CN100348153C - 一种肱骨头置换后结节位移的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种肱骨头置换后结节位移的检测装置，属于生物力学实验技术领域。本装置中的标定圆盘固定在圆盘基座上，加载摇杆安装在标定圆盘上。两个夹持片固定在加载摇杆的中心，待测肱骨头的一端安装在两个夹持片的中间的定位槽内，待测肱骨头的另一端带有肩胛，肩胛固定在肩胛骨夹持机构上。模拟活体肌肉拉伸力系统的两个滑轮分别固定在滑轮基座和肩胛骨夹持机构上，绳子的一端固定在肩胛上，绳子的另一端挂有重物。双目计算机视觉系统对准标志肱骨头结节点的标志物。数据采集处理系统与双目计算机视觉系统相连。本发明的检测装置，不仅满足了内外旋和前屈两种不同实验的要求，而且解决了对中不准造成的附加载荷的问题，大大减少了实验费用。
Description
技术领域
本发明涉及一种肱骨头置换后结节位移的检测装置，属于生物力学实验技术领域。
背景技术
人工肱骨头置换术是治疗复杂的肱骨头近端骨折的一种有效的方法。在1970年，Neer在他的论文《Displaced proximal humeral fractures》中首先报道了在明显移位的三部分、四部分肱骨头近端骨折及骨折脱位的病人中运用人工肱骨头头置换治疗的效果。90％的病人术后均得到了满意的效果。但复习此后的文献发现，其他的任何作者均不能复制出Neer的手术的效果。这些作者所报道的术后效果明显不如Neer的结果，有时关节置换后的效果甚至是令人失望的。由此可见对于复杂的肱骨头近端骨折的病人实施人工肱骨头头置换术术后并不一定满意。
导致手术效果不满意的原因有很多，术后结节愈合问题也是影响最终术后效果的原因之一。术后最常见的并发症即为大结节的畸形愈合，其中又以大结节向上方移位多见。这种大结节的异常上移会导致术后病人出现疼痛、活动范围受限以及其他由于撞击所致症状。
因此对结节术后康复时被动运动中的位移的实验研究，一直是国内外热点。Mark A.Frankle等人(Stability of tuberosity reattachment in proximal humeral hemiarthroplasty，Journal of Shoulder and Elbow Surgery，September/October 2002，413～420)曾使用水银应变计进行研究。由于采用的是这样一种接触式的测量方法，受到水银应变计的预拉力的影响，他们得到的结果显然偏小。
一些非接触式的测量方法，诸如X射线法、全息干涉、示踪法等等都已经在生物力学实验中得到了应用，但在肱骨头头置换术领域还鲜有报道。Lieven F.De Wilde等人(A new prosthetic design for proximal humeral fractures：Reconstructing the glenohumeralunit，Journal of Shoulder and Elbow Surgery，Volume 13，Number 4：373～380)采用了红外线发光二极管进行研究，但精度稍差。
另外，作为自然的生物器官，肱骨头关节不具有确定的旋转中心，肱骨头干没有确定的中轴，这都给实验中对肱骨头加载带来了困难。而所有之前的研究中，采用的肱骨头加载装置，都没有考虑到肱骨头不规则性的因素，显然影响了实验的精度和真实性。另外，这些研究都只是针对前臂内外旋的情况进行的，而术后康复中的前屈情况并没有被包括进去。
发明内容
本发明的目的是提出一种肱骨头置换后结节位移的检测装置，对肱骨头头置换术后康复中被动内外旋、前屈运动时结节位移大小进行定量研究，并提高实验的精度，消除检测过程中由于对中不准造成的附加载荷的影响。
本发明提出的肱骨头置换后结节位移的检测装置，包括标定圆盘、加载摇杆、两个夹持片、模拟活体肌肉拉伸力系统、双目计算机视觉系统和数据采集处理系统。标定圆盘固定在圆盘基座上，加载摇杆安装在标定圆盘上，并与标定圆盘相对转动，标定圆盘上刻有角度，并设有定位孔，加载摇杆上开有固定槽和定位孔。两个夹持片固定在加载摇杆的中心，待测肱骨头的一端通过固定用克氏针安装在两个夹持片的中间的定位槽内，待测肱骨头的另一端带有肩胛，肩胛通过连接件固定在肩胛骨夹持机构上。模拟活体肌肉拉伸力系统包括两个滑轮、重物和绳子，两个滑轮分别固定在滑轮基座和肩胛骨夹持机构上，绳子的一端固定在肩胛上，绳子绕过两个滑轮后的另一端挂有重物。双目计算机视觉系统对准标志肱骨头结节点的标志物。数据采集处理系统与双目计算机视觉系统相连。
