CN101991422B - 一种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法 - Google Patents
一种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，利用CT机采集人体膝关节全部骨性结构的影像数据，利用影像数据构建股骨髁三维几何模型，然后在模型中确定股骨髁长轴截面和股骨髁关节面曲线，之后将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段，然后在股骨髁长轴截面内计算圆弧段的圆心位置，将所述的圆心位置作为人体膝关节伸屈运动轴心，最后根据全部圆弧段的圆心位置计算得到膝关节瞬时中心曲线。本发明遵循股骨髁关节面解剖外形决定膝关节伸屈运动轴心的运动学特征，实现了对膝关节重要运动学参数的定位，对研究人体个体化膝关节运动学、膝关节假体设计、膝关节运动仿真具有实用价值，对于膝关节疾病的诊断和预后评估也有重要意义。
Description
技术领域：
本发明涉及物理领域，尤其涉及测量技术，特别涉及测量人体膝关节伸屈运动轴心和瞬时中心曲线的方法，具体的是一种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法。
背景技术：
膝关节是人体最复杂的关节之一，具有运动学的特殊性。膝关节从伸直到屈曲的运动过程中，旋转轴心位置不恒定，在膝关节股骨髁的内部逐渐后移。将膝关节伸屈过程中所有旋转轴心连接起来，在膝关节股骨髁的矢状截面上显示为“J”形曲线，称为瞬时中心曲线。
在理论上，人体膝关节伸屈运动轴心是客观存在的，但实际应用中无法在膝关节股骨髁内进行定位，目前通常有两类方法确定膝关节伸屈运动轴心。
第一类方法，通过简化模型，进行数学模拟计算。例如，Reuleaux技术用滚动轮模型在滚动过程中假设不同的滑动比来模拟膝关节的运动，通过滚动轮与地面接触点的坐标和标记半径的旋转角模拟计算人体膝关节的伸屈运动轴心。这类方法只是数学近似模拟，完全忽略了膝关节的解剖外形和几何特征，不是对人体膝关节的真实测量和定位，难以适用于人体。
另一类方法，通过不同的测量设备如角度计，追踪记录膝关节标记点在连续不同屈曲角度下的运动轨迹，并进行三维坐标转换和计算，确定膝关节的伸屈运动轴心。此类方法需要在膝关节内植入金属标记点，只限于尸体标本，不能应用于活体，限制了临床和个体化应用。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，所述的这种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法要解决现有技术中无法真实定位人类活体中膝关节伸屈运动轴心的技术问题。
本发明的这种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，包括一个采集人体膝关节影像的步骤和一个从人体膝关节影像计算人体膝关节伸屈运动轴心的过程，其中，在所述的采集人体膝关节影像的步骤中，利用计算机X射线断层扫描机采集人体膝关节全部骨性结构的影像数据，在所述的从人体膝关节影像计算人体膝关节伸屈运动轴心的过程中，首先利用计算机X射线断层扫描机采集到的人体膝关节全部骨性结构的影像数据构建股骨髁三维几何模型，然后在所述的股骨髁三维几何模型中确定股骨髁长轴截面和股骨髁关节面曲线，之后在所述的股骨髁关节面曲线的后方定位起始点，然后从所述的起始点开始向前直到股骨髁关节面曲线终止处将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段，然后在股骨髁长轴截面内计算所述的圆弧段的圆心位置，将所述的圆心位置作为人体膝关节伸屈运动轴心，最后根据全部圆弧段的圆心位置计算得到膝关节瞬时中心曲线。
进一步的，在将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段的过程中，先从所述的起始点沿股骨髁关节面曲线向前直到股骨髁关节面曲线终止处等间距顺序取点，然后从关节面曲线后方所取的第一点开始，将所有奇数位置上的所取点作为参考点，然后根据任意相邻的两个奇数参考点以及位于这两个奇数参考点之间的偶数参考点确定圆弧段。
