形化图示。
具体实施方式
图1示出了画笔45、作为显示器或屏幕100的五个壁——即，提供由3D空间110的表面100构成的显示器的显示表面101、102、103、104和105的硬件——以及前显示器105上的已涂色斑点51和52。图2接着示出了在左显示器101上具有另外的斑点61的图1的壁和显示表面，图3示出了在右显示器102上具有另外的斑点62的图2的壁和显示表面，图4示出了在上显示器103上具有另外的斑点63的图3的壁和显示表面，并且图5示出了在下显示器104上具有另外的斑点64的图4的壁和显示表面。图1至图5的描述也将考虑到图6，图6示出了在显示表面和壁中的一个壁——此处为前显示器105——前方的使用者10的示意性图示。
此处示出的实施方式涉及一种用于对臂15的具有肢体相关点32的手部12在预定的3D空间110中的运动进行评估的方法，这通过使用者在3D空间110中使作为肢体的所述臂15绕作为关节31的肩部11(其也可以仅为参考框架)移位从而允许所述运动而实现。当然肢体15也可以是腿并且设想脚的运动。肢体15也可以是头部，其中，颈部是所讨论的关节。也可以考虑下臂作为肢体的部分，其中，关节是肘部，并且监控手部相对于肘部的运动。换言之，肢体15还可以涉及具有固定至身体部分的参考框架的任何可动点。
使用者10定位在3D空间110内。在本实施方式中，3D空间110由显示器包围，该显示器包括围绕使用者10周围的3D空间110的一个或更多个显示表面101至105，特别地围绕作为关节31的肩部11定位。此处示出了五个显示表面，但也可以通过在使用者后方设置第六屏幕来使箱封闭以检查使用者的在身体后面移动臂的能力，当然是在无需转动身体的情况下。应当指出的是，肩部不必位于工作空间内。可以利用背板来对使用者工作空间的在3D空间中可以具有任何位置的后侧进行评估。
显示表面可以为计算机屏幕，或者显示表面可以是具有相关联的投影仪的银幕。还可以设置作为在待放置在使用者的眼睛前方从而提供显示表面的眼镜上的虚拟表示的显示表面。还可以将显示表面设置为例如在使用者前方的计算机屏幕上的区域。
信号处理由包括处理器、存储器以及一个或更多个计算机程序的计算机提供。该计算机适于将信号发送至屏幕、投影仪或者发送至眼镜的显示屏幕以用于可视化，将结合图1至图5对此进行说明。
参照图6，使用者配备有作为肢体位置点的手部发送器22，该手部发送器22连接至使用者10的作为肢体15的手部12的与肢体相关点32相关联的预定部分。手部发送器22也可以是矫形器并且是向前运动的。
该系统配备有适于对作为肢体位置点的手部发送器22在3D空间110中的位置进行检测的传感器，该位置可以与作为关节31的肩部11有关，但不一定处于这种关系中。由于手部发送器22与手部12之间的位置关系是已知的，因此计算机程序适于计算肢体位置点32的位置(以及在需要的情况下计算关节31的位置)。在该上下文中，手部12在3D空间中通过肢体位置点32的计算值来表示。
肩部11在空间中的位置可以通过不同的方法得到。当使用Hocoma AG的Armeo装置(如在引言中提及的Claudia Rudhe的论文中所描述的)时，则可以通过肩部的与装置有关的固定来计算肩部的位置。在替代性实施方式中，可以设置肩部发送器21以使得使用者10能够在3D空间110中自由地站立。上身以及包括肩部11在内也可以仅用作该方法的x、y布置中的参考点。
手部发送器22可以是定位在使用者10的下臂15上的一个或更多个灯，并且利用公知的动作捕捉技术来确定发送器22在空间中的位置。在本实施方式的框架内，知道下臂位置就足够了，原因在于下臂距手部的距离本身就是特定的。由此，对作为肢体的整个臂15的运动可能性进行了研究，肢体位置点32是“手部”本身。使用者10的手部12可以握持如Hocoma AG的Armeo装置中所提供的把手，该把手被表示成画笔45。肢体位置点22可以被确定为位于使用者10的手掌中间中。
还可以使用重量支承装置(如由Hocoma AG提供的Armeo装置)和相关传感器，例如装置的关节角度传感器或装置的特定传感器，从而提供装置的与肢体相关点32有关的所述把手的位置信息。基于此，对本领域技术人员而言清楚的是，存在许多数据采集可能性来得到所需的3D数据，即，反映臂15的手部12在3D空间110中的实际位置的肢体位置点32的位置以及在对应实施方式中来自肩部发送器21的肩部11的位置。
