Устройство для измерения параметров человеческого тела

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к моделированию трехмерного (3D) изображения, например, описание данных, полученных с трехмерной (3D) модели объекта. Одним из потенциальных способов применения технического решения является фитнес и медицина. Также, заявленное устройство может использоваться для автоматического снятия мерок для использования при покупке одежды через онлайн системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Антропометрия (от греч. Aνθρωπoς - человек и μετρεω - мерить) - один из основных методов антропологического исследования, который заключается в измерении тела человека и его частей с целью установления возрастных, половых, расовых и других особенностей физического строения, позволяющий дать количественную характеристику их изменчивости.
Потребность в антропометрических исследованиях обуславливается большой изменчивостью размеров тела человека. Пределы колебания размеров людей одной группы, как правило, заходят за пределы колебаний размеров людей другой группы. Это трансгрессивная изменчивость, которая обусловливает необходимость количественных определений. Результаты антропометрических измерений сравниваются по специально разработанным правилам, которые основываются на принципах вариационной статистики.
Антропометрические методы исследования можно разделить на три принципиально различные группы: а) контактные методы исследования; б) бесконтактные - измерение на расстоянии; в) биопсии.
При массовых обследованиях используют методы фотограмметрии. Различают плоскую фотограмметрию и стереофотограмметрию. Фотограмметрия позволяет определить размеры, форму и пространственные положения тела по его фотографии. При стереофотографии анализируются сразу два снимка, полученных одновременно двумя фотокамерами, расположенными на определенном расстоянии (базе) друг от друга, появляется возможность определить пространственные координаты интересующих точек. На фотографии обязательно должен быть масштаб.
Стереофотограмметрический метод позволяет подсчитать любые закругления и неправильные контуры поверхности тела спортсмена, что невозможно сделать другими антропометрическими методами.
Особенно эффективен этот метод исследования при изучении асимметрии строения тела спортсмена.
Разновидностью стереофотограмметрического метода является метод световых сечений. В его основу положен принцип получения на рельефной поверхности тела световых полос (сечений) с последующим отображением их на снимках. Световая полоса, которая как бы рассекает тело, получается в результате освещения тела человека через щелевую диафрагму осветительной лампы. Перспективность метода - простота и достаточно высокая информативность.
В последнее время все активнее используются трехмерные сканеры для тела человека - аппаратно-программные комплексы, захватывающие трехмерную модель поверхности тела человека в абсолютных размерах.
Из уровня техники известно «Устройство и способ представления трехмерного объекта на основе изображений с глубиной», Самсунг Электроникс Ко., ЛТД. (KR), RU №2189174, опубликовано 27.09.2004, содержащее генератор информации о точке наблюдения для генерирования по меньшей мере одного фрагмента информации о точке наблюдения; первый генератор изображений для генерирования цветных изображений на основе информации о цвете, соответствующей информации о точке наблюдения, соответствующих точек пикселов, составляющих объект; второй генератор изображений для генерирования изображений с глубиной на основе информации о глубине, соответствующей информации о точке наблюдения, по соответствующим точкам пикселов, составляющих объект; генератор узлов для генерирования узлов изображений, состоящих из информации о точке наблюдения, цветного изображения и изображения с глубиной, соответствующих информации о точке наблюдения; и кодер для кодирования генерированных узлов изображений.
Указанное выше устройство не предназначено для измерения всех антропометрических параметров человека, ввиду отсутствия возможности измерить вес и прочие показатели.
Из уровня техники известно устройство для создания цифровой модели человека (Apparatus and method for generating digital clone), Electronics And Telecommunications Research Institute, US 20120162218 A1, опубликовано 28.06.2012, представляющее собой устройство для создания «цифровой» модели человека на основе стандартной усредненной модели человека и ключевых снимках, с помощью которых выявляются особенности конкретного человека, и на их основании строится модель конкретного человека.
Указанное выше устройство также не предназначено для измерения всех антропометрических параметров человека, ввиду отсутствия возможности измерить вес и прочие показатели; можно отметить, что построение модели человека в этом устройстве достаточно длительное и ресурсоемкое.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Техническая проблема, решаемая с помощью заявленного устройства, заключается в устранении недостатков, присущих существующим аналогам.
Технический результат от использования данного технического решения заключается в обеспечении возможности автоматического построения 3D модели тела человека в абсолютных размерах, получении параметров на основании полученной модели, с которой затем снимаются все мерки и визуализируется изменение обхватов, а также информацию о весе и процентном содержании жира и мышц в теле.
Данный технический результат достигается за счет включения в состав устройства весоизмерительного датчика, биоимпедансметра и сенсоров глубины, сфокусированных в центр устройства.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде устройства для измерения параметров человеческого тела, которое содержит: блок питания, весоизмерительный датчик, биоимпедансметр, сенсоры глубины, сфокусированные в центр устройства, средство отображения информации, постоянное запоминающее устройство, вычислительный блок, при этом устройство представляет собой конструкцию с основанием в виде платформы с вертикальными опорами по углам основания, на каждой из которых закреплены сенсоры глубины, и вертикальной опорой с рукоятками, на которых расположены электроды биоимпедансметра, в центре основания.
