本發(fā)明涉及一種人體康復效果評估方法，特別是涉及一種利用動作捕捉系統(tǒng)在定量評估人體運動部位的康復程度中的應用，屬于電子信息領域，且特別涉及到醫(yī)學康復領域上下肢一體化概念，屬于新一代信息技術戰(zhàn)略性新型產業(yè)。
背景技術：
腦卒中，cerebral stroke，又稱中風，是一種急性腦血管疾病，發(fā)病年齡多在40歲以上，且發(fā)病年輕化趨勢日益加重。腦卒中病人臨床表現一般為一側臉部、手臂或腿部突然感到麻木、無力，行路困難、失去平衡或協調能力。與正常人相比，腦卒中病人表現出較小的步速、較短的步長，行走過程中時左右腳步態(tài)差異明顯。腦卒中病人一般為單側偏癱，一側腳行走活動正常，在醫(yī)學上稱為健側；另一側腳行走活動不正常，稱為患側。因此，行走時步長、步速以及健患側步態(tài)相比參數等是評估腦卒中病人康復程度的重要指標。
目前針對評估病人下肢康復程度的研究主要有以下兩種方式：最傳統(tǒng)的方式是量表打分，醫(yī)生通過病人下肢完成幾個基本動作的情況打分來評估其下肢康復所處的階段，但是這種方式是定性的，主觀性強而且效率低下。第二種方式更加客觀，醫(yī)生通過觀察病人步行過程，用秒表計時來記錄步態(tài)周期，保存分析病人的步態(tài)信息，同時使用米尺以及足印法等來直接測量步態(tài)參數，如步幅、步寬等。雖然上述的測量方法需要的工具簡單，幾乎不需要任何專業(yè)知識，但是由于測量方法是人工測量，難免會帶來比較大的誤差。
針對腦卒中病人下肢康復程度準確、定量地評估的一個重要前提，是對病人行走時的支撐相與擺動相進行識別。醫(yī)學上將一個完整的步態(tài)周期劃分為支撐相和擺動相，支撐相指左腳或右腳接觸地面和承受重力的時相，占步態(tài)周期的60％左右；擺動相指左腳或右腳在空中向前擺動的時相，占步態(tài)周期的40％左右。當左腳或右腳處于支撐相時，趨于速度和角速度為零的靜止狀態(tài)，此時加速度計只受到重力加速度的影響，其它加速度為零。而處于擺動相時，速度、角速度和加速度發(fā)生劇烈變化。根據上述的顯著的特征，就可以識別出左腳或右腳是處于支撐相還是擺動相。但目前目前下肢功能康復評估定性分析主觀性較大，依賴人力效率低下，還沒有關于識別出左腳或右腳是處于支撐相還是擺動相的自動精確識別的方法，也未見到在腦卒中病人下肢康復定量評估方法中利用智能系統(tǒng)自動計算支撐相和擺動相相關參數的文獻報道。
技術實現要素：
為了解決現有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種腦卒中病人下肢康復定量評估方法，將信息技術和醫(yī)學結合在一起，針對步長、步速以及健患側步態(tài)相比參數的精準定量評估方案，通過全身動作捕捉系統(tǒng)動態(tài)地分析雙足運動的步態(tài)參數，更加準確地評估腦卒中病人下肢的康復情況，用定量的方式評估腦卒中病人下肢運動機能的改善程度。
為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術方案：
一種腦卒中病人下肢康復定量評估方法，步驟如下：
通過全身動作捕捉系統(tǒng)，實時地捕捉并利用智能計算機系統(tǒng)處理人體骨骼的位置數據和旋轉數據，進行數據采集；然后以病人的健側腳作為對比對象，以步速、步頻、左右腳步幅差s差、健側患側支撐相比值a和患側健側擺動相比值b作為定量評估的標準，得出患者在整個康復訓練過程中當前時刻的下肢的康復程度。
作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，評估步驟如下：
a.數據采集：按照設定的數據采集速率，通過全身動作捕捉系統(tǒng)，實時地捕捉并處理人體骨骼及各個關節(jié)點三維坐標和旋轉數據，進行數據采集；
