本發(fā)明涉及用于對肢體相關(guān)點在預(yù)定的3D空間中的運動進行評估的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

Gregorij Kurillo、Jay J.Han、Richard T.Abresch、Alina Nicorici、Posu Yan和Ruzena Bajcsy已在PLOSONE(第7卷，第9期，e45341，www.plosone.org)(2012年9月17日)上發(fā)表了論文“基于立體相機的上肢工作空間評估在具有神經(jīng)肌肉疾病的患者中的發(fā)展和應(yīng)用(Development and Application of Stereo Camera-Based Upper Extremity Workspace Evaluation in Patients with Neuromuscular Diseases)”，該論文公開了一種基于立體相機的可達工作空間分析系統(tǒng)，該基于立體相機的可達工作空間分析系統(tǒng)能夠?qū)ι现斯δ苄該p傷程度不同的個體進行區(qū)分。沿著工作空間包絡(luò)面執(zhí)行規(guī)定的運動。由治療專家引導(dǎo)使用者做運動。其結(jié)果用來獲得作為基于模型的假設(shè)的球體區(qū)段。所公開的結(jié)合有定制的3D工作空間分析算法的基于立體相機的可達工作空間獲取系統(tǒng)與亞毫米動作捕捉系統(tǒng)進行比較?；诹Ⅲw相機的系統(tǒng)是穩(wěn)健的，數(shù)據(jù)點的丟失程度最低，并且平均的手部軌跡誤差為約40mm，其結(jié)果是總的臂距離有約5％的誤差。對一些人的由立體相機所拍攝的3D手部軌跡產(chǎn)生的工作空間包絡(luò)面面積進行了比較。所獲得的可達工作空間表面面積相對于單位半球體的表面面積的標準化允許在受試者之間進行比較。健康組的右臂和左臂的相對表面面積分別為約0.618和0.552，而具有神經(jīng)肌肉疾病的個體的右臂和左臂的表面面積的范圍分別為0.03(受影響最嚴重的個體)至0.62(受影響很輕微的個體)和0.09(受影響最嚴重的個體)至0.50(受影響很輕微的個體)。經(jīng)證明，嚴重肌無力的神經(jīng)肌肉患者的運動主要限于其可達工作空間的身體同側(cè)下方。

研究結(jié)果表明，所提出的基于立體相機的可達工作空間分析系統(tǒng)能夠?qū)ι现斯δ苄該p傷程度不同的個體進行區(qū)分。用以直觀地顯示并有效地分析可達工作空間的方法對傳統(tǒng)的上肢功能評估進行了補充并且允許對上肢功能進行量化和監(jiān)控。

Claudia Rudhe、Urs Albisser、Michelle L Starkey、Armin Curt和Marc Bolliger已在神經(jīng)工程學(xué)和復(fù)原雜志(Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation)2012,9；37(http://www.jneuroengrehab.com/)(2012年9月6日)中發(fā)表了論文“運動工作空間評定在脊髓損傷康復(fù)中使用的被動手臂矯正法中的可靠性(Reliability of movement workspace measurements in a passive arm orthosis used in spinal cord injury rehabilitation)”。使用者的臂移動至可達工作空間中的特定點以校準接近工作空間幾何結(jié)構(gòu)(箱、橢球體等)的模型。由于在具有神經(jīng)障礙的受試者的上肢功能的康復(fù)中越來越多地使用自動鍛煉裝置和非自動鍛煉裝置，該論文提供了如利用ArmeoSpring系統(tǒng)(由瑞士的Hocoma AG提供)所評估的運動評定的可靠性的評估以應(yīng)用于遭受頸椎脊髓損傷(SCI)的患者的康復(fù)。

在二十個控制受試者中，對運動工作空間(呈現(xiàn)多個運動范圍)的可靠性(評估者內(nèi)可靠性和評估者間可靠性)以及不同的就座狀態(tài)(5種不同的椅子條件)的影響進行了評估。在具有頸椎SCI的8位患者中，對測試-復(fù)測可靠性(由同一評估者在同一天進行兩次測試)以及運動工作空間與如由脊髓獨立性評定(SCIM3)進行評分的恢復(fù)自我護理項目的相關(guān)性進行了評估。盡管在測試裝置中所使用的運動工作空間具有立方體形狀而不是解剖學(xué)上的球形形狀，但發(fā)現(xiàn)研究結(jié)果與臨床結(jié)果相關(guān)。通過由Armeo裝置提供的數(shù)據(jù)計算出工作空間體積，并且隨后在康復(fù)過程期間隨時間對變化進行記錄。

運動工作空間是多關(guān)節(jié)評定并且沒有像在單關(guān)節(jié)運動范圍評定中所評估的那樣在單個方向上對最大肩部運動能力進行評估。然而，來自該更多功能性運動的可靠性信息與例如肩部的單關(guān)節(jié)測角術(shù)評定相比似乎是非常好的。因此，在肩部中進行的測角術(shù)評定的可靠性研究具有較大的評估者內(nèi)可靠性和評估者間可靠性。

Klopcar N、Tomsic M和Lenarcic J已在生物機械雜志(J Biomech)2005,40:86-91中發(fā)表了論文“用以對臂可達工作空間進行評估的肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的運動學(xué)模型(A kinematic model of the shoulder complex to evaluate the arm-reachable workspace)”。所述論文公開了——特別地在論文的圖10和圖11以及相關(guān)描述中公開了——使用者的臂運動的計算出的可達工作空間。

