CN108185986A - 基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，它是利用已有的灰阶摄像头与红外接收器组成的光学捕捉设备实时获取人体手部骨骼及各关节点信息，结合当前康复评定标准，将相关患者患手定量信息与患者健手定量信息进行对比，将计算结果作为该患者前臂旋前动作评估值，反映出患者手功能恢复程度。本发明结合现有的计算机视觉及光学动作捕捉技术，通过光学捕捉设备实时捕捉并处理手部骨骼及各关节点信息，以患者健手作为参照对象，分别计算得到前臂旋前动作运动过程中的平均角速度、平均角加速度及前臂旋前角的评估值，完成患者在康复训练过程中前臂旋前动作的定量描述，使医师与患者能够精确了解患手在治疗过程中的康复程度变化。

Description

基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法

技术领域

本发明涉及一种康复训练评估方法，尤其涉及一种基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法。

背景技术

根据《第二次全国残疾人抽样调查资料》显示：我国脑卒中发病率位居世界首位，患者数逾150万，致残率高达86.5％。是我国60岁以上人群肢体致残的首要原因，患者多以半肢瘫痪与半身瘫痪为主。其中，约有30％至66％的患者会产生上肢运动功能的障碍。在患者长期康复训练过程中，手部功能恢复对患者生活质量的改善有着重要的作用，通过康复训练与治疗的介入，部分患者在6个月之内手功能方面会有不同程度的恢复。目前的康复训练方案定制与实施中，主要根据Fugl-Meyer等量表进行定性的康复程度评估。然而，这种方式主要取决于康复医师的个人专业水准及其对病人肢体康复程度的判断，治疗个体差异性大，主观性强。因此，目前迫切需要一种手功能定量评估方法，提供精确量化数据并与量表结合，为患者制定合理的康复训练提供依据。

目前手功能检测时根据人体手部与腕部关节及其活动特性进行检测。其中前臂旋前动作是手功能康复过程中具有代表性的评估动作。目前国内外的检测方法多为使用量角器具进行角度测量，并结合Fugl-Meyer等量表要求如下：

a.受测者采取座位，上臂置于体侧，屈肘，手部处旋前中立位(握拳拳心向上)自然伸展并置于桌上；

b.以尺骨茎突为测量固定点；

c.将量角器具的零点对准尺骨茎突处，固定臂垂直于地面；

d.将量角器具的移动臂置于腕关节背面；

e.手部从前臂旋前中立位向旋前位(掌心向下)旋转至最大限度，测量出最大运动范围(正常活动范围为0°至90°)。

Fugl-Meyer等量表指标，将前臂旋前的动作恢复程度分别划分为0分、1分、2分，其中：0分表示患者不能完成该动作，1分表示患者能够部分完成该动作，2分表示患者能够正常完成该动作。

由此可见，传统评估量表为一种定性评估量表，其对于动作评估划分笼统，对于特定动作恢复程度描述宽泛，患者在一个或多个康复疗程中恢复情况难以准确判断，不利于医生调整康复训练方案，不利于患者增加自身复健的信心。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法是，利用已有的灰阶摄像头与红外接收器组成的光学捕捉设备实时获取人体手部骨骼及各关节点信息，结合当前康复评定标准，将相关患者患手定量信息与患者健手定量信息进行对比，将计算结果作为该患者前臂旋前动作评估值，反映出患者手功能恢复程度。

所述方法具体包括前臂旋前动作定量评估过程、前臂旋前动作评估结果获取以及前臂旋前动作患者测试步骤。

所述前臂旋前动作定量评估过程包括数据采集、数据预处理、评估参数处理和评估结果统计；

所述数据采集是，通过光学捕捉设备精确获取手部骨骼及各关节点信息，提取相关位置参量，即前臂旋前中立位手掌法向量和前臂旋前手掌法向量

所述数据预处理的方法如下：

1)分别取与在平面XOY内的投影，即：

2)定义前臂旋前角为

所述评估参数处理的方法如下：

a.手部在前臂旋前中立位时，将当前时间t₀、初始前臂旋前角θ₀与前臂旋前中立位手掌法向量投影存储在内存中；

b.运动过程中，考虑患者运动能力差异及运动时长不同，当Δθ＝1°时，即当前臂旋前角增量等于1度时，存入对应数据帧号i、时间t_i、前臂旋前角θ_i、前臂旋前手掌法向量投影