进一步的，在将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段的过程中，圆弧段的长度是2毫米。
进一步的，从所述的起始点沿股骨髁关节面曲线向前每隔0.5毫米取一个点，直到股骨髁关节面曲线终止处。
进一步的，在所述的构建股骨髁三维几何模型的步骤中，将计算机X射线断层扫描机采集的膝关节骨性结构影像数据以.dicom格式文件导入Mimics软件，根据骨结构密度的高低选择合适的灰度值阈值范围，生成膝关节股骨髁三维数字模型，将此模型以含三角形面网格的.stl格式文件导出，并导入到HyperMesh软件，通过文件中的面网格反求股骨髁的三维几何模型。
进一步的，在所述的确定股骨髁长轴截面和股骨髁关节面曲线的过程中，利用HyperMesh软件，在股骨外髁关节面的内外侧缘最前端、中部、最后端分别取3点，将最前端2点、中部2点、最后端2点分别两两相连，在股骨外髁关节面上生成3条曲线，利用计算机测量并分别生成3条曲线的中点，由这3个中点生成的面作为股骨外髁长轴截面，此截面与股骨外髁关节面的交线，定义为股骨外髁关节面曲线，以同样方法确定股骨内髁长轴截面和关节面曲线。
进一步的，在计算股骨髁关节面曲线中各圆弧段的圆心位置的过程中，以.fem格式文件将关节面曲线中各点的三维坐标利用HyperMesh软件导出，再利用一个计算程序计算，经计算后再将伸屈运动轴心位置的三维坐标以.fem格式文件导入HyperMesh软件中，以三维几何模型的形式显示。
进一步的，在所述的计算程序中，输入股骨髁关节面曲线中各点三维坐标，进行矩阵转换-豪斯霍尔德变换，使各点三维坐标的Z坐标值相等，计算连续间隔的3个点范围内关节面曲线弧段所对应的圆心，即伸屈运动轴心，进行矩阵逆转换-豪斯霍尔德变换，恢复各点和伸屈运动轴心在股骨髁长轴截面上的三维坐标，输出伸屈运动轴心位置三维坐标。
进一步的，在根据全部圆弧段的圆心位置计算得到膝关节瞬时中心曲线的过程中，以最小二乘法为曲线拟合准则，利用HyperMesh软件在股骨髁三维几何模型中自动拟合膝关节瞬时中心曲线。
进一步的，在所述的构建股骨髁三维几何模型的步骤中，骨骼灰度值阈值范围的上限是1250，下限是2888。
本发明遵循股骨髁关节面解剖外形决定膝关节伸屈运动轴心的运动学特征，利用计算机X射线断层扫描机采集人体膝关节骨性结构的影像数据，利用计算机计算，在股骨髁内部长轴截面中定位股骨髁长轴关节面上某一点的膝关节伸屈运动轴心，即该点的瞬时旋转中心，并确定该轴心在股骨髁内部的三维坐标。该方法实现了对膝关节重要运动学参数的定位，对研究人体个体化膝关节运动学、膝关节假体设计、膝关节运动学仿真等具有实用价值，对于临床上的膝关节疾病的诊断和预后评估也具有重要意义。
附图说明：
图1是本发明的一个实施例中的膝关节CT扫描图像，其中A为轴面；B为冠状面；C为矢状面。
图2是本发明的一个实施例中的股骨髁二维mask及其编辑操作示意图，其中A为股骨髁二维mask；B为填充编辑前股骨髁mask；C为填充编辑后股骨髁mask。
图3是本发明的一个实施例中的股骨髁三维重构计算示意图，其中A股骨髁二维mask；B为三维重构的股骨髁前面观；C为三维重构的股骨髁侧面观。
图4是本发明的一个实施例中构建股骨髁几何模型的示意图，其中A为股骨髁面网格；B股骨髁几何模型前面观；C股骨髁几何模型底面观。
图5是本发明的一个实施例中确定股骨外髁长轴截面的示意图，其中A股骨外髁关节面外侧缘a、b、c点；B为股骨外髁关节面内侧缘a′、b′、c′点；C为曲线aa′、bb′、cc′的中点A、B、C点；D和E为股骨外髁长轴截面斜位观，箭头示长轴截面；F股骨外髁关节面曲线，箭头所示。
图6是本发明的一个实施例中确定股骨内髁长轴截面的示意图，其中A为股骨内髁关节面内侧缘a、b、c点；B为股骨内髁关节面外侧缘a′、b′、c′3点；C为曲线aa′、bb′、cc′的中点A、B、C点；D和E股骨内髁长轴截面斜位观，箭头示长轴截面；F为股骨内髁关节面曲线，箭头所示。