在本申請人的EP 2 660 742中可以發(fā)現(xiàn)普通的鍛煉裝置以及利用該鍛煉裝置執(zhí)行的對應(yīng)方法，該鍛煉裝置特別地用作用以對人背部進行物理治療的支承裝置。US 2013/171601和WO2011/004403中公開了其他的類似裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)提供了一種對人的肢體特別是臂的移動性尤其是工作空間進行評估的方法?；诂F(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于改進該方法，特別是提高精確性，從而對移動性進行更好的評估。另一目的是通過提供直觀的工作流程以及由肢體已掃掠過的區(qū)域的可視化來改進數(shù)據(jù)采集。

用于對通過使用者使肢體在3D空間中移位而實現(xiàn)的肢體相關(guān)點在預(yù)定的3D空間中的運動進行評估的方法包括若干步驟。移位可以繞關(guān)節(jié)發(fā)生或者在3D空間中不受約束地發(fā)生。使用者的選定的肢體設(shè)置有肢體位置點，該肢體位置點連接至肢體的與肢體相關(guān)點相關(guān)聯(lián)的預(yù)定部分。使用者位于下述測量環(huán)境中，所述測量環(huán)境包括：計算機，該計算機具有處理器、存儲器和計算機程序以執(zhí)行該方法的若干步驟；傳感器裝置，該傳感器裝置適于對肢體位置點在預(yù)定的3D空間內(nèi)的運動進行檢測并且連接至計算機；以及一個或更多個顯示表面，所述一個或更多個顯示表面連接至計算機。使用者被定位在圍繞3D空間的一個或更多個顯示表面的前方，也可以被定位在顯示表面之間。使用者位置可以被明確地限定，或者可以僅考慮末端效應(yīng)器。使用者的選定的肢體例如整個臂設(shè)置有肢體位置點，該肢體位置點連接至肢體的與肢體相關(guān)點相關(guān)聯(lián)的預(yù)定部分。當(dāng)所選定的肢體是整個臂時，肢體相關(guān)點可以是待在3D空間中移動的手部，并且肢體位置點可以是允許確定該點相對于手部——可以為肢體位置點——的位置的元件。計算機與適于對肢體位置點本身在3D空間中的位置或者肢體位置點相對于關(guān)節(jié)的位置進行檢測的傳感器相連接，在使用者被提示移動肢體的同時，基于從傳感器裝置獲得的數(shù)據(jù)以及肢體位置點與肢體相關(guān)點的位置關(guān)系，計算機程序適于計算并存儲肢體相關(guān)點在3D空間中的位置以及3D空間的2+1D表示，并且適于基于該2+1D表示在顯示表面中的一個顯示表面上提供肢體相關(guān)點的位置的表示。所述方法的這個步驟可以利用不同的2+1D表示和不同的(2D)顯示表面來重復(fù)進行以對在3D空間中的移動性進行更精確的評估。在另一步驟中，計算機可以適于基于先前步驟中存儲的數(shù)據(jù)計算3D工作空間的一致表示。在另一步驟中，計算機可以適于計算由于移除外殼使得該工作空間中的點對使用者而言能夠更容易地達到而為測得的工作空間的子集的3D工作空間的表示，或者，計算機可以適于計算由于增加外殼區(qū)域使得該工作空間中的點對使用者而言更加難以到達而比測得的3D空間大的3D工作空間的表示。

計算機還可以對由在關(guān)節(jié)——該關(guān)節(jié)在本段的說明中為肩部——與末端效應(yīng)器位置之間的直線限定的方向進行存儲。這在3D空間中是距所述關(guān)節(jié)的距離以及因此是距局部z坐標的距離的函數(shù)，或者換言之是在該線上的距離的函數(shù)。

實際上，計算步驟——其利用適于計算的計算機程序——確定肢體相關(guān)點的位置的第一函數(shù)的值以及肢體相關(guān)點在3D空間中的位置在顯示表面中的一個顯示表面上的作為肢體相關(guān)點的位置的第一函數(shù)的所述值的第二函數(shù)的表示。該描述轉(zhuǎn)向兩個實施方式，其中，在一個實施方式中，第一函數(shù)涉及笛卡爾2D坐標，并且第二函數(shù)是距由該第一函數(shù)平面確定的平面的距離。應(yīng)當(dāng)指出的是，該平面不一定是平的。在此處描述的另一實施方式中，第一函數(shù)涉及從作為使用者的關(guān)節(jié)的中心點開始的方向，并且第二函數(shù)是肢體點距起始點的距離。當(dāng)然，可以選擇其他函數(shù)來得到相同的結(jié)果，唯一的前提條件是第一函數(shù)限定肢體點的特定位置/取向，并且第二函數(shù)允許由使用者對所述肢體點的運動進行評估。

對3D工作空間進行評估的直觀可視化通過提供真實任務(wù)用以提示使用者來實現(xiàn)，例如，用畫筆在室內(nèi)的壁上涂色。因此，使用者或患者直觀地知道要做什么。顯示表面上的表示包括斑點，這些斑點基于肢體相關(guān)點的在該方法的這個步驟或先前步驟期間得到的位置的2+1D表示的2D分量而置于2D位置處，而所述斑點的一個或更多個視覺特性例如顏色、色調(diào)、亮度和不透明度是基于肢體相關(guān)點的位置的2+1D表示的1D分量的。在簡單的實施方式中，3D空間可以是使用者前方的立方體，即，當(dāng)假設(shè)在笛卡爾坐標系的情況下，后壁與x-y平面平行，2+1D表示可以由立方體內(nèi)的肢體相關(guān)點朝向立方體的后側(cè)的平行投影產(chǎn)生，x坐標和y坐標構(gòu)成2+1D表示的2D部分，而z坐標構(gòu)成2+1D表示的1D部分。換言之，當(dāng)使用者將肢體定位成使得肢體相關(guān)點位于某一(x，y，z)位置處時，在顯示表面上的與(x，y)對應(yīng)的位置處顯示有斑點，并且斑點的顏色色調(diào)與(z)對應(yīng)。由于移動性的評估需要使用者盡可能地朝向后壁伸展，因此在肢體相關(guān)點在評估期間的稍后時間處處于相同的(x，y)位置，并且(z)分量更靠近于后壁的情況下，斑點被重新涂色。由于肢體相關(guān)點在一次評估期間可能不會處于所有的位置，因此顯示表面上的某些位置可能沒有用斑點進行涂色。斑點具有與該方法所期望的精度對應(yīng)的有限的尺寸，例如在5mm與50mm之間，對于手部工作空間的評估而言通常為20mm。

