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一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法

热词 盆骨 脊柱 小球 人体 捕捉 arctan 虚拟 光片 反光 s1
专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202211670103.X 申请日 2022-12-25
公开(公告)号 CN115813348A 公开(公告)日 2023-03-21
申请人 上海青瞳视觉科技有限公司; 申请人类型 企业
发明人 张冬阳; 王兆瀚; 吴兵; 王征; 王岩; 张群; 季毅君; 张海威; 第一发明人 张冬阳
权利人 上海青瞳视觉科技有限公司 权利人类型 企业
当前权利人 上海青瞳视觉科技有限公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:上海市 城市 当前专利权人所在城市:上海市静安区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:上海市静安区广中路805、851号2幢804室 邮编 当前专利权人邮编:200072
主IPC国际分类 A61B5/00 所有IPC国际分类 A61B5/00G06T17/00G06T7/00A61B6/00
专利引用数量 6 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限公司 专利代理人 严玉丹;
摘要 本 发明 涉及一种基于 动作捕捉 系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,所述方法包括以下步骤:在受试者骨骼对应的体表 位置 设置反光小球;受试者在步骤一的 基础 上拍摄X光片;根据X光片计算出初始的脊柱盆骨参数以及反光小球与人体骨头的相对关系;基于步骤三中在动作捕捉系统中添加骨骼模型,并在动作捕捉系统中添加虚拟小球;受试者在动作捕捉场景中做任意运动,进行脊柱盆骨参数的动态计算。与 现有技术 相比,本发明通过动作捕捉系统获得动态脊柱盆骨的数据,从而计算医学上的脊柱盆骨参数,受试者在动作捕捉场景中任意运动,便可得到动态的脊柱盆骨参数,有助于医生更有效的分析病人脊柱状况,制定更佳的 治疗 方案 。
权利要求

1.一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一、在受试者骨骼对应的体表位置设置反光小球;
步骤二、受试者在步骤一的基础上拍摄X光片;
步骤三、根据X光片计算出初始的脊柱盆骨参数以及反光小球与人体骨头的相对关系;
步骤四、基于步骤三中在动作捕捉系统中添加骨骼模型,并在动作捕捉系统中添加虚拟小球;
步骤六、受试者在动作捕捉场景中做任意运动,进行脊柱盆骨参数的动态计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述反光小球设置在体表的位置分别对应为:第七颈锥、第三胸锥、第五胸锥、第七胸锥、第九胸锥、第十二胸锥、第二腰锥、第三腰锥、第五腰锥棘突、头部、脐下,双侧髂前上棘、髂后上棘,上肢双侧肩峰、上臂中点、肘内外侧髁、前臂中点、腕尺桡侧、双手手背、下肢双侧股骨大转子、膝内外侧髁、胫骨前缘中点、外踝和双足足背。
3.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述X光片拍摄包括冠状面X光片和矢状面X光片。
4.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述反光小球是被动反射红外光小球。
5.根据权利要求4所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述动作捕捉系统的相机包括多台高速红外相机。
6.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,步骤四中所述添加的虚拟小球包括用于表示尾椎包括虚拟小球S1和S5,添加方法为:
Ps1=PL5+PL5‑s1
Ps5=point(Ls1‑s5)
其中,Ps1是虚拟小球S1相对于人体的位置,PL5是第五腰锥对应的反光小球相对于人体的位置,PL5‑s1是通过X光片得到的虚拟小球S1相对于第五腰锥所对应的反光小球的位置。
7.根据权利要求6所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述脊柱盆骨参数的动态计算步骤包括:
利用步骤三得到的X光片调整动作捕捉系统中骨骼位置;
拟合人体的脊柱曲线;
计算出虚拟小球S1和S5的位置;
计算脊柱盆骨参数。
8.根据权利要求7所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述虚拟小球S1和S5的位置的计算方法为:
其中, 是虚拟小球S1相对于世界的位置,Rwh是人体相对于世界的旋转,Twh是人体相对于世界的位置, 是虚拟小球S5相对于世界的位置。
9.根据权利要求7所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述脊柱盆骨参数包括:矢状位垂直偏距、胸椎后凸、腰椎前凸角、盆骨倾斜角和盆骨入射角。
10.根据权利要求9所述的一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,其特征在于,所述矢状位垂直偏距的计算方法为:
其中,d是矢状位垂直偏距, 是第七颈锥在人体坐标系下的Y轴坐标, 是虚拟小球S1在人体坐标系下的Y轴坐标;
所述胸椎后凸角的计算方法为:
TK=arctan(y'(T4))±arctan(y'(T12))
其中,TK为胸椎后凸角,y'(T4)为第四胸椎在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(T4))为第四胸椎终板的延长线与平方向的夹角;y'(T12)为第十二胸锥在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(T12))为第十二胸锥终板的延长线与水平方向的夹角,±表示加减符号会随着人体姿势的变化而变化;
所述腰椎前凸角的计算方法为:
LL=arctan(y'(L1))±θs1
其中,LL为腰椎前凸角,y'(L1)为第一腰锥在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(L1))为第一腰锥终板的延长线与水平方向的夹角,θs1表示尾椎终板与水平方向的夹角;
所述盆骨倾斜角的计算方法为:
其中,PT为盆骨倾斜角, 为左侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为右侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 是虚拟小球S1在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为两个向量间的夹角;
所述盆骨入射角的计算方法为:
其中,PI是盆骨入射角, 为左侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为右侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 是虚拟小球S1在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 是虚拟小球S1在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为两个向量间的夹角。

