CN113397530B - 一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法，该智能矫正系统包括：图像采集设备和评估矫正一体机，评估矫正一体机包括显示屏、壳体、壳体支架、智能分析系统，显示屏嵌装在壳体表面，壳体与壳体支架固定连接，智能分析系统与显示屏连接，图像采集设备与矫正一体机平行设置，且图像采集设备、矫正一体机均与地面垂直设置，智能分析系统封装在壳体内。本发明实现了膝关节功能评估与纠正一体化，提高了评估准确性、量化关键性指标、可随时随地进行专业化评估与科学化运动方案锻炼，减少了人工成本。

Description

一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉捕捉技术领域，特别是涉及一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法。
背景技术
通过完成一系列测试动作，发现受试者膝关节功能障碍，随后进行针对性训练帮助受限者纠正存在问题，降低运动损伤风险，改善功能，这对于所有运动参与者均具有重要作用。而传统膝关节功能障碍检测方法依赖肉眼观察(影响测试精度)、依赖评估人员的专业能力并且无法形成定量化评估体系。
现有的基于计算机视觉技术的人体动作姿态识别，如Human Trak运动分析系统、数字化FMS评估及训练系统，均需要用户身体佩戴相应传感器，对用户完成动作造成一定影响，导致分析结果不准确。不仅如此，国际上的人体动作分析系统价格昂贵，评价指标不符合中国人体质，并且容易导致国内重要数据(比如军人、高水平运动员训练数据等)流入国外，影响数据信息安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，无需佩戴任何大型或者微型传感器，直接利用摄像头拍摄用户的动作即可实现用户动作信息的采集，并且膝关节功能障碍评估方法、指标以及运动方案均经过精心筛选和制定，以提高检测方法的科学性，实用性及运动分析的专业性，从而起到体育锻炼的个性化与数字化，以此实现运动员的科学训练及普通民众的科学健身。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统，包括图像采集设备和评估矫正一体机，所述评估矫正一体机包括显示屏、壳体、壳体支架、智能分析系统，
所述图像采集设备，用于采集受试者动作图像；
所述显示屏，用于显示受试者与所述可进行膝关节功能评估的智能矫正系统之间的交互信息；
所述智能分析系统，用于对所述受试者动作图像进行分析提供个性化运动方案；
所述显示屏嵌装在所述壳体表面，所述壳体与所述壳体支架固定连接，所述智能分析系统与所述显示屏连接，所述图像采集设备与所述矫正一体机平行设置，且所述图像采集设备、所述矫正一体机均与地面垂直设置，所述智能分析系统封装在所述壳体内。
优选地，所述智能分析系统包括控制模块、数据存储模块、信息处理模块和项目管理模块，
所述控制模块，用于发布控制指令；
所述数据存储模块，用于存储受试者动作图像；
所述信息处理模块，用于识别受试者动作姿态，评估膝关节功能障碍，并且判断动作标准度，做出评价；
所述项目管理模块，用于配置评估动作和训练动作，形成评估动作方案和运动方案，以及运动项目调整；
所述控制模块分别与所述信息处理模块、所述项目管理模块连接，所述信息处理模块与所述数据存储模块连接，所述控制模块分别与所述显示屏、所述图像采集设备连接。
优选地，所述受试者动作姿态包括膝关节活动度动作姿态、膝关节静态站姿姿态、膝关节功能动作姿态。
优选地，所述膝关节活动度动作包括左右髋屈曲直腿抬高、左右髋侧卧外展、左右髋俯卧内旋、左右膝关节屈曲、左右跪姿踝背屈。
优选地，所述功能性动作包括深蹲、髋关节铰链、左右单腿蹲、左右弓步蹲、跳起落地。
