[發(fā)明專利]一種人體肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810093515.9
• 申請(qǐng)日: 2018-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN108324282B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李劍鋒;張春召;張雷雨;曹強(qiáng);高亞楠;張凱;周帥鋒;王福增
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/11
• 分類號(hào): A61B5/11;G16H50/50
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該檢測(cè)系統(tǒng)包括:

四個(gè)位置跟蹤傳感器分別粘貼固定在人體胸骨頸靜脈切跡(IJ)、劍狀軟骨(PX)、第七頸椎(C7)和第八胸椎(T8)上，和位置跟蹤傳感器發(fā)射源配合用于檢測(cè)人體胸骨的頸靜脈切跡(IJ)、劍狀軟骨(PX)、第七頸椎(C7)和第八胸椎(T8)實(shí)時(shí)位置，并有四點(diǎn)位置實(shí)時(shí)獲取人體的姿態(tài)信息；位置跟蹤傳感器綁縛固定在人體遠(yuǎn)離肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的位置，和位置跟蹤傳感器發(fā)射源配合用于檢測(cè)人體的肱骨的實(shí)時(shí)位置；位姿跟蹤傳感器粘貼固定在人體肩胛骨上，和位姿跟蹤傳感器發(fā)射源配合用于實(shí)時(shí)檢測(cè)人體肩胛骨位置和姿態(tài)；并將人體胸骨位置跟蹤傳感器、上臂位置跟蹤傳感器、肩胛骨位姿跟蹤傳感器信號(hào)通過(guò)信號(hào)線發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡；

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，人體上臂由下垂位置進(jìn)行抬升，直到上臂抬升至預(yù)量測(cè)點(diǎn)，一個(gè)測(cè)量周期結(jié)束，由此往復(fù)多個(gè)周期；

數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)定時(shí)器觸發(fā)各個(gè)傳感器接口，用于同步接收胸骨位置跟蹤傳感器、上臂位置跟蹤傳感器、肩胛骨位姿跟蹤傳感器的信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)信號(hào)線與位置跟蹤傳感器、位姿跟蹤傳感器相連；

USB傳輸模塊，數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)得到各跟蹤傳感器信號(hào)，通過(guò)USB接口方式和上位機(jī)相連，傳輸各跟蹤傳感器檢測(cè)得到的相應(yīng)骨骼運(yùn)動(dòng)信號(hào)；

上位機(jī)，用于接收位置跟蹤傳感器和位姿跟蹤傳感器的信號(hào)，通過(guò)算法應(yīng)用程序的編寫，實(shí)時(shí)計(jì)算各骨骼每一運(yùn)動(dòng)時(shí)刻相應(yīng)的位置和姿態(tài)，待一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，獲取人體肩部盂肱關(guān)節(jié)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信息，顯示在上位機(jī)顯示界面上；

