CN103239250B - 人体骨关节运动学动态采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体骨关节运动学动态采集系统，包括活动连接的第一支架和第二支架，第二支架上间隔设置用于发射X射线第一、二X线球管、X线接收器和用于捕捉目标骨关节体表运动和位置信息的多个动作体感摄像装置；并且两个X线球管、X线接收器组可在作为第二支架的环形臂上联动滑移，实现调整两束投照X线间的角度，从而调整检测区域的形状与大小。记录第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置的位置数据的数据存储装置。最后可在目标肢体体表运动信息的辅助下，通过预建立的骨关节三维模型与所采集的双平面二维影像进行配准，重构骨关节的在体运动。该装置结构简单、成本低，能精确快捷地采集人体骨关节在体运动图像的系统。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别涉及一种人体骨关节运动学动态采集系统。
背景技术
骨关节损伤与疾病的发生和发展常常伴随着局部关节运动特征的改变。同时，一些异常的关节活动也可导致疾病的产生。检测骨关节系统在体的运动学特征，对疾病的科研，诊断，治疗以及预后评估等均具有重要意义。
光学动作捕捉与运动传感是目前应用较多的运动学检测方法。但在这些方法中，捕获运动的光学标志物或物理传感器均安装在肢体表面，由于皮肤与骨性结构间存在较大的相对活动，上述方法所获得的肢体动作信息并不适合精确研究骨关节的在体运动，仅适用于步态分析、人体动力学研究、动画制作等。此外，其设备还存在操作复杂、移动性差、需要较大的实验场地、对环境要求苛刻等缺陷，使用成本较高。双平面动态X线影像监测可以对运动中的骨关节进行实时二维显像，通过将预建立的骨关节三维模型与二维影像进行配准，可以连续还原骨关节的空间位置与轨迹，达到检测运动学的目的。由于X线直接对骨骼显像，该方法可精确获取骨关节的位置及运动信息，排除了软组织移动所引起的误差。同时，该方法对设备，场地等的要求也低于前述的两种技术，综合成本较低。综上所述，双平面X线影像监测结合模型配准是一种准确、经济的骨关节运动学检测手段。
但是目前，尚无一种针对性的硬件系统进行基于该方法的运动学检测。既往的研究仅能在实验室开展，研究人员利用现有的X线成像设备（如C形臂，移动X光机等）自行组合构建双平面影像采集系统。此类自建系统的安装与使用极为繁琐，并且功能单一，稳定性差。后处理所需要的多个物理参数如焦片距、焦物距、投照角度等，均需要人工测量与记录，并与X线影像进行匹配，无法自动获取与整合。同时由于缺少针对性的数据接口，后处理中X线影像与物理参数需要人工输入，无法自动进行。此外，安装后的系统仅能适应特定的检测，对于不同身高的受试者、不同的肢体部位以及不同运动形式，需要重新安装并校准，不能灵活调整。总之，自建系统仍属于实验性质，其操作复杂，稳定性差，准确度低，检测费时，成本高昂，不适合临床应用。
因此急需一种结构简单、成本低且能快速精确采集人体骨关节的在体运动学的装置。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低且能精确采集人体骨关节的在体运动学的装置。该系统装置利用双平面X线影像监测进行人体骨关节运动学检测，实时采集目标骨关节结构在两个平面内的二维影像信息。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的人体骨关节运动学动态采集系统，包括活动连接的第一支架和第二支架，所述第二支架上间隔设置第一X线球管、第一X线接收器、第二X线球管和第二X线接收器；所述第一X线球管，用于发射X射线；所述第一X线接收器，用于接收第一X线球管发射的X射线；所述第二X线球管，用于发射X射线；所述第二X线接收器，用于接收第二X线球管发射的X射线；所述第一X线球管、第一X线接收器构成第一平面X线动态采集装置，所述第二X线球管、第二X线接收器构成第二平面X线动态采集装置，所述第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置用于实时采集目标骨关节结构在两个平面内的二维影像信息。
进一步，还包括、第一动作体感摄像装置、第二动作体感摄像装置；所述第一动作体感摄像装置，用于捕捉目标骨关节一侧的肢体体表运动和位置信息；所述第二动作体感摄像装置，用于捕捉目标骨关节相对应的另一侧的肢体体表运动和位置信息。
进一步，所述第二支架为设置第一支架上的环形臂，所述环形臂设置有枢轴，所述枢轴与第一支架活动连接并沿第一支架直线移动。
进一步，所述第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置在第一支架上联动滑移，用于调整两束投照X线间的角度，调整检测区域的形状与大小。
进一步，还包括用于记录第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置的位置数据的数据存储装置。
进一步，所述第二支架上还设置有用于提供第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置移动的联动滑槽。
进一步，还包括第一校准装置和第二校准装置；所述第一校准装置，用于对第一X线球管和第一X线接收器的偏移失准进行校正；所述第二校准装置，用于对第二X线球管和第二X线接收器的偏移失准进行校正。
