论文部分内容阅读
人体失稳现象包括全身质心超出稳定边界导致的失衡、未及时调整身体姿态导致的失重、以及跌倒瞬间触地碰撞等。失稳后跌倒会造成躯体器质性伤害外,还存在继发性损害、运动功能减退、心理障碍等后果,损害人体生活质量和健康。随着我国老龄化日益加剧,跌倒是我国老年人面临的重大健康问题,将给我国医疗系统及社会造成沉重负担。人体动态稳定性控制理论对老年人防跌倒、运动疾病客观估计以及神经退行性疾病的客观诊断中具有重要意义。与一般行为识别不同,失稳行为检测依赖的三维姿态估计技术,具有自己的特点:一,已有的动态姿势稳定性分析局限在矢状面内,无法完整描述真实的运动情况。二,已有的人体姿态估计方法需要患者佩戴多种传感器或光学标志,可能影响运动和导致心理不适。这两个方面的特点极大地增加了基于三维姿态估计对失稳行为检测的难度。针对人体三维重建在失稳检测中的特点,结合中国正常成年人体的运动特性,分别对姿态估计和失稳行为识别任务,设计出三维骨架模型和动态稳定度量参数,来实现基于三维姿态估计的人体动态稳定性的实时分析,并在国人数据集上对方法进行了测评,验证了方法的有效性和可靠性。本论文的研究工作主要包括:第一部分:针对形态和结构异常复杂的人体系统,简化人体结构为倒立摆模型,基于牛顿欧拉方程推导出动态稳定性模型。基于该模型,计算步行过程中单腿支撑相的全身质心位置、速度及速度稳定域、加速度及加速度稳定域等运动参数,提出动态稳定性参数,给出明确统一的稳定性判定变量,能够敏感地反映出个体间动态稳定性的细微差异。第二部分:针对目前3D人体数据集偏少、采集难度高、数据注释工作量大等问题,构造出新的数据集,采集数据共有145例,按照年龄段进行分组,其中20-50岁有24例,50-70岁有32例,70-80岁有45例,80-100岁有44例。涵盖了各种日常动作,包括单腿站立、步行、步行中转身、步行中绕过障碍、上下楼梯、坐起-行走、蹲起-行走等。从不同角度收集了超过106.2万个人体姿势,包含了丰富的2D/3D姿态注释,用于估计人体三维姿态的同时,可计算出人体质心位置、速度与加速度、足底压力等运动参数。第三部分:针对单一人体基本面表达能力不足的问题,基于人体质心位置-速度、人体质心位置-加速度与稳定域的映射机理,构造与时间无关的人体动态姿势稳定区域,并在左腿站立、右腿站立、左踢腿、右踢腿、步行、坐起-站立的过程中,分析不同人体基本面的稳定情况。在左腿站立、右踢腿、步行时,青年组的标准化人体质心初始速度大于老年组,青年组的标准化人体质心加速度峰值的绝对值大于老年组;在右腿站立、左踢腿、坐起-站立时,青年组的标准化人体质心初始速度的绝对值大于老年组,青年组的标准化人体质心加速度峰值大于老年组。这表明,随着年龄的增长,人体动态稳度在下降。另外,左腿站立、右踢腿、步行、坐起-站立时,青年受试者的标准化人体质心初始速度与加速度峰值点落在瞬时速度、加速度的稳定域边界外的比率明显低于老年受试者的,这说明受试者对动量能力的控制是存在差异的。第四部分:针对三维姿态估计对光学传感信息的依赖问题,提出了无标记三维姿态估计算法,通过采用成熟通用的OpenPose结合3DposeNet和信号处理技术,有效地估计人体的运动步态指数。基于实验室的光学运动捕捉是一种合理的基线预测器,而三维无标记姿态估计网络在统计学上显著接近基线模型。在测试-重测试上,有/无标记的运动分析方法的ICC内部一致性测定均为可接受（ICC＞0.41,p＜0.05）,表明无标记的运动分析方法具有可靠性。另外,在有/无标记的运动分析方法之间的特性比较时,SDC值较小（0.040＜SDC＜0.071）,表明能够检测出测量值之间的微小实际差异。并且RTS为0.034,RUX为0.018,RTX为0.081,RSX为0.047,不具有显著性差异（p＞0.05）,ICC估计超过了0.61,表明良好的有效性;Bland-Altman曲线分布与ICC计算结果保持一致,这表明基于视频图像分析可以作为临床外步态的定量评估,有利于预测步态异常或跌倒风险。本论文的创新点主要有:（1）扩展了倒立摆模型的适用性,定义了稳定域、稳度等动态稳定性参数,全面地分析了人体运动时的动态稳定性。（2）划分了不同动作在不同基本面上的稳定界限,精确地描述了矢状面、冠状面稳定性。（3）从RGB图像中直接采集获取了人体的三维信息,与三维运动捕捉系统的输出结果进行了比较,结果一致性较好。