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基于虚拟现实技术的脑卒中患者康复训练系统
随着虚拟现实技术的发展和成熟,这项技术渗透到了越来越多的领域,特别是在康复医学领域发挥了巨大的作用.本文主要介绍了一个基于OptiTrack运动捕捉系统搭建的虚拟训练平台.它捕捉并记录分别贴在肩部、肘部和腕部的三个反光标记点的坐标值,从而建立一个虚拟的手臂模型,并通过现实的手臂动作实时驱动.整个程序是由VC++和OpenGL共同实现的.该系统以正常人和脑卒中患者为实验对象进行测试,完成了喝水这一动作.实验结果验证了该平台的有效性,它未来在上肢康复领域具有潜在的应用前景.
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伤科手法治疗腰椎间盘突出症的运动学研究
为探索中医手法治疗腰椎间盘突出症的运动学规律和机制,选取上海交通大学附属瑞金医院魏氏伤科手法中的经典“悬足压膝”和“腰部提拉”手法动作作为研究对象.对10名健康青年男性施加手法动作,并通过三维运动捕捉系统采集手法作用时受试者的5次运动学数据,定义人体相对关节坐标系,并通过Visual3D软件建立人体三维运动模型.计算下肢髋关节、膝关节和踝关节的相对运动角度,并分解对应得到各关节的屈曲/伸展、外展/内收、轴向旋转运动,处理计算得到关节的平均运动角度和轨迹规律.统计各运动数据,分析运动的左右侧差异.结果表明,右侧髋关节的平均被动屈曲角度可达137.33°,被动伸展角度可达30.86°,这与解剖学上髋关节的被动大角度以及其与膝关节位置相关的理论相一致,也验证了髋关节的极限屈曲/伸展角度与膝关节的位置有关,从而说明魏氏手法的运动学作用机理在于促进髋关节被动运动达到可达大程度.同时发现,部分关节运动角度针对下肢惯用侧存在统计学上的左右侧差异(P＜0.05).该研究为手法的研究和定量评估提供新的研究方法.
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基于Kinect的人体三维质心动态测量及准确性分析
人体三维质心(COM)对于评价人体平衡能力有很重要的意义,然而昂贵的测量仪器不适于广泛应用于普通诊所或社区医院.微软公司的Kinect设备与编程结合可作为便捷廉价的测量工具,为了分析此系统是否能用于动态测量人体三维COM及数据的准确性,本研究通过将人体合理划分成15部分,使用Kinect和动作捕捉系统同时采集4种测试动作下人体各部分端点坐标,并基于人体模型分别合成整体COM并对数据比较.测试动作包括裸足静止站立、踩泡沫板静止站立、裸足站立倾斜、踩泡沫板站立倾斜.比较10名被试者的COM轨迹数据,结果显示Kinect与动作捕捉系统相比均方根误差均值小于7.3 mm,误差均值小-2.7 mm大0.8 mm,动作幅值越大时,相对误差量越小,表明通过编程可将Kinect用于测量人体三维COM,应用于平衡能力评价.
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一种踝关节三维运动空间的量化算法
目的 结合踝关节在各方向上运动之间的约束关系,对其三维转动角度进行积分,得到三维运动空间的大小,用于更加准确全面地量化其灵活度和康复程度.方法 选取25例大学生志愿者,其中无踝关节损伤的健康者20例,近期有过踝关节损伤的患者5例.使用运动捕捉系统实时记录被测者脚上标记点的三维坐标.利用三角函数将这些坐标转化为转动角度并进行处理,通过使用多项式拟合,得到踝关节在各个方向上大转动角度随跖屈和背屈角度变化的方程.对拟合得到的方程进行积分,得到踝关节三维运动空间的大小.结果 健康人群踝关节的三维运动空间为41.256,个体间差距小于10%.患者患侧三维运动空间的大小为33.163,由于康复程度的不同,个体间差距小于15%.两组之间存在显著性差异(t=8.804,P<0.01).在同一跖屈和背屈角度下,内翻的大转动角度比外翻大,内旋的大转动角度比外旋大.结论 通过此算法能更准确地量化踝关节三维运动空间的大小,实现对踝关节灵活度和康复程度更全面的评估.
