CN109394232B - 一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法 - Google Patents

一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法。所述运动能力监测系统包括动作捕捉系统、视觉检测系统、传感器系统和计算机系统。所述动作捕捉系统用于捕捉患者手臂位姿和桌上道具的位姿，将捕捉到的位姿数据发送给所述计算机系统；所述视觉检测系统用于拍摄桌上道具空间状态，将空间状态图像数据发送给所述计算机系统；所述传感器系统用于检测所述道具提起状态，将所述道具提起状态发送给所述计算机系统；所述计算机系统用于信号处理与分析，并将其处理后的对照值发送到平板电脑上。本发明利用动作捕捉、视觉检测及传感器弥补了当前wolf量表评估方法缺乏准确性的缺陷，能够客观、精确的监测患者手臂的运动能力。

Description

一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，特别是涉及一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法。
背景技术
wolf量表是一种广泛应用于运动障碍患者运动功能的临床评估量表，在wolf量表中由简至难地涉及了肩、肘关节的活动能力评估，该测试的评判依据是手臂在桌面上的位姿以及所用道具的空间位置。国内外现有的检测方法多为人工进行评定，少数用到了摄像机进行记录，用于再次确认评估结果的准确性。但这样的评判依然完全仰赖于治疗师对评估过程的直接观测，因此几乎必然存在误差不能准确反映患者的运动能力的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法，以客观、准确的反映患者的运动能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于wolf量表的运动能力监测系统，所述运动能力监测系统包括：动作捕捉系统(1)、视觉检测系统(2)、传感器系统(3)和计算机系统(4)；所述动作捕捉系统(1)、所述视觉检测系统(2)、所述传感器系统(3)分别与所述计算机系统(4)连接；
所述动作捕捉系统(1)用于捕捉患者手臂位姿和所述道具(6)的位姿图像，将捕捉到的位姿图像数据发送给所述计算机系统(4)；所述视觉检测系统(2)用于拍摄所述道具(6)的空间状态图像，将空间状态图像数据发送给所述计算机系统(4)；所述传感器系统(3)用于检测所述道具(6)的提起状态，将所述道具(6)的提起状态发送给所述计算机系统(4)；所述计算机系统(4)用于根据所述位姿图像数据、所述空间状态图像及所述提起状态确定患者的运动能力实际值；所述运动能力实际值包括实际耗时、实际抬升高度及实际移动距离。
可选的，所述动作捕捉系统(1)包括动作捕捉相机(11)、三脚架(12)和标记设备(13)；所述动作捕捉相机(11)安装在立于患者侧方的所述三脚架(12)上；所述标记设备(13)佩戴于患者的腕关节和肘关节。
可选的，所述标记设备(13)包括能够固定在患者手臂上的绑带和通过魔术贴固定在所述绑带上的多个marker点。
可选的，所述视觉检测系统(2)包括工业相机(21)和工业相机支架(22)；所述工业相机(21)安装在固定于桌面(5)侧面的所述工业相机支架(22)上，且位于所述桌面(5)的正上方。
可选的，所述传感器系统(3)包括接近开关(31)、钥匙开关(32)和传感器盒(33)；所述传感器盒(33)固定于桌面(5)底部；所述接近开关(31)安装在所述传感器盒(33)内部的顶部；所述钥匙开关(32)安装在所述传感器盒(33)上靠近患者的一侧。
