CN101357064A - 一种用于确定人体下肢轴线的测量标定架 - Google Patents

Abstract

一种用于确定人体下肢轴线的测量标记架，属于人体运动研究和人体膝关节置换技术领域，其特征在于，含有上、下两个半环形支架，一对由上连杆及内套于该上连杆中的下连杆组成的滑动套接的连杆，所述上、下两个半环形支架，在半环的中点位置各自通过轴销与所述连杆转动连接，在所述上、下两个半环形支架上每间隔90度各分布有三个轴线定位指针，各指针的尖端在所在的针孔内伸缩并锁定，并共同指向下肢轴线的中心，所述上、下两个半环形支架能各自在膝关节和踝关节上调整圆周方向的位置，且使两个半环形支架中心与肢体轴线重合。在所述支架外圆周上还均匀地分布着传感器跟踪的标记。本发明能精确确定测量系统与人体的相对位置和下肢轴线。

Description

一种用于确定人体下肢轴线的测量标定架

技术领域

本发明涉及一种用于确定人体下肢解剖轴线的辅助测量装置，即人体下肢轴线测量标定架，可供医院、研究单位的研究人员对人体下肢进行三维运动研究中作精确的骨骼轴线测量并定义与计算其与人体标准解剖面间的关系，本发明属于人体运动研究和人体膝关节置换手术领域。

背景技术

在人体运动康复研究、人体运动生物力学和膝关节置换术中，都需要精确测量人体下肢的三维运动，但由于人体骨骼形状的非规则性，以及个体之间的形状差异，要准确地确定骨骼的轴线一直是一个困难的问题。目前，在上述人体运动康复研究、人体运动生物力学和膝关节置换术研究中，普遍采用光学和电磁运动跟踪技术，对肢体各节段的三维运动进行跟踪和分析，例如，在膝关节置换术研究中，通过对关节置换前后下肢三维运动模式的比较和力学分析，可以对手术方案进行评估，并改进关节的设计和手术中装配的方式，提高手术的效果。在人体运动康复和运动生物力学中，更是以运动三维跟踪为基础，比较各种因素对人体运动功能的影响，并对其力学机制进行研究。

由于人体肢体的运动都是围绕位于人体内部的关节进行转动的，为有效地比较三维运动，通常将肢体的运动投影到人体标准解剖平面中进行描述，即通过比较肢体长骨在人体矢状面、冠状面中的运动，以及肢体长骨围绕自身长轴的旋转，分析和比较三维运动的差异。但是，上述所说的肢体长骨自身长轴、以及人体的矢状面、冠状面都难以直接精确定义和测量。同时，在所有的运动跟踪测量中，都需要把被跟踪的传感器附着在肢体上，以通过运动捕捉系统获取肢体的三维运动，但在每次安装传感器时，其相对肢体骨骼的三维空间位置都难以得到保证。因此需要一个可重复测量的运动定位基准，将不同人的个体数据、以及对同一个人在不同情况下测量(如术前与术后)得到的三维运动数据统一在一个坐标系中进行比较，这样才能得到有意义的结论。目前在实践中通常采用目测和估算的方法，使得对不同个体的测量难于进行比较，对同一个体进行多次测量的重复性也很差。因此，为提高研究的精确程度，更好地进行测量和比较，迫切需要一种能够辅助测量和定义肢体长骨解剖轴线以及它和人体标准解剖平面关系的辅助装置。

在已往的研究中，已经有学者对下肢骨骼轴线的测量进行了研究。如：吴其常等研究了人体下肢轴线X线测量的方法，(吴其常等，中国成人下肢轴线X线测量，中国矫形外科杂志1999年1月第6卷第1期)，基于X线照片来测量人体下肢轴线；黄雪梅和王成焘研究了在全膝置换中股骨力线定位精度(黄雪梅，王成焘，计算机辅助全膝置换中股骨力线定位精度的实验研究，生物医学工程学杂志，2006；23(1)：82～84)，他们利用光学定位追踪仪确定全膝置换中患者的股骨头中心，从而确定其股骨力线，在力线的定位精度分析中，采用股骨的三维重建模型进行精度的校验。在文献“股骨设计基轴线—股骨轴线在人工髓关节CAD中的一种实用描述”(姚振强，王成焘，医用生物力学，1996年第11卷第2期)中介绍了根据股骨CT片上各截面的内轮廓形心，在过CT轴的两个相互垂直的投影面内的拟合直线，确定股骨设计基轴线的方法。上述方法都是基于影像测量的，无法直接对人体进行测量。