根據(jù)本發(fā)明的方法的另一優(yōu)點歸功于下述事實：由臂已掃掠過的3D區(qū)域的表示能夠在2D顯示表面上、特別是在提供示出3D空間的顯示表面的多個2D計算機屏幕上容易地理解。該表示包括壁上的已涂色斑點。色調(diào)的不透明度表示深度，即，臂功能的所及范圍。這避免了復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)的可視化。

本發(fā)明并不限于立方體的3D空間以及在立方體的側(cè)面上的平行投影。例如，3D空間可以是三維空間的任何簡單地連接的區(qū)域，投影可以利用三維空間中的具有正交矢量或傾斜矢量——沿著該正交矢量或傾斜矢量對第三坐標進行測量——的任意平面。3D空間至3個坐標的非線性映射和彎曲映射也是可行的，特別地包括極坐標或球坐標。

根據(jù)本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于任何肢體以及應(yīng)用于多種位置測量。

如果執(zhí)行多個測量步驟，則每個測量步驟均提供3D空間中的通常呈彎曲的有限的2D表面形式的工作空間邊界的一部分。在附加的步驟中，這些表面部分可以合并在一起。在替代方法中，肢體相關(guān)點的在測量步驟期間采取的所有位置被匯集，并且計算機適于利用標準的數(shù)學(xué)方法來計算該云的邊界。

該方法的優(yōu)點特別地在于該方法為純數(shù)據(jù)推導(dǎo)的方法，而無需利用工作空間的像箱或球體一樣的形狀基元。使用者的肢體的每個(x，y)位置或每個方向均與2D屏幕中的一個2D屏幕的特定表面部分相關(guān)聯(lián)，并且因此以較高的精度表示出真實的人的工作空間。

使用不同的閾值以表示使用者在特定方向上的運動的可能性類似于從圍繞肩部最小距離處的被約束的氣泡或球體開始。接著，當(dāng)使用者將其臂沿任何特定方向推動并且超過代表白色(或黑色)背景的初始閾值時，屏幕的顏色在該斑點處發(fā)生改變，變得較暗(較亮)，或者根據(jù)肩部與手部之間的距離而呈不同的顏色。在斑點在顯示屏幕上的位置僅與末端效應(yīng)器的x，y位置有關(guān)并且z位置——即，距顯示屏幕或者與該屏幕平行的另一相關(guān)水平高度或部段的距離——將使斑點能夠變得較暗(較亮)或者根據(jù)手部與參考水平高度之間的距離而呈不同顏色的情況下，可以實現(xiàn)相同的功能。

評估耗費的時間通過選擇不同的“畫筆直徑”或噴嘴噴灑面積——該“畫筆直徑”或噴嘴噴灑面積可以由表面部分的邊界可見地或不可見地表示——來調(diào)整。這相當(dāng)于用以優(yōu)化臨床應(yīng)用的商業(yè)可用性和速度與精確性的對抗。所述較大的畫筆面積還可以在單次評估中應(yīng)用于不同的方向，以為前部區(qū)域提供更精確的評估而為頂部區(qū)域或底部區(qū)域提供較不精確的評估。

在任何鍛煉中都可以通過單個參數(shù)值引入挑戰(zhàn)等級。最常見地，鍛煉規(guī)定了使用者必須移動至工作空間——在這種情況下由該方法提供的工作空間——內(nèi)的目標。可以將任何閾值都乘以110％、120％等，因此使必須達到的初始氣泡膨脹，以在開始時獲得為在屏幕上的斑點的反應(yīng)并且還在使用者達到最高閾值水平——該最高閾值水平相當(dāng)于在肩部與手部之間實現(xiàn)的最大距離——時限定最佳的(＝最暗的或最亮的)顏色改變。工作空間可以通過將3D空間的呈圍繞所測得的工作空間的外殼形式的部分包括在內(nèi)來擴大。類似地，工作空間可以通過將所測得的工作空間的外殼排除在外來縮小。擴大工作空間導(dǎo)致較高的挑戰(zhàn)等級，原因在于在鍛煉期間必須達到在測量期間到達的工作空間外部的目標。與此相反，對于縮小的工作空間，由于必須達到不太遠的目標，因而挑戰(zhàn)等級較低。

除利用閾值以外，使工作空間擴大和縮小可以利用有符號的距離函數(shù)來實現(xiàn)。這避免了對參考點——從該參考點執(zhí)行縮放——的需求。在此，3D空間中的通過鍛煉表面得到的分散的表面點被用來生成有符號的距離函數(shù)。因此，由使用者到達的所有點都可以被描述為SDF(x)＝0。當(dāng)使用相同的用于鍛煉的可視化裝置時，可以通過為特定的顏色或色調(diào)選擇閾值來得到鍛煉效果，如SDF(x)的＝0.01米，即，受試者必須移動超過先前的工作空間另外的1厘米以得到與第一次行進中相同的著色強度。在能夠在http://www.cs.jhu.edu/～misha/Fall05/Papers/carr01.pdf下檢索到的J.C.Carr等的論文“利用徑向基函數(shù)對3D對象進行的重建和表示(Reconstruction and Representation of 3D Objects with Radial Basis Functions)”中描述了進一步的細節(jié)。