说明书全文

一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及医学和动作捕捉领域,尤其是涉及一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法。

背景技术

[0002] 脊柱盆骨参数是判断人体脊柱健康情况的一个重要参数,医生通过对脊柱盆骨参数的分析可以得到脊柱的健康状况,从而针对不同的情况,安排后续的治疗方案,目的在于重建脊柱平衡,改善病人生活质量。而随着人口老龄化的进展,成人脊柱畸形的发病率逐年升高,脊柱经历恶性的退变循环,导致脊柱冠矢状位失衡,出现腰背痛、直立困难,跛行等症状,严重影响健康状态
[0003] 一直以来,脊柱盆骨参数都是根据X光片计算得到,其弊端是仅有一静态的数据,难以全面客观的反映患者脊柱的动态变化。有15%‑30%的患者即使达到了手术前设计的脊柱盆骨参数,仍然不能获得预期治疗效果。所以从脊柱功能的静态评估向动态评估的转变显得尤为重要。
[0004] 因此,针对传统的静态脊柱盆骨参数无法客观的分析病人的脊柱状况,有必要提出一种对脊柱盆骨参数的动态评估方法。

发明内容

[0005] 针对传统的根据X光片仅能得到静态的脊柱盆骨参数而难以客观反映患者脊柱状况的问题,本发明提供了一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数计算方法,利用动作捕捉系统构建人体骨骼模型,动态且连续的获得脊柱盆骨参数。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007] 一种基于动作捕捉系统的动态脊柱盆骨参数获取方法,所述方法包括以下步骤:
[0008] 步骤一、在受试者骨骼对应的体表位置设置反光小球;
[0009] 步骤二、受试者在步骤一的基础上拍摄X光片;
[0010] 步骤三、根据X光片计算出初始的脊柱盆骨参数以及反光小球与人体骨头的相对关系;
[0011] 步骤四、基于步骤三中在动作捕捉系统中添加骨骼模型,并在动作捕捉系统中添加虚拟小球;
[0012] 步骤六、受试者在动作捕捉场景中做任意运动,进行脊柱盆骨参数的动态计算。
[0013] 进一步的,所述反光小球设置在体表的位置分别对应为:第七颈锥、第三胸锥、第五胸锥、第七胸锥、第九胸锥、第十二胸锥、第二腰锥、第三腰锥、第五腰锥棘突、头部、脐下,双侧髂前上棘、髂后上棘,上肢双侧肩峰、上臂中点、肘内外侧髁、前臂中点、腕尺桡侧、双手手背、下肢双侧股骨大转子、膝内外侧髁、胫骨前缘中点、外踝和双足足背。
[0014] 进一步的,所述X光片拍摄包括冠状面X光片和矢状面X光片。
[0015] 进一步的,所述反光小球是被动反射红外光小球。
[0016] 进一步的,所述动作捕捉系统的相机包括多台高速红外相机。
[0017] 进一步的,步骤四中所述添加的虚拟小球包括用于表示尾椎包括虚拟小球S1和S5,添加方法为:
[0018] Ps1=PL5+PL5‑s1
[0019] Ps5=point(Ls1‑s5)
[0020] 其中,Ps1是虚拟小球S1相对于人体的位置,PL5是第五腰锥对应的反光小球相对于人体的位置,PL5‑s1是通过X光片得到的虚拟小球S1相对于第五腰锥所对应的反光小球的位置。
[0021] 进一步的,所述脊柱盆骨参数的动态计算步骤包括:
[0022] 利用步骤三得到的X光片调整动作捕捉系统中骨骼位置;
[0023] 拟合人体的脊柱曲线;
[0024] 计算出虚拟小球S1和S5的位置;
[0025] 计算脊柱盆骨参数。
[0026] 进一步的,所述虚拟小球S1和S5的位置的计算方法为:
