KR20240043540A - System and method for estimating musculoskeletal disorders based on the estimated pose - Google Patents

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joint
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박윤수
허기택
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Abstract

본 발명에 따른 근골격계 질환을 추정하는 방법은 대상자가 포함된 영상을 수신하고, 제1 측정 모델을 적용하여 상기 영상에 포함된 대상자의 골격의 위치를 인식하는 단계, 상기 인식된 골격의 위치에 기초하여, 상기 대상자의 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리를 인식하고, 상기 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리에 기초하여 상기 2차원 위치 좌표를 3차원 위치 좌표로 변환하는 단계, 상기 3차원 위치 좌표를 이용하여 상기 관절의 이미지가 포함된 3차원 뷰(view)를 생성하는 단계, 상기 3차원 뷰에 포함된 상기 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터의 라벨링을 수행하고, 상기 라벨링된 실측 데이터에 기초하여 대상자의 포즈를 인식하는 단계, 상기 인식된 포즈에 포함된 관절의 각도 변화를 분석하여 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징을 추출하는 단계 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징 데이터들에 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크(Convolutional neural network)를 적용하여 근골격계 질환 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for estimating a musculoskeletal disease according to the present invention includes the steps of receiving an image including a subject, recognizing the position of the subject's skeleton included in the image by applying a first measurement model, based on the position of the recognized skeleton. Thus, recognizing the two-dimensional position coordinates and distances of the subject's joints, and converting the two-dimensional position coordinates into three-dimensional position coordinates based on the two-dimensional position coordinates and distances of the joints, the three-dimensional position coordinates Generating a three-dimensional view including an image of the joint using the step, performing labeling of ground truth data of the positions of the joint included in the three-dimensional view, and attaching ground truth data to the labeled ground truth data. Recognizing the subject's pose based on the subject's pose, analyzing the angle change of the joint included in the recognized pose to extract characteristics of the joint affecting the musculoskeletal disease and the joint affecting the musculoskeletal disease, and the musculoskeletal system It is characterized by comprising the step of determining whether a musculoskeletal disease exists by applying a convolutional neural network to joints that affect the disease and characteristic data of the joints that affect the musculoskeletal disease.

Description

추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING MUSCULOSKELETAL DISORDERS BASED ON THE ESTIMATED POSE}System and method for estimating musculoskeletal disorders based on estimated pose {SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING MUSCULOSKELETAL DISORDERS BASED ON THE ESTIMATED POSE}

본 발명은 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 사람의 관절 데이터를 통하여 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for estimating a musculoskeletal disease based on an estimated pose, and more specifically, to a system and method for estimating a musculoskeletal disease based on a pose estimated through human joint data.

시간적 공간적 한계로 근골격계 질환 환자를 의사가 직접 관찰하기 어려운 경우, 영상을 통해 간접진단을 수행할 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 진단을 수행하는 경우, 상대적으로 정확도가 낮아질 수 있다. 이에, 진단율을 향상시키기 위하여 동작 인식 카메라를 활용하여 가상현실 콘텐츠를 수행하여 근골격운동을 분석하는 방법을 활용할 수 있다. 상기 방법을 진단 보조 정보로 활용하는 경우 정확도 비교적 높아질 수 있지만, 근골격운동 분석을 진행하고자 할 때 뼈대의 길이가 사람마다 상이하다는 문제, 즉 기준이 되는 골격 데이터와 콘텐츠를 이용하려는 사용자 골격 데이터의 자세에 차이가 있어 분석이 쉽지 않은 문제가 있다.When it is difficult for a doctor to directly observe a patient with a musculoskeletal disease due to temporal and spatial limitations, indirect diagnosis can be performed through imaging. However, when diagnosis is performed in this way, accuracy may be relatively low. Accordingly, in order to improve the diagnosis rate, a method of analyzing musculoskeletal movement by performing virtual reality content using a motion recognition camera can be used. If the above method is used as diagnostic auxiliary information, the accuracy can be relatively high, but when analyzing musculoskeletal movements, there is a problem that the length of the skeleton is different for each person, that is, the posture of the user's skeleton data to use the reference skeleton data and content. There is a problem that is not easy to analyze because there is a difference.

기존에 활용되는 Depth Camera를 이용한 골격 인식 방법은 해당 제조사에서 제공해주는 SDK를 이용하여 골격을 인식하는 방법인데, 이는 해당 제조사의 기술 지원이 계속 이루어지지 않으면 골격 인식 정확도를 높이기에는 한계가 따르는 실정이다. 따라서, 근골격운동 분석에 있어 기준이 되는 사용자의 자세 정보를 정확히 추출하여 근골격 관련 운동을 실시간으로 비교 및 분석하는 방법이 필요하다.The existing skeleton recognition method using Depth Camera is a method of recognizing the skeleton using the SDK provided by the manufacturer, but this has limitations in improving the accuracy of skeleton recognition without continued technical support from the manufacturer. . Therefore, a method is needed to accurately extract the user's posture information, which is the standard for analyzing musculoskeletal exercise, and compare and analyze musculoskeletal-related exercise in real time.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 골격 인식의 정확도를 향상시킬 수 있는 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention to solve the above problems is to provide a system and method for estimating musculoskeletal disorders based on an estimated pose that can improve the accuracy of skeletal recognition.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법은 대상자가 포함된 영상을 수신하고, 제1 측정 모델을 적용하여 상기 영상에 포함된 대상자의 골격의 위치를 인식하는 단계, 상기 인식된 골격의 위치에 기초하여, 상기 대상자의 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리를 인식하고, 상기 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리에 기초하여 상기 2차원 위치 좌표를 3차원 위치 좌표로 변환하는 단계, 상기 3차원 위치 좌표를 이용하여 상기 관절의 이미지가 포함된 3차원 뷰(view)를 생성하는 단계, 상기 3차원 뷰에 포함된 상기 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터의 라벨링을 수행하고, 상기 라벨링된 실측 데이터에 기초하여 대상자의 포즈를 인식하는 단계, 상기 인식된 포즈에 포함된 관절의 각도 변화를 분석하여 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징을 추출하는 단계 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징 데이터들에 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크(Convolutional neural network)를 적용하여 근골격계 질환 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of estimating a musculoskeletal disease based on an estimated pose according to an embodiment of the present invention includes receiving an image including a subject, and applying a first measurement model to identify the subject included in the image. Recognizing the position of the skeleton, based on the recognized position of the skeleton, recognizing two-dimensional position coordinates and distances of the subject's joints, and determining the two-dimensional position coordinates and distances of the joints based on the two-dimensional position coordinates and distances of the joints. Converting into three-dimensional position coordinates, generating a three-dimensional view containing an image of the joint using the three-dimensional position coordinates, measuring the positions of the joint included in the three-dimensional view ( Performing labeling of ground truth data and recognizing the subject's pose based on the labeled ground truth data; analyzing angle changes of joints included in the recognized pose to identify joints affecting the musculoskeletal disease and the A step of extracting the characteristics of joints affecting musculoskeletal diseases and applying a convolutional neural network to the joints affecting the musculoskeletal diseases and the characteristic data of the joints affecting the musculoskeletal diseases. It is characterized by including the step of determining whether or not there is a disease.