优选地，所述显示屏采用LCD液晶触控屏，所述LCD液晶触控屏支持4K显示效果。
优选地，所述控制模块采用英伟达Jetson TX2核心板。
优选地，所述可进行膝关节功能评估的智能矫正系统还包括地板胶垫，所述评估矫正一体机和图像采集设备固定设置在所述地板胶垫上方，且所述评估矫正一体机和图像采集设备均与所述地板胶垫垂直。
还提供一种可进行膝关节功能评估的智能矫正方法，包括以下步骤：
图像采集设备采集受试者的动作图像并传输到评估矫正一体机，
基于所述动作图像，所述评估矫正一体机识别膝关节动作姿态并采集受试者的动作疼痛度信息；
基于所述膝关节动作姿态和所述动作疼痛度信息，所述评估矫正一体机评估所述受试者的膝关节功能障碍，获取膝关节健康状态；
对所述膝关节健康状态进行分析，提出个性化运动方案；
监控所述个性化运动方案执行，提出执行评价结果，纠正受试者动作偏差。
优选地，所述个性化运动方案包括下肢肌肉力量练习、核心稳定性练习、下肢功能模式练习、呼吸练习、关节活动度练习和下肢关节稳定性练习。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法利用计算机视觉技术与人工智能技术，实现了智能化膝关节功能评估与纠正，实时、准确、智能地识别用户膝关节功能状况，提高了评估准确性、量化关键性指标，系统还可以根据其评估得出的问题进行智能推荐矫正训练方案，从而达到检测、评估、矫正的一整套健康服务，实现了随时随地进行专业化评估与科学化膝关节功能锻炼，减少了人工成本，便于向社会宣传和推广功能锻炼的科学理念。
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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中可进行膝关节功能评估的智能矫正系统结构示意图；
图2为本发明可进行膝关节功能评估的智能矫正方法流程示意图；
图3为本发明实施例中膝关节功能障碍评估项目示意图；
图4为本发明实施例中基于计算机视觉的人体骨架示意图；
图5为本发明实施例中骨架序列识别流程示意图；
图6为本发明中个性膝关节运动方案示意图；
图7为本发明实施例中膝关节功能障碍评估图像采集处理过程示意图。
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。
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。
本发明提供一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法，本智能矫正系统的对象是膝关节存在功能退化的人群，当今社会许多人存在膝关节功能不良，在老年人群、久坐不动人群、运动过度人群中较为常见，表现为下肢关节活动度受限、稳定性不足、无法完成下蹲、弓箭步等基本下肢动作模式，有些甚至出现轻微的慢性疼痛(疼痛VAS评分3分以下)，这些人的膝关节虽然没有达到疾病就诊的程度，但会影响到日常生活质量和运动能力，这个人群就是本智能矫正系统的主要应用对象，即本实施例中所称的膝关节功能障碍只是考虑从功能动作角度出现的问题，而非结构性损伤或明确病理性引发的膝关节功能障碍。参考图1-2所示，智能矫正系统包括图像采集设备和评估矫正一体机，评估矫正一体机包括显示屏、壳体、壳体支架、智能分析系统，显示屏采用嵌装方式，安装于壳体表面，壳体与壳体支架固定连接，本实施例中，壳体支架定制铸造成型，保证设备的稳定性。智能分析系统封装到壳体内部，智能分析系统与显示屏连接，本实施例中，显示屏采用LCD液晶触控屏，LCD液晶触控屏能够支持4K显示效果，保证显示内容的高清晰度需求，使受试者能够清楚的看到动作细节。控制模块采用英伟达Jetson TX2核心板。图像采集设备采用120°(H)*90°(V)广角无畸变单目摄像机。图像采集设备与矫正一体机平行设置，且图像采集设备、矫正一体机均与地面垂直设置。为了保证受试者动作采集的准确性，矫正一体机与图像采集设备以受试者为中心垂直设置。
