CN112998694A - 一种人体下肢关节角度的测量方法及系统 - Google Patents

一种人体下肢关节角度的测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人体下肢关节角度的测量方法及系统，所述方法包括步骤：S1：实时接收压力数据和下肢姿态视频数据；S2：对齐压力数据和视频数据中的时间序列，校准成像空间；S3：确定步态周期；根据步态周期的起止时间，将视频流划分为多个视频片段；S4：利用OpenPose开源算法检测各个视频片段中的下肢关节关键点；构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；S5：建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，与垂直于地面向上的向量夹角，以及之间的夹角。本发明使用多视角成像和足底压力数据，实现膝关节和髋关节的关节角自动计算，从而为足底矫形装置的设计与改进提供数据依据，为后续足底压力分布与关节角的联合分析提供数据基础。

Description

一种人体下肢关节角度的测量方法及系统
技术领域
本发明涉及运动医学技术领域，尤其涉及一种人体下肢关节角度的测量方法及系统。
背景技术
研究发现，脑卒中、脑瘫、脊髓神经损伤等由神经系统功能损伤所引起的肢体运动功能障碍越来越多，另外，中老年人随着年龄的上涨，肢体关节运动能力下降，肢体运动能力无法达到正常人的水平，运动功能障碍严重影响他们的日常生活。
下肢运动障碍人群在进行步态运动时，由于受肌肉强直作用，膝关节、髋关节等关节部位的弯曲角度无法弯曲到正常人的步态状态，长期以往导致异常步态。现有采用拐杖之类的器械工具辅助下肢运动障碍者出行，或者靠他人协助，然而无法改善下肢运动障碍者的下肢状态。
基于此，本申请发明人所在团队经研究发现通过足底矫形设计可改善下肢弯曲，有利于下肢运动障碍人群的康复，然而需要了解步态运动时下肢多个关节部位的弯曲角度，因此有必要设计一款基于步态和下肢关节角度的技术方案，以此实现膝关节和髋关节等关节角度的自动计算，从而为足底矫形装置的设计与改进提供数据依据，为后续足底压力分布与关节角的联合分析提供数据基础。
发明内容
本申请实施例通过提供一种人体下肢关节角度的测量方法及系统，解决了现有技术中的技术方案无法结合下肢关节角度和步态数据提供康复数据依据的技术问题，通过多视角成像和足底压力数据，实现下肢部位膝关节和髋关节的关节角度自动计算，从而为足底矫形装置的设计与改进提供数据依据，为后续足底压力分布与关节角度的联合分析提供数据基础。
第一方面，本申请实施例提供了一种人体下肢关节角度的测量方法，所述方法包括步骤：
S1：实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
S2：对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
S3：基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
S4：利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
S5：基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
进一步地，所述步骤S2还包括：识别视频数据中的可识别标记点，当可识别标记点位于运动轨迹的最低点，且压力数据处于压力峰值点时，表示位于同一时刻，并记录压力数据和视频数据的起止时间，以完成时间序列的对齐同步。
进一步地，所述步骤S3还包括：获取同步后的压力数据和视频数据，确定包括足跟着地、足底着地、足跟离地、足底离地在内的多个步态节点所属的步态参数，通过可识别标记点在运动轨迹中的最低点，以及压力数据的压力峰值点，以确定步态节点中的足跟着地，以确定当前人体下肢步态运动的步态周期。
进一步地，所述步骤S4还包括：利用OpenPose开源算法检测出视频片段中的两个髂后上棘关键点、膝关节股骨外侧髁关键点、踝关节外髁关键点，且至少两个及以上的视频片段中在同一时刻包括同一个下肢关节关键点。
进一步地，所述步骤S4进一步包括：获取的各下肢关节关键点的空间位置，通过X、Y、Z描述，那么第n个时刻的第i个坐标点记为
Figure BDA0002931599240000031
i＝{1,2,3,...7}，且依次对应骶尾关节、左侧髂后上棘、右侧髂后上棘、左侧股骨外髁，右侧股骨外髁、左侧踝关节外踝和右侧踝关节外踝。
进一步地，所述步骤S5进一步包括：构建的人体坐标系中，关节向量表示为：V1＝J2-J3，V2＝J1 n+1-J1 n，则对应的坐标系中系
Figure BDA0002931599240000032
为：
Figure BDA0002931599240000033
J2J4、J3J5表示股骨，J4J6、J5J7表示胫骨；利用空间向量夹角计算法则
Figure BDA0002931599240000034
计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角；
一股骨与人体坐标系x轴的夹角的计算方式为：
Figure BDA0002931599240000035
其中(X，Y，Z)为J2、J4在该坐标系下的坐标，并以此类推其他部位的夹角。
进一步地，所述压力采集设备采用压力跑步机中的压力传感器，通过压力传感器采集步态运动中的压力数据和步态分布。
进一步地，所述视频采集设备采用四台RGB可见光相机，并分别放置于压力跑步机的正前方、正后方以及左右两侧边；
正前方、正后方的RGB可见光相机的视野方向与压力跑步机的履带运行方向垂直，分别与压力跑步机相距1m，用于采集压力跑步机上人体下肢关节的内外翻和内外旋运动视频数据；
左右两侧的RGB可见光相机的视野方向与压力跑步机的履带运行方向垂直，与压力跑步机相距2m，用于采集压力跑步机上人体下肢关节的屈曲运动视频数据。
第二方面，本申请实施例提供了一种人体下肢关节角度的测量系统，包括：数据传输模块、数据校准模块、片段划分模块、坐标建立模块以及角度计算模块；
所述数据传输模块被配置为实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
所述数据校准模块被配置为对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
所述片段划分模块被配置为基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
