用于关节夹角测量的高精度测量系统、方法及存储介质与流程

1.本发明总体上涉及一种用于关节夹角测量的高精度测量系统，并且进一步涉及用于关节夹角测量的高精度测量方法以及实现这种方法的存储介质。


背景技术：

2.膝关节骨性关节炎在对患者的生活质量影响到一定程度时通常会以全膝关节置换术(tka)进行治疗，即将病变的膝关节替换为人工膝关节。其他膝关节的其他疾病，比如创伤、风湿性关节炎等，也可能会采用tka手术进行治疗。tka手术后必须进行康复锻炼，才能在关节活动度、肌力、平衡能力等方面逐步恢复到正常水平，提高患者的生活质量。tka康复锻炼基于一套循序渐进的特定动作来进行，因此对动作幅度、数量有特定要求，以达到良好的康复效果，同时不造成额外的伤害。
3.在智慧医疗、数字疗法的大背景下，实现远程的、自助的康复锻炼是提升医疗服务可及性、降低医疗成本的有效途径和研究热点。具体地，在tka康复方面，实现了借助可穿戴设备智能系统实施的辅助康复疗法。该可穿戴设备智能系统通常是由两个集成了三轴(加速度计)或六轴(加速度计和角速度计)的惯性传感器的设备以及配套的手机app构成。该两个设备分别佩戴于大腿或小腿的正面或侧面以达到膝关节夹角测量的目的。


技术实现要素：

4.然而，上述借助可穿戴智能系统进行膝关节角度的计算方法的前提假设是由大腿-膝关节-小腿构成的下肢平面垂直于地面，否则无法通过简单计算来直接得到膝关节角度。而在实际使用场景中，很难保证患者的下肢平面完全垂直于地面，往往膝盖-小腿存在向外倾斜的情况。
5.本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题中的一些或者全部。
6.根据本技术的一个方面，提供了一种用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，其至少包括：数据采集模块，其被构造为分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息；第一肢体角度计算模块，其被构造为基于数据采集模块所采集的与第一肢体相关的相应惯性信息计算所述第一肢体与竖直方向之间的夹角；第二肢体角度计算模，其被构造为基于数据采集模块所采集的与第二肢体相关的相应惯性信息计算第二肢体与竖直方向之间的夹角；关节夹角计算模块，其被构造为基于第一肢体角度计算模第二肢体角度计算模块所计算的相应夹角计算所述节的夹角。
7.进一步地，所述关节为膝关节，第一肢体为大腿且第二肢体为小腿。
8.进一步地，第一肢体与竖直方向之间的夹角被计算为其中，a
y1
和a
z1
分别表示第一肢体基于笛卡尔坐标系x,y,z三个坐标轴方向中的y轴和z轴的加速度数值。
9.进一步地，第二肢体与竖直方向之间的夹角被计算为其中，a
y2
和a
z2
分别表示第二肢体基于笛卡尔坐标系x,y,z三个坐标轴方向中的y轴和z轴的加速度数值。
10.进一步地，关节夹角被计算为第一肢体与竖直方向之间的夹角和第二肢体与竖直方向之间的夹角的和值或者差值，其中，和值或者差值的选择取决于用户采用的具体姿态。
11.进一步地，当小腿前面面朝向前下方时，关节夹角被计算为和值；并且当小腿前面面朝向前上方时，关节夹角被计算为差值，其中，小腿前面的朝向基于关于第二肢体的a
z2
的测量方向确定，使得如果a
z2
为正则表明小腿前面面朝向前上方且如果相反则表明小腿前面面朝向前下方。
12.进一步地，系统还包括校准模块，其被构造为在测量关节夹角之前基于数据采集模块所采集的惯性数据确定数据采集模块的安装和定位是否合理。
13.进一步地，系统还包括倾斜角度计算模块，其被构造为基于数据采集模块所采集的惯性信息确定肢体平面相对于竖直平面的倾斜度。
14.根据本技术的另一方面，提供了一种用于关节夹角测量的高精度测量方法，其中，其包括如下步骤：分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息；基于所采集的关于所述第一肢体的相应惯性信息计算所述第一肢体与竖直方向之间的夹角，基于所采集的关于所述第二肢体的相应惯性信息计算所述第二肢体与竖直方向之间的夹角，基所述第一肢体与所述竖直方向之间的夹角以及所述第二肢体与所述竖直方向之间的夹角计算所述关节夹角。
15.根据本技术的另一方面，提供了一种存储介质，其存储指令，当所述指令被执行时，所述指令实现如前所述的方法。