接着，计算机程序适于计算由关节31与肢体相关点32之间的直线30限定的方向，并且适于提供肢体相关点32在3D空间110中的位置在显示表面100至105中的位于所述线30上的一个显示表面上的作为所述关节31与肢体相关点32之间的距离35的函数的表示，或者计算机程序适于仅计算手部的位置并且提供肢体相关点32在3D空间110中的位置在显示表面100至105中的一个显示表面上的作为z距离的函数的表示。
起初，所述计算的结果为距离值35。该距离值35可以被表示在相关的屏幕表面105上，或者该距离值35可以保持为数值，而没有视觉表示。在不同的实施方式中，计算的结果可以是末端效应器的z位置。
计算机可以在相关的屏幕表面105上提供相关联的可见表面部分40，或者该表面部分40可以保持不可见或者仅图示了周边线41。在表面部分40的中央处提供优选的可见点46。所述点是光标，该光标可以为如图1至图5所示的涂色画笔45或者例如为喷嘴或者为用于使用者10为自己示出他的臂15所指向的方向或者末端效应器的x、y位置的任何其他的视觉表示。换言之，计算机程序适于借助光标45或46使肢体位置点32的从关节31观察的方向显现在相关表面105上，或者显现相关表面105前方的末端效应器的x位置、y位置。
如图1至图5中所示，示出光标的(屏幕)表面可以基于末端效应器的x、y、z位置或者线30的方向或者使用者的选择或者在工作流程中限定的顺序。在该方向上要围绕使用者周围的3D空间110设置一个或更多个表面100至105以能够进行表示。优选地，设置作为前平面105、左矢状平面101和右矢状平面102的至少三个平面。在优选实施方式中，添加横向的顶平面103和横向的底平面104，并且最后可以具有后平面(未示出)以使得这六个平面跨越形成立方体。
计算机程序适于确定表面部分40的一个或更多个特定尺寸并且将所述一个或更多个特定尺寸存储在计算机的存储器中。所述一个或更多个特定尺寸可以与肢体位置点32的从关节31观察的特定方向相关联，或者所述一个或更多个特定尺寸可以与肢体位置点32的特定的x、y、z位置相关联。换言之，当使用者的臂15指向前屏幕105或者x、y位置使得效应器的位置在人的正前方时，该表面部分40的尺寸在使用者10的前方会较小，并且当使用者的臂15指向顶屏幕103或者当检测到x、y位置使得末端效应器的位置高于正锻炼人员时，该表面部分的尺寸会较大。
本发明的评估方法在屏幕101至105上从白色的屏幕表面53开始。除白色的屏幕表面以外，还可以使用任何中性色。当使用者10随后伸出手并且伸手去够他前方的虚拟壁时，使用者的肩部11与他的手部12之间的距离35增大并且将达到预定的阈值距离。如果该阈值选择为0，则正锻炼人员立即开始涂色。接着计算机程序触发画笔45的涂色功能并且给表面部分40涂色。接着使用者的任务是在可以的情况下给屏幕101至105的整个表面涂色。这只能在距离35大于所述阈值的情况下或者在距离“z”具有特定值的情况下实现。当然还可以在阈值/初始值为0的情况下开始涂色，则正锻炼人员立即开始涂色。
于是清楚的是，表面部分40的尺寸——即，画笔尺寸——决定屏幕的可能的覆盖速度以及臂15的扫掠运动的必要精度。表面部分40越大，使得精度越低，并且使数据收集更快。
计算机程序可以为不同的方向存储不同的阈值距离。在位置z是涂色动作的基础的情况下，同样如此，于是相比于与末端效应器在正锻炼人员的身体的最左侧或最右侧的定位相关的x、y值，可以为例如在使用者前方的特定的x值、y值选择不同的色彩分辨率。较难以达到的方向可以具有比较易于达到的方向低的阈值。这可以与阈值距离的排列相结合，即，计算机程序为任何给定的方向存储多个阈值距离。这也可以通过设置第一距离值并且随后将其他的阈值确定为该初始值的110％、120％、130％等来实现。当使用者10随后伸手去够使用者前方的虚拟壁并且将虚拟画笔“抵对着壁”“推动”时，使用者的肩部11与使用者的手部12之间的距离35进一步增大，并且最终使用者10将进一步达到比该预定的阈值距离远的距离。于是优选地，计算机程序适于在关节31与肢体位置点32之间的距离35超过这些比预定的阈值距离更远的距离中的一者时改变已涂色斑点的色调或不透明度。这在图1通过两个不同的表面区域示出。画笔45周围的内部区域51是“较暗”区域，而外部区域52是“较亮”区域，剩余的未到达的表面53保持呈白色。当然，现今的屏幕允许大量不同的着色强度或者甚至如例如用于温度表示那样的不同的颜色，例如，代表较小的距离35阈值的蓝色区域52以及代表较大的距离35阈值的红色区域51。在所有这些情况下，关节31与肢体位置点32之间的距离35的表示的函数为位于所述直线30上的表面的相关联的表面部分40的色调或不透明度。
