CN110801231A - 一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法 - Google Patents

一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，具体包括如下步骤：步骤1，对健康人群进行分类，并按分类结果采集健康人群的运动数据信息；步骤2，采用SQL server将步骤1采集的数据信息进行分类并构建健康人群数据库，用于对健康人群数据完成各项指定动作的数据存储；步骤3，基于步骤2建立的数据库，建立膝关节功能交互式评价系统，通过该评价系统对膝关节炎患者的身体机能进行评价；步骤4，将步骤3的分析结构发送至用户，完成评定。该方法解决了传统诊疗中对膝关节炎患者在恢复阶段所依靠医师个人主观评价存在局限性以及缺乏理论依据的问题。

Description

一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法
技术领域
本发明属于康复评价技术领域，涉及一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法。
背景技术
膝关节损伤患者在接受治疗到治疗师判定病症，患者后期康复训练到恢复过程中，传统康复训练以及评价是患者与治疗师一对一进行，目前随着医疗成本增加，这无疑加大患者的经济压力。而目前运动捕捉技术结合在下肢运动能力评估方面已有较为深入的研究，运动捕捉也被应用于临床诊疗实验中。运动捕捉技术是通过采集人体运动数据获取其运动信息，可进一步通过数据分析用于临床诊疗当中。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，该方法解决了传统诊疗中对膝关节炎患者在恢复阶段所依靠医师个人主观评价存在局限性以及缺乏理论依据的问题。。
本发明所采用的技术方案是，一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对健康人群进行分类，并按分类结果采集健康人群的运动数据信息；
步骤2，采用SQL server将步骤1采集的数据信息进行分类并构建健康人群数据库，用于对健康人群数据完成各项指定动作的数据存储；
步骤3，基于步骤2建立的数据库，建立膝关节功能交互式评价系统，通过该评价系统对膝关节炎患者的身体机能进行评价；
步骤4，将步骤3的分析结构发送至用户，完成评定。
本发明的特点还在于，
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，人群分类按年龄、性别、身高、体质指数进行分类；健康用户n通过Vicon三维光学运动捕捉系统及测力板采集m项运动的数据为Pnm；
步骤1.2，将数据加载到mokka中进行数据查看以及标定一个完整的步态周期事件，包括右脚跟着地、右脚掌着地、最大背屈、右脚尖离地、左脚跟着地；
步骤1.3，数据标定之后，设H＝(h1，h2，...，ht),其中ht为受试者完成其中自由行走项目m1的t次髋关节h的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的髋关节数据为
Figure BDA0002232843050000021
设K＝(k1，k2，...，kq),其中kq为受试者完成其中自由行走项目m1的q次膝关节k的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的膝关节数据为设A＝(a1，a2，...，as),其中as为受试者完成其中自由行走项目m1的s项膝关节a的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的踝关节数据表现为
Figure BDA0002232843050000023
步骤3中膝关节功能交互式评价系统包括用户端、Vicon三维光学运动捕捉系统、数据处理模块及评价模块。
步骤3中用户端主要用于连接步骤2构建的数据库，完成用户基本信息的录入与存储,并与健康人群数据库进行信息匹配；
具体过程为：用户ID登录，通过移动设备端登录膝关节功能交互式评价系统，录入个人基本信息包括姓名、年龄、身高、体重，并由系统完成体质指数BMI计算，计算公式如下所示：
Figure BDA0002232843050000031
步骤3中Vicon三维光学运动捕捉系统结合测力板，完成对健康人运动过程数据进行采集；主要采集过程如下：
在受试者身上粘贴标志点，通过高速红外摄像机捕捉空间标志点的角度与位移变化，从而获得人体运动信息；Vicon三维光学运动捕捉系统通过将获取的数据经过Nexus进行数据处理，并输出。
步骤3中的数据处理模块是根据所采集健康人的运动数据信息，选择一个完整的步态周期，并插入步态事件，然后通过origin对采集到的健康人运动数据进行均值与方差计算，进而获得健康人群运动规律信息，均值与方差计算过程如下：
Figure BDA0002232843050000032