所述坐标建立模块被配置为利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
所述角度计算模块被配置为基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述的人体下肢关节角度的测量方法的步骤。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：
1、由于采用压力采集设备和多个视频采集设备分别采集压力数据和视频数据，基于时间序列和多视角空间成像的技术上，可以快速实现下肢关节角度的自动计算。
2、由于结合的压力数据和视频数据，自动获取步态运动中的步态数据，自动进行下肢关节角度的计算，为足底矫形装置的设计与改进提供数据依据，为后续足底压力分布与关节角的联合分析提供数据基础。
附图说明
图1为本申请实施例的一种人体下肢关节角度的测量方法的流程图；
图2为本申请实施例的一种人体下肢关节角度位置示意图；
图3为本申请实施例的一种人体下肢关节角度的测量系统的结构框图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
参考图1-2所示，本申请实施例提供了一种人体下肢关节角度的测量方法，所述方法包括如下步骤。
步骤S1：实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据。
本步骤中，所述压力采集设备采用压力跑步机中的压力传感器，通过压力传感器采集步态运动中的压力数据和步态分布。
所述视频采集设备采用四台RGB可见光相机，并分别放置于压力跑步机的正前方、正后方以及左右两侧边；正前方、正后方的RGB可见光相机的视野方向与压力跑步机的履带运行方向垂直，分别与压力跑步机相距1m，用于采集压力跑步机上人体下肢关节的内外翻和内外旋运动视频数据；左右两侧的RGB可见光相机的视野方向与压力跑步机的履带运行方向垂直，与压力跑步机相距2m，用于采集压力跑步机上人体下肢关节的屈曲运动视频数据。
步骤S2：对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间。
本步骤中，还包括识别视频数据中的可识别标记点，当可识别标记点位于运动轨迹的最低点，且压力数据处于压力峰值点时，表示位于同一时刻，并记录压力数据和视频数据的起止时间，以完成时间序列的对齐同步。进一步地，本步骤中的可识别标记点可以才人体下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，也可以为人体下肢部位的关节特征点，对此不作限定。
步骤S3：基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期。
本步骤中还包括获取同步后的压力数据和视频数据，确定包括足跟着地、足底着地、足跟离地、足底离地在内的多个步态节点所属的步态参数，通过可识别标记点在运动轨迹中的最低点，以及压力数据的压力峰值点，以确定步态节点中的足跟着地，以确定当前人体下肢步态运动的步态周期。
步骤S4：利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置。
本步骤中，利用OpenPose开源算法检测出视频片段中的两个髂后上棘关键点、膝关节股骨外侧髁关键点、踝关节外髁关键点，且至少两个及以上的视频片段中在同一时刻包括同一个下肢关节关键点。
进一步地，获取的各下肢关节关键点的空间位置，通过X、Y、Z描述，那么第n个时刻的第i个坐标点记为
Figure BDA0002931599240000075
且依次对应骶尾关节、左侧髂后上棘、右侧髂后上棘、左侧股骨外髁，右侧股骨外髁、左侧踝关节外踝和右侧踝关节外踝。
步骤S5：基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
本步骤进一步地，构建的人体坐标系中，关节向量表示为：V1＝J2-J3，V2＝J1 n+1-J1 n，则对应的坐标系中系
Figure BDA0002931599240000071
为：
Figure BDA0002931599240000072
J2J4、J3J5表示股骨，J4J6、J5J7表示胫骨；利用空间向量夹角计算法则
Figure BDA0002931599240000073
计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
其中，一股骨与人体坐标系x轴的夹角的计算方式为：
Figure BDA0002931599240000074
其中(X，Y，Z)为J2、J4在该坐标系下的坐标，并以此类推其他部位的夹角。
实施例二
本实施例提供了一种人体下肢关节角度测量系统，包括：数据传输模块100、数据校准模块200、片段划分模块300、坐标建立模块400以及角度计算模块500。
数据传输模块100被配置为实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
数据校准模块200被配置为对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
片段划分模块300被配置为基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
坐标建立模块400被配置为利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
角度计算模块500被配置为基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
实施例三
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时，使得处理器执行计算机可读指令时实现以下步骤：
S1：实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
S2：对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
S3：基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
S4：利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
S5：基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