可选的，所述桌面(5)上布设有20cm线(51)、14cm线(52)和8cm线(53)；所述20cm线(51)、14cm线(52)和8cm线(53)与所述桌面(5)靠近患者一侧的边缘的距离分别为20cm、14cm和8cm。
可选的，所述道具(6)包括盒子(61)、铅笔、篮子、易拉罐、回形针、棋子、卡片和毛巾；
所述盒子(61)放置在所述桌面(5)上，所述盒子(61)靠近患者的一面对准所述14cm线(52)；所述铅笔放置在所述桌面(5)上的20cm线(51)处；所述篮子的前边缘和所述桌面(5)上的8cm线(53)重合；所述易拉罐放置在所述桌面(5)上的20cm线处(51)布设的圆形线内；所述回形针放置在所述桌面(5)上的20cm线(51)处；所述棋子、卡片和毛巾放置在所述桌面(5)上。
可选的，所述计算机系统(4)包括交换机(41)和工控机(42)；所述运动能力监测系统还包括平板电脑(7)；所述交换机(41)分别与所述动作捕捉系统(1)、所述视觉检测系统(2)、所述传感器系统(3)及所述工控机(42)连接；所述工控机(42)与所述平板电脑(7)连接。
一种基于wolf量表的运动能力监测方法，所述运动能力监测方法应用于所述运动能力监测系统；所述运动能力监测方法包括：
获取所述动作捕捉系统(1)拍摄的患者手臂运动过程中的多张手臂位姿图像；
采用图像识别方法，根据多张所述手臂位姿图像确定患者手臂的运动能力实际值；所述运动能力实际值包括实际耗时、实际抬升高度及实际移动距离；
获取所述传感器系统(3)检测到的所述道具(6)的提起状态；
根据所述提起状态和所述运动能力实际值确定所述道具(6)是否被提起至标准位置；
获取所述视觉检测系统(2)拍摄的所述道具(6)的空间状态图像；
根据所述空间状态图像和所述运动能力实际值确定所述道具(6)是否被操作至标准状态。
可选的，所述根据多张所述手臂位姿图像确定患者手臂的运动能力实际值之后，还包括：
获取患者手臂的运动能力标准值；所述运动能力标准值包括标准耗时、标准抬升高度和标准移动距离；
计算所述运动能力实际值和所述运动能力标准值的差值并显示。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、通过动作捕捉系统(1)、视觉检测系统(2)和传感器系统(3)监测患者手臂的运动能力，监测数据更加客观、准确、高效，并可以减少医护人员的工作量。
2、利用动作捕捉系统(1)可以获得患者小臂的精确位姿，经计算机系统(4)处理后可以直观地获得患者实际运动能力和测试标准的对照值。
3、利用视觉检测系统(2)和传感器系统(3)可以获得各道具(6)的准确空间位置，为测试评判患者运动能力提供客观准确的理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于wolf量表的运动能力监测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例公开的患者手臂腕部和肘部marker点布置示意图。
图3为本发明实施例公开的传感器系统的结构示意图。
图4为本发明实施例公开的计算机系统的结构示意图。
图5为本发明实施例公开的桌面的结构示意图。