Figure BDA0002232843050000033
Figure BDA0002232843050000034
Figure BDA0002232843050000035
Figure BDA0002232843050000041
Figure BDA0002232843050000042
其中，XH表示的是受试者完成自由行走项目m1的t次髋关节h运动范围的均值，而sH表示的是受试者完成自由行走项目m1的t次髋关节h运动范围的方差；XK表示的是受试者完成自由行走项目m1的q次膝关节k运动范围的均值，而sK表示的是受试者完成自由行走项目m1的q次膝关节k运动范围的方差；XA表示的是受试者完成自由行走项目m1的s次踝关节A运动范围的均值，而sA表示的是受试者完成自由行走项目m1的s次踝关节a运动范围的方差。
步骤3中的评价模块是采集膝关节炎患者完成一个完整步态周期运动之后的运动数据，对该运动数据进行均值和方差计算，将获得的计算结果与健康人的计算结果进行对比，根据对比结果，对膝关节炎的身体机能进行评价。
本发明的有益效果如下：本发明通过采用运动捕捉技术及计算机网络技术等，实现对膝关节患者下肢康复功能进行科学客观的评价。为解决传统诊疗中对膝关节炎患者康复评价存在的局限性的问题及其缺乏理论依据提供科学的评估膝关节功能提供科学方法，并对减轻医护人员工作强度以及降低患者治疗成本均有重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法实施例中步态周期随着髋关节内收外展曲线角度变化的曲线图；
图2是本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法实施例中步态周期随着髋关节屈曲伸展角度变化的曲线图；
图3是本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法中实施例中步态周期随着髋关节内旋外旋角度变化的曲线图；
图4是本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法中步态周期随着膝关节内收外展曲线角度变化的曲线图；
图5是本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法中实施例中步态周期随着膝关节内旋外旋角度变化的曲线图；
图6是本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法实施例中步态周期随着膝关节屈曲伸展角度变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对健康人群进行分类，并按分类结果采集健康人群的运动数据信息；
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，人群分类按年龄、性别、身高、体质指数进行分类；健康用户n通过Vicon三维光学运动捕捉系统及测力板采集m项运动的数据为Pnm；
步骤1.2，将数据加载到mokka中进行数据查看以及标定一个完整的步态周期事件，包括右脚跟着地、右脚掌着地、最大背屈、右脚尖离地、左脚跟着地；
步骤1.3，数据标定之后，设H＝(h1，h2，...，ht),其中ht为受试者完成其中自由行走项目m1的t次髋关节h的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的髋关节数据为设K＝(k1，k2，...，kq),其中kq为受试者完成其中自由行走项目m1的q次膝关节k的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的膝关节数据为设A＝(a1，a2，...，as),其中as为受试者完成其中自由行走项目m1的s项膝关节a的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的踝关节数据表现为
Figure BDA0002232843050000063
运动数据主要采集用户下肢各关节分别在矢状面、冠状面、水平面的角度变化信息。用户在完成不同运动会得到不同的关节运动数据信息，为建立交互评价模型提供数据基础。
步骤2，采用SQL server将步骤1采集的数据信息进行分类并构建健康人群数据库，用于对健康人群数据完成各项指定动作的数据存储；
步骤3，基于步骤2建立的数据库，建立膝关节功能交互式评价系统，通过该评价系统判断膝关节炎患者的患病情况进行分析；
步骤3中膝关节功能交互式评价系统包括用户端、Vicon三维光学运动捕捉系统、数据处理模块及评价模块。
用户端主要用于连接步骤2构建的数据库，完成用户基本信息的录入与存储,并与健康人群数据库进行信息匹配；
具体过程为：用户ID登录，通过移动设备端登录膝关节功能交互式评价系统，录入个人基本信息包括姓名、年龄、身高、体重，并由系统完成体质指数BMI计算，计算公式如下所示：
Figure BDA0002232843050000071