除設(shè)置空白表面并且允許使用者到達每個方向以外，還可以為使用者關(guān)聯(lián)已限定的工作空間，使用者被期望到達該已限定的工作空間。在這種情況下，在該區(qū)域外部的所有區(qū)域都不是評估的部分。這種區(qū)域可以通過身體局限來限定，例如，如果使用者在工作空間中的特定位置處，則使用者只能特別地根據(jù)臂長將其手部和末端效應(yīng)器向其左側(cè)和右側(cè)(x位置，y位置)移動至特定的所及范圍。因此，限定“邊界外部”的區(qū)域避免了使用者由于不可達區(qū)域而受挫。

用以基于如上所述的數(shù)據(jù)收集來實現(xiàn)鍛煉項目的方法可以是根據(jù)本發(fā)明的鍛煉方法的一部分，其中，控制單元利用工作空間限定在3D工作空間內(nèi)的有效的測試點并且將因裝置局限或使用者的運動局限而無法到達的點排除在外。

本發(fā)明的其他實施方式在從屬權(quán)利要求中給出。

附圖說明

在下文中參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，附圖是出于示出本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的目的而非出于限制本發(fā)明的目的。在附圖中：

圖1示出了畫筆、由3D空間的表面構(gòu)成的顯示器的一些壁以及前顯示器上的已涂色斑點，

圖2示出了在左顯示器上具有另外的斑點的圖1的壁，

圖3示出了在右顯示器上具有另外的斑點的圖2的壁，

圖4示出了在上顯示器上具有另外的斑點的圖3的壁以及對可達工作空間思想的說明，

圖5示出了在下顯示器上具有另外的斑點的圖3的壁，

圖6示出了在壁中的一個壁的前方的使用者的示意性圖示，

圖7示出了系統(tǒng)的用以執(zhí)行評估的部分的圖示，以及

圖8示出了從圖1的一些壁上方觀察到的視圖的示意性圖示，其中，以橫截面視圖對可達工作空間的要素進行了圖形化圖示。

具體實施方式

圖1示出了畫筆45、作為顯示器或屏幕100的五個壁——即，提供由3D空間110的表面100構(gòu)成的顯示器的顯示表面101、102、103、104和105的硬件——以及前顯示器105上的已涂色斑點51和52。圖2接著示出了在左顯示器101上具有另外的斑點61的圖1的壁和顯示表面，圖3示出了在右顯示器102上具有另外的斑點62的圖2的壁和顯示表面，圖4示出了在上顯示器103上具有另外的斑點63的圖3的壁和顯示表面，并且圖5示出了在下顯示器104上具有另外的斑點64的圖4的壁和顯示表面。圖1至圖5的描述也將考慮到圖6，圖6示出了在顯示表面和壁中的一個壁——此處為前顯示器105——前方的使用者10的示意性圖示。

此處示出的實施方式涉及一種用于對臂15的具有肢體相關(guān)點32的手部12在預(yù)定的3D空間110中的運動進行評估的方法，這通過使用者在3D空間110中使作為肢體的所述臂15繞作為關(guān)節(jié)31的肩部11(其也可以僅為參考框架)移位從而允許所述運動而實現(xiàn)。當(dāng)然肢體15也可以是腿并且設(shè)想腳的運動。肢體15也可以是頭部，其中，頸部是所討論的關(guān)節(jié)。也可以考慮下臂作為肢體的部分，其中，關(guān)節(jié)是肘部，并且監(jiān)控手部相對于肘部的運動。換言之，肢體15還可以涉及具有固定至身體部分的參考框架的任何可動點。

使用者10定位在3D空間110內(nèi)。在本實施方式中，3D空間110由顯示器包圍，該顯示器包括圍繞使用者10周圍的3D空間110的一個或更多個顯示表面101至105，特別地圍繞作為關(guān)節(jié)31的肩部11定位。此處示出了五個顯示表面，但也可以通過在使用者后方設(shè)置第六屏幕來使箱封閉以檢查使用者的在身體后面移動臂的能力，當(dāng)然是在無需轉(zhuǎn)動身體的情況下。應(yīng)當(dāng)指出的是，肩部不必位于工作空間內(nèi)?？梢岳帽嘲鍋韺κ褂谜吖ぷ骺臻g的在3D空間中可以具有任何位置的后側(cè)進行評估。

顯示表面可以為計算機屏幕，或者顯示表面可以是具有相關(guān)聯(lián)的投影儀的銀幕。還可以設(shè)置作為在待放置在使用者的眼睛前方從而提供顯示表面的眼鏡上的虛擬表示的顯示表面。還可以將顯示表面設(shè)置為例如在使用者前方的計算機屏幕上的區(qū)域。

信號處理由包括處理器、存儲器以及一個或更多個計算機程序的計算機提供。該計算機適于將信號發(fā)送至屏幕、投影儀或者發(fā)送至眼鏡的顯示屏幕以用于可視化，將結(jié)合圖1至圖5對此進行說明。

參照圖6，使用者配備有作為肢體位置點的手部發(fā)送器22，該手部發(fā)送器22連接至使用者10的作為肢體15的手部12的與肢體相關(guān)點32相關(guān)聯(lián)的預(yù)定部分。手部發(fā)送器22也可以是矯形器并且是向前運動的。