中国专利CN1452946A公开了一种“全自动股骨基轴线确定方法”，采用CT影像估算股骨轴线；中国专利CN1488321A公开了一种“机器人全膝关节置换术的股骨定位方法”，采用旋转方法确定股骨头中心，并用股骨上的髁间窝和内、外上髁最高点来建立股骨坐标系，实现了股骨的精确定位；中国专利CN1285322C公开了一种“机器人全膝关节置换术的胫骨定位方法”，通过确定踝关节旋转轴线并根据内踝和外踝点来计算踝关节中心点，通过胫骨结节与胫骨粗隆这两个生理标志，结合踝关节中心建立胫骨坐标系，并确定胫骨与摄像机坐标系之间的旋转平移关系，实现了胫骨的精确定位。上述股骨和胫骨坐标系的建立方法比较准确，但各个关键点的测量是独立进行的，无法同时观察测量的情况，本发明公开的方法，可以借助辅助测量装置很直观地观察所建立的股骨或胫骨坐标系，因此使用更加方便，精确程度也更高。

另外，中国专利2451065公开了一种“股骨颈穿针导航器”，通过机械装置确定定向穿针的位置和参照物问题，能够实现三维定位；中国专利2187048公开了一种“股骨颈骨折内固定多功能导向器”；中国专利2075069公开了一种“框架式股骨颈带针定向器”，通过特定的导向，确定位置和角度。中国专利2354096公开了一种“股骨颈和粗隆间骨折穿钉定位器”，通过套体和紧定钉进行调整，实现了准确的空间方向的穿钉导引。

通过检索可以看到，在下肢运动测试分析研究中，目前还缺乏有效测量和建立肢体骨骼轴线的简便实用的装置，使得对不同测试对象的测试数据不统一，无法进行比较，对同一测试对象的测试也难于重复，影响了测试分析的精度。其原因就在于肢体的形状复杂，在通过体表的标志传感器跟踪肢体的运动时，无法固定和重复安放测量标记。本发明所公开的辅助装置可以简便易行地测量下肢的骨骼轴线位置，并测量标准解剖平面与骨骼轴线，以及肢体上安装的肢体跟踪传感器的相对位置，从而确定股骨和胫骨与摄像机坐标系之间的旋转平移关系，可以保证良好的测量重复性，并保证了不同测试对象间数据的可比性。

发明内容

本发明目的在于提供一种简便的确定人体下肢解剖轴线的辅助测量装置。本发明的特征在于含有上半环形支架、下半环形支架、一对滑动的连接套杆、标记点、以及多个轴线定位指针，其中：

一对滑动套接的连杆由上连杆与下连杆组成，所述下连杆滑动地套接在所述上连杆内，可调节所述一对滑动套接的连杆的长度，所述下连杆并能在所述上连杆内转动；

上半环形支架，通过位于所述上半环形支架的中点上的第一轴销与所述上连杆转动连接，以便使所述上连杆能带动所述下连杆在一个垂直于所述上半环形支架上的纵平面内摆动；

下半环形支架，通过位于所述下半环形支架的中点上的第二轴销与所述下连杆转动连接，以便使所述下连杆能在绕着所述上连杆轴线旋转的同时，也能在一个垂直于所述下环形支架上纵平面内转动；

轴线定位指针，以90度的间隔分布在所述上半环形支架、以及下半环形支架的180度的半环针孔内共六个，每一个所述轴线定位指针的尖端都指向各自所在180度的半环的中心，并能在所述针孔内沿所述180度的半环的半径方向伸缩，并锁定；

标记，均匀分布在所述上半环形支架的，以及所述下半环形支架的外圆周上，并编号，以便被光学或电磁定位跟踪测量装置所跟踪。

本发明是要提供一种解决精确的骨骼轴线测量和定义与计算该轴线与人体标准解剖面间的关系的辅助测量装置，可以利用研究中所使用的光学或电磁运动跟踪系统，测量和定义人体肢体节段的长轴、人体解剖平面等测量基准的位置，确定股骨和胫骨与摄像机坐标系之间的旋转平移关系，从而精确地确定测量系统与人体间的相对位置关系，克服现有的人体运动测试中存在的单纯依靠主观观察所造成的不精确、难以重复的缺点，使测量和肢体的三维运动分析具有科学合理、简便易行的特点，所设计的装置结构简单，调节和使用方便，经久耐用。

