一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法

摘要

本发明公开了一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，它包括了测量肩关节屈曲/伸展、内收/外展，肘关节屈曲/伸展，腕关节掌屈/背伸以及桡偏/尺偏等测量项目。测量时，采用体感人机交互方式，根据被测者的上肢动作，通过Kinect传感器对上肢各关节进行位置捕捉，实时记录、计算及反馈关节活动度信息，自动完成测量，直观实时获得测量结果，操作简单，便捷。用户可自行选择测量科目，在每个科目中，用户根据提示确定测量的初始体位，执行上肢运动。当执行动作与测量要求不符时，系统报错并及时提示和纠正用户不合理的测量动作和体姿。

主权项

1.一种基于Kinect传感器的上肢关节活动度测量方法，具体步骤如下：A、在装有Windows 7操作系统的计算机上安装Kinect For Windows SDK，Kinect For Windows SDK包含了Kinect传感器的驱动程序、Kinect传感器接口和应用程序编程接口API及相关文档；B、用户通过计算机上的界面选择测量科目，所述测量科目包括左肩关节屈曲/伸展、右肩关节屈曲/伸展、左肩关节内收/外展、右肩关节内收/外展、左肘关节屈曲/伸展、右肘关节屈曲/伸展、左腕关节掌屈/背伸、右腕关节掌屈/背伸、左腕关节桡偏/尺偏、右腕关节桡偏/尺偏；C、用户根据计算机界面的提示确定测量的初始体位，执行上肢体运动；D、Kinect传感器利用红外线发射器发出的连续光照射在用户的被测量处，通过红外线CMOS摄像机记录测量空间的每一个散斑，结合原始散斑图案，对测量空间进行编码； E、Kinect传感器中的感应器读取编码的光线，由Kinect传感器中的芯片运算进行解码，生成所需的上肢关节的彩色图像数据、骨架数据和深度图像数据；F、通过Kinect For Windows SDK获取用户上肢关节的彩色图像数据、骨架数据以及深度数据；G、Kinect传感器把获取到的上肢关节的彩色图像数据、骨架数据以及深度数据通过USB接口传递给体感接口库，应用程序通过体感接口获取这些数据，并进行判定，及时反馈出上肢关节活动度，其特征在于：具体判定过程如下：（A）、上肢运动平面的深度判定：在上肢关节活动度测量中，上肢运动平面为人体冠状面（1），其法线方向为Z轴方向，沿Z轴方向分别设置前判定平面（2）和后判定平面（3），所述前判定平面（2）和所述后判定平面（3）均为所述人体冠状面（1）的平行面，对上肢关节点的深度值进行检测，并由人机交互界面传达判定信息，提示受测者按规范要求测量，Kinect传感器分别获取肩关节点P₀、肘关节点P₁、腕关节点P₂和中指指尖节点P₃的深度值Z(P₀)、Z(P₁)、Z(P₂)及Z(P₃)，为确保实际测量时被测者上肢动作的准确程度，同时又要避免产生明显的测量误差，设定所述前判定平面（2）与所述后判定平面（3）距所述人体冠状面（1）的距离均为L，当Max(Z(P₀), Z(P₁), Z(P₂), Z(P₃))- Min(Z(P₀), Z(P₁), Z(P₂), Z(P₃))≤L时，上肢运动符合规范，可顺利进行关节活动度测量；当Max(Z(P₀), Z(P₁), Z(P₂), Z(P₃))- Min(Z(P₀), Z(P₁), Z(P₂), Z(P₃))＞L时，上肢运动偏离规定范围，系统报错并纠正动作；(B)、上肢伸直程度的线性插值判定：在上肢关节活动度测量中需要进行手臂伸直程度的判断，肩关节活动度的测量需手臂伸直，肘关节活动度的测量需要前臂伸直，设手臂的肩、肘、腕及中指尖关节点分别为点P₀、P₁、P₂和P₃，在P₀与P₃的连线上插入点F₁与F₂，F₁和F₂分别是P₁和P₂在线段P₀P₃上的投影，对P₁、P₂与线段P₀P₃的共线程度进行计算：线段F₁P₁和线段F₂P₂值大于预设值的范围，测量系统提示手臂未伸直不能进行关节活动度测量；点P₁、P₂、P₃运动到点P₁^’、P₂^’、P₃^’位置， P₁^’和P₂^’ 在P₀^’P₃^’上的投影为F₁^’、F₂^’，线段F₁^’P₁^’和线段F₂^’P₂^’值小于预设值的范围，通过线性插值修正，修改节点数据获得共线的点P₀”、P₁”、P₂”和P₃”，对手臂关节节点显示进行修正；(C)、关节活动度的非线性插值修正：对上述获得的关节点和所测活动度值在算法上进行修正，在修正算法前需要进行校正测量，其中Ps为静关节点，Pm为动关节点，首先利用Kinect传感器记录选定的动关节点的位置Pmi至Pmi+4，并确保动关节点X坐标值间距相等，利用体感接口获得的原始关节点数据计算关节点的角度值，得到一条不规则的函数曲线y=p(x)，获取y=p(x)离散点数据，构造拉格朗日插值多项式(n次多项式，n≥2)：利用该插值多项式进行非线性插值，修正API所测得的关节活动度数值。