該系統(tǒng)配備有適于對作為肢體位置點的手部發(fā)送器22在3D空間110中的位置進行檢測的傳感器，該位置可以與作為關(guān)節(jié)31的肩部11有關(guān)，但不一定處于這種關(guān)系中。由于手部發(fā)送器22與手部12之間的位置關(guān)系是已知的，因此計算機程序適于計算肢體位置點32的位置(以及在需要的情況下計算關(guān)節(jié)31的位置)。在該上下文中，手部12在3D空間中通過肢體位置點32的計算值來表示。

肩部11在空間中的位置可以通過不同的方法得到。當(dāng)使用Hocoma AG的Armeo裝置(如在引言中提及的Claudia Rudhe的論文中所描述的)時，則可以通過肩部的與裝置有關(guān)的固定來計算肩部的位置。在替代性實施方式中，可以設(shè)置肩部發(fā)送器21以使得使用者10能夠在3D空間110中自由地站立。上身以及包括肩部11在內(nèi)也可以僅用作該方法的x、y布置中的參考點。

手部發(fā)送器22可以是定位在使用者10的下臂15上的一個或更多個燈，并且利用公知的動作捕捉技術(shù)來確定發(fā)送器22在空間中的位置。在本實施方式的框架內(nèi)，知道下臂位置就足夠了，原因在于下臂距手部的距離本身就是特定的。由此，對作為肢體的整個臂15的運動可能性進行了研究，肢體位置點32是“手部”本身。使用者10的手部12可以握持如Hocoma AG的Armeo裝置中所提供的把手，該把手被表示成畫筆45。肢體位置點22可以被確定為位于使用者10的手掌中間中。

還可以使用重量支承裝置(如由Hocoma AG提供的Armeo裝置)和相關(guān)傳感器，例如裝置的關(guān)節(jié)角度傳感器或裝置的特定傳感器，從而提供裝置的與肢體相關(guān)點32有關(guān)的所述把手的位置信息?；诖?，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言清楚的是，存在許多數(shù)據(jù)采集可能性來得到所需的3D數(shù)據(jù)，即，反映臂15的手部12在3D空間110中的實際位置的肢體位置點32的位置以及在對應(yīng)實施方式中來自肩部發(fā)送器21的肩部11的位置。

接著，計算機程序適于計算由關(guān)節(jié)31與肢體相關(guān)點32之間的直線30限定的方向，并且適于提供肢體相關(guān)點32在3D空間110中的位置在顯示表面100至105中的位于所述線30上的一個顯示表面上的作為所述關(guān)節(jié)31與肢體相關(guān)點32之間的距離35的函數(shù)的表示，或者計算機程序適于僅計算手部的位置并且提供肢體相關(guān)點32在3D空間110中的位置在顯示表面100至105中的一個顯示表面上的作為z距離的函數(shù)的表示。

起初，所述計算的結(jié)果為距離值35。該距離值35可以被表示在相關(guān)的屏幕表面105上，或者該距離值35可以保持為數(shù)值，而沒有視覺表示。在不同的實施方式中，計算的結(jié)果可以是末端效應(yīng)器的z位置。

計算機可以在相關(guān)的屏幕表面105上提供相關(guān)聯(lián)的可見表面部分40，或者該表面部分40可以保持不可見或者僅圖示了周邊線41。在表面部分40的中央處提供優(yōu)選的可見點46。所述點是光標，該光標可以為如圖1至圖5所示的涂色畫筆45或者例如為噴嘴或者為用于使用者10為自己示出他的臂15所指向的方向或者末端效應(yīng)器的x、y位置的任何其他的視覺表示。換言之，計算機程序適于借助光標45或46使肢體位置點32的從關(guān)節(jié)31觀察的方向顯現(xiàn)在相關(guān)表面105上，或者顯現(xiàn)相關(guān)表面105前方的末端效應(yīng)器的x位置、y位置。

如圖1至圖5中所示，示出光標的(屏幕)表面可以基于末端效應(yīng)器的x、y、z位置或者線30的方向或者使用者的選擇或者在工作流程中限定的順序。在該方向上要圍繞使用者周圍的3D空間110設(shè)置一個或更多個表面100至105以能夠進行表示。優(yōu)選地，設(shè)置作為前平面105、左矢狀平面101和右矢狀平面102的至少三個平面。在優(yōu)選實施方式中，添加橫向的頂平面103和橫向的底平面104，并且最后可以具有后平面(未示出)以使得這六個平面跨越形成立方體。

計算機程序適于確定表面部分40的一個或更多個特定尺寸并且將所述一個或更多個特定尺寸存儲在計算機的存儲器中。所述一個或更多個特定尺寸可以與肢體位置點32的從關(guān)節(jié)31觀察的特定方向相關(guān)聯(lián)，或者所述一個或更多個特定尺寸可以與肢體位置點32的特定的x、y、z位置相關(guān)聯(lián)。換言之，當(dāng)使用者的臂15指向前屏幕105或者x、y位置使得效應(yīng)器的位置在人的正前方時，該表面部分40的尺寸在使用者10的前方會較小，并且當(dāng)使用者的臂15指向頂屏幕103或者當(dāng)檢測到x、y位置使得末端效應(yīng)器的位置高于正鍛煉人員時，該表面部分的尺寸會較大。

