CN101999904B - 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节生物力学特性测量装置与测量方法，其测量装置包括轨道、传动装置、活动滑块、活动夹具、固定夹具、摄像头等。传动装置驱动活动滑块沿轨道往复运动，活动滑块可分别安装带有活动夹具的活杆或踏板带动离体或在体膝关节进行屈曲运动。其测量方法为采用上述测量装置固定受试膝关节并在其体表测试区域标注标志点阵，拍摄记录标志点阵随膝关节屈曲运动的时序图像，然后通过图像技术提取标志点阵各点相对运动，进而获得膝关节相应区域的应变分布信息、屈曲信息及相互关系；本发明无需复杂三维计算、射线扫描等而达到实时、无创、无害、非接触、快速、精确、简便地测量膝关节运动和相应的组织应变，并给予测试动作更大的自由度。

Description

基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及生物力学特性研究领域，具体涉及一种基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置及测量方法。

背景技术

人体关节一直是学科研究热点和难点之一，而膝关节又是人体中最大的关节，涉及股骨、胫骨、髌骨等，同时膝关节的运动机制极其复杂；即便是日常走动，膝关节的旋转轴也不是固定在单一平面，而是旋转、平移等运动的综合结果，且其在运动时的受力会非常复杂、非常剧烈。正因为这些因素，膝关节也是人体中最易受伤的区域之一；由此可知，膝关节生物力学特性的测量与研究对仿生学、人体力学、基础医学、临床医学等都具有极其重要的意义。

现有的膝关节生物力学特性测量方法主要有：1)基于有限元方法的三维数值模拟；2)基于X射线影像的测量法；3)基于应变片直接粘贴的测量法。膝关节三维有限元数值模拟方法需要对受测试者的膝关节进行持续CT扫描，以建立三维重构模型，然后通过仿真分析得出膝关节生物力学特性，这对于多个测试者的测试样本，具有耗时长、投入精力大、成本高、模型多但单个模型样本量少而不便于统计分析等缺点；X射线影像测量法适用于大型组织整体研究，但对于膝关节组织的局部研究，该方法测量误差较大，而且对于活体测试，受试者会有健康危害的顾虑；基于应变片直接粘贴测量法，将应变片直接粘贴于欲研究的组织区域上，通过应变片的形变来研究组织的生物力学特性，但在测量过程中，应变片的应变范围往往达不到软组织的应变尺度，而且只能测量沿着应变片走向的一维应变信息。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，通过观测在膝关节区域体表引入的标志点阵随膝关节屈曲运动的变化，非接触式实时获取膝关节组织表面应变及其与膝关节屈曲度的相互关系，从而实现相对精确、快速、简便、无创、无害的膝关节生物力学特性测量。

本发明的目的是这样实现的：基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，包括基座、轨道、活动滑块、固定夹具和摄像头；所述轨道固定于基座上；在基座上沿轨道长度方向的一端安装有固定夹具；所述活动滑块可沿轨道往复运动；摄像头安装在固定夹具周围。

进一步，还包括活杆和活动夹具，所述活杆一端与活动滑块通过螺栓可拆卸式活动连接，所述活杆另一端与活动夹具通过螺栓活动连接；

进一步，还包括踏板，所述踏板可拆卸式固定于活动滑块上；

进一步，还包括传动装置，所述传动装置包括步进电机、主动滑轮、被动滑轮和传动带；所述主动滑轮与被动滑轮安装于轨道两端，所述步进电机的输出轴与主动滑轮连接，传动带附着在主动滑轮和被动滑轮上，所述传动带与活动滑块联动，带动活动滑块沿轨道往复运动；

