[发明专利]人体骨骼的数字孪生体构建方法

说明书

一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，针对真实人体骨骼利用VR动作捕捉和传感器技术采集人体重要位置处数据，通过人工智能进行数据分类、筛选、约简与计算得到关键数据。通过人体反向动力学与生物力学算法对关键数据求解得到目标骨骼的空间方位信息与力学信息，将部分传感器数据与计算结果融合后对目标骨骼进行仿真模拟，得到目标骨骼的生物力学性能并利用多种预测算法对未知姿态下骨骼的生物力学性能进行预测；最后将性能数据建模渲染得到真实骨骼的高保真数字孪生体，实现对骨骼生物力学性能的忠实孪生映射。本发明在多种人体动作姿态下，利用穿戴式VR设备和少量传感器即可实时计算出目标骨骼的生物力学性能，能够实现对目标骨骼实时的健康检测。

技术领域

本发明属于数字孪生领域，涉及到一种基于人体动作捕捉、人体反向动力学及人工智能技术，针对人体骨骼生物力学的数字孪生体构建方法。

背景技术

随着自动化技术和计算机科学的发展，以一种虚拟数字化形式呈现真实世界物理实体的数字孪生技术出现在人们的视野中。数字孪生技术通过真实设备的物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多尺度、多物理量的仿真过程，搭建起忠实映射真实设备的数字化孪生体，在设备的全生命周期中实现对设备运行状况监测、检修维护、故障预警等的指导作用。

当前，数字孪生技术在航空、建筑、制造、物流、医疗、智慧城市等领域都有研究和应用，许多研究团体和企业都对数字孪生技术进行了深度的探索。其中在医疗领域，数字孪生技术得到了广泛的重视和认可，例如大型设备厂商GE、西门子等通过数字孪生技术，建立起医疗物联网平台实时监控每个物联网节点上的设备甚至设备上的各个零部件，由此可以实现医疗设备的预见式维修。但是目前在医疗领域中多集中于医用设备或智慧医院的数字孪生体建立，例如对医用治疗设备的运行状态的监测实现医用设备的预见性维护，以保障病人得到及时治疗；智慧医院的数字孪生体建立，以实现对整个医院运营的数字化管理与监控等等。这些医疗领域数字孪生技术的运用，不仅对整个医疗行业的发展起到极大的推进作用，也极大的造福了身患疾病的病人群体。

但是目前在医疗领域中针对病人自身身体状况的数字孪生研究尚缺乏，特别是对平时难以展现于人们眼前的人体骨骼的数字孪生技术研究更是少之又少。目前对于人体骨骼的健康监测常用手段有骨显像技术，又称“骨扫描”技术，利用放射性核素检测骨组织的形态或代谢异常；CT骨骼扫描技术通过机器发射X射线穿透人体进行显像，也是诊断骨骼是否病变所不可缺少的一项技术；利用MEMS技术的人体骨骼监测系统，通过一个以上加速度传感器和信号处理系统可以实时监测人体骨骼数据，了解人体骨骼健康状况。这些技术在一定程度上都可以获得人体骨骼的外貌信息和健康信息，但是并没有实现骨骼实时动态的高保真数字化显示和人体动作时的骨骼动作实时模拟，更没有实现在人体动作时骨骼的生物力学性能动态仿真模拟、预测和危险姿态预警等解决方案。因此针对人体骨骼，实现其骨骼动态的高保真数字化显示，在数字层面动态的对人体动作过程中的骨骼进行实时模拟与仿真分析，动态预测骨骼在各种人体动作下的生物力学性能，以确定骨骼的极限状态和人体动作是否对骨骼造成某种程度的损伤。运用人体骨骼的数字孪生体构建技术，建立起人体骨骼的虚拟数字孪生体实时动态展现人体骨骼的动作状况和生物力学性能，以实现忠实映射人体骨骼的姿态信息和健康信息，并可通过仿真预测提前预警人体危险姿态，从而避免对骨骼造成损伤，减轻病人的痛苦和保证病人的术后恢复，同时也为以后此类骨骼疾病或骨骼健康监测提供宝贵的临床数据和参考案例，促进骨骼医学方向的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于人体动作捕捉、人体反向动力学及人工智能技术，针对人体骨骼生物力学的数字孪生体构建方法。通过对人体骨骼的数字孪生体构建，实现对人体骨骼的高保真度数字化显示和内部生物力学性能的实时监测、模拟、分析、预测以及反馈控制。

本发明所要解决的技术难点包括：

(1)在处理传感器采集的数据时，如何对传感器的漂移以及噪音进行处理，以保证传感器数据的可用性和准确性。