本發(fā)明的評估方法在屏幕101至105上從白色的屏幕表面53開始。除白色的屏幕表面以外，還可以使用任何中性色。當(dāng)使用者10隨后伸出手并且伸手去夠他前方的虛擬壁時，使用者的肩部11與他的手部12之間的距離35增大并且將達到預(yù)定的閾值距離。如果該閾值選擇為0，則正鍛煉人員立即開始涂色。接著計算機程序觸發(fā)畫筆45的涂色功能并且給表面部分40涂色。接著使用者的任務(wù)是在可以的情況下給屏幕101至105的整個表面涂色。這只能在距離35大于所述閾值的情況下或者在距離“z”具有特定值的情況下實現(xiàn)。當(dāng)然還可以在閾值/初始值為0的情況下開始涂色，則正鍛煉人員立即開始涂色。

于是清楚的是，表面部分40的尺寸——即，畫筆尺寸——決定屏幕的可能的覆蓋速度以及臂15的掃掠運動的必要精度。表面部分40越大，使得精度越低，并且使數(shù)據(jù)收集更快。

計算機程序可以為不同的方向存儲不同的閾值距離。在位置z是涂色動作的基礎(chǔ)的情況下，同樣如此，于是相比于與末端效應(yīng)器在正鍛煉人員的身體的最左側(cè)或最右側(cè)的定位相關(guān)的x、y值，可以為例如在使用者前方的特定的x值、y值選擇不同的色彩分辨率。較難以達到的方向可以具有比較易于達到的方向低的閾值。這可以與閾值距離的排列相結(jié)合，即，計算機程序為任何給定的方向存儲多個閾值距離。這也可以通過設(shè)置第一距離值并且隨后將其他的閾值確定為該初始值的110％、120％、130％等來實現(xiàn)。當(dāng)使用者10隨后伸手去夠使用者前方的虛擬壁并且將虛擬畫筆“抵對著壁”“推動”時，使用者的肩部11與使用者的手部12之間的距離35進一步增大，并且最終使用者10將進一步達到比該預(yù)定的閾值距離遠的距離。于是優(yōu)選地，計算機程序適于在關(guān)節(jié)31與肢體位置點32之間的距離35超過這些比預(yù)定的閾值距離更遠的距離中的一者時改變已涂色斑點的色調(diào)或不透明度。這在圖1通過兩個不同的表面區(qū)域示出。畫筆45周圍的內(nèi)部區(qū)域51是“較暗”區(qū)域，而外部區(qū)域52是“較亮”區(qū)域，剩余的未到達的表面53保持呈白色。當(dāng)然，現(xiàn)今的屏幕允許大量不同的著色強度或者甚至如例如用于溫度表示那樣的不同的顏色，例如，代表較小的距離35閾值的藍色區(qū)域52以及代表較大的距離35閾值的紅色區(qū)域51。在所有這些情況下，關(guān)節(jié)31與肢體位置點32之間的距離35的表示的函數(shù)為位于所述直線30上的表面的相關(guān)聯(lián)的表面部分40的色調(diào)或不透明度。

如所說明的，在所述表示的函數(shù)隨所述距離35單調(diào)地遞增或遞減的情況下，對于使用者10是更直觀的。遞減的函數(shù)可以在開始時與黑色屏幕一起使用，并且臂12的超過閾值中的任一閾值的任何超越使屏幕表面朝著灰色變亮并且最終在最后的閾值距離被達到的情況下變?yōu)榘咨?/p>

所說明的在壁上涂色的方法已經(jīng)包括計算機程序的進一步的功能，即，在距離35——即臂15的外展——大于所存儲的閾值中的一個閾值的情況下，對表面部分40在特定的屏幕部分上的任何通路進行存儲。然后保留用于該特定方向的該最大值。光標45的位置的分辨率可能大于由表面部分覆蓋的區(qū)域的分辨率，即，當(dāng)光標45具有像素分辨率時，由表面部分覆蓋的區(qū)域可以具有例如十一像素或二十象素的近似圓形的覆蓋范圍，使得使用者的任何進一步的掃掠也可以部分地覆蓋先前的掃掠區(qū)域。

為了對使用者10的可能性進行評估，在使用者在表面部分40上全部地或部分地掃掠過多于一次的情況下，計算機適于將用于所確定的特定尺寸的任何相關(guān)聯(lián)的表面部分40的色調(diào)或不透明度的最大值或最小值分別存儲在計算機的存儲器中。也可以僅存儲沿著平面法線(局部法線)測得的最大坐標。

在任何鍛煉中可以通過單個參數(shù)值引入挑戰(zhàn)等級。這意味著隨后將任何閾值都乘以例如110％、120％等，因此使必須達到的初始閾值氣泡膨脹，以在開始時在屏幕上獲得斑點52并且在使用者達到最高的閾值水平——該最高的閾值水平相當(dāng)于在肩部與手部之間實現(xiàn)的最大距離——時還限定最佳的(＝最暗的或最亮的)顏色改變，例如斑點51。

該單個參數(shù)值在乘法運算內(nèi)的使用可以設(shè)定超過使用者的由使用者的臂長限定的最大可達距離的必要閾值。在這種情況下，計算機程序軟件優(yōu)選地適于限制工作空間的膨脹以使得已膨脹的工作空間總是位于裝置的工作空間內(nèi)，或者換言之，甚至已膨脹的工作空間中的所有點都是身體上可達到的。

另一方面，待達到的作為閾值的最小距離35限定對內(nèi)部安全區(qū)域的認知，即，靠近使用者10的身體的區(qū)域——該區(qū)域并不被評估為關(guān)于患者的身體的位置的假設(shè)——給出足夠的信息。