Vicon三维光学运动捕捉系统结合测力板，完成对健康人运动过程数据进行采集；主要采集过程如下：
在受试者身上粘贴标志点(分别对受试者头部4个，躯干5个，上肢14个，左右各7个，骨盆4个、下肢12个，左右各六个)，通过高速红外摄像机捕捉空间标志点的角度与位移变化，从而获得人体运动信息；Vicon三维光学运动捕捉系统通过将获取的数据经过Nexus进行数据处理，并输出。
数据处理模块是根据所采集健康人的运动数据信息，选择一个完整的步态周期，并插入步态事件，然后通过origin对采集到的健康人运动数据进行均值与方差计算，进而获得健康人群运动规律信息，均值与方差计算过程如下：
Figure BDA0002232843050000072
Figure BDA0002232843050000073
Figure BDA0002232843050000074
Figure BDA0002232843050000075
Figure BDA0002232843050000081
其中，XH表示的是受试者完成自由行走项目m1的t次髋关节h运动范围的均值，而sH表示的是受试者完成自由行走项目m1的t次髋关节h运动范围的方差；XK表示的是受试者完成自由行走项目m1的q次膝关节k运动范围的均值，而sK表示的是受试者完成自由行走项目m1的q次膝关节k运动范围的方差；XA表示的是受试者完成自由行走项目m1的s次踝关节A运动范围的均值，而sA表示的是受试者完成自由行走项目m1的s次踝关节a运动范围的方差。
评价模块是采集膝关节炎患者完成一个完整步态周期运动之后的运动数据，对该运动数据进行均值和方差计算，将获得的计算结果与健康人的计算结果进行对比，根据对比结果，对膝关节炎的身体机能进行评价。
膝关节炎患者也要做与健康人相同的人群分类，根据年龄、性别、身高、体质指数进行分类，对比时膝关节炎患者与同类的健康人的相应数据进行对比。
步骤4，将步骤3的分析结构发送至用户，完成评定。
实施例
通过Vicon三维运动捕捉系统以及第三方测力板设备，对健康人群进行分类，并按分类结果采集其运动数据信息；具体是按照所招募的健康大学生受试者年龄(18-22、23-27)、体重(55-60、60-65、65-70)、体质指数(<18.5、18.5-24.9、>25.0)进行划分，采集数据过程应当对其身体各节段的长度进行测量，尽可能获取受试者全身人机尺寸(如肩宽，腰围，膝关节宽度，脚掌宽度，大腿长度，小腿长度)，后续将其尺寸信息录入Vicon系统，便于系统进行对受试者进行运动数据采集。
通过Vicon采集到数据，之后利用Nexus软件导出.c3d数据后进行数据的处理实例如下图1所示，将.c3d数据导入mokka中进行运动查看以及步态事件的划分(脚跟着地、脚掌着地、最大背屈、摆动中期、脚跟着地)，图中所示是以一身高183mm，体重为70kg的健康男性受试者进行15次自由行走后所采集的运动数据中的右髋角度变化信息为例。
数据分析：由于Vicon对于各关节角度方向定义为髋关节屈曲为正，伸展为负，通过对15次实验测得的右腿髋关节屈曲/伸展的角度进行平均处理并求出标准差。以此对下肢髋关节的运动特性进行分析。
图1所示为受试者在自由行走下的15次右侧髋关节内收外展角度的均值与方差曲线图。其中灰色带表示其15次髋关节内收外展角度变化范围方差误差带，中间黑色线条为15次髋关节内收外展角度变化数据的均值。
图2所示为受试者在在自由行走下的15次右侧髋关节曲屈伸展角度的均值与方差曲线图。其中灰色带表示其15次髋关节曲屈伸展角度变化范围方差误差带，中间黑色线条为15次髋关节曲屈伸展角度变化数据的均值。
图3所示为受试者在在自由行走下的15次右侧髋关节内旋外旋角度的均值与方差曲线图。其中灰色带表示其15次髋关节内旋外旋角度变化范围方差误差带，中间黑色线条为15次髋关节内旋外旋角度变化数据的均值。
图4所示为受试者在自由行走下的15次右侧膝关节内收外展角度的均值与方差曲线图。其中灰色带表示其15次膝关节内收外展角度变化范围方差误差带，中间黑色线条为15次膝关节内收外展角度变化数据的均值。
图5所示为受试者在在自由行走下的15次右侧膝关节内旋外旋角度的均值与方差曲线图。其中灰色带表示其15次膝关节内旋外旋角度变化范围方差误差带，中间黑色线条为15次膝关节内旋外旋角度变化数据的均值。
图6所示为受试者在在自由行走下的15次右侧膝关节曲屈伸展角度的均值与方差曲线图。其中灰色带表示其15次膝关节曲屈伸展角度变化范围方差误差带，中间黑色线条为15次膝关节曲屈伸展角度变化数据的均值。
对于髋关节运动角度，在站立阶段，髋关节由屈曲位过渡至伸展，过渡点在约40％处，此时髋关节角度为零，即人体躯干与大腿平齐，髋关节在步态周期开始时达到最大屈曲角度，约30deg。髋关节在左脚跟着地时达到最大伸展角度，约20deg。在摆动阶段在股直肌的作用下又由伸展向屈曲过渡。当采集到的患者数据信息作为输入，并通过识别运动状态后，在与该运动状态下的健康人群数据信息进行百分比的划分，进一步判断其运动关节功能。