本发明提出的肱骨头置换后结节位移的检测装置，由于其中的加载装置的特殊设计，不仅满足了内外旋和前屈两种不同实验的要求，而且解决了对中不准造成的附加载荷的问题，大大减少了实验费用。检测装置中引进了非接触式的三维双目计算机视觉测量技术，使得实验更加方便、简单，大大提高了检测精度(相对误差为0.0997％【0.01％】)。
附图说明
图1是第一种检测工况即肱骨头作内外旋运动时下本发明检测装置的结构示意图。
图2是第二种检测工况即肱骨头作前屈运动时本发明检测装置的结构示意图。
图3是检测装置中肩胛骨夹持机构的结构示意图。
图4是待测肱骨头的加载机构示意图。
图1～图4中，1是标定圆盘基座，2是标定圆盘，3是加载摇杆，4是加载片(开有供克氏针自动对中的狭槽)，5是肩胛骨夹持结构(前屈30°时肱骨头头处于水平位置)，6是双目计算机视觉系统，7是带肩胛的待测肱骨头，其中7a是待测肱骨头，7b是肩胛，8是固定在大(小)结节及骨干上的标志物，9是滑轮，10是模拟活体肌肉拉伸力的重物，11是固定用的克氏针，12是连接重物和肌腱的绳子，13是固定滑轮用基座，14是连接件，15a是标定圆盘上的定位孔，15b是加载摇杆上的定位孔，16a是加载摇杆上的固定用长槽，16b是加载片4上的定位长槽。
具体实施方式
本发明提出的肱骨头置换后结节位移的检测装置，其结构如图1所示，包括标定圆盘2、加载摇杆3、两个夹持片4、模拟活体肌肉拉伸力系统、双目计算机视觉系统和数据采集处理系统。标定圆盘2固定在圆盘基座1上，加载摇杆3安装在标定圆盘2上，并与标定圆盘2相对转动，标定圆盘2上刻有角度，并设有定位孔15a，加载摇杆3上开有固定槽16a和定位孔15b。两个夹持片4固定在加载摇杆3的中心，待测肱骨头7b的一端通过固定用克氏针11安装在两个夹持片4的中间的定位槽16b内，待测肱骨头7b的另一端带有肩胛7a，肩胛7a通过连接件14固定在肩胛骨夹持机构5上。
上述检测装置中的模拟活体肌肉拉伸力系统的结构如图1和图3所示，拉伸力系统可以有四组，分别模拟四条肩部肌肉的拉力，图1和图2中只画出一条作为示意。每一组模拟系统包括一根绳子12，两个滑轮9，一个重物10，重物的质量由需模拟的肌肉拉力大小而定，滑轮被调整到这样的位置上：使得绳索通过被模拟的肌肉的生理力作用线。两个滑轮9分别固定在滑轮基座13和肩胛骨夹持机构5上，绳子12的一端固定在肩胛7a上，绳子12绕过两个滑轮后的另一端挂有重物10。双目计算机视觉系统对准标志肱骨头结节点的标志物8。数据采集处理系统与双目计算机视觉系统相连。
本发明检测装置中所用的双目计算机视觉系统，是利用双CCD摄相机构成的立体视觉系统，通过两个相机拍摄，获得两幅场景的二维图像，然后利用相关的算法，将两幅图像中标志物8上的匹配点找出来，进行图形的配准，这样就可以获取标志物的空间信息，对图像进行三维重构。本发明采用的CCD为中国大恒集团北京图像视觉技术公司出品，型号是DH-HV1302UM，不需要图像采集卡，仅要求一般的USB2.0接口。图像信息的采集和处理，可采用任何计算机进行，只需要安装本发明编制的软件及CCD的驱动程序即可。
下面结合附图介绍本发明检测装置的工作原理：
加载部分：一个是标有角度的标定圆盘2被竖直安装在底座1的机架上，机架心轴上装有一个带两个夹持片4的加载摇杆3，心轴上的圆孔、加载摇杆3以及夹持片4上的定位槽16b均为自动对中设计。当加载摇杆3转动时，肱骨头随之运动，转动的角度可以从有机玻璃盘上读出。一个是肩胛骨夹持机构：由于肩胛骨为不规则材料，为了对肩胛骨进行有效的固定，并保持肱骨头水平放置时保持在前屈30°解剖位置，本发明在底座上加装了专门设计的肩胛骨夹持机构5。机构上凸起打孔处14即为肩胛骨7a固定位置。机构5上的开槽用来安放四个滑轮9，并可对它们的位置进行调节。四条固定在肌腱上挂有重物的绳索12分别穿过滑轮，用以模拟活体肌肉的张力(图1中仅绘出一条)。
关于加载部分中的自动对中设计，如图1所示，肱骨头7b的最左端是肩关节，肩胛7a最右端是关节窝，肱骨头7b的内旋运动，是随着加载摇杆3的转动绕以肱骨头7b中心的骨干方向(水平方向)为轴线的转动，而加载摇杆3的转动的轴线，被调整为基本与肱骨头7b旋转的轴线相重合；在这一过程中肩关节始终是在关节窝内运动。然而，肱骨头是一个自然的器官，它不具备固定不变的轴线，而加载摇杆3的轴线是固定的，这样，两个轴线就会在内旋运动到一定角度之后不再重合，将导致肱骨头7b受到不必要的弯、扭的作用，有可能导致肩关节脱臼(肩关节脱离关节窝)，以上这些副作用，都将大大影响测量的准确性和实用性。自动对中的设计，可以有效地解决这个问题：克氏针11被夹持在夹持片4的两个槽16b中，但并未被完全固定，它可以在槽16b内做沿着克氏针的方向的微小移动，从而，当肱骨头7b和加载摇杆3的转动轴线不再重合的时候，由于肱骨头受到了额外的弯扭作用，这个作用力将使得克氏针11发生移动，而移动的结果，将使两根转动轴重合。