16.借助本发明，能够在更灵活的环境下，例如即使患者的下肢平面不完全垂直于地面的情况下，确保对膝关节角度的计算的高精度。
附图说明
17.本发明的其他优点和方面参照以下参考附图所作的详细描述而更为显见，其中：
18.图1是根据本发明的用于膝关节夹角测量的高精度测量系统的示意框图；
19.图2是根据本发明的用于膝关节夹角测量的高精度测量方法的流程图；以及
20.图3是根据本发明的用于膝关节夹角测量的高精度测量系统的总体图。
具体实施方式
21.在发明的上下文中，相同的附图标记标示相同或相似的元件或部分。
22.图1是根据本发明的用于关节夹角测量的高精度测量系统1的示意框图。在本发明的实施例中，进行夹角测量的关节为膝关节，但是，本领域技术人员应该知晓，进行夹角测量的关节可以为任意关节而不脱离本发明的范围。
23.根据本发明的用于关节夹角测量的高精度测量系统1至少包括处理器12，所述处理器12至少包括数据采集模块1202、第一肢体角度计算模块1204、第二肢体角度计算模块1206以及关节夹角计算模块1208。在本技术的实施例中，将参考膝关节对本技术的高精度
测量系统1进行描述，在这种情况下，该第一肢体对应于大腿而第二肢体对应于小腿。
24.在本发明的实施例中，数据采集模块1202被构造为分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息。在本技术的实施例中，惯性信息例如包括加速度信息、角速度信息中的至少一者或者两者。因此，该数据采集模块例如被构造为加速度计和/或角速度计等惯性传感器。在同时采用加速度计和/或角速度计的情况下，该数据采集模块1202被构造为采集第一肢体和第二肢体的相应六轴惯性信息。在后文的描述中，为了简化对于本发明的描述的复杂程度是的本领域技术人员更好地理解本发明，将采用仅采取加速度计的数据采集模块作为示例进行描述。然而，本领域普通技术人员需要理解，这并非限制性的，而是可以进行各种变换。
25.在膝关节中，在数据采集模块1202采用三轴加速计的情况下，该高精度测量系统1的数据采集模块1202将获得关于第一肢体和第二肢体的基于笛卡尔坐标系x,y,z三个坐标轴方向的加速度数值a
x
,ay,az。该笛卡尔坐标系x、y、z三轴的相应定义如下：对于笔直站立且适当佩戴(例如数据采集模块的正面大体平行于肢体的正面)数据采集模块的人员而言，y轴或y轴方向对应于笔直站立的人员的竖直方向，当肢体发生各种动作或者运动时，该y轴或y轴方向始终对应于沿肢体的皮肤相切表面的方向。x轴或者x轴方向对应于笔直站立的人员的竖直方向的左右方向。z轴或者z轴方向对应于笔直站立的人员的竖直方向的前后方向。该三个轴彼此垂直且随着肢体的任何运动或者移动一并运动或者移动。
26.假设该惯性传感器在第一肢体，例如大腿上的佩戴方式为y轴朝上，x轴朝左，z轴朝前，则在静止站立时，该数据采集模块例如大体获得如下惯性信息：a
y1
≈1g(g为重力加速度值)，a
x1
＝a
z1
＝0；而当坐下时，该数据采集模块例如大体获得如下惯性信息：a
z1
≈1g，a
x1
＝a
y1
＝0。基于此，可以确定，在用户半蹲时，该数据采集模块例如大体获得如下惯性信息：a
x1
＝0，a
y1
≠0且a
z1
≠0。实际上，对于第二肢体，例如小腿而言，由该数据采集模块获取大体类似的惯性数据。换言之，在仅采用三轴加速度计的情况下，在本发明的实施例中，数据采集模块被构造为分别获取设置于形成目标关节的第一肢体和第二肢体上的加速度计的三轴加速度信息。
27.第一肢体角度计算模块1204被构造为基于数据采集模块所采集的相应惯性信息计算第一肢体与竖直方向(也即垂直于水平地面的上下方向)之间的夹角。如前所述，在数据采集模块1202仅采用三轴加速度计的情况下，基于设置于第一肢体上的数据采集模块1202所采集的三轴加速度信息，该第一肢体与竖直方向之间的夹角例如可以确定为其中，a
y1
、a
z1
的含义与上述相似，在此不再赘述。实际上，在由第一肢体-关节-第二肢体(例如大腿-膝关节-小腿)构成的肢体平面垂直于水平地面的情况下，上式可以简化为：然而在实际使用场景中，很难保证患者的肢体平面完全垂直于水平地面，往往第一肢体-第二肢体向外倾斜。在这种情况下，为了避免这种倾斜对第一肢体与竖直方向之间的夹角的计算的影响，在此先将重力向量g投影至y-z平面(也即
肢体平面)内而使得在该平面内的重力向量的投影为：使得在计算第一肢体与竖直方向之间的夹角时能够排除肢体平面的倾斜的影响，从而提高对第一肢体角度的测量的精确度。