附图说明

图1是人体下肢解剖轴线的辅助测量装置的三维装配示意图；

图2是图1所示人体下肢解剖轴线的辅助测量装置上半环形支架的结构图；

图3是可调节长度的一对连接杆

图4是实施方案举例

具体实施方式

本发明公开了一种用于确定人体下肢轴线的测量标定架，其特征是：它含有上下两个半环型的支架，一对相互可滑动的连接杆和6个轴线定位指针等三主要主要部分；其中，两个支架之间以可以调节长度的一对连接杆相联，第一个支架与连接杆可以通过轴销在一个方向上转动，第二个支架与连接杆通过两个垂直交叉的轴销，在两个方向上转动，因此整个支架与连接杆构成了一个四个空间自由度的机械结构，可以方便地附着在人体肢体的外面进行测量；在每个支架上安装有分布在180度半环上，且两、两间各成90度的三个轴线定位指针，各指针可以在圆周半径方向伸缩并可以在需要的位置锁定，伸缩过程中指针的尖端永远指向支架的圆心，因此当在体表进行测量时，各定位指针延长线相交的位置，就是待定位的空间位置；在每个支架上沿圆周安装有多个可以被光学或电磁运动捕捉系统所测量和跟踪的定位标记点，各标记点的位置沿圆周等夹角分布，并被编号。各标记点的位置可以被事先标定，并且在实际测量中，可以通过对各标记点位置的测量，计算得到半环形支架中心在实验所用的光学或电磁运动测量系统坐标系中的位置，以及安装在人体上的运动跟踪传感器相对该中心的三维空间位置。

在使用中，在肢体外将一端的半环形支架环绕在关节附近，使各个定位指针指向关节的中心位置或骨骼轴线所在位置，由于各定位指针可以伸缩，因此可以将各指针尖端紧紧抵在皮肤表面，使指针的尖端延长线通过待测量或定义的轴线，而各个指针的尖端延长线相交于半环形支架的中心，这样，通过调整一端支架上的定位指针，可以将半环形支架的中心与待测量的轴线或关节中心相重合，利用商品化的光学或电磁定位跟踪测量装置，可以通过对半环形支架上的定位标记进行测量，从而得到该支架中心点在测量系统中的三维空间位置，即待测量的轴线或关节中心位置。

在上述定位半环形支架过程中，通过围绕半环形支架的旋转，可以将其中落在一条直线上的一对定位指针的方向，调整为与标准解剖面相垂直，就可以通过上述支架中心点和半环形支架上定位指针的方向，来定义此次测量中标准解剖面的空间位置，从而得到所研究人体的矢状面或冠状面与测量用的光学或电磁定位跟踪测量装置间的相对位置关系。

由于半环形支架通过轴销连接在可调节长度的连接杆上，因此可以转动支架及连接杆的方向，使连接杆与肢体的长轴方向接近一致，并将第二个半环形支架套在肢体另一端合适的位置，通过调整该半环形支架的位置，使各个定位指针指向肢体另一端关节的中心位置或骨骼轴线所在位置，从而得到另一个支架中心点的位置。两端支架中心点的联线，就定义了肢体骨骼的长轴。通过对支架位置的测量，可以得到所研究的肢体节段的长轴与测量用的光学或电磁定位跟踪测量装置间的相对位置关系。

进一步，当按照上述方法定义了肢体节段的解剖面和肢体轴线后，肢体的运动描述就成为可以规范化，并容易重复测量的了。例如，当定义了人体矢状面和股骨、胫骨的长轴后，骨骼与胫骨长轴的相对运动在矢状面内的投影，就对应了膝关节的屈伸运动，而胫骨长轴偏离矢状面的角度，就对应了胫骨的外展或内收运动。而围绕胫骨长轴自身的运动对应了胫骨的内旋和外旋运动。通过同时测量上述辅助测量装置的两个半环形支架中心所确定的骨骼长轴，定位指针及上支架所确定的解剖面，以及肢体上附着的人体运动跟踪架，可以准确地确定股骨和胫骨与摄像机坐标系之间的旋转平移关系。