[0027]
[0028]
[0029] 其中, 是虚拟小球S1相对于世界的位置,Rwh是人体相对于世界的旋转,Twh是人体相对于世界的位置, 是虚拟小球S5相对于世界的位置。
[0030] 进一步的,所述脊柱盆骨参数包括:矢状位垂直偏距、胸椎后凸、腰椎前凸角、盆骨倾斜角和盆骨入射角。
[0031] 进一步的,所述矢状位垂直偏距的计算方法为:
[0032]
[0033] 其中,d是矢状位垂直偏距, 是第七颈锥在人体坐标系下的Y轴坐标, 是虚拟小球S1在人体坐标系下的Y轴坐标;
[0034] 所述胸椎后凸角的计算方法为:
[0035] TK=arctan(y'(T4))±arctan(y'(T12))
[0036] 其中,TK为胸椎后凸角,y'(T4)为第四胸椎在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(T4))为第四胸椎终板的延长线与平方向的夹角;y'(T12)为第十二胸锥在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(T12))为第十二胸锥终板的延长线与水平方向的夹角,±表示加减符号会随着人体姿势的变化而变化;
[0037] 所述腰椎前凸角的计算方法为:
[0038] LL=arctan(y'(L1))±θs1
[0039] 其中,LL为腰椎前凸角,y'(L1)为第一腰锥在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(L1))为第一腰锥终板的延长线与水平方向的夹角,θs1表示尾椎终板与水平方向的夹角;
[0040] 所述盆骨倾斜角的计算方法为:
[0041]
[0042] 其中,PT为盆骨倾斜角, 为左侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点,为右侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 是虚拟小球S1在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为两个向量间的夹角;
[0043] 所述盆骨入射角的计算方法为:
[0044]
[0045] 其中,PI是盆骨入射角, 为左侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点,为右侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 是虚拟小球S1在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 是虚拟小球S1在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为两个向量间的夹角。
[0046] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0047] 本发明提供的参数获取方法,在动作捕捉系统构建出人体骨骼模型,并精确还原出人体的脊柱形状,通过动作捕捉系统获得动态脊柱盆骨的数据,从而计算医学上的脊柱盆骨参数,受试者在动作捕捉场景中任意运动,便可得到动态的脊柱盆骨参数,有助于医生更有效的分析病人脊柱状况,制定更佳的治疗方案。附图说明
[0048] 图1为本发明基于动作捕捉系统的动态盆骨参数计算方法的流程示意图;
[0049] 图2为人体脊柱示意图;
[0050] 图3为本发明实施例中基于动作捕捉系统建立的骨骼模型示意图。