b.評定下肢康復程度等級：以病人的健側腳作為對比參考對象，根據在步驟a中采集的數據，通過計算得出步速、步頻、左右腳步幅差s差、健側腳步幅s健、健側患側支撐相比值a和患側健側擺動相比值b，得到由此一系列體現下肢運動機能的步態(tài)參數構成的定量評估的標準數據集合，并構造腦卒中病人下肢康復程度等級，作為腦卒中病人下肢康復程度的定量評估參考，從而得出腦卒中病人下肢康復程度的定量評估結論。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟a中，采用全身動作捕捉系統(tǒng)，全身動作捕捉系統(tǒng)包括動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)和智能計算機系統(tǒng)，所述動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)由網絡集線器主節(jié)點裝置和17個傳感器節(jié)點構成，網絡集線器主節(jié)點裝置為可穿戴式電子器件，每個傳感器節(jié)點皆為可佩帶的無線動作捕捉傳感器單元，能分別佩帶安裝在人體的設定部位，所述動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)的各個動作捕捉傳感器單元分別包括頭部傳感器節(jié)點、背部傳感器節(jié)點、腰部傳感器節(jié)點、左肩傳感器節(jié)點、右肩傳感器節(jié)點、左大臂傳感器節(jié)點、右大臂傳感器節(jié)點、左小臂傳感器節(jié)點、右小臂傳感器節(jié)點、左手掌傳感器節(jié)點、右手掌傳感器節(jié)點、左大腿傳感器節(jié)點、右大腿傳感器節(jié)點、左小腿傳感器節(jié)點、右小腿傳感器節(jié)點、左腳傳感器節(jié)點和右腳傳感器節(jié)點，各個動作捕捉傳感器單元分別對應采集頭部、背部、腰部、左右雙肩部、左右大臂部、左右小臂部、左右雙手掌部、左右大腿部、左右小腿部和左右雙腳部一個17個人體部位的運動參數，所述動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)的各個動作捕捉傳感器單元采集的人體部位的運動數據匯集到網絡集線器主節(jié)點裝置上，然后網絡集線器主節(jié)點裝置按照設定的數據采集速率，將全身動作捕捉系統(tǒng)采集的人體對應部位的加速度、角速度以及人體骨骼的位置數據通過TCP/IP協議向智能計算機系統(tǒng)傳輸，智能計算機系統(tǒng)通過數據處理，提取出腰部傳感器節(jié)點、右腳傳感器節(jié)點和左腳傳感器節(jié)點的采集的加速度、角速度以及對應人體部位骨骼的位置數據，完成數據采集過程。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟b中構造腦卒中病人下肢康復程度等級時，計算健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異參數，其中，
健患側支撐相差異＝|a-1|×100％；
健患側擺動相差異＝|b-1|×100％；
以健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異作為主要參考數據，將下肢康復程度劃分為三級：初級、中級和高級；具體如下：
(a)健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異均在10％以內，則腦卒中病人下肢康復程度處于高級階段；
(b)健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異均在30％以內，則腦卒中病人下肢康復程度處于中級階段；
(c)而健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異中至少一項超過30％，則腦卒中病人下肢康復程度仍處于初級階段。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟b中，對支撐相與擺動相進行識別時，通過設置一個設定的閾值，根據右腳傳感器節(jié)點和左腳傳感器節(jié)點輸出的加速度和角速度數據，根據下式識別出左右腳的步態(tài)周期：