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基于光学运动捕捉系统的肩关节运动学分析研究进展
肩部的各种创伤和疾病在不同程度上影响着肩关节的运动性能，动态测量活体肩关节运动学对于更好地理解肩关节病理学及运动损伤至关重要。由于肩部复杂的解剖以及较大的活动范围，使其存在挑战。既往基于静态和动态的肩关节运动学测量技术，无法真实呈现运动过程中肩部各组织结构的分工协作关系，使得肩部的运动学研究远远滞后于临床需求。近年来，光学跟踪运动捕捉设计和技术的不断发展，成为活体肩部运动学研究的有力工具，本文特此对该领域国内外文献作一综述。
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基于三维运动捕捉技术的踩跷法运动学参数特征研究
目的 研究踩跷法运动学整体特征及局部特征,为名老专家特色手法提供数据参考.方法 应用三维运动捕捉技术记录罗才贵教授及初学者各3个完整踩跷动作,高速摄像头记录操作者下肢髋、膝、踝关节的活动,比较角度、角速度、重心速度在完整周期及重要时间点的动态变化,分析罗氏踩跷法整体及局部运动学特征.结果 与初学者相比,罗教授踩跷动作的整体特征显示髋关节、踝关节角度差异有统计学意义(P<0.01).局部特征方面显示,在重心下降低点时刻,周期1中膝关节角速度较小(P<0.05),周期3中髋关节角度偏小(P <0.05)与踝关节角速度较小(P <0.01).在重心上升膝关节打直时刻,周期1中膝关节、踝关节角速度较小及重心速度偏小(P<0.01);周期2中髋关节角速度、膝关节角速度较小(P<0.05),踝关节角度偏小(P<0.05),周期3中髋关节角速度、膝关节角速度较小(P<0.05).在重心下降膝关节屈曲大时刻,罗教授周期1中膝关节角度偏大、角速度较小(P<0.01),重心速度较小(P<0.05);周期2中重心速度偏小(P<0.05),周期3中髋关节角度、膝关节角度偏小(P<0.01).结论 罗氏动作切换过程及施力时关节角度及角速度均较小.说明罗氏踩跷整体稳定、柔和均匀之余,又注重局部"巧劲""寸劲"发力,体现了动静结合、刚柔并济的特点.
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一种基于刚体的虚拟Marker人体步态测量
高精度、快速地采集人体运动数据是人体步态测量的关键技术.试验根据人体解剖特征和正常人体步态特性,将人体划分为12块刚体(左右上臂、前臂、大腿、小腿、脚和上躯干、骨盆),总结人体运动捕捉测量中Marker点贴附的技术难点,并针对每个难点制定出相应的Marker点贴附及刚体的设计方案,同时制作与人体各部位形态匹配的12块刚体;使用NDI Optotrak Certus 运动捕捉系统对3名志愿者进行步态试验,然后将三维捕捉系统所测数据导入Visual3D软件进行人体运动学仿真分析.结果表明使用基于人体多刚体的虚拟Marker方法后,步态测量试验的工作量大大减少(试验工作量减少了25%左右),试验的稳定性能也较全部贴实体Marker时有所提高.
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基于运动捕捉残疾人计算机辅助系统的尝试
计算机在当代社会已经被普遍应用.为了帮助肢体残疾人使用计算机,本课题组进行了开发基于脑部跟踪的残疾人计算机辅助系统的尝试,初步制作成功了一种能通过三维脑部运动捕捉人脑运动轨迹、以此控制虚拟鼠标完成几个简单动作的残疾人计算机辅助系统,通过训练后可根据脑部的运动操纵计算机.本系统较之单纯利用脑电的脑-机接口有高得多的识别效率,理论上可基本消除误操作,是一项非常有价值的可望能应用于残疾人的计算机辅助系统的尝试.
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轻便低成本型人体平衡功能测量系统研究与开发进展
人体平衡的控制与保持机制十分复杂,老龄化、中风、肢体残障等因素都会导致人体运动平衡功能的障碍,故平衡功能的测试与评价在该类相关疾病的诊断与评判中起着至关重要的作用.本文总结目前人体平衡功能研究的常用设备与方法及其局限,提出基于微电子传感器系统的穿戴式人体运动捕捉系统、基于体感游戏设计的平衡检测与康复训练系统等几种轻便低价的新型人体平衡测量与训练设备的设计思路与方法.