为计算半环形支架的中心，以及计算安装在人体上的三维运动跟踪传感器相对于该中心的位置关系，需要考虑以下的坐标变换问题。首先，半环形支架和人体上的三维运动跟踪传感器都被光学或电磁定位跟踪测量装置所跟踪，因此可以得到测量系统坐标系中半环形支架上各个标记点的三维位置坐标，因此可以计算出每个半环形支架的中心位置，以及解剖面的位置。通过对人体上的三维运动跟踪传感器上各个标记点的三维位置坐标，可以计算得到该跟踪传感器坐标系的中心和方向，因此可以建立半环形支架所确定的骨骼长轴的三维位置相对于人体上的三维运动跟踪传感器的相对位置，即坐标变换关系。这样就确定了股骨或胫骨与摄像机坐标系之间的旋转平移关系。

综上所述，本发明公开了一种用于确定人体下肢解剖轴线的辅助测量装置，可以测量和标定人体下肢的骨骼轴线和标准解剖面，其特征在于：

1.该测量装置由上、下两个半环形支架，可调节长度的一对连接杆，以及6个轴线定位指针等主要部分构成；

2.上、下支架上安装的各三个轴线定位指针以90度的间隔分布在180度的半环上，其尖端分别指向各自半环形支架的中心，并可以在半径方向调节伸缩，且可以在需要的位置锁定；

3.上、下支架上的外圆周上均安装有可以被光学或电磁定位跟踪测量装置所跟踪的标记点，各个标记点沿圆周均匀分布，每个标记点被编号，其相对圆心以及相对于各个轴线定位指针中心线的位置被事先标定，因此可以通过对标记点位置的测量计算半环形支架中心的位置；

4.上支架与上连接杆间通过轴销相联，因此上支架与上连接杆间可以在一个与支架上一对定位指针平行的轴线上摆动，以适应测量中针对不同肢体位置的使用；

5.上、下连接杆间通过滑动联结，因此可以通过滑动来调节整个连接杆的长度，适应不同长短的肢体测量。其滑动的阻尼是可以调节的；

6.下连接杆与下支架间通过两个轴销联结，因此可以在围绕连接杆的轴线旋转，并可以在一个与支架上一对定位指针平行的轴线上摆动，以适应具有不同弯曲程度的肢体的测量；

上述人体下肢解剖轴线的辅助测量装置结构比较简单，通过支架对人体的解剖平面和肢体骨骼轴线进行定位，可以将不同人的肢体运动参考坐标系统一起来，从而提高实验的精度和运动测量数据的可比性，并改善多次测量的重复性。该装置适合医院、研究单位的研究人员进行人体运动康复研究、人体运动生物力学和膝关节置换术的研究和临床测量。

参照附图1、2、3可以实际制作本发明。该人体下肢解剖轴线的辅助测量装置，由上、下两个半环形支架11和12，可调节长度的一对连接杆21与22，以及六个轴线定位指针等主要部分构成。其中的上部半环形支架11通过轴销31与上联杆21相联结；下部半环形支架通过轴销32与下联杆22相联结；上下联杆21与22之间可以沿轴线方向滑动伸缩，并可以绕轴线转动。在上半环形支架1上安装有三个轴线定位指针41，它们以90度的间隔分布在180度的半环上，指针41的尖端都指向上半环的中心，并可以沿半径方向伸缩，各轴线定位指针旁安装有锁定螺丝61，通过旋紧锁定螺丝61，可以将调节到位的轴线定位指针41锁定。在上半环形支架11的外圆周上安装有可以被光学或电磁定位跟踪测量装置所跟踪的标记点51，各标记点等间距分布，其间隔圆周角为15度。在预先标定情况下，可以通过各个标记点10的坐标计算环心的坐标位置，并计算各个轴线定位指针8的方向。

与上半环形支架11类似，在下半环形支架12上也安装有三个轴线定位指针42，它们以90度的间隔分布在180度的半环上，指针42的尖端都指向下半环的中心，并可以沿半径方向伸缩，各轴线定位指针旁安装有锁定螺丝62，通过旋紧锁定螺丝62，可以将调节到位的轴线定位指针42锁定。在下半环形支架12的外圆周上安装有可以被光学或电磁定位跟踪测量装置所跟踪的标记点52，各标记点等间距分布，其间隔圆周角为15度。在预先标定情况下，可以通过各个标记点52的坐标计算环心的坐标位置，并计算各个轴线定位指针42的方向。