进一步，膝关节生物力学特性测量装置的固定夹具周围安装有两个以上摄像头。

膝关节生物力学特性测量方法，包括以下步骤：

1)在膝盖关节研究区域标注标志点阵；

2)将膝关节关节固定在基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置上；

3)将摄像头朝向膝关节；

4)活动滑块沿轨道平动，进而带动膝关节做屈曲运动；

5)摄像头实时记录研究区域上标志点阵的运动轨迹图像信息和膝关节屈曲运动视频信息；

6)通过图像处理技术从标志点阵的运动轨迹图像信息中提取膝关节生物组织的应变信息；通过膝关节屈曲运动视频信息提取运动屈曲度，组成应变-屈曲关系信息。

进一步，基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置设置有第一，第二摄像头，步骤3)中，第一摄像头设置正对膝关节研究区域，第二摄像头设置正对膝关节的侧面；

进一步，步骤6)包括以下步骤：

61)选定一个屈曲状态下膝关节标志点阵图作为初始参考标志点阵图，在其它屈曲度状态下被记录的标志点阵图作为检测标志点阵图；

62)通过图像处理和计算求取初始参考标志点阵图中第i对相邻点间距离L_标i，第j时刻的检测标志点阵图中对应相邻点间的距离L_检ij，以及第j时刻检测标志点阵第i对相邻点间距离与初始参考标志点阵对应第i对相邻点间距离差ΔL_ij＝L_标i-L_检ij；

求得第j时刻，第i对相邻点应变为

63)通过膝关节屈曲运动视频信息，通过图像处理求取第j时刻的运动屈曲度；

64)建立第j时刻，应变-屈曲度关系信息；

65)重复62)至64)遍历所有时序，求取各时序下标志点阵中任意两相邻点的应变，及该应变对应的屈曲度，建立依时序变化的应变-屈曲度关系信息；

进一步，当膝关节为离体膝关节时，膝关节生物力学特性测量装置包括活杆、活动夹具和传动装置，

步骤2)为：

将离体膝关节两端分别固定在固定夹具和活动夹具上；

步骤4)为：

启动传动装置驱动活动滑块沿轨道平动，从而带动活杆，进而使固定在活动夹具上的膝关节一端绕固定在固定夹具上的膝关节另一端做屈曲运动；

进一步，当膝关节为在体膝关节时，膝关节生物力学特性测量装置包括安装在活动滑块上的踏板和传动装置，

步骤2)为：

受试者将足部平放在安装了踏板的活动滑块上；

步骤4)为：

受试者的臀部保持静止，传动装置驱动并控制活动滑块沿轨道平动，进而带动膝关节屈曲运动或受试者主动屈曲运动。

本发明的有益效果是：采用在测试轨道旁、固定夹具周围按不同角度设置摄像头的方式，分别对受试膝关节上的标志点阵和膝关节屈曲运动进行实时跟踪摄像，并通过图像处理和计算方法分析标志点阵的阵列变化，达到获得膝关节组织应变随时序变化的目的；同时，通过摄像图像序列计算出膝关节屈曲时序变化，从而生成膝关节组织应变-屈曲的变化关系；避免了复杂的三维计算、射线扫描、测试元件与膝关节的物理接触等现有技术的限制，提高了系统测量与分析计算的速度和测试动作的自由度和幅度，达到了对受试者无创、无害的目的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置侧视图；

图2示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的俯视图；

图3示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的改型结构。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细地描述。

一、基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置

图1示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的侧视图，包括基座1、步进电机2、滑轮组(主动滑轮3与被动滑轮4)、传动带5、轨道6、活动滑块7、活杆8、活动夹具9、固定夹具10、第一摄像头11和第二摄像头12；在基座1上固定轨道6，在基座1上沿轨道6长度方向的一端安装固定夹具10，轨道6上安放有活动滑块7，活动滑块7与活杆8一端通过螺栓可拆卸式活动连接，活杆8另一端通过螺栓与活动夹具9活动连接；主动滑轮3与被动滑轮4安装于轨道6的行程两端，步进电机2与主动滑轮3联动并通过主动滑轮3带动传动带5，传动带5带动活动滑块7在轨道6的行程范围内往复运动；第一摄像头11和第二摄像头12安装在固定夹具10的周围，可分别调节其高度、朝向与位置。