具体实施方式

[0051] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0052] 如图1所示,本发明实施例提供了一种基于动作捕捉系统的动态盆骨参数计算方法,具体步骤如下:
[0053] 步骤1、在受试者体表的特定位置贴反光小球,位置分别对应为:第七颈锥、第三胸锥、第五胸锥、第七胸锥、第九胸锥、第十二胸锥、第二腰锥、第三腰锥、第五腰锥棘突、头部(4个)、脐下1cm,双侧髂前上棘、髂后上棘,上肢双侧肩峰、上臂中点、肘内外侧髁、前臂中点、腕尺桡侧、手背(2个),下肢双侧股骨大转子、膝内外侧髁、胫骨前缘中点、外踝、足背(2个);共计50个反光小球;
[0054] 步骤二、在步骤一贴完反光小球的基础上,让受试者带着体表的反光小球拍摄X光片,冠状位和矢状位各拍一张;
[0055] 步骤三、根据X光片计算出初始的脊柱盆骨的参数,并且计算出脊柱的椎骨中心相对于反光小球的位置;
[0056] 步骤四、受试者站在动作捕捉系统的场地中处于静止状态,在动作捕捉软件中添加骨骼模型;
[0057] 步骤五、利用步骤三得到的结果,添加表示尾椎的虚拟小球S1和S5,添加虚拟小球S1和S5的方法为:
[0058] Ps1=PL5+PL5‑s1
[0059] Ps5=point(Ls1‑s5)
[0060] 其中,Ps1是虚拟小球S1相对于人体的位置,PL5是第五腰锥对应的反光小球相对于人体的位置,PL5‑s1是通过X光片得到的虚拟小球S1相对于第五腰锥所对应的反光小球的位置。
[0061] 步骤六、利用步骤三得到的结果,在动作捕捉软件中调整骨骼位置使其满足X光片;
[0062] 步骤七、根据脊柱的椎骨位置,在矢状面拟合出一条脊柱曲线;
[0063] 步骤八、利用步骤三、步骤四和步骤五的结果,计算出虚拟小球S1和S5的位置,计算S1和S5位置的方法为:
[0064]
[0065]
[0066] 其中 是虚拟小球S1相对于世界的位置,Rwh是人体相对于世界的旋转,Twh是人体相对于世界的位置, 是虚拟小球S5相对于世界的位置。
[0067] 步骤九、根据步骤七的脊柱曲线和步骤八的虚拟小球,计算脊柱盆骨参数,计算脊柱盆骨参数的方法为:
[0068] 计算矢状位垂直偏距的方法为:
[0069]
[0070] 其中d是矢状位垂直偏距, 是第七颈锥在人体坐标系下的Y轴坐标。 是虚拟小球S1在人体坐标系下的Y轴坐标。
[0071] 计算胸椎后凸角的计算方法为:
[0072] TK=arctan(y'(T4))±arctan(y'(T12))
[0073] 其中TK为胸椎后凸角,y'(T4)为第四胸椎在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(T4))为第四胸椎终板的延长线与水平方向的夹角。y'(T12)为第十二胸锥在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(T12))为第十二胸锥终板的延长线与水平方向的夹角。±表示加减符号会随着人体姿势的变化而变化。
[0074] 计算腰椎前凸角的计算方法为:
[0075] LL=arctan(y'(L1))±θs1
[0076] 其中LL为腰椎前凸角,y'(L1)为第一腰锥在脊柱曲线上的斜率,arctan(y'(L1))为第一腰锥终板的延长线与水平方向的夹角。θs1表示尾椎终板与水平方向的夹角。
[0077] 计算盆骨倾斜角的计算方法为:
[0078]
[0079] 其中PT为盆骨倾斜角, 为左侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点,为右侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点, 为两个向量间的夹角。
[0080] 计算盆骨入射角的计算方法为:
[0081]
[0082] 其中PI是盆骨入射角, 是右侧股骨头在人体坐标系下映射到Y‑Z平面的点。
[0083] 最后受试者在动作捕捉场景中做任意运动,返回步骤六,实现脊柱盆骨参数的动态计算。
[0084] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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