进一步，所述环形臂上的直径为1米-2米。
进一步，所述第一支架为立柱，所述立柱通过枢轴与环形臂活动连接。
进一步，还包括终控计算机，所述终控计算机与数据存储装置连接，用于接收和处理数据存储装置的数据，实时实现两个平面内的二维影像信息通过快速空间配准转化成骨关节系统的三维影像信息。
本发明的优点在于：本发明采用间隔设置于环形臂上的两个X线球管、X线接收器和动作体感摄像装置；通过动作体感摄像装置捕捉目标骨关节的肢体体表运动和位置信息；通过X线球管、X线接收器实时采集目标骨关节结构在两个平面内的二维影像信息。并且两个X线球管、X线接收器可以在环形臂上联动滑移，实现调整两束投照X线间的角度，从而调整检测区域的形状与大小。记录第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置的位置数据的数据存储装置。最后可以根据目标骨关节的体表运动信息，通过预建立的骨关节三维模型与所采集的双平面二维影像进行配准，还原骨关节的在体运动。
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，其中：
图1为装置整体立体图；
图2为环形滑轨平面图；
图3为投射角度与检测区域的调整；
图4为后期数据处理（三维模型-二维影像配准）示意图；
图5为整体结构图。
图中，第一支架-1、第二支架-2、第一X线球管31、第一X线接收器32、第二X线球管41、第二X线接收器42、第一动作体感摄像装置-5、第二动作体感摄像装置-6、数据存储装置-7、枢轴-8、联动滑槽-9、第一校准装置10、第二校准装置11。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为装置整体立体图，图2为环形滑轨平面图，图3为投射角度与检测区域的调整，图中，两组X线重叠区域为检测区域，该检测区域的范围可以随投射角度的变化而改变，图4为后期数据处理（三维模型-二维影像配准）示意图，图5为整体结构图，如图所示：本发明提供的人体骨关节运动学动态采集系统，包括活动连接的第一支架1和第二支架2，所述第二支架2上间隔设置第一X线球管31、第一X线接收器32、第二X线球管41、第二X线接收器42、第一动作体感摄像装置5、第二动作体感摄像装置6、第一校准装置10、第二校准装置11和终控计算机；所述第一X线球管31，用于发射X射线；所述第一X线接收器32，用于接收第一X线球管发射的X射线；所述第二X线球管41，用于发射X射线；所述第二X线接收器42，用于接收第二X线球管发射的X射线；所述第一动作体感摄像装置5，用于捕捉目标骨关节一侧的肢体体表运动和位置信息；所述第二动作体感摄像装置6，用于捕捉目标骨关节相对应的另一侧的肢体体表运动和位置信息。
本实施例采用两组体感摄影头（即第一动作体感摄像装置5和第二动作体感摄像装置6）可以满足粗略捕捉人体体表活动的要求。优选方式采用四组体感摄像装置，相隔90度安装在环形臂上，以满足不同复杂动作的检测需要。在单次实验中，四组体感摄像装置可能不必全部开启，满足需要即可。
本实施例中的体感摄像设备所采集的肢体体表运动信息是为了辅助后期配准过程中三维模型的快速对位。
所述第一X线球管31、第一X线接收器32构成第一平面X线动态采集装置，所述第二X线球管41、第二X线接收器42构成第二平面X线动态采集装置，所述第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置用于实时采集目标骨关节结构在两个平面内的二维影像信息。
所述第二支架2为设置第一支架1上的环形臂，所述环形臂设置有枢轴8，所述枢轴与第一支架活动连接并沿第一支架直线移动。
所述第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置在第一支架上联动滑移，用于调整两束投照X线间的角度，调整检测区域的形状与大小。
还包括用于记录第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置的位置数据的数据存储装置7。
所述第二支架2上还设置有用于提供第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置移动的联动滑槽9。
所述第一校准装置10，用于对第一X线球管和第一X线接收器的偏移失准进行校正；所述第二校准装置11，用于对第二X线球管和第二X线接收器的偏移失准进行校正。
所述第一校准装置10和第二校准装置11，用于对由采集系统中的可移动部件的位置变动产生引起的机械结构微形变所导致的第一X线球管-接收器组的偏移失准进行校正；
由于采集系统中的可移动部件的位置变动，从而产生引起机械结构的微形变，并导致第一X线球管和第一X线接收器组的偏移失准，所以采用第一校准装置对其进行校正；由X线球管发出的中心射线束方向必须与接收器的感光平面垂直，且发射球管的中心必须与接收器感光板的中心在X线投照方向上重合，否则将会导致被照物体的影像不同程度的扭曲失真。由于本装置中的多个组件，包括环形臂，“球管-接收器”组等均设计为可以在支架内活动，尽管机械结构应制造的很坚固，但在重力和机械活动的影响下，机械结构仍有可能产生有限的微形变，从而导致处在不同位置时的“球管-接收器”组的对合关系发生变动，使图像产生失真。校准装置用于检测这种失真的发生，并对系统进行校准。