如所说明的，在所述表示的函数随所述距离35单调地递增或递减的情况下，对于使用者10是更直观的。递减的函数可以在开始时与黑色屏幕一起使用，并且臂12的超过阈值中的任一阈值的任何超越使屏幕表面朝着灰色变亮并且最终在最后的阈值距离被达到的情况下变为白色。
所说明的在壁上涂色的方法已经包括计算机程序的进一步的功能，即，在距离35——即臂15的外展——大于所存储的阈值中的一个阈值的情况下，对表面部分40在特定的屏幕部分上的任何通路进行存储。然后保留用于该特定方向的该最大值。光标45的位置的分辨率可能大于由表面部分覆盖的区域的分辨率，即，当光标45具有像素分辨率时，由表面部分覆盖的区域可以具有例如十一像素或二十象素的近似圆形的覆盖范围，使得使用者的任何进一步的扫掠也可以部分地覆盖先前的扫掠区域。
为了对使用者10的可能性进行评估，在使用者在表面部分40上全部地或部分地扫掠过多于一次的情况下，计算机适于将用于所确定的特定尺寸的任何相关联的表面部分40的色调或不透明度的最大值或最小值分别存储在计算机的存储器中。也可以仅存储沿着平面法线(局部法线)测得的最大坐标。
在任何锻炼中可以通过单个参数值引入挑战等级。这意味着随后将任何阈值都乘以例如110％、120％等，因此使必须达到的初始阈值气泡膨胀，以在开始时在屏幕上获得斑点52并且在使用者达到最高的阈值水平——该最高的阈值水平相当于在肩部与手部之间实现的最大距离——时还限定最佳的(＝最暗的或最亮的)颜色改变，例如斑点51。
该单个参数值在乘法运算内的使用可以设定超过使用者的由使用者的臂长限定的最大可达距离的必要阈值。在这种情况下，计算机程序软件优选地适于限制工作空间的膨胀以使得已膨胀的工作空间总是位于装置的工作空间内，或者换言之，甚至已膨胀的工作空间中的所有点都是身体上可达到的。
另一方面，待达到的作为阈值的最小距离35限定对内部安全区域的认知，即，靠近使用者10的身体的区域——该区域并不被评估为关于患者的身体的位置的假设——给出足够的信息。
在图4内图示了可达工作空间的理念。除了提供如图1中那样的空白的表面53并且允许使用者到达每个方向以外，还可以为使用者10关联已限定的定界工作空间72，让使用者从已达到的表面71开始达到该已限定的定界工作空间72。此处，在实施方式中仅使用一种暗度，其中，系统的反应是“达到”或“没有达到”，这意味着在给定的表面部分40处达到或没有达到最小阈值距离。在这种情况下，该区域72外部的所有的区域73都不是评估的一部分。他们应该以不同的暗度着色以为使用者10清楚地示出不让使用者沿该方向移动画笔45以及因此沿该方向移动使用者的臂15。这可能是由于在锻炼的框架内的原因，或者简单地是因为锻炼装置或使用者的体质不允许达到定界72外部的这些区域73。
由于使用者10的快速运动而产生的伪像可以在所产生的工作空间中利用低通滤波器来抑制。这等同于下述效果：“画笔”46中的“颜料”由计算机给定粘度并且在特定的预定时间之后仅根据计算机的位置数据而被应用(以及因此被检查)，使得使用者不得不使光标45在壁上缓慢地扫过以实现颜色或色调的改变。
与该方法相关的是一种用于对肢体相关点32在预定的3D空间110中的运动进行评估的系统，其中，肢体相关点32在预定的3D空间110中的运动通过使用者使所述肢体15在3D空间110中围绕关节11移位从而允许所述运动而实现。如图7的示意性图示中所示的此种系统包括计算机200，该计算机200具有处理器、存储器201、键盘或输入装置202以及在该计算机上运行的计算机程序。该系统还包括一个或更多个显示表面101至105，所述一个或更多个显示表面101至105围绕使用者10周围的3D空间110而布置，在本实施方式中具体地围绕肩部11而布置。设置肢体位置传感器122，并且该肢体位置传感器122适于通过无线或线装传输装置222接收与肢体位置点22相关的位置数据，肢体位置点22连接至用户10的臂15的与作为肢体相关点32的手部相关联的预定部分。设置另外的关节传感器121以通过无线或线装传输装置221接收与肩部相关的位置数据，这取决于是否使用特定的肩部发送器21或者是否提供来自像Armeo那样的重量减轻机构的位置数据。