图1-5中的标号分别为：动作捕捉系统(1)、动作捕捉相机(11)、三脚架(12)、标记设备(13)、视觉检测系统(2)、工业相机(21)、工业相机支架(22)、传感器系统(3)、接近开关(31)、钥匙开关(32)、传感器盒(33)、计算机系统(4)、交换机(41)、工控机(42)、桌面(5)、20cm线(51)、14cm线(52)、8cm线(53)、道具(6)、盒子(61)、平板电脑(7)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于wolf量表的运动能力监测系统及方法，患者和医护人员利用本发明提供的运动能力监测系统及方法进行wolf量表评估，能够客观、准确的反映患者的运动能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的基于wolf量表的运动能力监测系统的结构示意图。参见图1，所述运动能力监测系统包括：动作捕捉系统(1)、视觉检测系统(2)、传感器系统(3)和计算机系统(4)；所述动作捕捉系统(1)、所述视觉检测系统(2)、所述传感器系统(3)分别与所述计算机系统(4)连接。
所述动作捕捉系统(1)用于捕捉患者手臂位姿和所述道具(6)的位姿图像，将捕捉到的位姿图像数据发送给所述计算机系统(4)；所述视觉检测系统(2)用于拍摄所述道具(6)的空间状态图像，将空间状态图像数据发送给所述计算机系统(4)；所述传感器系统(3)用于检测所述道具(6)的提起状态，将所述道具(6)的提起状态发送给所述计算机系统(4)；所述计算机系统(4)用于根据所述位姿图像数据、所述空间状态图像及所述提起状态确定患者的运动能力实际值；所述运动能力实际值包括实际耗时、实际抬升高度及实际移动距离。所述计算机系统(4)在进行信号处理与分析后，将其处理后的对照值发送到所述平板电脑(7)上。医护人员通过平板电脑(7)接收计算机系统(4)处理分析得到的对照值，然后对患者运动能力进行评估。上述对照值包括wolf量表中要求的耗时、抬升高度、移动距离标准值与系统实际检测到的患者耗时、抬升高度、移动距离的差值。
参见图1，所述动作捕捉系统(1)包括动作捕捉相机(11)、三脚架(12)和标记设备(13)；所述动作捕捉相机(11)安装在立于患者侧方的所述三脚架(12)上；所述标记设备(13)佩戴于患者的腕关节和肘关节。
图2为本发明实施例公开的患者手臂腕部和肘部marker点布置示意图。参见图2，所述标记设备(13)包括能够固定在患者手臂上的绑带和通过魔术贴固定在所述绑带上的N个marker(标记)点。N个marker点作为标记点，其中N≥3，标记了腕关节和肘关节的位姿，而动作捕捉相机(11)连续拍摄患者手臂运动过程获得图像序列，通过marker反射的红外光检测到marker点的空间位姿，进而实现对手臂的动作捕捉。
如图1所示，所述视觉检测系统(2)包括工业相机(21)和工业相机支架(22)；所述工业相机(21)安装在固定于桌面(5)侧面的所述工业相机支架(22)上，且位于所述桌面(5)的正上方，用于检测测试中所用所述道具(6)的图像变化。
图3为本发明实施例公开的传感器系统的结构示意图。参见图3，所述传感器系统(3)包括接近开关(31)、钥匙开关(32)和传感器盒(33)；所述传感器盒(33)固定于桌面(5)底部；所述接近开关(31)安装在所述传感器盒(33)内部的顶部；所述钥匙开关(32)安装在所述传感器盒(33)上靠近患者的一侧。
图4为本发明实施例公开的计算机系统的结构示意图。参见图4，所述计算机系统(4)包括交换机(41)和工控机(42)。所述交换机(41)选用Cisco SF95D-16型交换机，所述工控机(42)选用AICSHTER IPC-6104U型工控机。所述交换机(41)分别与所述动作捕捉系统(1)、所述视觉检测系统(2)、所述传感器系统(3)及所述工控机(42)连接；所述工控机(42)与所述平板电脑(7)连接。
所述交换机(41)和所述工控机(42)将上述所述动作捕捉系统(1)、所述视觉检测系统(2)、所述传感器系统(3)输出的信息进行处理进而发送至医护人员手中的所述平板电脑(7)上。