В качестве весоизмерительного датчика может выступать тензометрический датчик.
Весоизмерительный датчик может располагаться в центре основания устройства.
Биоимпедансметр может содержать 4 электрода для снятия данных. Электроды биоимпедансметра могут располагаться в центре основания устройства.
Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном и функциональном исполнении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - изображение одного из вариантов реализации устройства;
Фиг. 2 - пример одного из вариантов визуализации результатов работы устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Ниже будут рассмотрены некоторые термины, которые в дальнейшем будут использоваться при описании технического решения.
Антропометрия (от греч. Aνθρωπoς - человек и μετρεω - мерить) - один из основных методов антропологического исследования, который заключается в измерении тела человека и его частей с целью установления возрастных, половых, расовых и других особенностей физического строения, позволяющий дать количественную характеристику их изменчивости.
Биоимпеданс - сопротивление биологических тканей тела при прохождении электрического тока. Вода, кровь (содержимое полых органов человеческого тела) хорошо проводят ток, т.к. у них низкий импеданс. Ткани же более плотные (мышцы, нервы и органы) проводят его слабее.
Биоимпедансный анализ (БИА) - это современный высокоточный аппаратный метод определения состава тела человека, основанный на измерении электрического сопротивления тканей человеческого тела.
Сенсор глубины - физическое устройство с технологией распознавания глубины.
В данном техническом решении технический результат от использования данного технического решения в обеспечении возможности автоматического построения 3D модели тела человека в абсолютных размерах, получении параметров на основании полученной модели, с которой затем снимаются все мерки и визуализируется изменение обхватов, а также информацию о весе и процентном содержании жира и мышц в теле за счет включения в состав устройства весоизмерительного датчика, биоимпедансметра и сенсоров глубины, сфокусированных в центр устройства.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде устройства для измерения параметров человеческого тела, которое содержит: блок питания, весоизмерительный датчик, биоимпедансметр, сенсоры глубины, сфокусированные в центр устройства, средство отображения информации, постоянное запоминающее устройство, вычислительный блок, при этом устройство представляет собой конструкцию с основанием в виде платформы с вертикальными опорами по углам основания, на каждой из которых закреплены сенсоры глубины, и вертикальной опорой с рукоятками, на которых расположены электроды биоимпедансметра, в центре основания. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном и функциональном исполнении.
В качестве весоизмерительного датчика - может выступать тензометрический датчик - датчик, преобразующий величину деформации в пригодный для измерения сигнал (обычно электрический), основной компонент тензометра (прибора для измерения деформаций). Тензорезистивный датчик обычно представляет собой специальную упругую конструкцию с закрепленным на ней тензорезистором и другими вспомогательными деталями. После калибровки, по изменению сопротивления тензорезистора можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.
Биоимпедансный анализ - это контактный метод измерения электрической проводимости тела, позволяющий оценивать объемы клеточной и внеклеточной жидкости, а также жировую, безжировую, клеточную и мышечную массу тела. В качестве эталона для оценки объемов водных секторов и клеточной массы тела используют методы разведения и определения естественной радиоактивности всего тела, а для других компонент состава тела - подводное взвешивание, двухэнергетическую рентгеновскую денсито-метрию, магнитно-резонансную томографию и др. Биоимпедансный анализ применяется для мониторинга изменений состава тела в бодибилдинге, фитнесе, спортивной и клинической медицине. Метод основан на измерении импеданса всего тела или отдельных сегментов тела с использованием специальных приборов - биоимпедансных анализаторов. Электрический импеданс биологических тканей имеет два компонента: активное и реактивное сопротивление. Материальным субстратом активного сопротивления в биологическом объекте являются жидкости (клеточная и внеклеточная), обладающие ионным механизмом проводимости. Субстратом реактивного сопротивления (диэлектрический компонент импеданса) являются клеточные мембраны. По величине активного сопротивления рассчитывается объем воды в организме (ОВО), невысокое удельное сопротивление которой обусловлено наличием электролитов. Электрическое сопротивление жировой ткани примерно в 5-20 раз выше, чем основных компонентов безжировой массы (БМТ). Установлена высокая корреляция между импедансом тела и величинами ОВО, БМТ и жировой массы.
С помощью биоимпедансметра, входящего в состав устройства (в одном из вариантов реализации) можно определить:
- жировую и безжировую массы;
- процентное содержание жира в организме;
- индекс массы тела (показатель, используемый для оценки степени ожирения или истощения);
- основной обмен веществ (ккал.);
- активную клеточную массу (мышцы, органы, мозг и нервные клетки);
- количество внеклеточной, внутриклеточной и общей жидкости;
- соотношение Na/K.