c.当Δθ＝1°时，即当前臂旋前角增量等于1度时，判断当前数据帧前臂旋前角θ_i与前一数据帧前臂旋前角θ_i-1的大小，将较大值存入θ_max中；

d.当运动至最大限度并向初始位返回时，停止数据采集，并将运动过程中前臂旋前角最大值θ_max存储；

e.为避免出现单次动作采集出现误差，在健手与患手数据采集中均完成多次采集，取最优结果进行存储，即θ_max较大的数据进行评估；

所述评估结果统计的方法是：

a.设前臂旋前角为θ：

θ＝θ_max-θ₀

其中，θ_max为运动过程中前臂旋前角最大值，θ₀为初始前臂旋前角；

b.设运动过程中，前臂旋前角角速度为ω：

其中，θ_i、t_i为当前帧前臂旋前角度与录入时间，θ_i-1、t_i-1为前一帧前臂旋前角度与录入时间；

c.设运动过程中，前臂旋前角平均角速度为

其中，j为偏转度数，n为偏转最大角度，N为总偏转度数；

d.设运动过程中，前臂旋前角加速度为

其中，Δω为运动过程中前臂旋前角角速度ω的增量，Δt为运动过程中时间t的增量；

e.设运动过程中，平均角加速度为

其中，j为偏转度数，n为偏转最大角度，N为总偏转度数。

所述前臂旋前动作评估结果的获取方法如下：

1)在数据处理的过程中，设健手最大前臂旋前角为θ_h，平均角速度为平均角加速度为在同一患者不同康复时期，以健手数据作为患者参照标准数据，如无二次发病，健手数据保持不变；

2)进行前臂旋前评估时，将患者患手数据进行更新，定义当前评测患手最大尺偏角为θ_u，平均角速度为平均角加速度为通过与健手参照标准数据进行计算，得到如下结果：

3)将角度评估值作为主要评估依据，将健手与患手的平均角速度与平均角加速度作为辅助参考依据进行评估。

所述前臂旋前动作患者测试步骤如下：

a.待测者采取坐位，上臂置于体侧，屈肘，手部处旋前中立位，握拳拳心向上，自然伸展置于检测仪器中，测试仪器左右各设有一个工作区，分别用于测试者左右手的检测，对健手进行数据建立以及对患手进行定量评估；

b.在医师指导下，患者进行健手的数据采集建立；

c.患者健手开始进行前臂旋前动作，运动过程中，当前臂旋前角增量为1度时，存储手部位置参量与定量数据信息；

d.当患者手部从前臂旋前中立位向旋前位掌心向下旋转至最大限度时，停止数据采集，计算出最大前臂旋前角、平均角速度与平均角加速度参量；

e.重复c、d步骤一次，将两组数据进行比对，保留较优结果，即最大前臂旋前角较大组数据；

f.在医师指导下，患者进行患手的定量评估；

g.重复c、d、e步骤，完成患者待测手数据获取；

h.通过所述前臂旋前动作评估结果获取方法，算计出测试者前臂旋前动作评估值。

本发明结合现有的计算机视觉及光学动作捕捉技术，通过光学捕捉设备实时捕捉并处理手部骨骼及各关节点信息，以患者健手作为参照对象，分别计算得到前臂旋前动作运动过程中的平均角速度、平均角加速度及前臂旋前角的评估值，完成患者在康复训练过程中前臂旋前动作的定量描述，使医师与患者能够精确了解患手在治疗过程中的康复程度变化。

附图说明

图1为光学捕捉设备示意图。

图2为检测设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

前臂旋前指手部从旋前中立位(握拳拳心向上)至旋前位(掌心向下)旋转这一动作过程，其对于判断手功能康复程度有着重要的意义。

一种基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，包括前臂旋前动作定量评估过程、前臂旋前动作评估结果获取及前臂旋前动作患者测试步骤。

本发明使用光学动作捕捉设备对人体手部骨骼及各关节点信息进行实时捕捉与获取，其中光学动作捕捉设备如图1所示，由1个双目灰阶摄像头与3个红外探测器组成。三维坐标系的定义是：以双目灰阶摄像头中点为原点确定X、Y、Z三轴。