또한, 상기 제1 측정 모델은 인체 자세 추정 모델(Human Pose Estimation Model) 이고, 상기 거리는 상기 2차원 위치 좌표에 투영된 심도 맵(Depth Map)에 기초하여 계산되는 거리인 것을 특징으로 한다.In addition, the first measurement model is a human pose estimation model, and the distance is a distance calculated based on a depth map projected onto the two-dimensional position coordinates.

또한, 상기 2차원 위치 좌표를 3차원 좌표로 변환하는 단계는, 상기 영상에 포함된 대상자의 보행 측정 데이터를 이용하여, 상기 대상자의 관절의 움직임 정보가 포함된 제1 파라미터를 추출하는 단계 및 상기 영상에 포함된 대상자의 보행 측정 데이터를 이용하여, 상기 대상자의 관절의 각도 정보가 포함된 제2 파라미터를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of converting the two-dimensional position coordinates into three-dimensional coordinates includes extracting a first parameter containing movement information of the subject's joints using the subject's gait measurement data included in the image, and It is characterized by including the step of extracting a second parameter containing angle information of the subject's joints using the subject's gait measurement data included in the image.

또한, 상기 제1 파라미터는, 스탭 길이(Step Length), 스탭 폭(Step Width), 스탭 시간(Step Time), 스탭 속도(Step Velocity), 한걸음의 길이(Stride Length), 한걸음의 속도(Stride Velocity), 보행 속도(Velocity), 거리(Distance), 케이던스(Cadence), 뒷꿈치 착지 시점(Heel Strike Time), 뒷꿈치 착지 위치(Heel Strike Position), 앞꿈치가 지면으로부터 발을 떼는 시점(Toe Off Time), 앞꿈치가 지면으로부터 발을 떼는 위치(Toe Off Position), 발의 높이(Foot Height), 팔꿈치 움직임(Elbow Movement), 무릎 움직임(Knee Movement) 및 엉덩이 움직임(Hip Movement)을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the first parameter is Step Length, Step Width, Step Time, Step Velocity, Stride Length, and Stride Velocity ), walking speed, distance, cadence, heel strike time, heel strike position, toe off time, It is characterized by including Toe Off Position, Foot Height, Elbow Movement, Knee Movement, and Hip Movement.

또한, 상기 제2 파라미터는, 엉덩이-무릎 각도(Hip-Knee Angle), 무릎 각도(Knee Angle), 팔꿈치 각도(Elbow Angle), 어깨-팔 각도(Shoulder Arm Angle), 전방 기울임 각도(Forward Lean Angle), 어깨 기울임 각도(Shoulder Lean Angle), 머리 기울임 각도(Head Lean Angle), 엉덩이 기울임 각도(Hip Lean Angle), 발 스윙 각도(Foot Swing Angle), 머리 스윙 각도(Hand Swing Angle) 및 엉덩이 회전 각도(Hip Rotatio Angele)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the second parameter is Hip-Knee Angle, Knee Angle, Elbow Angle, Shoulder Arm Angle, and Forward Lean Angle. ), Shoulder Lean Angle, Head Lean Angle, Hip Lean Angle, Foot Swing Angle, Hand Swing Angle and Hip Rotation Angle It is characterized by including (Hip Rotatio Angele).

또한, 상기 3차원 뷰에 포함된 프레임에서 상기 관절의 신뢰도 값이 0.6이상인 관절을 에러 관절로 판단하고, 상기 에러 관절을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method may further include determining a joint whose reliability value is 0.6 or more in a frame included in the 3D view as an error joint, and removing the error joint.

또한, 상기 대상자의 포즈를 인식하는 과정은, 상기 라벨링된 실측 데이터에 포함된 관절 위치의 깊이 표면(Depth surface) 데이터에서 상기 관절의 위치로 향하는 방향 벡터들(Direction vector)을 이진 회귀 트리(Binary regression tree) 구조로 학습하여 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, the process of recognizing the subject's pose involves dividing direction vectors toward the position of the joint from the depth surface data of the joint position included in the labeled ground truth data using a binary regression tree (Binary regression tree). It is characterized by being performed by learning with a regression tree structure.

또한, 상기 관절의 위치는 평균 이동 방법(Mean-shift)를 이용하여 최적화되는 것을 특징으로 한다.Additionally, the position of the joint is optimized using a mean-shift method.

본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템 및 방법은 사용자의 자세 정보를 분석하는 방법을 사용하여 골격 인식의 정확도를 현저히 향상시킬 수 있다.The system and method for estimating musculoskeletal disorders based on the estimated pose according to the present invention can significantly improve the accuracy of skeletal recognition by using a method of analyzing the user's posture information.

또한, 사람의 전신 포즈 데이터를 학습한 데이터에 기초하여 근골격계 질환을 추정함으로써 근골격계 질환을 치료하기 위한 객관적인 지표를 산출할 수 있다.Additionally, by estimating musculoskeletal diseases based on data learned from a person's whole body pose data, an objective index for treating musculoskeletal diseases can be calculated.