式中的ax、ay、az分別為三軸加速度計中三個方向的加速度矢量，T為設置的閾值。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟b中，對支撐相與擺動相進行識別時，將步態(tài)周期化為4個部分，在支撐相前增加一個預支撐相，在擺動相前增加一個預擺動相，當左腳或右腳處于支撐相時，第一次判定為擺動相后，左腳或右腳進入預擺動相狀態(tài)，此時記錄腰部傳感器節(jié)點、右腳傳感器節(jié)點和左腳傳感器節(jié)點輸出的數據，當連續(xù)達到設定的n次判斷為支撐相時，確定左腳或右腳的狀態(tài)即轉換為支撐相。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟a中，全身動作捕捉系統(tǒng)提供了每根骨骼的位置數據，在左腳或右腳的支撐相和擺動相交界處，記錄左腳傳感器節(jié)點和右腳傳感器節(jié)點輸出的數據，然后通過下述距離公式，得出步幅s：
式中x1、y1為當前時刻左腳或右腳在前進方向上的位置坐標，x2、y2為下一時刻左腳或右腳在前進方向上的位置坐標，在左腳或右腳的支撐相和擺動相交界處，通過設計計時器控制計時的時機，測量得出或者再輔助計算得出左腳或右腳的支撐相時間、擺動相時間、步態(tài)周期和步頻；
將左腳和右腳的步幅相減可得左右腳步幅差s差，將健側腳支撐相時間和患側腳支撐相時間相比得到健側患側支撐相比值a，將患側腳擺動相時間和健側腳擺動相時間相比得到患側健側擺動相比值b。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟a中，按照不低于120幀/秒的數據采集速率，進行數據采集。
作為上述方案的進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟a中，在進行數據采集時，還對患者進行輔助攝像或錄像，將攝像或錄像采集的圖像信息輸入到智能計算機系統(tǒng)，通過圖像分析和處理，作為腦卒中病人下肢康復程度定量評估數據的冗余校驗數據。
本發(fā)明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點：
1.本發(fā)明基于五個最能體現下肢運動機能的步態(tài)參數對下肢康復定量評估，包括人體骨骼位置數據和旋轉數據的捕捉、定量評估過程以及最終結果生成，利用現有的全身動作捕捉設備獲取到人體骨骼及各個關節(jié)點三維坐標和旋轉數據，以病人下肢的健側為參考對象，對比得出當前時刻病人患側的康復程度，是一種針對步長、步速以及健患側步態(tài)相比參數的精準定量評估方案；
2.本發(fā)明基于步速、步頻、左右步幅差、健側患側支撐相比值和患側健側擺動相比值開發(fā)的下肢功能康復定量評估方法，將信息技術和醫(yī)學結合在一起，通過全身動作捕捉系統(tǒng)分析雙足運動的步態(tài)參數，并以病人的健側腳作為對比對象，用評級的方式定量地評估腦卒中病人下肢運動機能的改善程。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例一利用全身動作捕捉系統(tǒng)的腦卒中病人下肢康復定量評估方法的原理示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下：
實施例一：
在本實施例中，參見圖1，一種腦卒中病人下肢康復定量評估方法，步驟如下：
a.數據采集：按照120幀/秒的數據采集速率，通過全身動作捕捉系統(tǒng)，實時地捕捉并利用智能計算機系統(tǒng)Ⅱ處理人體骨骼及各個關節(jié)點三維坐標和旋轉數據，進行數據采集；
b.評定下肢康復程度等級：以病人的健側腳作為對比參考對象，根據在步驟a中采集的數據，通過計算得出步速、步頻、左右腳步幅差s差、健側腳步幅s健、健側患側支撐相比值a和患側健側擺動相比值b，得到由此一系列體現下肢運動機能的步態(tài)參數構成的定量評估的標準數據集合，并構造腦卒中病人下肢康復程度等級，作為腦卒中病人下肢康復程度的定量評估參考，從而得出腦卒中病人下肢康復程度的定量評估結論。