本发明中的前臂旋前动作定量评估过程共包含4个步骤，分别为数据采集、数据预处理、评估参数处理和评估结果统计。

所述数据采集是通过光学动作捕捉设备精确获取手部骨骼及各关节点信息，提取相关位置参量：前臂旋前中立位手掌法向量前臂旋前手掌法向量

所述定量评估过程中的数据预处理方法如下：

1)分别取与在平面XOY内的投影，即：

2)定义前臂旋前角为即与夹角为前臂旋前角。

所述定量评估过程中的评估参数处理包括：

a.手部在初始位置(前臂旋前中立位)时，将当前时间t₀、初始前臂旋前角θ₀与前臂旋前中立位手掌法向量投影存储在内存中；

b.运动过程中，考虑患者运动能力差异及运动时长不同，当Δθ＝1°时(即当前臂旋前角增量等于1度时)，存入对应数据帧号i、时间t_i、前臂旋前角θ_i、前臂旋前手掌法向量投影

c.当Δθ＝1°时(即当前臂旋前角增量等于1度时),判断当前数据帧前臂旋前角θ_i与前一数据帧前臂旋前角θ_i-1的大小，将较大值存入θ_max中；

d.当运动至最大限度并向初始位返回时，停止数据采集，并将运动过程中前臂旋前角最大值θ_max存储；

e.为避免出现单次动作采集出现误差，在健手与患手数据采集中均完成多次采集(本发明重复进行2组数据采集)，取最优结果进行存储，即θ_max较大的数据进行评估。

所述定量评估过程中的评估结果统计方法为：

a.最大前臂旋前角θ：

θ＝θ_max-θ₀

其中，θ_max为运动过程中前臂旋前角最大值，θ₀为初始前臂旋前角；

b.运动过程中，前臂旋前角角速度ω：

其中，θ_i、t_i为当前帧前臂旋前角度与录入时间，θ_i-1、t_i-1为前一帧前臂旋前角度与录入时间；

c.运动过程中，前臂旋前角平均角速度

其中，j为偏转度数，n为偏转最大角度，N为总偏转度数；

d.运动过程中，前臂旋前角加速度

其中，Δω为运动过程中前臂旋前角角速度ω的增量，Δt为运动过程中时间t的增量；

e.运动过程中，平均角加速度

其中，j为偏转度数，n为偏转最大角度，N为总偏转度数。

所述前臂旋前动作评估结果获取方式：

1)在数据处理的过程中，健手最大前臂旋前角为θ_h，平均角速度为平均角加速度为在同一患者不同康复时期，健手数据作为患者参照标准数据，如无二次发病，健手数据保持不变；

2)进行前臂旋前评估时，将患者患手数据进行更新，定义当前评测患手最大尺偏角θ_u，平均角速度为平均角加速度为通过与健手参照标准数据进行计算，得到如下结果：

3)将角度评估值作为主要评估依据，将健手与患手的平均角速度与平均角加速度作为辅助参考依据，具有极大的临床意义。

所述前臂旋前动作患者测试步骤为：

a.待测者采取坐位，上臂置于体侧，屈肘，手部处旋前中立位(握拳拳心向上) 自然伸展置于检测仪器中，检测仪器如图2所示，测试仪器左右各设有一个工作区，分别用于测试者左右手的检测，对健手进行数据建立以及对患手进行定量评估；

b.在医师指导下，患者进行健手的数据采集建立；

c.患者健手开始进行前臂旋前动作，运动过程中，当前臂旋前角增量为1度时，存储手部位置参量与定量数据信息；

d.当患者手部从前臂旋前中立位向旋前位(掌心向下)旋转至最大限度时，停止数据采集，计算出最大前臂旋前角、平均角速度与平均角加速度参量；

e.重复c、d步骤一次，将两组数据进行比对，保留较优结果，即最大前臂旋前角较大组数据；

f.在医师指导下，患者进行患手的定量评估；

g.重复c、d、e步骤，完成患者待测手数据获取；

h.通过所述前臂旋前动作评估结果获取方法，算计出测试者前臂旋前动作评估值。

Claims (5)

1.一种基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，其特征在于：利用已有的灰阶摄像头与红外接收器组成的光学捕捉设备实时获取人体手部骨骼及各关节点信息，结合当前康复评定标准，将相关患者患手定量信息与患者健手定量信息进行对比，将计算结果作为该患者前臂旋前动作评估值，反映出患者手功能恢复程度。