다만, 본 발명의 실시 예들에 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템 및 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the system and method for estimating musculoskeletal diseases based on the pose estimated in the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be found in the description below. It will be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 3차원 좌표를 변환하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 3은 3차원 좌표를 변환하는 과정에서 사용되는 인체 자세 추정 모델(Human Pose Estimation Model)의 구조를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 인식되는 관절을 도시한 개념도이다.
도5는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 3차원 좌표로 변환된 결과를 도시한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 정규화 알고리즘으로 사용되는 Q-buffer의 데이터 처리 과정을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 정규화 알고리즘으로 사용되는 Q-buffer의 Min-Max 알고리즘을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 정규화 알고리즘으로 사용되는 칼만필터의 알고리즘을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 생성되는 실시간 3차원 뷰(View)를 도시한 것이다.
도 10 은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터의 라벨링 과정을 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 대상자의 포즈를 추정하고 학습하는 과정을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 관절의 위치 별 이진 희귀 트리 구성과정을 도시한 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 랜덤트리 워크에 기반하여 대상자의 전신 포즈를 인식하는 과정을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 제어 신호 변환 로직을 도시한 구성도이다.
도 16은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 관절 데이터를 생성하는 과정을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법을 통해 생성된 라이브러리 도시한 것이다.
도 18은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템을 도시한 블록도이다.
The accompanying drawings, which are included as part of the detailed description to aid understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention, and together with the detailed description, explain the technical idea of the present invention.
1 is a flow chart illustrating a method for estimating a musculoskeletal disease based on an estimated pose according to the present invention.
Figure 2 is a conceptual diagram showing the process of converting 3D coordinates in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram showing the structure of the Human Pose Estimation Model used in the process of converting 3D coordinates.
Figure 4 is a conceptual diagram showing joints recognized in the method for estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 5 is a photograph showing the results converted into 3D coordinates in the method for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 6 is a conceptual diagram showing the data processing process of the Q-buffer used as a normalization algorithm in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 7 shows the Min-Max algorithm of the Q-buffer used as a normalization algorithm in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 8 shows the Kalman filter algorithm used as a normalization algorithm in the method for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 9 shows a real-time three-dimensional view generated in the method for estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 10 shows the labeling process of ground truth data of joint positions in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figures 11 and 12 illustrate the process of estimating and learning the subject's pose in the method of estimating a musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 13 shows the process of constructing a binary rare tree for each joint location in the method for estimating musculoskeletal disorders based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 14 shows the process of recognizing the subject's whole body pose based on random tree walk in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 15 is a configuration diagram showing the control signal conversion logic in the method for estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 16 shows the process of generating joint data in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 17 shows a library generated through a method for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention.
Figure 18 is a block diagram showing a system for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention. The term and/or includes any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but that other components may exist in between. It should be. On the other hand, when it is mentioned that a component is “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an idealized or excessively formal sense. No.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. In order to facilitate overall understanding when describing the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted.

도 1은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법을 도시한 순서도이다.1 is a flow chart illustrating a method for estimating a musculoskeletal disease based on an estimated pose according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법은 대상자가 포함된 영상을 수신하고, 제1 측정 모델을 적용하여 상기 영상에 포함된 대상자의 골격의 위치를 인식하는 단계(S101), 상기 인식된 골격의 위치에 기초하여, 상기 대상자의 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리를 인식하고, 상기 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리에 기초하여 상기 2차원 위치 좌표를 3차원 위치 좌표로 변환하는 단계(S102), 상기 3차원 위치 좌표를 이용하여 상기 관절의 이미지가 포함된 3차원 뷰(view)를 생성하는 단계(S103), 상기 3차원 뷰에 포함된 상기 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터의 라벨링을 수행하고, 상기 라벨링된 실측 데이터에 기초하여 대상자의 포즈를 인식하는 단계(S104), 상기 인식된 포즈에 포함된 관절의 각도 변화를 분석하여 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징을 추출하는 단계(S105) 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징 데이터들에 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크(Convolutional neural network)를 적용하여 근골격계 질환 여부를 판단하는 단계(S106)를 포함할 수 있다. 이하에서는 S101 내지 S106에 대하여 구체적으로 설명한다.Referring to Figure 1, the method of estimating a musculoskeletal disease based on an estimated pose according to the present invention receives an image including a subject and applies a first measurement model to determine the location of the subject's skeleton included in the image. Recognizing step (S101), based on the position of the recognized skeleton, recognize the two-dimensional position coordinates and distance of the subject's joint, and recognize the two-dimensional position coordinate and distance based on the two-dimensional position coordinate and distance of the joint. Converting to 3D position coordinates (S102), generating a 3D view including an image of the joint using the 3D position coordinates (S103), the joint included in the 3D view Performing labeling of ground truth data of positions and recognizing the subject's pose based on the labeled ground truth data (S104), analyzing the angle change of the joint included in the recognized pose to determine the musculoskeletal system A step of extracting characteristics of the joint affecting the disease and the joint affecting the musculoskeletal disease (S105) and convolutional data on the characteristic data of the joint affecting the musculoskeletal disease and the joint affecting the musculoskeletal disease It may include a step (S106) of determining whether a musculoskeletal disease exists by applying a neural network (convolutional neural network). Hereinafter, S101 to S106 will be described in detail.

도 2는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 3차원 좌표를 변환하는 과정을 도시한 개념도이고, 도 3은 3차원 좌표를 변환하는 과정에서 사용되는 인체 자세 추정 모델(Human Pose Estimation Model)의 구조를 도시한 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 인식되는 관절을 도시한 개념도이며, 도5는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 3차원 좌표로 변환된 결과를 도시한 사진이다.Figure 2 is a conceptual diagram showing the process of converting 3D coordinates in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention, and Figure 3 is a human body posture estimation model used in the process of converting 3D coordinates. (Human Pose Estimation Model) is a conceptual diagram showing the structure, and Figure 4 is a conceptual diagram showing joints recognized in the method for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention, and Figure 5 is a conceptual diagram showing the structure of the Human Pose Estimation Model according to the present invention. This photo shows the results converted into 3D coordinates from a method for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법은 S101 및 S102를 통하여 대상자 관절의 3차원 좌표를 획득할 수 있다. Referring to Figures 2 to 5, the method of estimating a musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention can obtain three-dimensional coordinates of the subject's joints through S101 and S102.