活动夹具9侧壁还设置有可调节指向的指针棒13；可通过在活动夹具9侧壁固定安装螺栓，将指针棒13穿孔挂于螺栓上，再旋紧螺母，保证指针棒13和活动夹具9的相对静止；在测试前旋松螺母，手动调节指针棒13，使得指针棒13与膝关节ACB的AC端保持平行以指向膝关节屈曲处。

此外，指针棒13还可直接固定设置在膝关节ACB的AC端上，保持与AC端平行以指向膝关节屈曲处。

图2示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的俯视图，第一摄像头11和第二摄像头12可沿摄像头安装道14分别设置。

图3示出了上述基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的一种改型结构。该改型结构从图1中的活动滑块7拆卸下活杆8，并安装上踏板15。

采用上述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，可分别实现对离体膝关节或在体膝关节的生物力学特性测量，甚至膝关节的功能训练。

二、离体膝关节生物力学特性测量

其步骤为：

1)在离体膝关节研究区域标记标志点阵；

2)将离体膝关节的AC端固定在活动夹具9上，BC端固定在固定夹具10上，调节指针棒13与AC端保持平行以指向膝关节屈曲处；

3)将第一摄像头11正对朝向膝关节上的标志点阵区域，将第二摄像头12正对膝关节侧面，使得屈曲部位正投影于摄像头的成像面；第二摄像头12通过视频图像记录指针棒的指向及其与轨道6的夹角计算出膝关节的屈曲角度；

4)启动步进电机2，驱动并控制传动带5往复运动；

5)传动带5带动活动滑块7沿轨道6平动，从而带动活杆8，进而使固定在活动夹具9上的膝关节AC端绕膝关节做屈曲运动；

6)第一摄像头11记录研究区域上标记标志点阵的运动轨迹图像信息，第二摄像头12记录膝关节屈曲运动视频信息；

7)通过图像处理技术从标志点阵的运动轨迹图像信息中提取膝关节生物组织的应变信息；通过膝关节屈曲运动视频信息提取运动屈曲度，组成应变-屈曲关系信息，具体步骤为：

71)选定一个屈曲状态下膝关节标志点阵图作为初始参考标志点阵图，在其他屈曲度状态下被记录的标志点阵图作为检测标志点阵图；

72)通过图像处理和计算求取初始参考标志点阵图中第i对相邻点间距离L_标i，第j时刻的检测标志点阵图中对应相邻点间的距离L_检ij，以及第j时刻检测标志点阵第i对相邻点间距离与初始参考标志点阵对应第i对相邻点间距离差ΔL_ij＝L_标i-L_检ij；

求得第j时刻，第i对相邻点应变为

73)通过膝关节屈曲运动视频信息，通过图像处理求取第j时刻的运动屈曲度；

74)建立第j时刻，应变-屈曲度关系信息；

75)重复62)至64)遍历所有时序，求取各时序下标志点阵中任意两相邻点的应变，及该应变对应的屈曲度，建立依时序变化的应变-屈曲度关系信息。

三、在体膝关节生物力学特性测量

在体膝关节生物力学特性测量步骤基本与离体膝关节生物力学特性测量步骤相同，不同在于膝关节的固定方式，其膝关节采用如下步骤固定并进行屈曲运动：

1)拆卸下活杆8，将踏板15安装于活动滑块7上，受试者站姿或坐姿将足部平放在踏板15上；

2)测试时，受试者的臀部保持静止，置于踏板15上的腿部在传动装置的带动下往复摆动，从而驱动膝关节屈曲运动；受测试者也可做主动屈曲运动。

四、膝关节的功能训练

在膝关节功能训练中，使用者可根据在体膝关节生物力学特性测量相同的姿势，将腿的足部平放在活动滑块7上，调节步进电机2驱动并控制传动带5往复运动的行程距离和速度实现不同强度的膝盖关节功能训练。在训练过程中，也可开启第一摄像头11和第二摄像头12获取膝关节组织的应变-屈曲关系，从而根据膝关节的生物力学信息自动对训练方式进行调节。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，其特征在于：包括基座、轨道、活动滑块、固定夹具和摄像头；所述轨道固定于基座上；在基座上沿轨道长度方向的一端安装有固定夹具；所述活动滑块可沿轨道往复运动；摄像头安装在固定夹具周围。