然后，计算机200中的计算机程序适于计算由肩部11与肢体相关点32之间的直线30限定的方向，并且控制信号生成并发送至屏幕以在显示表面101至105中的位于所述线30上的一个显示表面上提供肢体相关点32在3D空间110中的位置的作为肢体相关点32距所述肩部11的距离35的函数的表示45。如上所述的不同阈值可以经由输入装置202被输入并且存储在存储器201中。对于不同程度的色调和不透明度以及已存储的使用者在屏幕101至105的2D表面上的扫掠而言，同样如此。
在另一实施方式中，提供了一种用于对肢体相关点32在预定的3D空间110中的运动进行评估的系统，其中，肢体相关点32在预定的3D空间110中的运动通过使用者使所述肢体15在3D空间110中移位从而允许所述运动而实现。该系统如图7的示意性图示中所示。该系统还包括一个或更多个显示表面101至105，所述一个或更多个显示表面101至105围绕使用者10周围的3D空间110而布置。设置肢体位置传感器122，并且该肢体位置传感器122适于通过无线或线装传输装置222接收与肢体位置点22相关的位置数据，肢体位置点22连接至用户10的臂15的与作为肢体相关点32的手部相关联的预定部分。接着，传感器经由肢体位置点22获取手部的位置的x值、y值以使得能够利用手部在3D空间中的位置的Z值“涂色”。
接着，计算机200中的计算机程序适于计算肢体相关点32的位置，并且控制信号生成并发送至屏幕以在显示表面101至105中的一个显示表面上提供肢体相关点32在3D空间110中的位置的作为x位置、y位置以及肢体相关点32距特定部段的z距离35的函数的表示45。如上所述的不同阈值可以经由输入装置202被输入并且存储在存储器201中。对于不同程度的色调和不透明度以及已存储的使用者在屏幕101至105的2D表面上的扫掠而言，同样如此。
数学理念从手部或肢体相关点在3D空间中的位置开始。接着利用两个函数来将手部位置的该3D矢量值映射为通常提及为(x，y)的2D绘图以及在(z)上的1D绘图，其中，值(x，y)和值(z)在3D空间中唯一地限定手部，即，所述函数限定坐标系。对于评估阶段期间的每一时间而言，对于每个斑点(x，y)——该斑点为2D空间中的区域，其特点在于其位置和画笔尺寸，(z)分量被求值并且在该(z)分量大于在该位置处先前存储的(z)的情况下被存储为(zmax)。当然，“大于”并不减弱普遍性，原因在于潜在的函数可以被重新定义。为此，预定义(x，y)值的网格，如果在评估期间始终未达到(x，y)，则(x，y)的(zmax)始终保持初始值不变，该初始值与在评定期间会出现的值例如计算机工具中的NaN不同。
可视化使斑点可视地显示在显示表面上的像素坐标(a，b)——(a，b)为(x，y)的函数——处并且根据作为(z)的函数的色指数被涂色。显示表面的初始颜色或背景颜色被预先确定和选择，并且示出为用于以上示例中的z＝NaN。因此，如果在该时间稍后的时间处(z)大于该评估阶段期间的所有(z)，则对应的斑点通过新的值而被重新绘制，从而作为阈值标准。另一方面，如果在稍后的时间处(a，b)超出先前遇到的所有(a，b)，则该斑点将被涂色，从而作为另一阈值标准。
图8示出了从图1的一些壁101、102、105上方观察的视图的示意性图示，其中，以横截面视图示出了可达工作空间的要素的图形化图示。前壁105由左壁101以及右壁102邻接。使用者10面向前壁105定位在两个侧壁101和102下方。在如通过图1至图5的图示所描述的初始步骤中，使用者10正移动他的臂15以用虚拟画笔45在前壁105、右壁102以及左壁101中的不同壁上进行“涂色”。为了简化且易于理解，没有考虑使用者10正在为底壁104或上壁103涂色，并且图8示出了从上方、例如在胸部高度处观察的视图的截面图。
使用者10生成了可达工作空间的表示72，其在横截面图中为封闭线131、且以虚线示出；换言之，基于2D绘图的作为患者工作空间的3D云接收了参考数字131。这些值由使用者数据生成。另一方面，该装置还具有其物理限制，其不允许使用者10到达空间中的每个点。当使用者努力在相对的壁上涂色时，这些边界是不可见的。但这些边界确实存在，如果使用者10想要在使用者的胸前进行涂色，则锻炼装置的机械部分将不允许使用者的手部朝向使用者前方的区域和位置伸出。