본 발명에 따른 방법은 인체 자세 추정 모델 (Human Pose Estimation)을 적용하여, 2D 컬러(color) 영상에서 대상자의 골격의 위치를 인식하고, 인식된 골격에 따른 해당 관절의 2차원 위치좌표(x, y)와 2차원 위치좌표에 투영된 심도 맵(Depth Map(z))의 거리를 이용하여 3차원 좌표계로 변환할 수 있다. 일 실시예로서, OpenCV PoseNetEstimator 및 TensorFlow PoseNet을 활용하여 3차원 좌표로의 변환과정이 수행될 수 있다.The method according to the present invention applies a human pose estimation model to recognize the position of the subject's skeleton in a 2D color image, and calculates the two-dimensional position coordinates (x, y) and the distance of the depth map (Depth Map(z)) projected onto the 2D position coordinates can be used to convert to a 3D coordinate system. As an example, the conversion process to 3D coordinates can be performed using OpenCV PoseNetEstimator and TensorFlow PoseNet.

한편, 본 발명에 따른 방법은 인체 자세 추정 모델(Pose Estimation Model)을 적용하여 3차원 좌표를 계산함에 있어, 총 18개의 관절을 활용할 수도 있고, 18개의 관절에 센터 힙(Center Hip), 척추(Spine)를 추가하여 총 20개의 관절을 활용할 수도 있다.Meanwhile, the method according to the present invention can utilize a total of 18 joints in calculating 3D coordinates by applying the human body pose estimation model, and the 18 joints include the center hip and spine ( Spine) can be added to utilize a total of 20 joints.

이 때, 2차원 위치 좌표를 3차원 좌표로 변환하는 단계는 동작 파라미터와 주요 관절의 각도 파라미터를 활용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 영상에 포함된 대상자의 보행 측정 데이터를 이용하여, 대상자의 관절의 움직임 정보가 포함된 제1 파라미터를 추출하는 단계 및 영상에 포함된 대상자의 보행 측정 데이터를 이용하여, 대상자의 관절의 각도 정보가 포함된 제2 파라미터를 추출하는 단계를 통하여 수행될 수 있다.At this time, the step of converting the 2D position coordinates into 3D coordinates can be performed using the motion parameters and the angle parameters of the main joints. Specifically, using the subject's gait measurement data included in the image, extracting a first parameter containing movement information of the subject's joints and using the subject's gait measurement data included in the image, This may be performed through the step of extracting a second parameter including angle information.

동적 파라미터인 제1 파라미터는 시공간 정보를 이용하여 보행 측정 결과로 계산될 수 있고, 주요 관절의 움직임 정보를 이용하여 보행 분석 시 파라미터로 사용될 수 있다. 구체적으로 제1 파라미터는, 스탭 길이(Step Length), 스탭 폭(Step Width), 스탭 시간(Step Time), 스탭 속도(Step Velocity), 한걸음의 길이(Stride Length), 한걸음의 속도(Stride Velocity), 보행 속도(Velocity), 거리(Distance), 케이던스(Cadence), 뒷꿈치 착지 시점(Heel Strike Time), 뒷꿈치 착지 위치(Heel Strike Position), 앞꿈치가 지면으로부터 발을 떼는 시점(Toe Off Time), 앞꿈치가 지면으로부터 발을 떼는 위치(Toe Off Position), 발의 높이(Foot Height), 팔꿈치 움직임(Elbow Movement), 무릎 움직임(Knee Movement) 및 엉덩이 움직임(Hip Movement)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.The first parameter, which is a dynamic parameter, can be calculated as a gait measurement result using spatiotemporal information and can be used as a parameter when analyzing gait using movement information of major joints. Specifically, the first parameter is Step Length, Step Width, Step Time, Step Velocity, Stride Length, and Stride Velocity. , Walking Speed, Distance, Cadence, Heel Strike Time, Heel Strike Position, Toe Off Time, Forefoot Musculoskeletal disease, characterized in that it includes Toe Off Position, Foot Height, Elbow Movement, Knee Movement, and Hip Movement How to estimate .

각도 파라미터인 제2 파라미터는 보행 시 주요 관절의 각도 및 회전 값을 이용하여 계산될 수 있다. 구체적으로 제2 파라미터는, 엉덩이-무릎 각도(Hip-Knee Angle), 무릎 각도(Knee Angle), 팔꿈치 각도(Elbow Angle), 어깨-팔 각도(Shoulder Arm Angle), 전방 기울임 각도(Forward Lean Angle), 어깨 기울임 각도(Shoulder Lean Angle), 머리 기울임 각도(Head Lean Angle), 엉덩이 기울임 각도(Hip Lean Angle), 발 스윙 각도(Foot Swing Angle), 머리 스윙 각도(Hand Swing Angle) 및 엉덩이 회전 각도(Hip Rotatio Angele)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법을 통하여 3차원 좌표로 변환된 결과는 도 5에 도시되어 있다.The second parameter, which is an angle parameter, can be calculated using the angle and rotation values of major joints during walking. Specifically, the second parameter is Hip-Knee Angle, Knee Angle, Elbow Angle, Shoulder Arm Angle, and Forward Lean Angle. , Shoulder Lean Angle, Head Lean Angle, Hip Lean Angle, Foot Swing Angle, Hand Swing Angle and Hip Rotation Angle ( Hip Rotatio Angele) may be included. The results converted into 3D coordinates through the method of estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention are shown in FIG. 5.

도 6은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 정규화 알고리즘으로 사용되는 Q-buffer의 데이터 처리 과정을 도시한 개념도이고, 도 7은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 정규화 알고리즘으로 사용되는 Q-buffer의 Min-Max 알고리즘을 도시한 것이며, 도 8은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 정규화 알고리즘으로 사용되는 칼만필터의 알고리즘을 도시한 것이다.Figure 6 is a conceptual diagram showing the data processing process of the Q-buffer used as a normalization algorithm in the method of estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention, and Figure 7 is based on the estimated pose according to the present invention. This shows the Min-Max algorithm of Q-buffer, which is used as a normalization algorithm in the method of estimating musculoskeletal diseases, and Figure 8 is used as a normalization algorithm in the method of estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention. This shows the Kalman filter algorithm.

도 6 내지 도8을 참조하면, 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법은 Q-buffer를 생성하여 정규화를 수행할 수 있고, 칼만 필터를 이용하여 정규화를 수행할 수 있다. 두 가지 방법 모두 실시간으로 입력되는 정보에 대한 정규화가 진행되도록 할 수 있다.Referring to Figures 6 to 8, the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention can perform normalization by generating a Q-buffer, and normalization can be performed using a Kalman filter. . Both methods can allow normalization of information input in real time.