同样，如图2所示，肱骨头7b的最左端是肩关节，肩胛7a最右端是关节窝，肱骨头7b的前屈运动，是随着加载摇杆3的转动绕过关节窝中心点的垂直方向上的直线为轴线的上举转动，而加载摇杆3的转动的轴线，被调整为基本与肱骨头7b上举的轴线相重合；在这一过程中肩关节始终是在关节窝内运动。然而，肱骨头是一个自然的器官，它不具备固定不变的轴线，而加载摇杆3的轴线是固定的，这样，两个轴线就会在内旋运动到一定角度之后不再重合，将导致肱骨头7b受到不必要的弯、扭的作用，有可能导致肩关节脱臼(肩关节脱离关节窝)，以上这些副作用，都将大大影响测量的准确性和实用性。自动对中的设计，可以有效地解决这个问题：克氏针11被夹持在加载摇杆上的定位槽16b中，但并未被完全固定，它可以在槽16b内做垂直于针方向的微小移动，从而，当肱骨头7b和加载摇杆3的转动轴线不再重合的时候，由于肱骨头受到了额外的弯扭作用，这个作用力将使得克氏针11发生移动，而移动的结果，将使两根转动轴重合。
内旋加载：当需要使肱骨头进行内/外旋运动而加载时，检测装置的结构如图1所示，当肱骨头7b被置于水平位置时，为前屈30°生理解剖位。肱骨头7b被穿上克氏针11，通过克氏针11固联在夹持片4的两个槽16b中，随着摇杆3的转动而做内旋运动，由于槽16b与克氏针11之间可以相对移动，因而在转动过程中，肱骨头7b的中轴线和摇杆中心轴能够实现自动对中。加载摇杆3的旋转角度，即肱骨头7b的旋转角度，可以从标定圆盘2上读出，具体的角度读取是通过加载摇杆3上的定位孔15b及标定圆盘上的几个定位孔15a对准来实现的。肱骨头7b相对于肩胛7a的自然解剖位被作为初始位置，记为内旋0°。随着摇杆3的转动，肱骨头依次内旋到内旋10°、内旋20°、内旋30°、内旋40°、内旋50°以及内旋-40°，每一个相应位置上的两个标志物8的空间坐标都被双目视觉系统6采集并处理，它们能够被换算为大小结节相对于肱骨头骨干的位移，这种位移具有外科临床的指导意义。
前屈加载：当需要使肱骨头进行前屈运动而加载时，检测装置的结构如图2所示，肱骨头7b被穿上克氏针11，通过克氏针11固联在加载摇杆3上的固定槽16a中，肩关节转轴与加载摇杆3转轴被尽可能地调整为重合，肱骨头7b随着摇杆3的转动而做前屈运动，由于槽16a与克氏针11之间可以相对移动，因而在转动过程中，肩关节的转轴和摇杆中心轴虽然不能完美重合，但能够实现自动调整。加载摇杆3的旋转角度，即肱骨头7b的旋转角度，可以从标定圆盘2上读出，具体的角度读取是加载摇杆上的定位孔15b及标定圆盘上的几个定位孔15a对准来实现的。肱骨头7b相对于肩胛7a的自然解剖位被作为初始位置，记为前屈0°随着加载摇杆3的转动，肱骨头依次前屈到前屈30°、前屈60°、前屈80°、前屈90°、前屈100°，每一个相应位置上的两个标志物8的空间坐标都被双目视觉系统6采集并处理，它们能够被换算为大小结节相对于肱骨头骨干的位移，这种位移具有外科临床的指导意义。
Claims (1)
1、一种肱骨头置换后结节位移的检测装置，其特征在于包括标定圆盘、加载摇杆、两个夹持片、模拟活体肌肉拉伸力系统、双目计算机视觉系统和数据采集处理系统；所述的标定圆盘固定在圆盘基座上，加载摇杆安装在标定圆盘上，并与标定圆盘相对转动，标定圆盘上刻有角度，并设有定位孔，加载摇杆上开有固定槽和定位孔，通过标定圆盘上的定位孔与加载摇杆上的定位孔之间的相互配合读取角度；所述的两个夹持片固定在加载摇杆的中心，每个夹持片的中间位置设有定位槽，待测肱骨头的一端通过固定用克氏针安装在两个夹持片的中间位置的定位槽内，待测肱骨头的另一端带有肩胛，肩胛通过连接件固定在肩胛骨夹持机构上；所述的模拟活体肌肉拉伸力系统包括两个滑轮、重物和绳子，两个滑轮分别固定在滑轮基座和肩胛骨夹持机构上，绳子的一端固定在肩胛上，绳子绕过两个滑轮后的另一端挂有重物；所述的双目计算机视觉系统对准标志肱骨头结节点的标志物；所述的数据采集处理系统与双目计算机视觉系统相连。
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