所述环形臂上的直径为1米-2米。本实施例采用直径为1.5米左右。
所述第一支架1为立柱，所述立柱通过枢轴与环形臂活动连接。
所述终控计算机与数据存储装置连接，用于接收和处理数据存储装置的数据，实时实现两个平面内的二维影像信息通过快速空间配准转化成骨关节系统的三维影像信息。
实现原理：通过双平面的X线动态摄影，实时采集目标骨关节结构在两个平面内的二维影像信息；动作体感摄像头组同时捕捉肢体体表的运动和位置信息。在后处理系统中，在体表运动信息的辅助下，将预建立的骨关节三维模型与所采集的双平面二维影像进行配准，还原骨关节的在体运动。
主要功能与特点：
X线球管-接收器组安置于环形臂上，臂成正圆形，直径1.5m，两个有枢轴与立柱相连。环形臂可以在立柱上上下移动，以用于人体不同部位的检查及适应不同受测者的身高；环形臂同时可以两侧枢轴为中心进行旋转（相对水平面倾斜），以适应不同成像角度的需要。环形臂内的空间，可以放置不同的运动器械（如跑步机，梯级，斜坡等），使受试者可以完成不同生理动作。体感捕捉摄像头一共四组，间隔90°安装在环形臂上，可以对受试者肢体的体表运动进行实时捕捉，数据可在后期辅助三维模型与二维影像进行配准。
两个X线球管-接收器组可以在环形臂上联动滑动，以调整两束投照X线间的角度，进而调整检测区域的形状与大小。最佳成效角度为两组射线相互垂直。系统可以对两组X线球管-接收器的位置数据进行记录，以在配准中还原真实物理场景。每个X线球管-接收器组既可进行静态的影像拍摄，也可进行连续的动态影像监测。
X线球管-接收器组也可以在环形臂上进行360°转动，模仿CT的成像原理对目标关节进行环绕拍摄，进而进行关节的三维重建。这样可以使受试者避免另行CT检查，减少辐射摄入及时间成本。
后期的软件系统通过三维模型-二维影像的图像配准，还原受试者运动时骨关节的空间位置关系和运动特征。
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 (9)
1.人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：包括活动连接的第一支架和第二支架，所述第二支架上间隔设置第一X线球管、第一X线接收器、第二X线球管和第二X线接收器；所述第一X线球管，用于发射X射线；所述第一X线接收器，用于接收第一X线球管发射的X射线；所述第二X线球管，用于发射X射线；所述第二X线接收器，用于接收第二X线球管发射的X射线；所述第一X线球管、第一X线接收器构成第一平面X线动态采集装置，所述第二X线球管、第二X线接收器构成第二平面X线动态采集装置，所述第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置用于实时采集目标骨关节结构在两个平面内的二维影像信息，所述第二支架为设置在第一支架上的环形臂，所述环形臂设置有枢轴，所述枢轴与第一支架活动连接并沿第一支架直线移动。
2.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：还包括第一动作体感摄像装置和第二动作体感摄像装置；所述第一动作体感摄像装置，用于捕捉目标骨关节一侧的肢体体表运动和位置信息；所述第二动作体感摄像装置，用于捕捉目标骨关节相对应的另一侧的肢体体表运动和位置信息。
3.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：所述第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置在第一支架上联动滑移，用于调整两束投照X线间的角度，调整检测区域的形状与大小。
4.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：还包括用于记录第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置的位置数据的数据存储装置。
5.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：所述第二支架上还设置有用于提供第一平面X线动态采集装置和第二平面X线动态采集装置移动的联动滑槽。
6.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：还包括第一校准装置和第二校准装置；所述第一校准装置，用于对第一X线球管和第一X线接收器的偏移失准进行校正；所述第二校准装置，用于对第二X线球管和第二X线接收器的偏移失准进行校正。
7.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：所述环形臂的直径为1米-2米。
8.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：所述第一支架为立柱，所述立柱通过枢轴与环形臂活动连接。
9.根据权利要求1所述的人体骨关节运动学动态采集系统，其特征在于：还包括终控计算机，所述终控计算机与数据存储装置连接，用于接收和处理数据存储装置的数据，实时实现两个平面内的二维影像信息通过快速空间配准转化成骨关节系统的三维影像信息。
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