도 6 및 도 7을 참조하면, Q-buffer 알고리즘은 연속적으로 입력되는 데이터를 Q-buffer에 저장한 후 Q-buffer에 대한 평균화하는 알고리즘일 수 있다. Q-buffer알고리즘은 현재 데이터와 이전 데이터들에 대한 평균화를 진행하기 때문에 노이즈와 Jump현상이 완화된 선형적인(Linear) 결과가 얻어지도록 할 수 있다. Q-buffer 평균화 알고리즘은 Q(t)부터 Q(t-n)까지의 합을 Q의 길이로 평균화하는 방법으로 하기 (수학식 1)의 방식으로 수행될 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7, the Q-buffer algorithm may be an algorithm that stores continuously input data in the Q-buffer and then averages the Q-buffer. Since the Q-buffer algorithm averages the current data and previous data, it can obtain linear results with reduced noise and jump phenomenon. The Q-buffer averaging algorithm averages the sum from Q(t) to Q(t-n) by the length of Q and can be performed in the following (Equation 1).

(수학식 1)(Equation 1)

여기서, n은 Q의 길이이고, R(t)는 가공되는 현재 데이터이다. Here, n is the length of Q, and R(t) is the current data to be processed.

Q-buffer에 대한 평균화만 진행하면 노이즈나 Jump와 같은 에러 데이터도 깊이 평균화가 되어 잘못된 데이터를 얻을 수 있다. 이러한 현상을 최소화하기 위해서 Q-buffer에서 최소, 최대 임계값을 설정하고, 해당 임계값의 범위를 벗어난 데이터를 에러 데이터로 정의하고, 이 값들을 제거한 후 평균화하는 방법을 사용할 수 있다. 구체적인 알고리즘은 도 7에 도시되어 있다.If you only perform averaging for the Q-buffer, error data such as noise or jumps may also be deeply averaged, resulting in incorrect data. To minimize this phenomenon, a method can be used to set minimum and maximum thresholds in the Q-buffer, define data outside the range of the threshold as error data, remove these values, and then average them. The specific algorithm is shown in Figure 7.

한편, 칼만 필터는 하나의 시스템이 시간에 따른 변화를 적절하게 예측할 수 있도록 잡음(Noise)으로부터 신호(Signal)를 찾아내기 위해 사용될 수 있고, 과거, 현재뿐만 아니라 미래의 상태까지도 최적으로 추정할 수 있다.Meanwhile, the Kalman filter can be used to find a signal from noise so that a system can appropriately predict changes over time, and can optimally estimate not only the past, present, but also future states. there is.

칼만 필터는 인공위성항법, 미사일 궤도추정, 레이더 등에 많이 이용될 수 있으며, 최근에서는 마이크로프로세서의 발달로 매우 복잡한 실시간 처리 시스템에 적용될 수 있다. 칼만 필터 알고리즘에 사용되는 방정식은 예측을 위한 시간 갱신 방정식(Time Update Equation)과 측정 갱신 방정식(Measurement Update Equation)으로 구현될 수 있고, 칼만 필터 알고리즘은 예측방정식과 관측방정식으로 구현될 수 있다. 구체적인 식은 도 8에 도시되어 있다.The Kalman filter can be widely used in satellite navigation, missile trajectory estimation, radar, etc., and recently, with the development of microprocessors, it can be applied to very complex real-time processing systems. The equation used in the Kalman filter algorithm can be implemented as a time update equation and a measurement update equation for prediction, and the Kalman filter algorithm can be implemented as a prediction equation and an observation equation. The specific equation is shown in Figure 8.

도 8을 참조하면, Time Update는 현재 상태를 예측하는 단계로 현재 상태 추정결과를 전달할 수 있다. Measurement Update는 해당 시간에 실제 측정에 의한 전달된 추정 상태 값들을 갱신할 수 있다. Time Update에서 x는 상태변수이고, A는 상태변수를 연결하는 변환계수이며, B와 u는 시스템에서 무관한 추가 입력 값이다. Q는 k단계에서 상태변수 x의 실제 값과의 차이 값이다. Measurement Update에서 z는 관측 값이고, 이는 x와 변환 계수 H에 의해 표현되며, R은 z와 관측 실제 값과의 오차이다.Referring to FIG. 8, Time Update is a step of predicting the current state and can deliver the current state estimation result. Measurement Update can update the estimated state values delivered by actual measurement at the corresponding time. In Time Update, x is a state variable, A is a conversion coefficient connecting the state variables, and B and u are additional input values that are unrelated to the system. Q is the difference between the actual value of the state variable x at step k. In Measurement Update, z is the observed value, which is expressed by x and the conversion coefficient H, and R is the error between z and the observed actual value.

본 발명에 따른 방법은 시간에서 의 최적 값과 새로운 입력 값을 이용하여 새로운 최적 값을 계산하는 관측갱신 알고리즘(Measurement Update Algorithm)을 적용하였다. 또한 각 시간에 대한 최적 값과 표준편차가 연관이 되며, 이러한 데이터를 이용하여 과거, 현재와 미래의 최적 값을 추정할 수 있도록 하였다. 시간 에서의 예측 값을 , 표준편차를 라 하면 최적 값을 구하기 위한 알고리즘은 하기 수학식 2와 같을 수 있다.The method according to the present invention in time The Measurement Update Algorithm was applied to calculate a new optimal value using the optimal value of and the new input value. In addition, the optimal value and standard deviation for each time are related, and these data can be used to estimate the optimal value in the past, present, and future. hour The predicted value in , standard deviation The algorithm for finding the optimal value may be as shown in Equation 2 below.

(수학식 2)(Equation 2)

최초 가 1일 때에는 입력 데이터가 최적 값이 되며, 2 일 때는 1의 값과 새로운 입력 값의 평균으로 최적 값을 구하며, 이 최적 값과 이전의 최적 값을 이용하여 표준편차를 구할 수 있다. 가 1, 2일 때에는 최적화를 위한 준비단계라고 할 수 있으며, 가 되면서부터 예측과 관측을 하면서 입력 데이터에 대해 최적 값을 얻을 수 있다.the first When is 1, the input data becomes the optimal value, and when is 2, the optimal value is obtained by averaging the value of 1 and the new input value, and the standard deviation can be obtained using this optimal value and the previous optimal value. When is 1 or 2, it can be said to be a preparation stage for optimization. From then on, you can obtain the optimal value for the input data by making predictions and observations.