2.如权利要求1所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，其特征在于：还包括活杆和活动夹具，所述活杆一端与活动滑块通过螺栓可拆卸式活动连接，所述活杆另一端与活动夹具通过螺栓活动连接。

3.如权利要求1所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，其特征在于：还包括踏板，所述踏板可拆卸式固定于活动滑块上。

4.如权利要求1至3任一项所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，其特征在于：还包括传动装置，所述传动装置包括步进电机、主动滑轮、被动滑轮和传动带；所述主动滑轮与被动滑轮安装于轨道两端，所述步进电机的输出轴与主动滑轮连接，传动带附着在主动滑轮和被动滑轮上，所述传动带与活动滑块联动，带动活动滑块沿轨道往复运动。

5.如权利要求4所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置，其特征在于：膝关节生物力学特性测量装置的固定夹具周围安装有两个以上摄像头。

6.采用如权利要求1至5任一项所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的膝关节生物力学特性测量方法，其特征在于：其步骤为：

1)在膝关节研究区域标注标志点阵；

2)将膝关节固定在基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置上；

3)将摄像头朝向膝关节；

4)活动滑块沿轨道平动，进而带动膝关节做屈曲运动；

5)摄像头实时记录研究区域上标志点阵的运动轨迹图像信息和膝关节屈曲运动视频信息；

6)通过图像处理技术从标志点阵的运动轨迹图像信息中提取膝关节生物组织的应变信息；通过膝关节屈曲运动视频信息提取运动屈曲度，组成应变-屈曲关系信息。

7.如权利要求6所述的膝关节生物力学特性测量方法，其特征在于：基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置设置有第一，第二摄像头，步骤3)中，第一摄像头设置正对膝关节研究区域，第二摄像头设置正对膝关节的侧面。

8.如权利要求7所述的膝关节生物力学特性测量方法，其特征在于：步骤6)包括以下步骤：

61)选定一个屈曲状态下膝关节标志点阵图作为初始参考标志点阵图，在其它屈曲度状态下被记录的标志点阵图作为检测标志点阵图；

62)通过图像处理和计算求取初始参考标志点阵图中第i对相邻点间距离L_标i，第j时刻的检测标志点阵图中对应相邻点间的距离L_检ij，以及第j时刻检测标志点阵第i对相邻点间距离与初始参考标志点阵对应第i对相邻点间距离差ΔL_ij＝L_标i-L_检ij；

求得第j时刻，第i对相邻点应变为

63)通过膝关节屈曲运动视频信息，通过图像处理求取第j时刻的运动屈曲度；

64)建立第j时刻，应变-屈曲度关系信息；

65)重复62)至64)遍历所有时序，求取各时序下标志点阵中任意两相邻点的应变，及该应变对应的屈曲度，建立依时序变化的应变-屈曲度关系信息。

9.如权利要求6至8任一项所述的膝关节生物力学特性测量方法，其特征在于：当膝关节为离体膝关节时，膝关节生物力学特性测量装置包括活杆、活动夹具和传动装置，

步骤2)为：

将离体膝关节两端分别固定在固定夹具和活动夹具上；

步骤4)为：

启动传动装置驱动活动滑块沿轨道平动，从而带动活杆，进而使固定在活动夹具上的膝关节一端绕固定在固定夹具上的膝关节另一端做屈曲运动。

10.如权利要求6至8任一项所述的膝关节生物力学特性测量方法，其特征在于：当膝关节为在体膝关节时，膝关节生物力学特性测量装置包括安装在活动滑块上的踏板和传动装置，

步骤2)为：

受试者将足部平放在安装了踏板的活动滑块上；

步骤4)为：

受试者的臀部保持静止，传动装置驱动并控制活动滑块沿轨道平动，进而带动膝关节屈曲运动或受试者主动屈曲运动。

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