以人体胫骨的辅助测量为例，在实际使用中，按照图4的布置，在肢体外将上端的半环形支架11环绕在关节附近，使各个定位指针41指向关节的中心位置，即骨骼轴线所在位置，由于各定位指针41可以伸缩，通过调节可以将各指针尖端紧紧抵在皮肤表面，使指针41尖端的延长线通过待测量或定义的轴线。由于各个指针的尖端延长线永远相交于半环形支11的中心，当支架11上的各个定位指针41都指向关节中心的时候，就将半环形支架11的中心与待测量的轴线(或关节中心)重合起来。利用商品化的光学或电磁定位跟踪测量装置，对半环形支架11上的定位标记点51进行测量，就可以得到该支架11的中心点在测量系统中的三维空间位置，即待测量的轴线或关节中心位置。

在上述定位半环形支架11过程中，通过围绕半环形支架11自身圆周的旋转，可以将其中一对同轴的定位指针41的方向调整为与人体的矢状面7相垂直，就可以通过上述支架11的中心点和半环形支架上定位指针41的方向，来定义此次测量中矢状面7的空间位置，从而得到所研究人体的矢状面7与测量用的光学或电磁定位跟踪测量装置8间的相对位置关系。同时，通过检测人体上三维运动跟踪传感器9，可以计算得到该传感器9与人体矢状面7之间的坐标位置关系。

由于半环形支架11通过轴销31连接在可调节长度的连接杆31上，因此可以转动支架11及连接杆31的方向，使连接杆31的轴线与胫骨的长轴方向接近一致，并将第二个半环形支架12套在肢体另一端合适的位置，通过伸缩连接杆长度和旋转联结杆21、22，可以调整半环形支架12的位置，使各个定位指针42指向肢体另一端关节的中心位置或骨骼轴线所在位置，从而得到另一个支架12的中心点位置。两端支架中心点的联线，就定义了肢体骨骼的长轴10。通过对支架11和支架12位置的测量，可以得到所研究的胫骨的长轴10与测量用的光学或电磁定位跟踪测量装置7间的相对位置关系。并可以得到人体上三维运动跟踪传感器9与肢体骨骼的长轴10之间的坐标变换关系。

为计算半环形支架11和支架12的中心，以及计算安装在人体上的三维运动跟踪传感器9相对于该中心的位置关系，需要考虑以下的坐标变换问题。首先，半环形支架11、12，以及人体上的三维运动跟踪传感器9都被光学或电磁定位跟踪测量装置7所跟踪，因此可以同时测量定位跟踪测量系统坐标系中，各个半环形支架11和12上各个标记点41以及42的三维位置坐标，并测量人体上的三维运动跟踪传感器9上各个标记点的三维位置坐标。因此可以直接计算得到半环形支架11、12上各个标记点41及42的三维位置相对于人体上的三维运动跟踪传感器9上各个标记点的相对位置，即得到了两者间的平移与旋转的坐标变换关系。

Claims (2)

1.一种用于确定人体下肢轴线的测量标定架，其特征在于：含有上半环形支架、下半环形支架、一对滑动的连接套杆、标记点、以及多个轴线定位指针，其中：

一对滑动套接的连杆由上连杆与下连杆组成，所述下连杆滑动地套接在所述上连杆内，可调节所述一对滑动套接的连杆的长度，所述下连杆并能在所述上连杆内转动；

上半环形支架，通过位于所述上半环形支架的中点上的第一轴销与所述上连杆转动连接，以便使所述上连杆能带动所述下连杆在一个垂直于所述上半环形支架的纵平面内摆动；

下半环形支架，通过位于所述下半环形支架的中点上的第二轴销与所述下连杆转动连接，以便使所述下连杆能在绕着所述上连杆轴线旋转的同时，也能在一个垂直于所述下环形支架的纵平面内转动；

轴线定位指针，以90度的间隔分布在所述上半环形支架、以及下半环形支架的180度范围的针孔内，共六个，每一个所述轴线定位指针的尖端都指向各自所在180度的半环支架的中心，并能在所述针孔内沿所述180度的半环的半径方向伸缩，并锁定；

标记点，均匀分布在所述上半环形支架，以及所述下半环形支架的外圆周上，并编号，以便被光学或电磁定位跟踪测量装置所跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种用于确定人体下肢轴线的测量标定架，其特征在于，所述各标记之间的角度间隔均为15度。

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