도 9는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 생성되는 실시간 3차원 뷰(View)를 도시한 것이다.Figure 9 shows a real-time three-dimensional view generated in the method for estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.

본 발명에 따른 방법은 실시간 골격 인식 및 측정 결과 분석 화면에서 사용자의 주요 관절의 3차원 좌표를 이용한 3차원 뷰(예를 들어, Skeleton View)를 제공할 수 있다. 3D View는 Perspective, Side, Front View를 제공할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 방법은 3차원 뷰에 포함된 프레임에서 관절의 신뢰도 값이 0.6이상인 관절을 에러 관절로 판단하고, 에러 관절을 제거하는 과정을 수행할 수 있다. 신뢰도 값은 0 내지 1의 값을 가질 수 있다.The method according to the present invention can provide a three-dimensional view (for example, Skeleton View) using the three-dimensional coordinates of the user's major joints on a real-time skeleton recognition and measurement result analysis screen. 3D View can provide Perspective, Side, and Front View. Meanwhile, the method according to the present invention can determine a joint with a joint reliability value of 0.6 or more in a frame included in a 3D view as an error joint, and perform a process of removing the error joint. The reliability value may have a value of 0 to 1.

도 10은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터의 라벨링 과정을 도시한 것이다.Figure 10 shows the labeling process of ground truth data of joint positions in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.

본 발명에 따른 방법은 대상자의 전신을 인식하고 학습하는 과정과 전신 파트에 포함된 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터 라벨링(예를 들어, 총 19개의 관절 위치들 (머리, 목, 어깨(좌/우), 팔꿈치(좌/우), 팔목(좌우), 힙(좌/우), 무릎(좌/우), 발목(좌우))에 해당하는 실측(Ground truth) 데이터들의 라벨링)을 수행할 수 있다. 이 때, 깊이 카메라에서 얻어진 깊이 데이터들과의 연계성을 이용하고, 세미 자동화 (Semi-automation) 방법을 통하여 실측 데이터 라벨링을 수행할 수 있다.The method according to the present invention involves the process of recognizing and learning the subject's whole body and labeling ground truth data of the positions of joints included in the whole body part (e.g., a total of 19 joint positions (head, neck, shoulders) Perform labeling of ground truth data corresponding to (left/right), elbow (left/right), wrist (left/right), hip (left/right), knee (left/right), and ankle (left/right)) can do. At this time, using the linkage with depth data obtained from the depth camera, actual data labeling can be performed through a semi-automation method.

도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 대상자의 포즈를 추정하고 학습하는 과정을 도시한 것이고, 도 13은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 관절의 위치별 이진 희귀 트리 구성과정을 도시한 것이며, 도 14는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 랜덤트리 워크에 기반하여 대상자의 전신 포즈를 인식하는 과정을 도시한 것이다.Figures 11 and 12 show the process of estimating and learning the subject's pose in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention, and Figure 13 shows the process of estimating and learning the subject's pose based on the estimated pose according to the present invention. In the method for estimating musculoskeletal diseases, the process of constructing a binary rare tree for each joint location is shown. Figure 14 shows the subject's entire body based on a random tree walk in the method for estimating musculoskeletal diseases based on the estimated pose according to the present invention. This shows the process of recognizing a pose.

도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 방법은 자체 획득 데이터와 랜덤 트리 워크 기반의 사람 전신 포즈 학습 과정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 공용 데이터베이스 SMMC-10을 사용하여 사람 전신 포즈 학습 알고리즘을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 자체 획득 데이터(21명, 16동작들)를 사용하여 랜덤 트리 워크(Random tree walk)와 지오 데식 정보에 기반하여 사람 전신 포즈 학습/테스트/검증을 수행할 수 있다.Referring to Figures 11 to 14, the method according to the present invention can perform a human whole body pose learning process based on self-acquired data and a random tree walk. For example, a human full body pose learning algorithm can be performed using the public database SMMC-10. In addition, the method according to the present invention can perform human full-body pose learning/testing/verification based on random tree walk and geodesic information using self-acquired data (21 people, 16 movements). .

랜덤 트리 워크는 사람 포즈 추정 위치를 중심으로 각 파트 외형 정보를 학습하여 파트 중심점을 최적으로 추정하는 방법일 수 있다. 특정한 깊이 표면 (Depth surface) 데이터에서 각 관절들의 중심점으로 찾아가는 방향 벡터들(Direction vector)을 이진 회귀 트리(Binary regression tree) 구조로 학습하여 사람 전신 포즈를 인식하는 방법으로 수행될 수 있다.Random tree walk may be a method of optimally estimating the center point of a part by learning the appearance information of each part centered on the estimated human pose position. This can be done by learning the direction vectors that go to the center point of each joint from specific depth surface data in a binary regression tree structure to recognize the human whole body pose.

본 발명에 따른 방법은 전신 포즈 학습과 동작 특징점 추출 기반의 사람 전신 인식 방법으로, 예를 들어, 대상자의 전신 포즈를 학습하기 위해 각 14개의 관절 별 학습(깊이) 데이터들을 추출할 수 있다. 이후, 19개의 관절 별로 리그레션 트리들을 생성하여 사람 깊이 세그먼트(Human depth segment)의 중심점에서 각 관절들의 위치들로 계층적으로 탐색하여 포즈를 인식할 수 있다. 관절들의 최종 위치를 평균 이동 방법(Mean-shift)과 딥러닝을 이용하여 최적화할 수 있다.The method according to the present invention is a human full body recognition method based on full body pose learning and motion feature extraction. For example, learning (depth) data for each of 14 joints can be extracted to learn the subject's full body pose. Afterwards, the pose can be recognized by creating regression trees for each of the 19 joints and hierarchically searching the positions of each joint from the center point of the human depth segment. The final positions of joints can be optimized using mean-shift and deep learning.