28.类似地，第二肢体角度计算模块1206被构造为基于数据采集模块1202所采集的相应惯性信息计算第二肢体与竖直方向(也即垂直于水平地面的上下方向)之间的夹角。如前所述，在数据采集模块1202仅采用三轴加速度计的情况下，基于设置于第二肢体上的数据采集模块1202所采集的三轴加速度信息，该第二肢体与竖直方向之间的夹角例如可以确定为其中，a
y2
、a
z2
的含义与上述相似，在此不再赘述。
29.关节夹角计算模块1208被构造为基于第一肢体角度计算模1204和第二肢体角度计算模块1206所计算的相应角度计算该关节的夹角。具体地，在本发明的上下文中，关节夹角例如被计算为α+β或者α-β，其中，在+或者-取决于用户采用的具体姿态。在第一肢体为大腿且第二肢体为小腿的情况下，当小腿前面面朝向前下方时，该关节夹角例如被计算为α+β；并且当小腿前面面朝向前上方时，该关节夹角例如被计算为α-β，其中该小腿前面的朝向能够基于关于第二肢体的a
z2
的测量方向(或者正负)进行确定，例如，如果a
z2
为正，则表明小腿前面面朝向前上方，相反，则表明小腿前面面朝向前下方。
30.这种简单地相加或者相减确定关节的夹角的计算过程尤其有利，其显著降低了测量系统的计算复杂程度。相比于现有技术中未能将肢体平面不垂直于水平地面的情况进行考虑的情况相比，这种通过将重量向量进行投影进行角度校准的过程能够在不显著增加计算复杂度的情况下强化该测量系统的精度。
31.在本技术的实施例中，用于关节夹角测量的高精度测量系统1还可以包括输出模块1210，其被构造为输出上述三个模块的计算结果。
32.进一步地，在本技术的实施例中，用于关节夹角测量的高精度测量系统1还可以包括校准模块1212，其被构造为能够在测量关节夹角之前基于数据采集模块1202的惯性数据确定数据采集模块1202的安装和定位是否合理。具体地且作为示例，校准模块1212能够基于使得用户按照指令采取对应的动作并记录数据采集模块1202的惯性数据来确定数据采集模块1202是否安装且定位合理，例如，确定数据采集模块1202是否上下颠倒安装、是否准确地安装于第一肢体或第二肢体的理想位置(例如前侧)。
33.还进一步地，在本技术的实施例中，用于关节夹角测量的高精度测量系统1还可以包括存储器14，其例如存储用于提示用户采取对应的动作的提示信息等各种基础信息。
34.还进一步地，在本技术的实施例中，用于关节夹角测量的高精度测量系统1还可以包括倾斜角度计算模块1214，其被构造为基于数据采集模块1202所采集的惯性信息确定肢体平面相对于竖直平面的倾斜度。作为示例性且非限制性的，在第二肢体为小腿的情况下，该倾斜度例如被计算为该计算的原理在于，对于下肢而言，下肢相对于竖直平面的倾斜程度很大程度由小腿主导，也即，小腿的变化幅度和程度通常大于大腿且大腿的运动动作显著基于小腿的配合，在这种情况下，能够大体将小腿相对竖直平面的倾
斜程度近似等于整个下肢平面相对于竖直平面的倾斜程度。当然，对于不同的关节而言，存在不同的主导肢体并且倾斜度的计算方式可能存在差异。当然，也存在两个肢体都强烈的影响倾斜度的关节，在这种情况下，则可以基于第一肢体和第二肢体两者的惯性信息来实现对于该倾斜度的计算。
35.有利地，本技术范围的用于关节夹角测量的高精度测量系统1的存储器14例如为u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等或者其他可存储数据的硬件存储。进一步地，根据本发明的存储器可14以包括数据库、云存储等软件存储。进一步地，存储器可以包括还可以存储用于实现本技术的用于关节角度的高精度测量系统的功能的任何软件程序。
36.图2示出了根据本发明的优选实施例的用于关节夹角测量的高精度测量方法的流程图。在本技术的实施例中，用于关节夹角测量的高精度测量方法包括如下步骤。
37.在步骤200处，分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息。
38.在步骤202处，基于数据采集模块所采集的相应惯性信息计算第一肢体与竖直方向(也即垂直于水平地面的上下方向)之间的夹角。
39.在步骤204处，基于数据采集模块所采集的相应惯性信息计算第二肢体与竖直方向(也即垂直于水平地面的上下方向)之间的夹角。
40.在步骤206处，基于第一肢体角度计算模和第二肢体角度计算模块所计算的相应角度计算该关节的夹角。