因此，这些部分被预先从工作空间排除，并且可达工作空间——3D云——在与设备工作空间相交之后作为封闭线用附图标记132表示。该可达工作空间132将空间(此处在横截面中为平面)分成两部分。一部分是“内部”，其中，参考数字134涉及工作空间的可达部分中的目标，即，使用者10可以使用画笔45到达空间中的该点。另一方面，在“外部”存在用于由于装置限制而不在工作空间的可达部分中的目标的点133，并且在“外部”还存在用于针对特定的使用者的不在工作空间的可达部分中的目标的点135。
包括如上所述的评估步骤的该方法之后可以是测试步骤，该测试步骤包括：生成包括所述传感器21、22的系统能够到达的边界132的第一数据集。接着，在控制单元内基于评估步骤生成使用者能够达到的边界131的第二数据集。接着，控制单元计算测试边界的作为第一数据集与第二数据集的交集的第三子集，以将技术上不能到达的点如点133或点135排除在使用者的主观范围之外。因此，在所述测试边界内的点134被定义为可达点，而其他点133、135作为不可达点被定义在所述测试边界外部。
于是锻炼项目包括提供作为可达点的子集的一部分的目标点134作为在围绕使用者10的3D空间110周围的、待由使用者10通过肢体位置点22的运动而达到的一个或更多个显示表面101至105上的虚拟表示，其中，肢体位置点22连接至使用者10的肢体15的与肢体相关点32相关联的预定部分。如果使用者10成功到达对象目标点，则使用者10触发了结果事件，并且可选地，最后提到的两个步骤在该锻炼项目中通过随机地或特定地改变目标点134——特别地在可达点的边界附近——被反复进行，以扩大这些边界的极限。重要的是，所述交集用于将可能目标的3D云减小至已存储的3D空间中的实际可达目标点。
附图标记列表
10 使用者
11 肩部
12 手部
15 臂
21 肩部发送器
22 手部发送器/肢体位置点
30 连接线
31 关节
32 肢体相关点
40 表面部分
41 周边线
45 画笔
46 点
51 暗区
52 较亮区
53 未涂色区域
61 斑点
62 斑点
63 斑点
64 斑点
65 斑点
71 已达到区域
72 可达工作空间
73 边界区域之外
100 3D空间的壁
101 左壁
102 右壁
103 顶壁
104 底壁
105 前壁
110 3D空间
121 关节传感器
122 肢体位置传感器
131 基于2D绘图的3D云(患者工作空间)
132 在与装置工作空间相交之后的3D云
133 由于装置限制而不在工作空间的可达部分中的目标
134 在工作空间的可达部分中的目标
135 对于特定的使用者而言不在工作空间的可达部分中的目标
200 计算机
201 存储器
202 输入装置
221 关节传感器信号传输
222 肢体位置传感器信号传输

Claims (16)

1.一种用于对肢体相关点(32)在预定的3D空间(110)中的运动进行评估的方法，所述运动通过使用者使肢体(15)在所述3D空间(110)中移位而实现，所述方法包括下述步骤：
提供计算机，所述计算机包括处理器、存储器和计算机程序，
提供在围绕使用者(10)的所述3D空间(110)周围的一个或更多个显示表面(101-105)，
设置肢体位置点(22)，所述肢体位置点(22)连接至使用者(10)的肢体(15)的与所述肢体相关点(32)相关联的预定部分，
提供一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器适于对所述肢体位置点(22)在所述3D空间中相对于预定的平面的位置进行检测，
利用适于计算的计算机程序计算所述平面中的位置(x，y)，作为所述肢体相关点(32)的位置的第一函数的值，以及
在所述显示表面(100-105)中的一个显示表面上提供所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置的表示，其中，所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置的所述表示作为所述肢体相关点(32)的位置的所述第一函数的所述值的第二函数与所述肢体相关点(32)距所述平面的距离(z)相关。
2.一种用于对肢体相关点(32)在预定的3D空间(110)中的运动进行评估的方法，所述运动通过使用者使肢体(15)在所述3D空间(110)中移位而实现，其中，所述肢体相关点(32)的运动绕允许所述运动的关节(31)实现，所述方法包括下述步骤：