Claims (7)

1.一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，对健康人群进行分类，并按分类结果采集健康人群的运动数据信息；
步骤2，采用SQL server将步骤1采集的数据信息进行分类并构建健康人群数据库，用于对健康人群数据完成各项指定动作的数据存储；
步骤3，基于步骤2建立的数据库，建立膝关节功能交互式评价系统，通过该评价系统判断膝关节炎患者的患病情况进行分析；
步骤4，将步骤3的分析结构发送至用户，完成评定。
2.根据权利要求1所述的一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
步骤1.1，人群分类按年龄、性别、身高、体质指数进行分类；健康用户n通过Vicon三维光学运动捕捉系统及测力板采集m项运动的数据为Pnm；
步骤1.2，将数据加载到mokka中进行数据查看以及标定一个完整的步态周期事件，包括右脚跟着地、右脚掌着地、最大背屈、右脚尖离地、左脚跟着地；
步骤1.3，数据标定之后，设H＝(h1，h2，...，ht),其中ht为受试者完成其中自由行走项目m1的t次髋关节h的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的髋关节数据为
Figure FDA0002232843040000011
设K＝(k1，k2，...，kq),其中kq为受试者完成其中自由行走项目m1的q次膝关节k的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的膝关节数据为
Figure FDA0002232843040000021
设A＝(a1，a2，...，as),其中as为受试者完成其中自由行走项目m1的s项膝关节a的运动数据，健康用户n的自由行走项目m1的踝关节数据表现为
Figure FDA0002232843040000022
3.根据权利要求1所述的一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：所述步骤3中膝关节功能交互式评价系统包括用户端、Vicon三维光学运动捕捉系统、数据处理模块及评价模块。
4.根据权利要求1所述的一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：所述步骤3中用户端主要用于连接步骤2构建的数据库，完成用户基本信息的录入与存储,并与健康人群数据库进行信息匹配；
具体过程为：用户ID登录，通过移动设备端登录膝关节功能交互式评价系统，录入个人基本信息包括姓名、年龄、身高、体重，并由系统完成体质指数BMI计算，计算公式如下所示：
5.根据权利要求4所述的一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：所述步骤3中Vicon三维光学运动捕捉系统结合测力板，完成对健康人运动过程数据进行采集；主要采集过程如下：
在受试者身上粘贴标志点，通过高速红外摄像机捕捉空间标志点的角度与位移变化，从而获得人体运动信息；Vicon三维光学运动捕捉系统通过将获取的数据经过Nexus进行数据处理，并输出。
6.根据权利要求5所述的一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：所述步骤3中的数据处理模块是根据所采集健康人的运动数据信息，选择一个完整的步态周期，并插入步态事件，然后通过origin对采集到的健康人运动数据进行均值与方差计算，进而获得健康人群运动规律信息，均值与方差计算过程如下：
Figure FDA0002232843040000031
Figure FDA0002232843040000032
Figure FDA0002232843040000033
Figure FDA0002232843040000034
Figure FDA0002232843040000035
Figure FDA0002232843040000036
其中，XH表示的是受试者完成自由行走项目m1的t次髋关节h运动范围的均值，而sH表示的是受试者完成自由行走项目m1的t次髋关节h运动范围的方差；XK表示的是受试者完成自由行走项目m1的q次膝关节k运动范围的均值，而sK表示的是受试者完成自由行走项目m1的q次膝关节k运动范围的方差；XA表示的是受试者完成自由行走项目m1的s次踝关节A运动范围的均值，而sA表示的是受试者完成自由行走项目m1的s次踝关节a运动范围的方差。
7.根据权利要求6所述的一种针对膝关节炎患者关节功能的交互式评价方法，其特征在于：所述步骤3中的评价模块是采集膝关节炎患者完成一个完整步态周期运动之后的运动数据，对该运动数据进行均值和方差计算，将获得的计算结果与健康人的计算结果进行对比，根据对比结果，对膝关节炎的身体机能进行评价。
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