본 발명에 따른 방법은 사람 전신 포즈 인식에 기초하여 근골격 질환을 분류할 수 있다. 즉, 뎁스 카메라 기반의 마커 데이터를 기반으로 16가지 동작 프로토콜들을 적용하여 근골격계 질환의 레벨을 분류할 수 있다. 또한, 각 관절별 각도 변화 추이를 분석하여 질환 분류에 적합한 관절 및 관절 특징들을 추출할 수 있다. 질환 분류에 적합한 관절들과 관절 특징 데이터들을 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크(Convolutional neural network)를 이용하여 질환 분류를 수행할 수 있다.The method according to the present invention can classify musculoskeletal diseases based on human whole body pose recognition. In other words, the level of musculoskeletal disease can be classified by applying 16 movement protocols based on depth camera-based marker data. Additionally, by analyzing the angle change trend for each joint, joints and joint characteristics suitable for disease classification can be extracted. Disease classification can be performed using joints and joint characteristic data suitable for disease classification using a convolutional neural network.

도 15는 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 제어 신호 변환 로직을 도시한 구성도이다.Figure 15 is a configuration diagram showing control signal conversion logic in the method of estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention.

도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 제어 모듈은 실측 학습 데이터 생성 및 수집을 위하여, 깊이센서와 연동되는 반자동 편집툴일 수 있다. 제어 모듈은 하나의 인체 포즈에 대하여 인체 깊이맵, 어노테이션된 인체 영역맵, 그리고 어노테이션된 인체 관절정보를 생성, 수집할 수 있다.Referring to FIG. 15, the control module for executing the method according to the present invention may be a semi-automatic editing tool linked to a depth sensor for generating and collecting actual measurement learning data. The control module can generate and collect human body depth map, annotated human body region map, and annotated human body joint information for one human body pose.

그리고 깊이맵은 현재 상용기기 Microsoft Azure Kinect로부터 획득할 수 있고, 편집을 위한 참조 인체 관절정보는 상용 포즈SDK인 Nuitrack2)을 활용할 수 있다. 생성 수집된 데이터셋은 서있기, (한쪽/양)팔동작과 발동작 그리고 걷기 모션으로 구성되어 있을 수 있고, 추후 응용 목적에 따라 다양한 자세 데이터의 생성, 수집이 가능할 수 있다. 한편, 생성 및 수집되는 실측 인체 데이터는 18영역에서 19관절로 구성될 수 있다.In addition, the depth map can be obtained from the current commercial device Microsoft Azure Kinect, and the reference human joint information for editing can be used by Nuitrack2), a commercial pose SDK. The generated and collected dataset may consist of standing, (one/both) arm movements, foot movements, and walking motions, and it may be possible to generate and collect various posture data depending on future application purposes. Meanwhile, the actual human body data generated and collected may consist of 19 joints in 18 areas.

도 16은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법에서 관절 데이터를 생성하는 과정을 도시한 것이고, 도 17은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 방법을 통해 생성된 라이브러리 도시한 것으로, 인체 학습데이터 생성모듈(인체 자세추적용 학습 데이터 생성모듈)을 통해, 도 17과 같은 5가지 모션의 데이터를 생성하였다.Figure 16 shows the process of generating joint data in the method for estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention, and Figure 17 shows the method for estimating musculoskeletal disease based on the estimated pose according to the present invention. The library created through is shown, and data of five motions as shown in FIG. 17 were generated through the human body learning data generation module (learning data generation module for human body posture tracking).

도 18은 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템을 도시한 블록도이다.Figure 18 is a block diagram showing a system for estimating musculoskeletal disorders based on the estimated pose according to the present invention.

도 18을 참조하면, 본 발명에 따른 근골격계 질환을 추정 시스템(1000)은 3차원 좌표 변환부(100), 3차원 뷰 생성부(110), 포즈 인식부(120) 및 근골격계 질환 판단부(130)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 추정된 포즈에 기반하여 근골격계 질환을 추정하는 시스템(1000)에 포함된 3차원 좌표 변환부(100), 3차원 뷰 생성부(110), 포즈 인식부(120) 및 근골격계 질환 판단부(130)는 도 1을 참조하여 설명한 S101 내지 S106의 과정을 수행하는 구성일 수 있다.Referring to FIG. 18, the musculoskeletal disease estimation system 1000 according to the present invention includes a 3D coordinate conversion unit 100, a 3D view creation unit 110, a pose recognition unit 120, and a musculoskeletal disease determination unit 130. ) may include. A 3D coordinate conversion unit 100, a 3D view generator 110, a pose recognition unit 120, and a musculoskeletal disease determination unit included in the system 1000 for estimating a musculoskeletal disease based on an estimated pose according to the present invention. Unit 130 may be a component that performs the processes S101 to S106 described with reference to FIG. 1.

본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The operation of the method according to an embodiment of the present invention can be implemented as a computer-readable program or code on a computer-readable recording medium. Computer-readable recording media include all types of recording devices that store data that can be read by a computer system. Additionally, computer-readable recording media can be distributed across networked computer systems so that computer-readable programs or codes can be stored and executed in a distributed manner.

또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.Additionally, computer-readable recording media may include hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Program instructions may include not only machine language code such as that created by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc.

본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다. Although some aspects of the invention have been described in the context of an apparatus, it may also refer to a corresponding method description, where a block or device corresponds to a method step or feature of a method step. Similarly, aspects described in the context of a method may also be represented by corresponding blocks or items or features of a corresponding device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as a microprocessor, programmable computer, or electronic circuit, for example. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In embodiments, a programmable logic device (e.g., a field programmable gate array) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In embodiments, a field programmable gate array may operate in conjunction with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, the methods are preferably performed by some hardware device.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art may make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that it is possible.