提供计算机，所述计算机包括处理器、存储器和计算机程序，
提供在围绕使用者(10)的所述3D空间(110)周围的一个或更多个显示表面(101-105)，
设置肢体位置点(22)，所述肢体位置点(22)连接至使用者(10)的肢体(15)的与所述肢体相关点(32)相关联的预定部分，
提供一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器适于对所述肢体位置点(22)在所述3D空间中相对于所述关节(31)的位置进行检测，
利用适于计算的计算机程序计算由所述关节(31)与所述肢体相关点(32)之间的直线(30)限定的作为所述肢体相关点(32)的位置的第一函数的值的方向，
在所述显示表面(100-105)中的一个显示表面上提供所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置的表示，其中，所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置在所述显示表面(100-105)中的位于所述直线(30)上的一个显示表面上的所述表示作为所述肢体相关点(32)的位置的所述第一函数的所述值的第二函数是所述关节(31)与所述肢体相关点(32)之间的距离(35)的函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在围绕使用者(10)的所述3D空间(110)周围的所述一个或更多个显示表面(100-105)包括来自包括下述项的组的三至六个平面：前平面(105)、左矢状平面(101)、右矢状平面(102)、横向的顶平面(103)、横向的底平面(104)以及后平面(100)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在围绕使用者(10)的所述3D空间(110)周围的所述一个或更多个显示表面(100-105)包括来自包括下述项的组的三至六个平面：前平面(105)、左矢状平面(101)、右矢状平面(102)、横向的顶平面(103)、横向的底平面(104)以及后平面(100)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述计算机程序适于使所述肢体相关点(32)的所述第一函数的值在相关显示表面(100-105)上通过选自包括下述项的组的元件显现在相关联的可见的或不可见的表面部分(40)上：光标(45、46)、涂色画笔(45)或喷嘴。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述计算机程序适于确定并存储所述表面部分(40)的与所述肢体相关点(32)的所述第一函数的特定值相关联的一个或更多个特定尺寸。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述肢体相关点(32)的所述表示的第二函数是所述显示表面(100-105)的相关联的表面部分(40)的色调或不透明度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述表示的第二函数的值随所述第一函数的值单调地递增或单调地递减。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述计算机程序适于在用于所述肢体相关点(32)的所述第二函数的值超过一个或更多个预定阈值中的一个预定阈值的情况下改变色调或不透明度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述一个或更多个预定阈值被预先确定并存储在所述计算机的所述存储器中用于多个特定的方向。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在使用者在所述表面部分(40)上扫掠过多于一次的情况下，所述计算机适于将用于特定的已确定尺寸的相关联的表面部分(40)中的任一者的色调或不透明度的最大值和/或最小值分别存储在所述计算机的所述存储器中。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，提供所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置的表示的步骤之后是测试步骤，所述测试步骤包括：