在圖4內(nèi)圖示了可達工作空間的理念。除了提供如圖1中那樣的空白的表面53并且允許使用者到達每個方向以外，還可以為使用者10關(guān)聯(lián)已限定的定界工作空間72，讓使用者從已達到的表面71開始達到該已限定的定界工作空間72。此處，在實施方式中僅使用一種暗度，其中，系統(tǒng)的反應(yīng)是“達到”或“沒有達到”，這意味著在給定的表面部分40處達到或沒有達到最小閾值距離。在這種情況下，該區(qū)域72外部的所有的區(qū)域73都不是評估的一部分。他們應(yīng)該以不同的暗度著色以為使用者10清楚地示出不讓使用者沿該方向移動畫筆45以及因此沿該方向移動使用者的臂15。這可能是由于在鍛煉的框架內(nèi)的原因，或者簡單地是因為鍛煉裝置或使用者的體質(zhì)不允許達到定界72外部的這些區(qū)域73。

由于使用者10的快速運動而產(chǎn)生的偽像可以在所產(chǎn)生的工作空間中利用低通濾波器來抑制。這等同于下述效果：“畫筆”46中的“顏料”由計算機給定粘度并且在特定的預(yù)定時間之后僅根據(jù)計算機的位置數(shù)據(jù)而被應(yīng)用(以及因此被檢查)，使得使用者不得不使光標45在壁上緩慢地掃過以實現(xiàn)顏色或色調(diào)的改變。

與該方法相關(guān)的是一種用于對肢體相關(guān)點32在預(yù)定的3D空間110中的運動進行評估的系統(tǒng)，其中，肢體相關(guān)點32在預(yù)定的3D空間110中的運動通過使用者使所述肢體15在3D空間110中圍繞關(guān)節(jié)11移位從而允許所述運動而實現(xiàn)。如圖7的示意性圖示中所示的此種系統(tǒng)包括計算機200，該計算機200具有處理器、存儲器201、鍵盤或輸入裝置202以及在該計算機上運行的計算機程序。該系統(tǒng)還包括一個或更多個顯示表面101至105，所述一個或更多個顯示表面101至105圍繞使用者10周圍的3D空間110而布置，在本實施方式中具體地圍繞肩部11而布置。設(shè)置肢體位置傳感器122，并且該肢體位置傳感器122適于通過無線或線裝傳輸裝置222接收與肢體位置點22相關(guān)的位置數(shù)據(jù)，肢體位置點22連接至用戶10的臂15的與作為肢體相關(guān)點32的手部相關(guān)聯(lián)的預(yù)定部分。設(shè)置另外的關(guān)節(jié)傳感器121以通過無線或線裝傳輸裝置221接收與肩部相關(guān)的位置數(shù)據(jù)，這取決于是否使用特定的肩部發(fā)送器21或者是否提供來自像Armeo那樣的重量減輕機構(gòu)的位置數(shù)據(jù)。

然后，計算機200中的計算機程序適于計算由肩部11與肢體相關(guān)點32之間的直線30限定的方向，并且控制信號生成并發(fā)送至屏幕以在顯示表面101至105中的位于所述線30上的一個顯示表面上提供肢體相關(guān)點32在3D空間110中的位置的作為肢體相關(guān)點32距所述肩部11的距離35的函數(shù)的表示45。如上所述的不同閾值可以經(jīng)由輸入裝置202被輸入并且存儲在存儲器201中。對于不同程度的色調(diào)和不透明度以及已存儲的使用者在屏幕101至105的2D表面上的掃掠而言，同樣如此。

在另一實施方式中，提供了一種用于對肢體相關(guān)點32在預(yù)定的3D空間110中的運動進行評估的系統(tǒng)，其中，肢體相關(guān)點32在預(yù)定的3D空間110中的運動通過使用者使所述肢體15在3D空間110中移位從而允許所述運動而實現(xiàn)。該系統(tǒng)如圖7的示意性圖示中所示。該系統(tǒng)還包括一個或更多個顯示表面101至105，所述一個或更多個顯示表面101至105圍繞使用者10周圍的3D空間110而布置。設(shè)置肢體位置傳感器122，并且該肢體位置傳感器122適于通過無線或線裝傳輸裝置222接收與肢體位置點22相關(guān)的位置數(shù)據(jù)，肢體位置點22連接至用戶10的臂15的與作為肢體相關(guān)點32的手部相關(guān)聯(lián)的預(yù)定部分。接著，傳感器經(jīng)由肢體位置點22獲取手部的位置的x值、y值以使得能夠利用手部在3D空間中的位置的Z值“涂色”。

接著，計算機200中的計算機程序適于計算肢體相關(guān)點32的位置，并且控制信號生成并發(fā)送至屏幕以在顯示表面101至105中的一個顯示表面上提供肢體相關(guān)點32在3D空間110中的位置的作為x位置、y位置以及肢體相關(guān)點32距特定部段的z距離35的函數(shù)的表示45。如上所述的不同閾值可以經(jīng)由輸入裝置202被輸入并且存儲在存儲器201中。對于不同程度的色調(diào)和不透明度以及已存儲的使用者在屏幕101至105的2D表面上的掃掠而言，同樣如此。

數(shù)學(xué)理念從手部或肢體相關(guān)點在3D空間中的位置開始。接著利用兩個函數(shù)來將手部位置的該3D矢量值映射為通常提及為(x，y)的2D繪圖以及在(z)上的1D繪圖，其中，值(x，y)和值(z)在3D空間中唯一地限定手部，即，所述函數(shù)限定坐標系。對于評估階段期間的每一時間而言，對于每個斑點(x，y)——該斑點為2D空間中的區(qū)域，其特點在于其位置和畫筆尺寸，(z)分量被求值并且在該(z)分量大于在該位置處先前存儲的(z)的情況下被存儲為(zmax)。當(dāng)然，“大于”并不減弱普遍性，原因在于潛在的函數(shù)可以被重新定義。為此，預(yù)定義(x，y)值的網(wǎng)格，如果在評估期間始終未達到(x，y)，則(x，y)的(zmax)始終保持初始值不變，該初始值與在評定期間會出現(xiàn)的值例如計算機工具中的NaN不同。