在一个实施例中，提出了一种存储有计算机可读指令的存储介质，计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行以下步骤：
S1：实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
S2：对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
S3：基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
S4：利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
S5：基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明一些示例性实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1：实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
S2：对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
S3：基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
S4：利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
S5：基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
2.如权利要求1所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：识别视频数据中的可识别标记点，当可识别标记点位于运动轨迹的最低点，且压力数据处于压力峰值点时，表示位于同一时刻，并记录压力数据和视频数据的起止时间，以完成时间序列的对齐同步。
3.如权利要求1所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：获取同步后的压力数据和视频数据，确定包括足跟着地、足底着地、足跟离地、足底离地在内的多个步态节点所属的步态参数，通过可识别标记点在运动轨迹中的最低点，以及压力数据的压力峰值点，以确定步态节点中的足跟着地，以确定当前人体下肢步态运动的步态周期。
4.如权利要求1所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：利用OpenPose开源算法检测出视频片段中的两个髂后上棘关键点、膝关节股骨外侧髁关键点、踝关节外髁关键点，且至少两个及以上的视频片段中在同一时刻包括同一个下肢关节关键点。
5.如权利要求1所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：获取的各下肢关节关键点的空间位置，通过X、Y、Z描述，那么第n个时刻的第i个坐标点记为
Figure FDA0002931599230000021
且依次对应骶尾关节、左侧髂后上棘、右侧髂后上棘、左侧股骨外髁，右侧股骨外髁、左侧踝关节外踝和右侧踝关节外踝。
6.如权利要求5所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：构建的人体坐标系中，关节向量表示为：V1＝J2-J3，V2＝J1 n+1-J1 n，则对应的坐标系中系
Figure FDA0002931599230000022
为：
Figure FDA0002931599230000023
J2J4、J3J5表示股骨，J4J6、J5J7表示胫骨；利用空间向量夹角计算法则
Figure FDA0002931599230000024
计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角；
其中，一股骨与人体坐标系x轴的夹角的计算方式为：
Figure FDA0002931599230000025
其中(X，Y，Z)为J2、J4在该坐标系下的坐标，并以此类推其他部位的夹角。
7.如权利要求1所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述压力采集设备采用压力跑步机中的压力传感器，通过压力传感器采集步态运动中的压力数据和步态分布。
8.如权利要求7所述的人体下肢关节角度的测量方法，其特征在于，所述视频采集设备采用四台RGB可见光相机，并分别放置于压力跑步机的正前方、正后方以及左右两侧边；
正前方、正后方的RGB可见光相机的视野方向与压力跑步机的履带运行方向垂直，分别与压力跑步机相距1m，用于采集压力跑步机上人体下肢关节的内外翻和内外旋运动视频数据；
左右两侧的RGB可见光相机的视野方向与压力跑步机的履带运行方向垂直，与压力跑步机相距2m，用于采集压力跑步机上人体下肢关节的屈曲运动视频数据。
9.一种人体下肢关节角度的测量系统，采用如权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，包括：数据传输模块、数据校准模块、片段划分模块、坐标建立模块以及角度计算模块；
所述数据传输模块被配置为实时接收压力采集设备采集的步态运动下的压力数据，同时接收多个方向的视频采集设备采集的步态运动时的下肢姿态视频数据；
所述数据校准模块被配置为对齐压力数据和视频数据中的时间序列；并基于下肢部位预设的视频采集设备可识别标记点，获取视频采集设备之间的相对位置关系，校准多个视频数据的成像空间；
所述片段划分模块被配置为基于同步后的压力数据和视频数据，确定当前人体下肢步态运动的步态周期；根据步态周期的起止时间，将各个视频数据中的视频流划分为多个视频片段，使得任一视频片段对应一个步态周期；
所述坐标建立模块被配置为利用OpenPose开源算法分别检测同一步态周期内各个视频片段中的下肢关节关键点；基于同一下肢关节关键点在两个及以上视频片段中的像素坐标，利用三角测量法构建下肢三维坐标，获取各下肢关节关键点的空间位置；
所述角度计算模块被配置为基于下肢关节关键点的空间位置，建立人体坐标系，计算股骨、胫骨与人体坐标系的夹角，计算股骨、胫骨与垂直于地面向上的向量夹角，以及计算股骨、胫骨间的夹角。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述的人体下肢关节角度的测量方法的步骤。
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