生成由包括所述传感器的系统能够到达的边界的第一数据集(132)，
基于使用者能够达到的肢体位置点(22)的值生成使用者能够到达的边界的第二数据集(131)，
计算作为所述第一数据集与所述第二数据集的交集的测试边界的第三子集，
将位于所述测试边界内的点定义为可达点并且将位于所述测试边界外部的点(133，135)定义为不可达点，
提供作为在围绕使用者(10)的所述3D空间(110)周围的所述一个或更多个显示表面(101-105)上的虚拟表示的、作为可达点的子集的一部分的目标点(134)，所述目标点由使用者(10)通过肢体位置点(22)的运动而达到，其中，所述肢体位置点(22)连接至使用者(10)的所述肢体(15)的与所述肢体相关点(32)相关联的预定部分，以及
当使用者(10)通过所述肢体的运动达到所述目标点(134)时，触发结果事件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在锻炼项目中通过任意地或者特别地改变所述目标点(134)来重复最后两个步骤，其中，所述点以更大的可能性在可达点的边界附近选择。
14.根据权利要求4所述的方法，其中，所述三至六个平面跨越立方体。
15.一种用于对肢体相关点(32)在预定的3D空间(110)中的运动进行评估的系统，其中，所述运动通过使用者使肢体(15)在所述3D空间(110)中移位来实现，所述系统包括：计算机(200)，所述计算机(200)具有处理器、存储器(201)和计算机程序；一个或更多个显示表面(100-105)，所述一个或更多个显示表面(100-105)围绕所述使用者(10)周围的3D空间(110)而布置；肢体位置传感器(122)，所述肢体位置传感器(122)适于接收(222)与肢体位置点(22)相关的位置数据，所述肢体位置点(22)连接至使用者(10)的所述肢体(15)的与所述肢体相关点(32)相关联的预定部分，其中，所述计算机程序适于计算作为所述肢体相关点(32)的位置的第一函数的值的、由一个或更多个传感器确定的平面中的位置(x，y)，并且适于在所述显示表面(100-105)中的一个显示表面上提供所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置的表示(45)，其中，所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置的所述表示(45)作为所述肢体相关点(32)的位置的所述第一函数的所述值的第二函数与所述肢体相关点(32)距所述平面的距离(z)相关。
16.一种用于对肢体相关点(32)在预定的3D空间(110)中的运动进行评估的系统，其中，所述运动通过使用者使肢体(15)在所述3D空间(110)中移位来实现，所述系统包括：计算机(200)，所述计算机(200)具有处理器、存储器(201)和计算机程序；一个或更多个显示表面(100-105)，所述一个或更多个显示表面(100-105)围绕所述使用者(10)周围的3D空间(110)而布置；肢体位置传感器(122)，所述肢体位置传感器(122)适于接收与肢体位置点(22)相关的位置数据，所述肢体位置点(22)连接至使用者(10)的所述肢体(15)的与所述肢体相关点(32)相关联的预定部分，所述系统还包括关节传感器(121)，所述关节传感器(121)适于接收与所述关节(31)相关的位置数据，其中，所述计算机程序适于计算作为所述肢体相关点(32)的位置的第一函数的值的、由所述关节(31)与所述肢体相关点(32)之间的直线(30)限定的方向，并且适于提供所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置在所述显示表面(100-105)中的一个显示表面上的表示(45)，其中，所述肢体相关点(32)在所述3D空间(110)中的位置在所述显示表面(100-105)中的位于所述直线(30)上的一个显示表面上的所述表示(45)作为所述肢体相关点(32)的位置的所述第一函数的所述值的第二函数是所述肢体相关点(32)距所述关节(31)的距离(35)的函数。
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