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基于MATLAB的海量人体运动学数据批处理方法
目的 开发一种基于MATLAB的海量人群人体运动学数据批处理方法.方法 首先,基于MATLAB批读取运动捕捉系统测量的人体行为运动原始标记点坐标数据,对其进行插值处理,剔除误差点;其次,构建黏贴于人体上相邻刚体的连体基,将其作为相应关节运动学计算的刚体参考基和连体基;后,基于刚体运动学、计算刚体姿态的基本描述和方向余弦阵,计算各关节的内外展、屈/伸、内外旋角位移、角速度和角加速度.结果 本文以上楼梯和深蹲为例,应用海量人体运动学数据批处理方法对人体下肢行为运动的关节运动学进行分析计算,验证了该方法的准确性和有效性.结论 基于MATLAB的海量人群人体运动学数据批处理方法能够快速、准确地对海量人群人体运动学数据进行处理,为人体测量学、人机工程学学等统计科学提供了分析工具.
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阿托伐他汀治疗脑梗死中运动捕捉与运动评估量表和Barthel指数疗效评价的比较
目的:运动捕捉(MoCA)分析脑梗死后肢体运动状态,探讨阿托伐他汀(立普妥)对脑梗死预后影响.方法:43例脑梗死患者分对照组和阿托伐他汀组.在急性期和3个月应用运动评估量表(MAS)及Barhel指数(BI)评分;MoCA分析肢体运动状态.结果:两组3个月时与急性期比较MAS、BI均增加(P＜0.01),但组间无统计学差异;MoCA分析患侧与健侧肢体抬高高度差值的均数均减小,阿托伐他汀组明显,有统计学差异(P＜0.05),但组间无统计学差异.结论:长期应用阿托伐他汀对脑梗死预后改善不明显,需进一步研究;MoCA是一种评估运动障碍程度的较好方法.
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运动捕捉摇拔戳手法治疗踝扭伤运动轨迹相关问题研究
目的:探讨运动捕捉技术在踝部手法量化领域应用成功的关键点.方法:2017年6月至2018年1月从中国中医科学院望京医院骨科门诊收集30位外踝关节扭伤且无手法禁忌症的患者,男20例,女10例;年龄18～47岁,平均(27.76±6.14)岁;并选取1位临床经验丰富且手法操作娴熟的医师.前期试验按照运动捕捉系统预设的方案在医师双手及患者患踝表面粘贴Marker点,后期试验按照调整后的方案粘贴Marker点,然后通过数字运动捕捉镜头对医师向患者患踝施行摇拔戳手法操作过程进行动态拍摄,得到由运动捕捉系统保存、记录和描记的动态运动轨迹图.结果:前期试验得到的操作者双手及患者患踝运动轨迹繁多而杂乱,且轨迹存在中断,无法进行后续的数据的提取.后期试验得到的运动轨迹简洁且连续,并据此可提取出手法操作时间及大位移数据.结论:Marker点的数量及位置的选择、Marker点粘贴的牢固性、相机的位置调整是运动捕捉技术在踝部手法量化领域应用成功的关键点.
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魏氏伤科“悬足压膝”手法的运动学规律和机制研究
目的:探索魏氏伤科经典特色治伤手法“悬足压膝”的运动学规律和治伤机制.方法:选取10名健康青年男性施加手法操作,通过三维运动捕捉系统采集手法作用时受试者的运动学数据,利用Visual 3D软件建立人体三维运动模型,处理计算得到髋关节、膝关节和踝关节的运动角度和轨迹规律.结果:研究发现在手法操作过程中受试者下肢惯用侧部分关节运动角度较对侧差异有统计学意义(P＜0.05),且受试者双侧髋关节平均被动极限屈曲角度可达到解剖学上髋关节的被动大角度.结论:魏氏“悬足压膝”手法的治伤机制在于促进髋关节被动运动达到可达大活动角度,间接起到牵拉神经根、松解侧隐窝及突出椎间盘粘连的作用.