图7是本发明的一个实施例中计算股骨外髁伸屈运动轴心方法示意图，股骨外髁长轴曲线自后端第1点开始每隔1点取1点，依次取3个点为组I，这3个点之间的关节面曲线弧段长2mm，组I(第3点)对应的伸屈运动轴心为点α；以第5点为组II的第1点，继续在曲线上取3点为组II，组II(第7点)对应的伸屈运动轴心为点β；以此类推，计算至曲线上最后一组3点的伸屈运动轴心；股骨外髁长轴关节面曲线中共计算42个伸屈运动轴心。
图8是本发明的一个实施例中的股骨外髁长轴截面伸屈运动轴心和瞬时中心曲线，其中A股骨外髁长轴关节面曲线取点；B股骨外髁长轴截面伸屈运动轴心侧面观；C股骨外髁长轴截面伸屈运动轴心斜面观；D股骨外髁长轴截面瞬时中心曲线侧面观；E股骨外髁长轴截面瞬时中心曲线斜面观；F0°-140°伸屈范围内瞬时中心曲线呈“J”型。
图9是本发明的一个实施例中的股骨内髁长轴截面伸屈运动轴心和瞬时中心曲线，其中A股骨内髁长轴关节面曲线取点；B股骨内髁长轴截面伸屈运动轴心侧面观；C股骨内髁长轴截面伸屈运动轴心斜面观；D股骨内髁长轴截面瞬时中心曲线侧面观；E股骨内髁长轴截面瞬时中心曲线斜面观；F 0°-140°伸屈范围内瞬时中心曲线呈“J”型。
具体实施方式：
现以一名健康30岁男性的左膝关节为例，介绍股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其步骤如下：
1、影像数据采集
膝关节处于伸直位进行CT扫描采集影像数据。扫描参数：连续断层扫描，电压140.0kV，电流183.0mAs，层厚0.352mm，512×512矩阵，像素0.352mm，视野(FOV)18.0cm，如图1所示。
2、股骨髁三维几何模型的构建
将CT扫描的膝关节骨性结构影像数据以.dicom格式导入Mimics软件，应用Thresholding模块，以骨骼灰度值阈值范围(上限1250，下限2888)自动生成股骨髁二维数字mask。在Edit masks模块中，将股骨髁mask进行空隙填充编辑操作，如图2所示。编辑完成后，通过Calculate 3D模块，对股骨髁的二维mask进行三维重构计算(选择Quality参数：high)，如图3所示。
股骨髁三维数字模型以含三角形面网格的.stl文件导出，并导入到HyperMesh软件，应用surfaces面板中from FE选项，通过文件中的面网格反求股骨髁的三维几何模型，如图4所示。
3、确定股骨内外髁长轴截面和关节面曲线
确定股骨外髁长轴截面，需在股骨外髁关节面的内外侧缘上分别取3点，即外侧缘的a、b、c点，其中a点位于外侧缘的最前端、c点位于最后端、b点居中；同样，内侧缘取a′、b′、c′点。将a与a′、b与b′、c与c′两两对应，在股骨外髁关节面上生成aa′、bb′、cc′3条曲线，经计算机测量并生成3条曲线的中点A、B、C，基于此3点生成的面即为股骨外髁长轴截面，此截面与股骨外髁关节面的交线，定义为股骨外髁关节面曲线，如图5所示。
同理，确定股骨内髁长轴截面及关节面曲线，如图6所示。
4、股骨内外髁伸屈运动轴心的确定和定位
本例中经计算机测量，获得的股骨外髁关节面曲线长度为107.4mm，从曲线后端第1点开始，每隔0.5mm取1点，至曲线前端终点，共取215点。自曲线后端第1点开始，每隔1点取1点，依次取3点为1组，每组内曲线弧段长2mm，确定1个运动轴心，依次计算各组3点所对应的运动轴心，如图7所示。将关节面曲线上各点的三维坐标以.fem文件格式导出，并导入到膝关节伸屈运动轴心计算程序中，共计算42个运动轴心。这些运动轴心的三维坐标再以.fem文件格式导出计算程序，最后导入HyperMesh软件中，在股骨髁三维几何模型内显示。以最小二乘法为曲线拟合准则，在HyperMesh软件中依据各定位的运动轴心自动拟合股骨外髁长轴截面瞬时中心曲线，如图8所示。
同样原理，股骨内髁关节面曲线长度为116.8mm，曲线上共取234点，共计算46个运动轴心，并拟合成股骨内髁长轴截面瞬时中心曲线，如图9所示。
Claims (7)