智能分析系统包括控制模块、数据存储模块、信息处理模块和项目管理模块。受试者通过触碰LCD液晶触控屏，选择膝关节功能障碍评估项目，控制模块接收评估项目信息，通过显示屏显示所评估项目动作清单，受试者选择相应的评估项目动作，根据开始指令，图像采集装置开始采集受试者动作图像，并将图像传输到数据存储模块进行存储。如图3所示，膝关节功能障碍评估项目包括：(1)关节活动度检测，需要检测10个动作，分别是左右髋屈曲直腿抬高、左右髋侧卧外展、左右髋俯卧内旋、左右膝关节屈曲、左右跪姿踝背屈。通过评估发现是否存在关节活动度受限，以及相关肌肉、韧带等软组织紧张或存在激痛点等问题。(2)身体姿态评估，静态站姿为人体的基本站姿，通过检测发现骨盆有无侧倾、旋转以及膝关节不良姿势(膝外翻、膝内翻、膝屈曲、膝过伸)。(3)功能性动作评估，需要评估7个动作，分别是深蹲、髋关节铰链、左右单腿蹲、左右弓步蹲、跳起落地，通过评估发现是否存在功能动作模式不良、核心控制能力不足、屈髋与踝背屈能力受限、相关肌群紧张以及本体感觉不佳等问题。上述每一项评估动作完成后，受试者根据自身状况根据显示屏的提示选择疼痛度，疼痛度信息传输到数据存储模块。
数据存储模块将收集到的受试者膝关节功能障碍评估图像建立基本的数据库，包括正例样本和反例样本。并将受试者膝关节功能障碍评估图像传输到信息处理模块，进行受试者姿态识别。信息处理模块基于计算机视觉对受试者的姿态进行识别。计算机视觉的人体动作识别作用于对人体骨架关键点的评估，如关节点(joint)和骨骼(bone)，关节点的作用是链接两根相邻的骨骼。因此，把骨架简化为点和边构成的图像(graph)。点对应骨架中关节点，边对应骨架中的骨骼，如图4所示。
本实施例中信息处理模块应用了多种人体识别相关神经网络模型算法。如图5所示，将受试者膝关节功能障碍评估图像经过姿态识别与姿态追踪算法处理后，得到关于时间维度的关键点(关节点)2d或3d离散序列。根据时间维度的关键点(关节点)2d或3d离散序列，信息处理模块继续对一幅骨架序列进行关节点和骨骼的位移及角度进行运动识别算法分析，可得到身体骨骼的多维度参数指标评估与行为动作识别结果，结合膝关节功能障碍评估项目，识别受试者膝关节功能障碍评估项目动作姿态结合动作疼痛度，获得膝关节健康状态，并将膝关节健康状态传到项目管理模块。膝关节健康状态包括骨骼和肌肉的健康状态。
项目管理模块根据膝关节健康状况提出个性化运动方案，如图6所示，并将个性化运动方案发送到控制模块，由控制模块传输到显示屏进行展示。受试者根据个性化运动方案的内容选择矫正运动项目，根据提供的动作要领及标准动作示范进行膝关节运动障碍矫正。图像采集设备采集受试者运动图像并发送到信息存储模块，信息存储模块将运动图像发送到信息处理模块，信息处理模块对受试者运动姿态进行识别，将识别结果与标准动作进行对比，判断动作标准度并给出动作完成评分，以及动作偏差改正建议，防止出现锻炼无效甚至出现进一步损伤。
项目管理模块能够配置评估动作和训练动作，配置动作分组、编辑或删除动作并且可进行动作名称、动作描述、检测指标、动作视频等内容编辑。
另外，项目管理模块对评估项目进行动态化管理，包括对已有的评估项目可操作使用状态，是启用还是停用；对已有的评估项目可进行修改或者删除操作，可新增评估项目，项目管理模块还可以配置多个版本、多个动作分组，用于管理不同版本的评估动作和纠正训练动作，可进行新增、修改、删除操作。
项目管理模块定期针对每个检测动作、评估项目、纠正训练动作，根据配置的指标范围来配置结论；结论分为动作类、项目类、身体部位类、纠正训练类，可进行新增、修改、删除操作。
评分按照三个维度进行，包括测试动作得分、整个项目评估得分、身体部位得分，并且进行指标配置和权重配置。