В одном из вариантов реализации устройства биоимпедансметр может содержать 4 электрода для снятия данных с рук и ног исследуемого человека. Электроды биоимпедансметра могут располагаться в центре основания устройства, при этом электроды биоимпедансметра, расположенные на вертикальной опоре в центре основания, могут быть расположены в области рукояток - таким образом, для того, чтобы осуществить процедуру сканирования пользователю необходимо встать в центр основания устройства и положить обе руки на рукоятки, либо взяться обеими руками за рукоятки.
В качестве сенсоров глубины в одном из вариантов реализации устройства могут быть использованы датчики Microsoft Kinect.
Kinect в первую очередь предназначен для естественного взаимодействия в среде компьютерных игр. Тем не менее, характеристики данных, захваченных Kinect, позволяют успешно их применять в области отображения и 3D моделирования. Kinect датчик фиксирует глубину и цвет изображения одновременно с частотой 30 кадров в секунду.
Сенсор Kinect состоит из инфракрасного излучателя, инфракрасной камеры и камеры RGB. Изобретатели описали измерение глубины, как процесс триангуляции. Лазерный источник испускает один луч, который разделен на несколько пучков с дифракционной решеткой для создания постоянной структуры и проецируется на сцену. Эта модель захватывается инфракрасной камерой и соотносится с эталонной. Эталонная модель получается путем захвата плоскости на известном расстоянии от датчика, и хранится в памяти датчика. Когда спектр проецируется на объект, расстояние до сенсора меньше или больше, чем в контрольной плоскости положение спектра в инфракрасном изображении будет смещено в сторону базовой между лазерным проектором и перспективы центра инфракрасной камеры. Эти изменения измеряются для всех областей простой процедурой корреляции изображения, что дает несоответствие изображения.
Сенсор глубины передает 3 отдельных канала данных: цветной видеоканал с RGB камеры, амплитудное изображение с инфракрасной камеры и карту глубин опять-таки с инфракрасной камеры. Карта глубин представляет из себя изображение, значение каждого пикселя которой равно расстоянию от камеры до точки объекта. При этом расстояние измеряется в абсолютных единицах (в случае Kinect v2 - в миллиметрах).
Таким образом, зная внутренние параметры инфракрасной камеры (интринсики) можно рассчитать абсолютное положение точки, перейдя от пиксельных координат к трехмерных координатам, связанных с положением сенсора:
x
y
x
y
x
y
x
y
, где x, y, z - трехмерные координаты точки (z - значение в соответствующем пикселе карты глубин), u, ν - двухмерные координаты точки на карте глубин, c, c - координаты оптического центра инфракрасной камеры (точки, в которой оптическая ось пересекается с плоскостью сенсора), ƒ, ƒ - проекции фокусного расстояния инфракрасной камеры на соответствующие оси. Задачей калибровки интринсиков камеры является определение значений c, c, ƒ, ƒ. В случае с Microsoft Kinect v2 все сенсоры проходят заводскую калибровку и имеют заранее вшитые значения данных параметров.
Более того, можно также считать значения коэффициентов радиальной дисторсии, с помощью которых перед подсчетом абсолютных координат точек корректируется карта глубин:
0
1
2
3
2
4
6
u=u(1+kr+kr+kr)
0
1
2
3
2
4
6
ν=ν(1+kr+kr+kr)
2
2
2
r=u+ν,
0
0
1
2
3
где u, ν - координаты пикселей на карте глубин до коррекции (на изначально полученной с сенсора), k, k, k - коэффициенты дисторсии.
На Фиг. 1 приведено схематичное изображение одного из вариантов реализации описываемого устройства. На нем представлены: сенсоры глубины 101, два электрода биоимпедасметра для рук 102, платформа с весами и двумя из четырех электродов биоимпедансметра 103.
В одном из вариантов реализации описываемого устройства используются 12 сенсоров глубины, сфокусированных в центр устройства, при этом устройство представляет собой конструкцию с основанием в виде квадрата со стороной 170 см с вертикальными опорами по углам основания, на каждой из которых закреплено по 3 сенсора глубины таким образом, чтобы 1 сенсор глубины располагался на уровне 55 см от основания под углом в 5 градусов, 2 сенсор глубины располагался на уровне 160 см от основания под углом в 15 градусов, 3 сенсор глубины располагался на уровне 210 см от основания под углом в 25 градусов. Данные параметры были получены опытным путем и позволяют достичь оптимальное время фокусировки сенсоров глубины и сканирования объекта.
В одном из вариантов реализации описываемого устройства в качестве средства отображения информации может быть использован жидкокристаллический дисплей. Пример визуализации результатов работы устройства изображен на Фиг. 2.
Под вычислительным блоком подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы). Вычислительный блок считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более постоянного запоминающего устройства. В роли постоянного запоминающего устройства могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флэш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.
Специалисту в данной области, очевидно, что конкретные варианты осуществления устройства для измерения параметров человеческого тела были описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема технического решения.