2.根据权利要求1所述的基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，其特征在于：所述方法具体包括前臂旋前动作定量评估过程、前臂旋前动作评估结果获取以及前臂旋前动作患者测试步骤。

3.根据权利要求1所述的基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，其特征在于：所述前臂旋前动作定量评估过程包括数据采集、数据预处理、评估参数处理和评估结果统计；

所述数据采集是，通过光学捕捉设备精确获取手部骨骼及各关节点信息，提取相关位置参量，即前臂旋前中立位手掌法向量和前臂旋前手掌法向量

所述数据预处理的方法如下：

1)分别取与在平面XOY内的投影，即：

2)定义前臂旋前角为

所述评估参数处理的方法如下：

a.手部在前臂旋前中立位时，将当前时间t₀、初始前臂旋前角θ₀与前臂旋前中立位手掌法向量投影存储在内存中；

b.运动过程中，考虑患者运动能力差异及运动时长不同，当Δθ＝1°时，即当前臂旋前角增量等于1度时，存入对应数据帧号i、时间t_i、前臂旋前角θ_i、前臂旋前手掌法向量投影

c.当Δθ＝1°时，即当前臂旋前角增量等于1度时，判断当前数据帧前臂旋前角θ_i与前一数据帧前臂旋前角θ_i-1的大小，将较大值存入θ_max中；

d.当运动至最大限度并向初始位返回时，停止数据采集，并将运动过程中前臂旋前角最大值θ_max存储；

e.为避免出现单次动作采集出现误差，在健手与患手数据采集中均完成多次采集，取最优结果进行存储，即θ_max较大的数据进行评估；

所述评估结果统计的方法是：

a.设前臂旋前角为θ：

θ＝θ_max-θ₀

其中，θ_max为运动过程中前臂旋前角最大值，θ₀为初始前臂旋前角；

b.设运动过程中，前臂旋前角角速度为ω：

其中，θ_i、t_i为当前帧前臂旋前角度与录入时间，θ_i-1、t_i-1为前一帧前臂旋前角度与录入时间；

c.设运动过程中，前臂旋前角平均角速度为

其中，j为偏转度数，n为偏转最大角度，N为总偏转度数；

d.设运动过程中，前臂旋前角加速度为

其中，Δω为运动过程中前臂旋前角角速度ω的增量，Δt为运动过程中时间t的增量；

e.设运动过程中，平均角加速度为

其中，j为偏转度数，n为偏转最大角度，N为总偏转度数。

4.根据权利要求1所述的基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，其特征在于：所述前臂旋前动作评估结果的获取方法如下：

1)在数据处理的过程中，设健手最大前臂旋前角为θ_h，平均角速度为平均角加速度为在同一患者不同康复时期，以健手数据作为患者参照标准数据，如无二次发病，健手数据保持不变；

2)进行前臂旋前评估时，将患者患手数据进行更新，定义当前评测患手最大尺偏角为θ_u，平均角速度为平均角加速度为通过与健手参照标准数据进行计算，得到如下结果：

3)将角度评估值作为主要评估依据，将健手与患手的平均角速度与平均角加速度作为辅助参考依据进行评估。

5.根据权利要求1所述的基于人手前臂旋前动作的手功能康复定量评估方法，其特征在于：所述前臂旋前动作患者测试步骤如下：

a.待测者采取坐位，上臂置于体侧，屈肘，手部处旋前中立位，握拳拳心向上，自然伸展置于检测仪器中，测试仪器左右各设有一个工作区，分别用于测试者左右手的检测，对健手进行数据建立以及对患手进行定量评估；

b.在医师指导下，患者进行健手的数据采集建立；

c.患者健手开始进行前臂旋前动作，运动过程中，当前臂旋前角增量为1度时，存储手部位置参量与定量数据信息；

d.当患者手部从前臂旋前中立位向旋前位掌心向下旋转至最大限度时，停止数据采集，计算出最大前臂旋前角、平均角速度与平均角加速度参量；

e.重复c、d步骤一次，将两组数据进行比对，保留较优结果，即最大前臂旋前角较大组数据；

f.在医师指导下，患者进行患手的定量评估；

g.重复c、d、e步骤，完成患者待测手数据获取；

h.通过所述前臂旋前动作评估结果获取方法，算计出测试者前臂旋前动作评估值。