[发明专利]一种基于视觉采集设备的下肢步态康复评估系统

说明书

本发明公开了一种基于视觉采集设备的下肢步态康复评估系统，包括步态评估算法程序，步态评估人机交互界面和步态评估数据库。步态评估算法部分主要包括原始步态数据采集，数据预处理，时间序列分割，步态评估参数的计算。步态评估界面是在Unity 3D开发平台实现的，由三个部分组成，包括控制按钮部分、用户基本信息输入部分和数据显示图表部分，实现了友好的交互界面。步态评估数据库是基于MySQL平台建立的，主要用于保存和调取用户基本信息和步态评估数据，便于康复医师进行康复状况跟踪。该系统能够有效地帮助康复医师进行康复评估，节省时间，而且能够根据量化的评估数据进行合理的康复方案制定。

一.技术领域

本发明属于康复医学和机器视觉技术的交叉技术领域，涉及一种基于视觉采集设备的下肢步态康复评估系统。

二.背景技术

近年来人们利用Kinect研究出了大量有趣的应用，如虚拟试衣、视频会议、人脸检测、手势识别等。结合微软提供的SDK，连接好硬件设备，就可以通过微软提供的接口很便捷地获取人体的三维骨骼数据。而且Kinect还能直接获取深度数据，相比于传统视觉设备需要麻烦的配置和复杂的数据处理，Kinect具有更加便捷的优势。

随着国家医学事业的进步，医疗保健系统的完善，我国开始重视康复医学的发展，加强经济投入，着力健全康复科室的建设。其中，对下肢功能障碍康复状态的评估成为一个关注的焦点问题。有很多原因会导致下肢功能障碍，比如人的老龄化导致的运动机能衰退，心脑血管疾病导致的偏瘫，交通事故导致的关节损伤和骨关节炎等。传统的下肢步态功能障碍的康复治疗和病情评估主要依赖康复医师一对一的徒手训练和目视评估。这种方法效率比较低，而且康复效果取决于康复医师的康复经验，需要很高的人工成本。

目前使用的穿戴式的步态评估系统，穿戴麻烦，浪费测试者和康复医师的时间，而且评估的准确度和穿戴的位置有很大关系，同时评估设备的穿戴会影响步态评估患者的行走自然程度，使得评估结果和患者自然行走状态的实际步态状况有所差别。因此需要有非接触式的步态评估方式来解决这些问题，快速高效地实现步态评估。

三.发明内容

本方法目的在于克服以上的不足，提供一种基于视觉采集设备的下肢步态康复评估系统，简单快捷高效地实现步态评估，极大方便患者和康复医师。

为了达到上述目的，本发明技术方案包括步态评估算法部分，步态评估人机交互界面部分和步态评估数据库部分。

步态评估算法部分主要包括原始步态数据采集，数据预处理，时间序列分割，步态评估参数的计算。包括以下步骤：

(1)在Windows环境下编写C#程序，采用视觉采集设备Kinect二代获取10个下肢骨骼关节点空间坐标数据(X,Y,Z)，对应关节包括：人体中心、左右髋关节中心、左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节、左踝关节、右踝关节、左足关节和右足关节；

(2)对原始数据进行中值滤波处理，滤除噪声，中值滤波的窗口长度是根据正常人下肢步态周期和Kinect数据传输速率(每秒30帧)确定的；

(3)分析人体的下肢步态的运动学规律，根据踝关节Z坐标周期性变化规律，使用阈值分割方法进行周期分割和支撑相和摆动相的分割；

(4)计算关节之间的三维空间向量，使用向量法计算左髋关节角度、右髋关节角度、左膝关节角度和右膝关节角度；

(5)根据步骤(3)相邻两次周期分割点获得的踝关节空间坐标，计算其欧氏距离，获得步幅，根据这个方法分别计算左腿步幅和右腿步幅，并计算左右步幅差异，用于评估左右侧对称性；

(6)根据步骤(3)支撑相和摆动相的分割点获取的时钟时间，计算时间间隔获得支撑相时间和摆动相时间，根据这个方法分别计算左腿支撑相时间和摆动相时间，右腿支撑相时间和摆动相时间；