可視化使斑點可視地顯示在顯示表面上的像素坐標(a，b)——(a，b)為(x，y)的函數(shù)——處并且根據(jù)作為(z)的函數(shù)的色指數(shù)被涂色。顯示表面的初始顏色或背景顏色被預(yù)先確定和選擇，并且示出為用于以上示例中的z＝NaN。因此，如果在該時間稍后的時間處(z)大于該評估階段期間的所有(z)，則對應(yīng)的斑點通過新的值而被重新繪制，從而作為閾值標準。另一方面，如果在稍后的時間處(a，b)超出先前遇到的所有(a，b)，則該斑點將被涂色，從而作為另一閾值標準。

圖8示出了從圖1的一些壁101、102、105上方觀察的視圖的示意性圖示，其中，以橫截面視圖示出了可達工作空間的要素的圖形化圖示。前壁105由左壁101以及右壁102鄰接。使用者10面向前壁105定位在兩個側(cè)壁101和102下方。在如通過圖1至圖5的圖示所描述的初始步驟中，使用者10正移動他的臂15以用虛擬畫筆45在前壁105、右壁102以及左壁101中的不同壁上進行“涂色”。為了簡化且易于理解，沒有考慮使用者10正在為底壁104或上壁103涂色，并且圖8示出了從上方、例如在胸部高度處觀察的視圖的截面圖。

使用者10生成了可達工作空間的表示72，其在橫截面圖中為封閉線131、且以虛線示出；換言之，基于2D繪圖的作為患者工作空間的3D云接收了參考數(shù)字131。這些值由使用者數(shù)據(jù)生成。另一方面，該裝置還具有其物理限制，其不允許使用者10到達空間中的每個點。當(dāng)使用者努力在相對的壁上涂色時，這些邊界是不可見的。但這些邊界確實存在，如果使用者10想要在使用者的胸前進行涂色，則鍛煉裝置的機械部分將不允許使用者的手部朝向使用者前方的區(qū)域和位置伸出。

因此，這些部分被預(yù)先從工作空間排除，并且可達工作空間——3D云——在與設(shè)備工作空間相交之后作為封閉線用附圖標記132表示。該可達工作空間132將空間(此處在橫截面中為平面)分成兩部分。一部分是“內(nèi)部”，其中，參考數(shù)字134涉及工作空間的可達部分中的目標，即，使用者10可以使用畫筆45到達空間中的該點。另一方面，在“外部”存在用于由于裝置限制而不在工作空間的可達部分中的目標的點133，并且在“外部”還存在用于針對特定的使用者的不在工作空間的可達部分中的目標的點135。

包括如上所述的評估步驟的該方法之后可以是測試步驟，該測試步驟包括：生成包括所述傳感器21、22的系統(tǒng)能夠到達的邊界132的第一數(shù)據(jù)集。接著，在控制單元內(nèi)基于評估步驟生成使用者能夠達到的邊界131的第二數(shù)據(jù)集。接著，控制單元計算測試邊界的作為第一數(shù)據(jù)集與第二數(shù)據(jù)集的交集的第三子集，以將技術(shù)上不能到達的點如點133或點135排除在使用者的主觀范圍之外。因此，在所述測試邊界內(nèi)的點134被定義為可達點，而其他點133、135作為不可達點被定義在所述測試邊界外部。

于是鍛煉項目包括提供作為可達點的子集的一部分的目標點134作為在圍繞使用者10的3D空間110周圍的、待由使用者10通過肢體位置點22的運動而達到的一個或更多個顯示表面101至105上的虛擬表示，其中，肢體位置點22連接至使用者10的肢體15的與肢體相關(guān)點32相關(guān)聯(lián)的預(yù)定部分。如果使用者10成功到達對象目標點，則使用者10觸發(fā)了結(jié)果事件，并且可選地，最后提到的兩個步驟在該鍛煉項目中通過隨機地或特定地改變目標點134——特別地在可達點的邊界附近——被反復(fù)進行，以擴大這些邊界的極限。重要的是，所述交集用于將可能目標的3D云減小至已存儲的3D空間中的實際可達目標點。

附圖標記列表

10 使用者

11 肩部

12 手部

15 臂

21 肩部發(fā)送器

22 手部發(fā)送器/肢體位置點

30 連接線

31 關(guān)節(jié)

32 肢體相關(guān)點

40 表面部分

41 周邊線

45 畫筆

46 點

51 暗區(qū)

52 較亮區(qū)

53 未涂色區(qū)域

61 斑點

62 斑點

63 斑點

64 斑點

65 斑點

71 已達到區(qū)域

72 可達工作空間

73 邊界區(qū)域之外

100 3D空間的壁

101 左壁

102 右壁

103 頂壁

104 底壁

105 前壁

110 3D空間

121 關(guān)節(jié)傳感器

122 肢體位置傳感器

131 基于2D繪圖的3D云(患者工作空間)

132 在與裝置工作空間相交之后的3D云

133 由于裝置限制而不在工作空間的可達部分中的目標

134 在工作空間的可達部分中的目標

135 對于特定的使用者而言不在工作空間的可達部分中的目標

200 計算機

201 存儲器

202 輸入裝置

221 關(guān)節(jié)傳感器信號傳輸

222 肢體位置傳感器信號傳輸