在本實施例中，參見圖1，在所述步驟a中，采用全身動作捕捉系統(tǒng)，全身動作捕捉系統(tǒng)包括動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)Ⅰ和智能計算機系統(tǒng)Ⅱ，所述動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)Ⅰ由網絡集線器主節(jié)點裝置18和17個傳感器節(jié)點構成，網絡集線器主節(jié)點裝置18為可穿戴式HUB電子器件，HUB電子器件的作用是將17個節(jié)點的數據收集起來，然后無線發(fā)送出去，每個傳感器節(jié)點皆為可佩帶的無線動作捕捉傳感器單元，能分別佩帶安裝在人體的設定部位，所述動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)Ⅰ的各個動作捕捉傳感器單元分別包括頭部傳感器節(jié)點1、背部傳感器節(jié)點2、腰部傳感器節(jié)點3、左肩傳感器節(jié)點4、右肩傳感器節(jié)點5、左大臂傳感器節(jié)點7、右大臂傳感器節(jié)點6、左小臂傳感器節(jié)點9、右小臂傳感器節(jié)點8、左手掌傳感器節(jié)點11、右手掌傳感器節(jié)點10、左大腿傳感器節(jié)點13、右大腿傳感器節(jié)點12、左小腿傳感器節(jié)點15、右小腿傳感器節(jié)點14、左腳傳感器節(jié)點17和右腳傳感器節(jié)點16，各個動作捕捉傳感器單元分別對應采集頭部、背部、腰部、左右雙肩部、左右大臂部、左右小臂部、左右雙手掌部、左右大腿部、左右小腿部和左右雙腳部一個17個人體部位的運動參數，所述動作姿態(tài)傳感器系統(tǒng)Ⅰ的各個動作捕捉傳感器單元采集的人體部位的運動數據匯集到網絡集線器主節(jié)點裝置18上，然后網絡集線器主節(jié)點裝置18按照120幀/秒的數據采集速率，將全身動作捕捉系統(tǒng)采集的人體對應部位的加速度、角速度以及人體骨骼的位置數據通過TCP/IP協議向智能計算機系統(tǒng)Ⅱ傳輸，智能計算機系統(tǒng)Ⅱ通過數據處理，提取出腰部傳感器節(jié)點3、右腳傳感器節(jié)點16和左腳傳感器節(jié)點17的采集的加速度、角速度以及對應人體部位骨骼的位置數據，完成數據采集過程。
在本實施例中，參見圖1，在所述步驟b中構造腦卒中病人下肢康復程度等級時，設左右腳步幅差為s差，健側腳步幅為s健，健側患側支撐相比值為a，患側健側擺動相比值b，計算健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異參數，其中，
健患側支撐相差異＝|a-1|×100％；
健患側擺動相差異＝|b-1|×100％；
以健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異作為主要參考數據，將下肢康復程度劃分為三級：初級、中級和高級，具體如下：
(a)健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異均在10％以內，則腦卒中病人下肢康復程度處于高級階段；
(b)健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異均在30％以內，則腦卒中病人下肢康復程度處于中級階段；
(c)而健患側步幅差異、健患側支撐相差異和健患側擺動相差異中至少一項超過30％，則腦卒中病人下肢康復程度仍處于初級階段。
在本實施例中，參見圖1，在所述步驟b中，對支撐相與擺動相進行識別時，通過設置一個設定的閾值，根據右腳傳感器節(jié)點16和左腳傳感器節(jié)點17輸出的加速度和角速度數據，根據下式識別出左右腳的步態(tài)周期：
式中的ax、ay、az分別為三軸加速度計中三個方向的加速度矢量，T為設置的閾值。
在本實施例中，參見圖1，在所述步驟b中，對支撐相與擺動相進行識別時，在支撐相和擺動相交界處可能會出現抖動干擾，為了使判斷更加準確，將步態(tài)周期化為4個部分，在支撐相前增加一個預支撐相，在擺動相前增加一個預擺動相，當左腳或右腳處于支撐相時，第一次判定為擺動相后，左腳或右腳進入預擺動相狀態(tài)，此時記錄腰部傳感器節(jié)點3、右腳傳感器節(jié)點16和左腳傳感器節(jié)點17輸出的數據，當連續(xù)達到設定的n次判斷為支撐相時，確定左腳或右腳的狀態(tài)即轉換為支撐相。