41.可选地，在步骤200之前包括步骤208，基于数据采集模块的惯性数据确定数据采集模块的安装和定位是否合理。
42.可选地，该方法还包括步骤210，基于数据采集模块所采集的惯性信息确定肢体平面相对于竖直平面的倾斜度。
43.需要理解的是，虽然在图2中示出了该用于关节夹角测量的高精度测量方法包括步骤208和210，但是本领域技术人员将理解，该两个步骤仅是优选地并且可以省略，在此仅以优选实施例示出。
44.如图3所示，图3示出了根据本发明的实施例的用于关节角度的高精度测量系统的总体结构图，其中，基于相同的发明构思，所述用于关节角度的高精度测量系统总体上至少包括如下部件：处理器301、存储器302、通信接口303和总线304；其中，所述处理器301、存储器302、通信接口303通过所述总线304完成相互间的通信；所述通信接口303用于实现用于关节角度的高精度测量系统的信息交互通信以及与其他软件或硬件的信息传输；所述处理器301用于调用所述存储器302中的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本技术之前所述的用于关节角度的高精度测量系统1所执行的流程。
45.基于相同的发明构思，本发明的又一实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本技术之前所述的用于关节角度的高精度测量系统所执行的流程，在此不再赘述。
46.此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得
一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述用于辅助疾病推理的系统所执行的流程的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
47.对于本发明实施例提供的计算机可读存储介质，其上存储的计算机程序的工作原理和有益效果和上述实施例提供的用于关节角度的高精度测量系统类似，具体内容和参见上述实施例的介绍，本发明实施例对此不再详述。
48.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
49.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分。
50.还应该理解，可以根据具体要求而进行各种变型。例如，也可以使用定制硬件，和/或可以用硬件、软件、固件、中间件、微代码，硬件描述语言或其任何组合来实现特定元件。例如，所公开的用于辅助疾病推理的系统及其所执行的流程中的一些或全部可以通过使用根据本公开的逻辑和算法，用汇编语言或硬件编程语言(诸如verilog，vhdl，c++)对硬件(例如，包括现场可编程门阵列(fpga)和/或可编程逻辑阵列(pla)的可编程逻辑电路)进行编程来实现。
51.还应该理解，前述用于关节角度的高精度测量系统所执行的流程可以通过服务器-客户端模式来实现。例如，客户端可以接收用户输入的数据并将所述数据发送到服务器。客户端也可以接收用户输入的数据，进行前述用于关节角度的高精度测量系统所执行的流程中的一部分处理，并将处理所得到的数据发送到服务器。服务器可以接收来自客户端的数据，并且执行前述用于辅助疾病推理的系统所执行的流程或前述用于关节角度的高精度测量系统所执行的流程中的另一部分，并将执行结果返回给客户端。客户端可以从服务器接收到用于关节角度的高精度测量系统所执行的流程的执行结果，并例如可以通过输出模块呈现给用户。
52.还应该理解，用于关节角度的高精度测量系统的组件可以分布在网络上。例如，可以使用一个处理器执行一些处理，而同时可以由远离该一个处理器的另一个处理器执行其他处理。用于关节角度的高精度测量系统的其他组件也可以类似地分布。这样，用于关节角度的高精度测量系统可以被解释为在多个位置执行处理的分布式计算系统。
53.虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者
可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。

技术特征：