图5为本发明实施例公开的桌面的结构示意图。参见图5，所述桌面(5)上布设有20cm线(51)、14cm线(52)和8cm线(53)；所述20cm线(51)、14cm线(52)和8cm线(53)与所述桌面(5)靠近患者一侧的边缘的距离分别为20cm、14cm和8cm。
本发明采用的所述道具(6)包括盒子(61)、铅笔、篮子、易拉罐、回形针、棋子、卡片和毛巾。所述盒子(61)放置在所述桌面(5)上，所述盒子(61)靠近患者的一面对准所述14cm线(52)。所述铅笔放置在所述桌面(5)上的20cm线(51)处。所述篮子的前边缘和所述桌面(5)上的8cm线(53)重合。所述易拉罐放置在所述桌面(5)上的20cm线处(51)布设的圆形线内。所述回形针放置在所述桌面(5)上的20cm线(51)处。所述棋子、卡片和毛巾放置在所述桌面(5)上。
在实际应用中，患者和医护人员利用本发明提供的运动能力监测系统及方法进行wolf量表评估的过程如下：
步骤1、患者将所述标记设备(13)佩戴于腕关节和肘关节。在患者的腕部和肘部位置处分别放置N个marker点，同时在部分道具上也放置N个marker点，其中N≥3。
步骤2、患者和医护人员通过wolf量表确定评估项目，患者根据所需要评估的项目进行手动操作，操作过程中所述动作捕捉系统(1)、视觉检测系统(2)或传感器系统(3)分辨手臂和所述道具的位姿、所述道具的空间状态图像和所述道具的提起状态信息，并将得到的数据和信息发送到计算机系统(4)中。
Wolf运动功能评价量表(WMFT，本发明简称wolf量表)的评价项目如表1所示：
表1 wolf量表评估项目
项目号 项目内容
1 前臂放到桌子(侧面)
2 前臂由桌子放到盒子(侧面)
3 在桌面上伸肘(侧面)
4 手放到桌子(正面)
5 手由桌子放到盒子(正面)
6 前伸后回缩
7 在桌面有负荷伸腕(侧面)
8 从桌面上拿起铅笔
9 提1.35kg篮子到旁边桌子上
10 拿起易拉罐
11 从桌面拿起回形针
12 叠放3个棋子
13 翻转3张纸牌
14 叠毛巾
15 在锁中转动钥匙
wolf量表由15个评估项目组成，项目号1—6为简单的关节运动.7-15为复合功能动作。对所有动作进行计时和动作质量监测，以确定患者手臂腕部和肘部的运动能力。
其中，前臂放到桌子上、前臂由桌子放到道具盒子(61)上、侧方伸肘、手放到前面桌上、手放到前面桌上的道具盒子(61)上、前伸后回缩，上述六个项目中患者手臂腕部、肘部和桌面(5)上分别放置标记设备(13)，盒子(61)按wolf量表规范放置，前面对准桌上14cm线(52)。
动作捕捉相机(11)检测患者手臂上的标记设备(13)，将其得到的位姿数据传输给计算机系统(4)，计算机系统(4)进行分析与处理建立出患者的手臂的运动轨迹及患者实际运动能力与测试标准间的对照值，最后发送到医护人员的平板电脑(7)上。
在桌面有负荷伸腕，此项目先在患者的手臂增加一定的负重，同时在负重手臂腕部和肘部、桌子和盒子上分别放置标记设备(13)，然后动作捕捉相机(11)检测负重手臂上的标记设备(13)，将其得到的位姿数据传输给计算机系统(4)，计算机系统(4)进行分析与处理建立出患者的负重手臂的运动轨迹及患者实际运动能力与测试标准间的对照值，最后发送到医护人员的平板电脑(7)上。
拿起铅笔、提起篮子、举起易拉罐、拿起回形针，上述四个项目在患者手臂腕部和肘部、桌上、铅笔、篮子、易拉罐和回形针上分别安装标记设备(13)，按wolf量表规范将铅笔放置在桌上20cm线(51)处，篮子前缘和桌上8cm线(53)重合，易拉罐放置在桌上20cm线处(51)圆形内，回形针放置在桌上20cm线(51)处。动作捕捉相机(11)检测负重手臂上的标记设备(13)，将其得到的位姿数据传输给计算机系统(4)，桌面传感器盒(33)内的接近开关(31)检测铅笔、篮子、易拉罐和回形针的拿起情况，并将其拿起信息发送给计算机系统(4)，计算机系统(4)进行分析与处理建立出患者的负重手臂的运动轨迹及患者实际运动能力与测试标准间的对照值，最后发送到医护人员的平板电脑(7)上。