所述的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)處理子程序的編寫流程如下所示：

應(yīng)用程序的編寫流程：

在位置跟蹤傳感器發(fā)射源（ 11） 上建立人體胸骨、肱骨位置跟蹤傳感器（ 1、2、3、4、6）的參考坐標(biāo)系，以位置跟蹤傳感器發(fā)射源( 11) 的中心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y、Z軸分別用x、y、z表示，稱之為基準(zhǔn)坐標(biāo)系Oxyz，表示位置跟蹤傳感器( 1、2、3、4、6) 和位置跟蹤傳感器發(fā)射源( 11) 之間的相對(duì)關(guān)系，即位置跟蹤傳感器所在點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)；在位姿跟蹤傳感器( 5) 和位姿跟蹤傳感器發(fā)射源（ 12） 上各建立一個(gè)坐標(biāo)系，用位姿跟蹤傳感器（ 5）坐標(biāo)系在位姿跟蹤傳感器發(fā)射源（ 12） 上的坐標(biāo)系內(nèi)的位置和姿態(tài)來(lái)描述兩者之間的相對(duì)關(guān)系，以位姿跟蹤傳感器發(fā)射源（ 12） 的中心點(diǎn)O'為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y、Z軸分別用x'、y'、z'表示，位姿跟蹤傳感器發(fā)射源（ 12） 的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'，位姿跟蹤傳感器（5） 所在的點(diǎn)為O_jia，該點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'中的位置坐標(biāo)是P₅(x₅ y₅ z₅)'，過(guò)O_jia點(diǎn)建立一個(gè)與基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'平行的肩胛骨連體坐標(biāo)系O_jiax_jiay_jiaz_jia，位姿跟蹤傳感器（5） 的姿態(tài)表述為相對(duì)于這個(gè)坐標(biāo)系的三個(gè)相繼轉(zhuǎn)角(γβα)'，這三個(gè)轉(zhuǎn)角的定義為：先繞x'軸進(jìn)行γ角的轉(zhuǎn)動(dòng)，再繞y'軸進(jìn)行β角的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后繞z'軸進(jìn)行α角的轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中角度的正負(fù)關(guān)系定義如下：如果從繞之旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸的正方向看過(guò)去，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針為正，反之為負(fù)；這樣，位姿跟蹤傳感器（ 5） 的空間方位就可以用位置坐標(biāo)是P₅(x₅ y₅ z₅)'和轉(zhuǎn)角(γ β α)'來(lái)表示；具體為：

基準(zhǔn)坐標(biāo)系Oxyz：

x＝(1,0,0)

y＝(0,1,0)

z＝(0,0,1)

O＝(0,0,0)

(1)

為了數(shù)據(jù)運(yùn)算簡(jiǎn)化，位置跟蹤傳感器、位姿跟蹤傳感器的量化標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，基準(zhǔn)坐標(biāo)系Oxyz和基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'坐標(biāo)軸方向一致，O'相對(duì)于O的位置坐標(biāo)為(x₀,y₀,z₀)'，需建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系Oxyz和基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'的轉(zhuǎn)化矩陣：

將檢測(cè)到的人體胸骨、肱骨的位置信息，肩胛骨的位置和姿態(tài)信息通過(guò)信號(hào)線發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡；在一個(gè)周期內(nèi)：人體胸骨頸靜脈切跡(IJ)、劍狀軟骨(PX)、第七頸椎(C7)和第八胸椎(T8)上位置跟蹤傳感器J幀的位置坐標(biāo)P_i^J(x_i^J y_i^J z_i^J)'，i＝1,2,3,4，肱骨上位置跟蹤傳感器J幀的位置坐標(biāo)P₆^J(x₆^J y₆^J z₆^J)'，肩胛骨上位姿跟蹤傳感器J幀的位置坐標(biāo)P₅^J(x₅^Jy₅^J z₅^J)'、姿態(tài)角(γ^J β^J α^J)'；人體胸骨頸靜脈切跡(IJ)、劍狀軟骨(PX)、第七頸椎(C7)和第八胸椎(T8)上的位置跟蹤傳感器位置坐標(biāo)確定人體坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為O_thx，X、Y、Z軸分別用x_thx、y_thx、z_thx表示，具體為：

第J幀人體坐標(biāo)系：

x_thx^J＝(P₁^J-P₂^J)×(P₃^J-P₂^J)

y_thx^J＝z_thx^J×x_thx^J

O_thx^J＝P₁^J

(3)

在人體肩胛骨位姿跟蹤傳感器建立的肩胛骨連體系，肩胛骨連體系的方向相對(duì)于人體肩胛骨位姿跟蹤器的參考系坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向一致，則人體肩胛骨連體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)為O_jia，X、Y、Z軸分別用x_jia、y_jia、z_jia表示，O_jia相對(duì)于人體肩胛骨基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'在第J幀的坐標(biāo)為：P₅^J(x₅^J,y₅^J,z₅^J)'，則第J幀肩胛骨連體參考系相對(duì)于肩胛骨基準(zhǔn)坐標(biāo)系O'x'y'z'的轉(zhuǎn)化矩陣：

