[发明专利]基于动态点云分割的多节段足部运动学分析系统及方法

说明书

本发明提供一种基于动态点云分割的多节段足部运动学分析系统及方法，该系统包括3D点云采集部、计算处理部和服务器，3D点云采集系统包括物理平台、多个支撑云台以及多个深度传感器模组；所述物理平台由支撑架、上板构成；该方法包括如下步骤：步骤1，检查系统是否需要重新标定，当需要时，则进入步骤2，当不需要时，则进入步骤3；步骤2，系统标定；步骤3，数据采集。本发明由于无需标记物，可以测量受试者更加接近真实步态的多节段足部运动学参数；整个系统的精度能够使用标定物进行标定；同时，由于可以实现端到端的处理功能，采集效率很高、能够支持多节段足部运动学数据的大批量采集和分析。

技术领域

本发明属于动态点云序列分割领域以及运动学分析领域，具体涉及一种基于动态点云分割的多节段足部运动学分析系统及方法。

背景技术

许多年来，对足部在行走或其他运动过程中的生物力学分析一直都极具挑战性。由于科学证据还不够充分，当前足部功能的概念和范式常常基于定性解释。无法测量在体足部运动学(In Vivo Foot Kinematics)一直是一个特别有挑战性的问题。人体足部是一个复杂的解剖结构。它包含26块骨头和33个关节，并且每个关节都有6个自由度(DegreeofFreedom，DoF)，它们的精细运动让各种运动任务变得高效。足部功能中关节的协同作用十分复杂。脚的功能主要是减震和发力，然而可以在多种运动任务中观察到这两个矛盾的功能，包括基础的行走任务。因此，对足部的建模是步态分析中的一个关键问题，以此详细掌握足部的内旋(Pronation)、外旋(Supination)等内部运动规律。这对评估足部功能极其重要。通过分析足部的内部运动，能够了解病理足的典型运动模式、辅助诊断足部病变。例如，采用多节段足部运动学分析可以研究拇趾僵硬(Hallux Rigidus)患者的足部特殊运动模式、扁平足(Flat Foot)人群相对正常足弓(NormalArch)人群的步态差异、退行性关节疾病(Degenerative Joint Disease,DJD)步态过程中足部和踝关节异常关节活动度等病理性机制。

目前，可以用于多节段足部运动学测量的方法主要有骨钉(Bone Pins)、荧光透视(Fluoroscopy)、光学标记点和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)。其中，具有最高的准确率为：基于骨钉的方法，它具有高度侵入性；荧光透视方法，它具有侵入性且通常只能进行准静态测量。使用最为广泛的方法是光学标记点方法，其准确性相对较高，但软组织伪影(Soft Tissue Artifact，STA)——皮肤、肌肉等软组织形变会导致贴附于皮肤上的光标点与内部骨骼发生相对运动，从而带来固有测量误差，导致测量精度降低；其次，该方法的光标点贴附存在主观性，导致测量结果存在人为偏差；最后，该方法所使用实验设备昂贵、实验流程较长、难以脱离实验室环境，因此数据采集成本较高、效率低下。基于IMU的方法具有低成本、可携带的优点，但系统精度难以标定、标记点贴附存在主观性、所获数据稀疏且准确率较低。上述方法均属于(除开荧光透视)有标记的足部运动学测量方法，标记点的使用很可能会对受试者的步态造成难以忽略的影响；同时，这些方法的数据采集效率普遍较低，难以进行大批量足部运动学数据采集。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于动态点云分割的多节段足部运动学分析系统及方法。

本发明提供了一种基于动态点云分割的多节段足部运动学分析系统，具有这样的特征，包括：3D点云采集部，包括用于受试者行走的物理平台、多个放置于物理平台外侧的支撑云台、多个分别设置于支撑云台上和地面上并用于获取3D数据的深度传感器；标定物，放置于物理平台上，用于对3D点云采集部进行标定；计算处理部，与通过数据传输线与深度传感器连接，用于接收3D数据并进行处理，得到3D点云，进而通过计算得到运动学参数数据；以及服务器，与计算处理部通过网络通信连接，用于接收运动学参数数据并进行存储。