堆棋子、翻卡片、叠毛巾，上述三个项目在患者手臂腕部和肘部位置上放置标记设备(13)，动作捕捉相机(11)检测负重手臂上的标记设备(13)，将其得到的位姿数据传输给计算机系统(4)，工业相机(21)拍摄桌面(5)上棋子、卡片和毛巾的空间状态图像，将图像数据传输给计算机系统(4)，计算机系统(4)建立患者手臂的运动轨迹和道具的叠放、翻面情况及患者实际运动能力与测试标准间的对照值，最后发送到医护人员的平板电脑(7)上。
拧转锁中的钥匙，该项目通过动作捕捉相机(11)检测固定在患者手臂上的标记设备(13)，将位姿数据传输给计算机系统(4)；传感器盒(33)内的钥匙开关(32)检测钥匙的拧转是否到位，将信号传输给计算机系统(4)。计算机系统(4)建立患者手臂的运动轨迹和钥匙的拧转状态及患者实际运动能力与测试标准间的对照值，最后发送到医护人员的平板电脑(7)上。
步骤3、所述计算机系统(4)对其位姿数据、空间状态图像或提起状态信息进行处理和分析，形成wolf量表的对照值，并发送给医护人员的所述平板电脑(7)上；
步骤4、医护人员通过所述平板电脑(7)上的对照值与wolf量表信息比较来评估患者情况。
进一步的，基于本发明提供的运动能力监测系统，本发明还提供一种应用于所述运动能力监测系统的基于wolf量表的运动能力监测方法，所述运动能力监测方法包括：
获取所述动作捕捉系统(1)拍摄的患者手臂运动过程中的多张手臂位姿图像；采用图像识别方法，根据多张所述手臂位姿图像确定患者手臂的运动能力实际值；所述运动能力实际值包括实际耗时、实际抬升高度及实际移动距离；获取患者手臂的运动能力标准值；所述运动能力标准值包括标准耗时、标准抬升高度和标准移动距离；
计算所述运动能力实际值和所述运动能力标准值的差值并显示。所示差值越小，表明患者手腕部及肘部的运动能力越好。
获取所述传感器系统(3)检测到的所述道具(6)的提起状态；
根据所述提起状态和所述运动能力实际值确定所述道具(6)是否被提起至标准位置。所述道具(6)被提起的位置与标准位置差异越小，表明患者手臂的运动能力越好。
获取所述视觉检测系统(2)拍摄的所述道具(6)的空间状态图像；
根据所述空间状态图像和所述运动能力实际值确定所述道具(6)是否被操作至标准状态。所述道具(6)被操作的状态(例如棋子叠放状态、毛巾叠放状态)与标准状态差异越小，表明患者运动能力越好。
所述运动能力标准值、道具被提起的标准位置及道具被操作的标准状态都存储于所述工控机(42)中。在实际应用中，所述平板电脑(7)的显示内容可以包括：
1)所述运动能力标准值、道具被提起的标准位置、道具被操作的标准状态；
2)采用本发明提供的运动能力监测系统监测到的患者手腕部及肘部的运动能力实际值、道具被提起的实际位置、道具被操作的实际状态；
3)所述计算机系统(4)处理分析得到的对照值；即所述运动能力标准值与所述运动能力实际值之间的差值、所述道具(6)被提起的实际位置与标准位置之间的差值以及所述道具(6)被操作的实际状态与标准状态之间的差异。
采用本发明所述计算机系统(4)处理分析得到的对照值，能够客观、准确的反应患者手腕部及肘部的运动能力，为医护人员对患者运动能力的评估提供精确的数据支持，减少了wolf量表人工评估造成的人为因素误差，并降低了医护人员的劳动强度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于wolf量表的运动能力监测系统，其特征在于，所述运动能力监测系统包括：动作捕捉系统、视觉检测系统、传感器系统和计算机系统；所述动作捕捉系统、所述视觉检测系统、所述传感器系统分别与所述计算机系统连接；