1.一种用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，其至少包括：数据采集模块，其被构造为分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息；第一肢体角度计算模块，其被构造为基于所述数据采集模块所采集的与所述第一肢体相关的相应惯性信息计算所述第一肢体与竖直方向之间的夹角；第二肢体角度计算模，其被构造为基于所述数据采集模块所采集的与所述第二肢体相关的相应惯性信息计算所述第二肢体与所述竖直方向之间的夹角；关节夹角计算模块，其被构造为基于所述第一肢体角度计算模和所述第二肢体角度计算模块所计算的相应夹角计算所述关节的夹角。2.根据权利要求1所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，所述关节为膝关节，所述第一肢体为大腿且所述第二肢体为小腿。3.根据权利要求1或2所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，所述第一肢体与竖直方向之间的夹角被计算为其中，a
y1
和a
z1
分别表示所述第一肢体基于笛卡尔坐标系x,y,z三个坐标轴方向中的y轴和z轴的加速度数值。4.根据权利要求1或2所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，所述第二肢体与竖直方向之间的夹角被计算为其中，a
y2
和a
z2
分别表示所述第二肢体基于笛卡尔坐标系x,y,z三个坐标轴方向中的y轴和z轴的加速度数值。5.根据权利要求2所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，所述关节夹角被计算为所述第一肢体与竖直方向之间的夹角和所述第二肢体与竖直方向之间的夹角的和值或者差值，其中，和值或者差值的选择取决于用户采用的具体姿态。6.根据权利要求5所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，当小腿前面面朝向前下方时，所述关节夹角被计算为所述和值；并且当所述小腿前面面朝向前上方时，所述关节夹角被计算为差值，其中，所述小腿前面的朝向基于关于第二肢体的a
z2
的测量方向确定，使得如果a
z2
为正则表明所述小腿前面面朝向所述前上方且如果相反则表明所述小腿前面面朝向所述前下方。7.根据权利要求1或2所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，其还包括校准模块，其被构造为在测量所述关节夹角之前基于所述数据采集模块所采集的惯性数据确定所述数据采集模块的安装和定位是否合理。8.根据权利要求1或2所述的用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，其还包括倾斜角度计算模块，其被构造为基于所述数据采集模块所采集的惯性信息确定肢体平面相对于竖直平面的倾斜度。9.一种用于关节夹角测量的高精度测量方法，其中，其包括如下步骤：分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息；基于所采集的关于所述第一肢体的相应惯性信息计算所述第一肢体与竖直方向之间的夹角，基于所采集的关于所述第二肢体的相应惯性信息计算所述第二肢体与竖直方向之间
的夹角，基所述第一肢体与所述竖直方向之间的夹角以及所述第二肢体与所述竖直方向之间的夹角计算所述关节夹角。10.一种存储介质，其存储指令，当所述指令被执行时，所述指令实现如权利要求9所述的方法。

技术总结
一种用于关节夹角测量的高精度测量系统，其中，其至少包括：数据采集模块，其被构造为分别获取形成目标关节的第一肢体和第二肢体的相应惯性信息；第一肢体角度计算模块，其被构造为基于数据采集模块所采集的惯性信息计算其与竖直方向之间的夹角；第二肢体角度计算模，其被构造为基于数据采集模块所采集的惯性信息计算其与竖直方向之间的夹角；关节夹角计算模块，其被构造为基于所计算的相应夹角计算所述节的夹角。本发明还涉及一种用于关节夹角测量的高精度测量方法以及实现该方法地存储介质。借助本发明，能够在更灵活的环境下，例如即使患者的下肢平面不完全垂直于地面的情况下，确保对膝关节角度的计算的高精度。确保对膝关节角度的计算的高精度。确保对膝关节角度的计算的高精度。


技术研发人员：李景阳 张天维
受保护的技术使用者：北京欧应科技有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/21