本實施例基于五個最能體現下肢運動機能的步態(tài)參數對下肢康復定量評估的方法，包括人體骨骼位置數據和旋轉數據的捕捉、定量評估過程以及最終結果生成。全身動作捕捉系統(tǒng)由17個節(jié)點組成，通過全身動作捕捉系統(tǒng)實時地捕捉并處理人體骨骼的位置數據和旋轉數據，并以病人的健側腳作為對比對象，以步速、步頻、左右步幅差、健側患側支撐相比值和患側健側擺動相比值作為定量評估的標準，給出患者在整個康復訓練過程中下肢的康復程度。本實施例摒棄了傳統(tǒng)康復醫(yī)學所采用的觀察和量表方式評估病人下肢康復程度的方法，將信息技術和醫(yī)學結合在一起，通過全身動作捕捉系統(tǒng)分析雙足運動的步態(tài)參數，并以病人的健側腳作為對比對象，用評級的方式定量地評估腦卒中病人下肢運動機能的改善程度，對人體健康恢復和臨床醫(yī)學具有重要的意義和價值。
實施例二：
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：
在本實施例中，在所述步驟a中，根據腦卒中肢體康復醫(yī)學規(guī)范以及醫(yī)院的實地測試，選取以步速、步頻、左右步幅差、健側患側支撐相比值和患側健側擺動相比值作為定量評估的標準，由于腦卒中病人步速慢、步頻低、左右腳不協調等臨床病癥，因此步速、步頻、左右步幅差、健側患側支撐相比值和患側健側擺動相比值這五個步態(tài)參數最能體現下肢運動機能。全身動作捕捉系統(tǒng)提供了每根骨骼的位置數據，在左腳或右腳的支撐相和擺動相交界處，記錄左腳傳感器節(jié)點17和右腳傳感器節(jié)點16輸出的數據，然后通過下述距離公式，得出步幅s：
式中x1、y1為當前時刻左腳或右腳在前進方向上的位置坐標，x2、y2為下一時刻左腳或右腳在前進方向上的位置坐標，在左腳或右腳的支撐相和擺動相交界處，通過設計計時器控制計時的時機，測量得出或者再輔助計算得出左腳或右腳的支撐相時間、擺動相時間、步態(tài)周期和步頻；
在左腳或右腳的支撐相和擺動相交界處，通過設計計時器控制計時的時機也可準確地測出左腳或右腳的支撐相、擺動相時間和步態(tài)周期。
本系統(tǒng)為了減小人走動時腳部抖動帶來的誤差，選取了抖動較小的腰部，以綁在腰部處的腰部傳感器節(jié)點3輸出的速度信息作為步速的值。步頻則根據其物理意義，通過求步態(tài)周期的倒數即可得出。
分析得到的步幅，支撐相時間和擺動相時間，去除異常數據求平均值。將左腳和右腳的步幅相減可得左右腳步幅差s差，將健側腳支撐相時間和患側腳支撐相時間相比得到健側患側支撐相比值a，將患側腳擺動相時間和健側腳擺動相時間相比得到患側健側擺動相比值b。本實施例摒棄了傳統(tǒng)康復醫(yī)學所采用的觀察和量表方式評估病人下肢康復程度的方法，將信息技術和醫(yī)學結合在一起，通過全身動作捕捉系統(tǒng)分析雙足運動的步態(tài)參數，并以病人的健側腳作為對比對象，用評級的方式定量地評估腦卒中病人下肢運動機能的改善程度，對人體健康恢復和臨床醫(yī)學具有重要的意義和價值。
實施例三：
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：
在本實施例中，在所述步驟a中，在進行數據采集時，還對患者進行輔助攝像或錄像，將攝像或錄像采集的圖像信息輸入到智能計算機系統(tǒng)Ⅱ，通過圖像分析和處理，作為腦卒中病人下肢康復程度定量評估數據的冗余校驗數據。
在本實施例中，腦卒中病人下肢康復定量評估方法，步驟如下：
①首先病人在佩戴支具的情況下穿戴動作捕捉系統(tǒng)之后面向攝像頭截取病人圖片；
②病人面朝攝像頭直線行走10米的距離，與此同時開啟系統(tǒng)的測試功能和錄像功能，對病人的一次行走過程進行數據的采集與計算，這樣當結束測試時就可以同時獲得病人這一次康復過程的定量與定性數據。這一過程重復兩次；
③之后，病人在不戴支具的情況下重復流程②的測試過程。
本實施例能更加有效地實現定量與定性的結合，提高本實施例腦卒中病人下肢康復定量評估方法的準確性。
上面結合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據本發(fā)明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明腦卒中病人下肢康復定量評估方法的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。