1.一种在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，包括一个采集人体膝关节影像的步骤和一个从人体膝关节影像计算人体膝关节伸屈运动轴心的过程，其特征在于：在所述的采集人体膝关节影像的步骤中，利用计算机X射线断层扫描机采集人体膝关节全部骨性结构的影像数据，在所述的从人体膝关节影像计算人体膝关节伸屈运动轴心的过程中，首先利用计算机X射线断层扫描机采集到的人体膝关节全部骨性结构的影像数据构建股骨髁三维几何模型，然后在所述的股骨髁三维几何模型中确定股骨髁长轴截面和股骨髁关节面曲线，在所述的确定股骨髁长轴截面和股骨髁关节面曲线的过程中，利用HyperMesh软件，在股骨外髁关节面的内外侧缘最前端、中部、最后端分别取3点，将最前端2点、中部2点、最后端2点分别两两相连，在股骨外髁关节面上生成3条曲线，利用计算机测量并分别生成3条曲线的中点，由这3个中点生成的面作为股骨外髁长轴截面，所述的股骨外髁长轴截面与股骨外髁关节面的交线，定义为股骨外髁关节面曲线，以同样方法确定股骨内髁长轴截面和关节面曲线，之后在所述的股骨髁关节面曲线的后方定位起始点，然后从所述的起始点开始向前直到股骨髁关节面曲线终止处将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段，在将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段的过程中，先从所述的起始点沿股骨髁关节面曲线向前直到股骨髁关节面曲线终止处等间距顺序取点，然后从关节面曲线后方所取的第一点开始，将所有奇数位置上的所取点作为参考点，然后根据任意相邻的两个奇数参考点以及位于这两个奇数参考点之间的偶数参考点确定圆弧段，然后在股骨髁长轴截面内计算所述的圆弧段的圆心位置，将所述的圆心位置作为人体膝关节伸屈运动轴心，最后根据全部圆弧段的圆心位置计算得到膝关节瞬时中心曲线。
2.如权利要求1所述的在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其特征在于：在将股骨髁关节面曲线划分为相等长度的圆弧段的过程中，圆弧段的长度是2毫米。
3.如权利要求1所述的在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其特征在于：从所述的起始点沿股骨髁关节面曲线向前每隔0.5毫米取一个点，直到股骨髁关节面曲线终止处。
4.如权利要求1所述的在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其特征在于：在所述的构建股骨髁三维几何模型的步骤中，将计算机X射线断层扫描机采集的膝关节骨性结构影像数据以.dicom格式文件导入Mimics软件，根据骨结构密度的高低选择合适的灰度值阈值范围，生成膝关节股骨髁三维数字模型，将此模型以含三角形面网格的.stl格式文件导出，并导入到HyperMesh软件，通过文件中的面网格反求股骨髁的三维几何模型。
5.如权利要求3所述的在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其特征在于：在计算股骨髁关节面曲线中各圆弧段的圆心位置的过程中，以.fem格式文件将关节面曲线中各点的三维坐标利用HyperMesh软件导出，再利用一个计算程序计算，经计算后再将伸屈运动轴心位置的三维坐标以.fem格式文件导入HyperMesh软件中，以三维几何模型的形式显示。
6.如权利要求5所述的在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其特征在于：在所述的计算程序中，输入股骨髁关节面曲线中各点三维坐标，进行矩阵转换-豪斯霍尔德变换，使各点三维坐标的Z坐标值相等，计算连续间隔的3个点范围内关节面曲线弧段所对应的圆心，即伸屈运动轴心，进行矩阵逆转换-豪斯霍尔德变换，恢复各点和伸屈运动轴心在股骨髁长轴截面上的三维坐标，输出伸屈运动轴心位置三维坐标。
7.如权利要求1所述的在股骨髁长轴截面内定位人体膝关节伸屈运动轴心的方法，其特征在于：在根据全部圆弧段的圆心位置计算得到膝关节瞬时中心曲线的过程中，以最小二乘法为曲线拟合准则，利用HyperMesh软件在股骨髁三维几何模型中自动拟合膝关节瞬时中心曲线。
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