則第J幀人體肩胛骨跟蹤傳感器的位姿相對(duì)于肩胛骨位姿跟蹤傳感器的參考坐標(biāo)系的姿態(tài)角為，繞x'軸旋轉(zhuǎn)、y'軸旋轉(zhuǎn)、z'軸旋轉(zhuǎn)γ^J、β^J、α^J，則繞各軸相對(duì)變換矩陣為：

其中：c表示余弦符號(hào)cos，s表示正弦符號(hào)sin

則第J幀人體肩胛骨位姿在基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系Oxyz表示為：

待一個(gè)周期數(shù)據(jù)檢測(cè)處理完畢，將基準(zhǔn)坐標(biāo)系Oxyz、人體坐標(biāo)系、人體肩胛骨在基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系Oxyz表示的位姿存放在上位機(jī)存儲(chǔ)器指定位置，一個(gè)周期數(shù)據(jù)處理結(jié)束；再進(jìn)行人體上肢運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，依次循環(huán)檢測(cè)處理和存儲(chǔ)在不同位置；

數(shù)據(jù)處理子程序編寫流程：

待一個(gè)周期數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)束，調(diào)用上位機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，根據(jù)肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于肩胛骨的位置和姿態(tài)保持不變；設(shè)(a,b,c)'為其在肩胛骨連體系中的表示,則第J幀肩部盂肱骨關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)化到人體胸骨、肱骨位置跟蹤傳感器基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系Oxyz中表示：

其中J為幀數(shù)，為J幀肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的表示，另一方面，我們知道肱骨位置跟蹤傳感器位置坐標(biāo)值與關(guān)節(jié)中心的距離保持不變，由肱骨位置跟蹤傳感器J幀坐標(biāo)值P₅^J得：

(10)式中R為肱骨位置跟蹤傳感器位置坐標(biāo)值與關(guān)節(jié)中心的距離

考慮檢測(cè)過(guò)程中肩胛骨位姿跟蹤傳感器、肱骨位置跟蹤傳感器相對(duì)于肩胛骨、肱骨抖動(dòng)的影響；兩式聯(lián)立，得一個(gè)誤差函數(shù)t：

對(duì)于連續(xù)采集的一個(gè)周期內(nèi)的F幀數(shù)據(jù)，我們可以得到如下總的誤差函數(shù)：

其中F為一個(gè)周期內(nèi)的F幀數(shù)據(jù)，用非線性優(yōu)化極小化上式(12)，就可以獲取參數(shù)a,b,c然后通過(guò)式(9)得肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心在人體胸骨、肱骨位置跟蹤傳感器基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系Oxyz中的表示；

為了更確切描述人體肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)信息，需建立基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系Oxyz和人體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化矩陣，則第J幀時(shí)，兩坐標(biāo)系齊次變化矩陣為：

一個(gè)周期內(nèi)，肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心總F幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到人體胸骨坐標(biāo)系中表示，公式(14)為第J幀的轉(zhuǎn)化方程：

式中：P^J為肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心在第J幀時(shí)在人體坐標(biāo)系中的表示，從而計(jì)算出一個(gè)周期內(nèi)肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心總F幀數(shù)據(jù)在人體坐標(biāo)系中的位置，其中方程中的所有參數(shù)都是通過(guò)表面的人體胸骨、肩胛骨、肱骨的表面數(shù)據(jù)；

應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)計(jì)算人體胸骨、肩胛骨的位置和姿態(tài)，肱骨的實(shí)時(shí)位置；待一個(gè)周期數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)束，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，獲取一個(gè)周期內(nèi)每一時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)中心在人體胸骨坐標(biāo)系中的位置，存儲(chǔ)在上位機(jī)指定位置，并顯示在上位機(jī)顯示界面上；依次循環(huán)調(diào)用、處理、存儲(chǔ)和顯示；

電源，用于為位置跟蹤傳感器、位姿跟蹤傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、USB傳輸模塊供電。