进一步优化方案，本实施例中为保证图像采集的全面性和清晰性，本实施例中矫正系统还包括地板胶垫，地板胶垫铺设于地面上，图像采集设备和评估矫正一体机设置在地板胶垫上，并且图像采集设备和评估矫正一体机与地板胶垫垂直。能够更清晰地表明受试者的位置，在该位置采集的图像更加全面、清晰。
本发明评估中的图像采集处理过程如图7所示，首先通过摄像头采集视频数据，建立基本的数据库，包括正例样本和反例样本，分别提取其中人体的特征(即人体关节点信息)，建立正例和反例特征集合，传输到信息处理模块；然后，信息处理模块通过卷积神经网络提取视频中人体的特征(人体关节点，以下简称关节点)，如头部、左手腕、右手腕、左肩等，每秒30帧获取数据，人体关节点识别准确率93％以上。最后结合膝关节功能障碍评估方法、指标得出相应评估结果。
本发明的可进行膝关节功能评估的智能矫正系统和方法，无需待评估矫正者佩戴任何大型或者微型传感器，利用高清摄像头拍摄待评估矫正者的动作即可实现待评估矫正者的动作信息的采集，并且膝关节功能障碍评估方法、指标以及个性化运动方案的制定均由国家体育总局体育科学研究所的专家精心筛选和制定，以提高评估方法的科学性，实用性、运动分析的专业性及针对性，从而起到体育锻炼的个性化与数字化，并且该系统安装方便、使用场地受限较小，能够满足运动员的科学训练及普通民众的科学健身的多种需要。经过实际应用，使用者都取得很好的锻炼效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可进行膝关节功能评估的智能矫正系统，其特征在于：包括图像采集设备和评估矫正一体机，所述评估矫正一体机包括显示屏、壳体、壳体支架、智能分析系统，
所述图像采集设备，用于采集受试者动作图像；
所述显示屏，用于显示受试者与所述可进行膝关节功能评估的智能矫正系统之间的交互信息，并接收受试者反馈信息；
所述智能分析系统，用于对所述受试者动作图像进行分析提供个性化运动方案，所述智能分析系统包括控制模块、数据存储模块、信息处理模块和项目管理模块，
所述控制模块，用于发布控制指令；
所述数据存储模块，用于存储受试者动作图像；
所述信息处理模块，用于识别受试者动作姿态，并结合动作疼痛度，评估膝关节功能障碍，并且判断动作标准度，做出评价，所述受试者动作姿态包括膝关节活动度动作姿态、膝关节静态站姿姿态、膝关节功能动作姿态，所述膝关节活动度动作包括左右髋屈曲直腿抬高、左右髋侧卧外展、左右髋俯卧内旋、左右膝关节屈曲、左右跪姿踝背屈，所述功能性动作包括深蹲、髋关节铰链、左右单腿蹲、左右弓步蹲、跳起落地；
所述项目管理模块，用于配置评估动作和训练动作，形成评估动作方案和运动方案，以及运动项目调整；
所述控制模块分别与所述信息处理模块、所述项目管理模块连接，所述信息处理模块与所述数据存储模块连接，所述控制模块分别与所述显示屏、所述图像采集设备连接；
所述显示屏嵌装在所述壳体表面，所述壳体与所述壳体支架固定连接，所述智能分析系统与所述显示屏连接，所述图像采集设备与所述矫正一体机平行设置，且所述图像采集设备、所述矫正一体机均与地面垂直设置，所述智能分析系统封装在所述壳体内。
2.根据权利要求1所述的可进行膝关节功能评估的智能矫正系统，其特征在于：所述显示屏采用LCD液晶触控屏，所述LCD液晶触控屏支持4K显示效果。
3.根据权利要求1所述的可进行膝关节功能评估的智能矫正系统，其特征在于：所述控制模块采用英伟达Jetson TX2核心板。
4.根据权利要求1-3任一所述的可进行膝关节功能评估的智能矫正系统，其特征在于：所述可进行膝关节功能评估的智能矫正系统还包括地板胶垫，所述评估矫正一体机和图像采集设备固定设置在所述地板胶垫上方，且所述评估矫正一体机和图像采集设备均与所述地板胶垫垂直。
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