所述动作捕捉系统用于捕捉患者手臂位姿和道具的位姿图像，将捕捉到的位姿图像数据发送给所述计算机系统；所述视觉检测系统用于拍摄所述道具的空间状态图像，将空间状态图像数据发送给所述计算机系统；所述传感器系统用于检测所述道具的提起状态，将所述道具的提起状态发送给所述计算机系统；所述计算机系统用于根据所述位姿图像数据、所述空间状态图像及所述提起状态确定患者的运动能力实际值；所述运动能力实际值包括实际耗时、实际抬升高度及实际移动距离；所述计算机系统在进行信号处理与分析后，将其处理后的对照值发送到平板电脑上；医护人员通过平板电脑接收计算机系统处理分析得到的对照值，然后对患者运动能力进行评估；上述对照值包括wolf量表中要求的耗时、抬升高度、移动距离标准值与系统实际检测到的患者耗时、抬升高度、移动距离的差值；
wolf量表由15个评估项目组成，包括六项简单的关节运动和九项复合功能动作；对所有动作进行计时和动作质量监测，以确定患者手臂腕部和肘部的运动能力；
所述动作捕捉系统包括动作捕捉相机、三脚架和标记设备；所述动作捕捉相机安装在立于患者侧方的所述三脚架上；所述标记设备佩戴于患者的腕关节和肘关节；
所述视觉检测系统包括工业相机和工业相机支架；所述工业相机安装在固定于桌面侧面的所述工业相机支架上，且位于所述桌面的正上方；
所述传感器系统包括接近开关、钥匙开关和传感器盒；所述传感器盒固定于桌面底部；所述接近开关安装在所述传感器盒内部的顶部；所述钥匙开关安装在所述传感器盒上靠近患者的一侧；
所述桌面上布设有20cm线、14cm线和8cm线；所述20cm线、14cm线和8cm线与所述桌面靠近患者一侧的边缘的距离分别为20cm、14cm和8cm；
所述道具包括盒子、铅笔、篮子、易拉罐、回形针、棋子、卡片和毛巾；
所述盒子放置在所述桌面上，所述盒子靠近患者的一面对准所述14cm线；所述铅笔放置在所述桌面上的20cm线处；所述篮子的前边缘和所述桌面上的8cm线重合；所述易拉罐放置在所述桌面上的20cm线处布设的圆形线内；所述回形针放置在所述桌面上的20cm线处；所述棋子、卡片和毛巾放置在所述桌面上。
2.根据权利要求1所述的运动能力监测系统，其特征在于，所述标记设备包括能够固定在患者手臂上的绑带和通过魔术贴固定在所述绑带上的多个标记点。
3.根据权利要求1所述的运动能力监测系统，其特征在于，所述计算机系统包括交换机和工控机；所述运动能力监测系统还包括平板电脑；所述交换机分别与所述动作捕捉系统、所述视觉检测系统、所述传感器系统及所述工控机连接；所述工控机与所述平板电脑连接。
4.一种基于wolf量表的运动能力监测方法，其特征在于，所述运动能力监测方法应用于权利要求1所述的运动能力监测系统；所述运动能力监测方法包括：
获取所述动作捕捉系统拍摄的患者手臂运动过程中的多张手臂位姿图像；
采用图像识别方法，根据多张所述手臂位姿图像确定患者手臂的运动能力实际值；所述运动能力实际值包括实际耗时、实际抬升高度及实际移动距离；
获取所述传感器系统检测到的所述道具的提起状态；
根据所述提起状态和所述运动能力实际值确定所述道具是否被提起至标准位置；
获取所述视觉检测系统拍摄的所述道具的空间状态图像；
根据所述空间状态图像和所述运动能力实际值确定所述道具是否被操作至标准状态。
5.根据权利要求4所述的运动能力监测方法，其特征在于，所述根据多张所述手臂位姿图像确定患者手臂的运动能力实际值之后，还包括：
获取患者手臂的运动能力标准值；所述运动能力标准值包括标准耗时、标准抬升高度和标准移动距离；
计算所述运动能力实际值和所述运动能力标准值的差值并显示。
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