1000: 근골격계 질환을 추정 시스템
100: 3차원 좌표 변환부
110: 3차원 뷰 생성부
120: 포즈 인식부
130: 근골격계 질환 판단부
1000: Musculoskeletal disease estimation system
100: 3D coordinate conversion unit
110: 3D view creation unit
120: Pose recognition unit
130: Musculoskeletal disease determination unit

Claims (8)

근골격계 질환을 추정하는 방법으로,
대상자가 포함된 영상을 수신하고, 제1 측정 모델을 적용하여 상기 영상에 포함된 대상자의 골격의 위치를 인식하는 단계;
상기 인식된 골격의 위치에 기초하여, 상기 대상자의 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리를 인식하고, 상기 관절의 2차원 위치 좌표 및 거리에 기초하여 상기 2차원 위치 좌표를 3차원 위치 좌표로 변환하는 단계;
상기 3차원 위치 좌표를 이용하여 상기 관절의 이미지가 포함된 3차원 뷰(view)를 생성하는 단계;
상기 3차원 뷰에 포함된 상기 관절의 위치들의 실측(Ground truth) 데이터의 라벨링을 수행하고, 상기 라벨링된 실측 데이터에 기초하여 대상자의 포즈를 인식하는 단계;
상기 인식된 포즈에 포함된 관절의 각도 변화를 분석하여 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징을 추출하는 단계; 및
상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절 및 상기 근골격계 질환에 영향을 미치는 관절의 특징 데이터들에 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크(Convolutional neural network)를 적용하여 근골격계 질환 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
As a method of estimating musculoskeletal diseases,
Receiving an image including a subject, and applying a first measurement model to recognize the position of the subject's skeleton included in the image;
Based on the recognized position of the skeleton, recognizing the two-dimensional position coordinates and distances of the subject's joints, and converting the two-dimensional position coordinates into three-dimensional position coordinates based on the two-dimensional position coordinates and distances of the joints step;
generating a 3D view including an image of the joint using the 3D position coordinates;
performing labeling of ground truth data of the positions of the joints included in the 3D view, and recognizing the subject's pose based on the labeled ground truth data;
Analyzing changes in angles of joints included in the recognized pose to extract joints affecting the musculoskeletal disease and characteristics of the joints affecting the musculoskeletal disease; and
Characterized by comprising the step of determining whether a musculoskeletal disease exists by applying a convolutional neural network to the joints affecting the musculoskeletal disease and the characteristic data of the joints affecting the musculoskeletal disease. How to estimate musculoskeletal diseases.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 측정 모델은 인체 자세 추정 모델(Human Pose Estimation Model) 이고, 상기 거리는 상기 2차원 위치 좌표에 투영된 심도 맵(Depth Map)에 기초하여 계산되는 거리인 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
In claim 1,
The first measurement model is a Human Pose Estimation Model, and the distance is a distance calculated based on a depth map projected onto the two-dimensional position coordinates. How to.
청구항 1에 있어서,
상기 2차원 위치 좌표를 3차원 좌표로 변환하는 단계는,
상기 영상에 포함된 대상자의 보행 측정 데이터를 이용하여, 상기 대상자의 관절의 움직임 정보가 포함된 제1 파라미터를 추출하는 단계; 및
상기 영상에 포함된 대상자의 보행 측정 데이터를 이용하여, 상기 대상자의 관절의 각도 정보가 포함된 제2 파라미터를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법
In claim 1,
The step of converting the two-dimensional position coordinates into three-dimensional coordinates is,
extracting a first parameter containing movement information of the subject's joints using the subject's gait measurement data included in the image; and
A method of estimating a musculoskeletal disease, comprising the step of extracting a second parameter containing angle information of the subject's joints using the subject's gait measurement data included in the image.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 파라미터는, 스탭 길이(Step Length), 스탭 폭(Step Width), 스탭 시간(Step Time), 스탭 속도(Step Velocity), 한걸음의 길이(Stride Length), 한걸음의 속도(Stride Velocity), 보행 속도(Velocity), 거리(Distance), 케이던스(Cadence), 뒷꿈치 착지 시점(Heel Strike Time), 뒷꿈치 착지 위치(Heel Strike Position), 앞꿈치가 지면으로부터 발을 떼는 시점(Toe Off Time), 앞꿈치가 지면으로부터 발을 떼는 위치(Toe Off Position), 발의 높이(Foot Height), 팔꿈치 움직임(Elbow Movement), 무릎 움직임(Knee Movement) 및 엉덩이 움직임(Hip Movement)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
In claim 3,
The first parameter is Step Length, Step Width, Step Time, Step Velocity, Stride Length, Stride Velocity, Walking speed, distance, cadence, heel strike time, heel strike position, toe off time, front heel Musculoskeletal diseases, characterized by including foot off position, foot height, elbow movement, knee movement, and hip movement. How to estimate.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 파라미터는, 엉덩이-무릎 각도(Hip-Knee Angle), 무릎 각도(Knee Angle), 팔꿈치 각도(Elbow Angle), 어깨-팔 각도(Shoulder Arm Angle), 전방 기울임 각도(Forward Lean Angle), 어깨 기울임 각도(Shoulder Lean Angle), 머리 기울임 각도(Head Lean Angle), 엉덩이 기울임 각도(Hip Lean Angle), 발 스윙 각도(Foot Swing Angle), 머리 스윙 각도(Hand Swing Angle) 및 엉덩이 회전 각도(Hip Rotatio Angele)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
In claim 3,
The second parameter is Hip-Knee Angle, Knee Angle, Elbow Angle, Shoulder Arm Angle, Forward Lean Angle, Shoulder Lean Angle, Head Lean Angle, Hip Lean Angle, Foot Swing Angle, Hand Swing Angle and Hip Swing Angle A method for estimating musculoskeletal disorders, characterized in that it includes Rotatio Angele.
청구항 1에 있어서,
상기 3차원 뷰에 포함된 프레임에서 상기 관절의 신뢰도 값이 0.6이상인 관절을 에러 관절로 판단하고, 상기 에러 관절을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
In claim 1,
A method for estimating a musculoskeletal disease, further comprising determining a joint whose reliability value is 0.6 or more in the frame included in the three-dimensional view as an error joint, and removing the error joint.
청구항 1에 있어서,
상기 대상자의 포즈를 인식하는 과정은,
상기 라벨링된 실측 데이터에 포함된 관절 위치의 깊이 표면(Depth surface) 데이터에서 상기 관절의 위치로 향하는 방향 벡터들(Direction vector)을 이진 회귀 트리(Binary regression tree) 구조로 학습하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
In claim 1,
The process of recognizing the subject's pose is,
Characterized by learning direction vectors toward the position of the joint from the depth surface data of the joint position included in the labeled ground truth data in a binary regression tree structure. How to estimate musculoskeletal diseases.
청구항 7에 있어서,
상기 관절의 위치는 평균 이동 방법(Mean-shift)를 이용하여 최적화되는 것을 특징으로 하는, 근골격계 질환을 추정하는 방법.
In claim 7,
A method for estimating musculoskeletal diseases, characterized in that the position of the joint is optimized using a mean-shift method.
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