CN105468896B - 关节运动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种关节运动检测系统，包括：标定装置，用以在关节周围即定位置处设置真实标记点及在关节骨性结构解剖特征位置处设置虚拟标记点，能够反映关节骨性结构的空间运动情况；光学传感装置，用以感测真实标记点的空间位置，从而获得真实标记点的空间运动数据；数据采集装置，用以采集真实标记点的空间运动数据以及虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置数据；数据分析装置，用以将真实标记点的运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据，并根据虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况。本发明能够动态检测关节运动情况，检测结果可客观、量化、精准地反映关节实际情况。

Description

关节运动检测系统及方法

技术领域

本发明属于信号检测与处理领域，具体涉及关节运动检测系统及方法。

背景技术

在多个领域中，均需要了解关节的运动状况，例如是仿生学领域、医学领域等，通过了解关节运动状况，建立仿生模型，用于其他仿生设备的设计，或者在医学领域中，通过观察关节运动状况，进一步作出关节疾病的诊断。特别是人体关节的运动状况，例如人体膝关节、踝关节、髋关节、腕关节、肘关节、肩关节等主要关节，对于这些关节的运动分析和评估都具有重要的意义。

传统医学的关节检测方式为静态检测手段，例如核磁共振(MRI)、X光成像(Xray)、螺旋断层扫描(CT)等影像学检测手段，检测结果为静态图像，无法反映关节的运动情况以及由关节运动引起的异常结果。另外还有通过手法试验检测，如抽屉试验和lachman试验(屈膝30°的前抽屉试验)，检测结果为根据外部强制施加的运动进行的主观判断和定性评价，无法定量反映关节真实运动情况。以上方式都无法动态客观地检测分析关节的运动状态。

目前还有大型步态实验室采用多个运动捕捉摄像机捕捉关节运动，但是在测试前必须对多个摄像机进行系统标定，且需要较大的占地空间进行设备布置，检测非常不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种关节运动检测系统及方法，能够动态检测关节运动情况，检测结果更准确地反映关节实际情况。

为解决上述问题，本发明提出一种关节运动检测系统，包括：

标定装置，用以在关节周围设定位置处设置真实标记点及在关节骨性结构解剖特征位置处设置虚拟标记点，所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况，并建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置；

光学传感装置，用以感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据；

数据采集装置，用以采集所述真实标记点的空间运动数据以及虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；

数据分析装置，用以通过优化运算获所述虚拟标记点的空间运动数据，并根据所述虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况。

根据本发明的一个实施例，所述数据采集装置根据所述真实标记点和虚拟标记点之间的几何关系在关节运动过程中基本保持不变或有较小变化的条件下，用所述真实标记点的空间运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据。

根据本发明的一个实施例，所述数据分析装置根据所述虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度的运动数据。

根据本发明的一个实施例，还包括数据库模块，存储有正常人关节运动数据；所述数据分析装置还用以比较所获取的关节三维六自由度的运动数据和正常人关节的三维六自由度运动数据。

根据本发明的一个实施例，所述标定装置为弹性绑缚装置或便捷附着装置，用以将真实标记点绑缚或附着在关节周围设定位置处，并通过特性标定器，建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置。

根据本发明的一个实施例，所述光学传感装置为红外传感装置，所述标定装置的真实标记点为能够由所述红外传感装置感测的物件。

根据本发明的一个实施例，所述光学传感装置同步采集多个真实标记点。

根据本发明的一个实施例，所述光学传感装置为双红外或多红外一体式光学定位传感器，通过红外光发射和反射间的时差或红外光接收的时差，以确定真实标记点的空间位置，从而获得其空间运动数据。

本发明还提供一种人体关节运动检测方法，包括以下步骤：

S1：使用标定装置在关节周围设定位置处设置真实标记点及在关节骨性结构解剖特征位置处设置虚拟标记点，所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况，并建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置；

S2：光学传感装置感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据；

S3：采集所述真实标记点的空间运动数据，以及虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；

S4：将真实标记点的空间运动数据通过优化运算获取虚拟标记点的空间运动数据，并根据所述虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，根据所述真实标记点和虚拟标记点之间的几何关系在关节运动过程中基本保持不变或有较小变化的条件下，用所述真实标记点的空间运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据。

根据本发明的一个实施例，在步骤S4之后还包括步骤S5：根据所述虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度的运动数据。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：在关节周围设置真实标记点，真实标记点的数目及分布情况根据关节骨性结构而定，分布的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况，为关节骨性结构位置变化提供空间位置参考基准；采用光学传感装置捕获这些真实标记点，在关节运动过程中，光学传感装置捕获的数据便形成真实标记点的空间运动数据，这些空间运动运动数据能够反映关节的运动状况；数据采集装置将真实标记点的空间运动数据采集后，通过数据分析装置对其进行优化运算获取虚拟标记点的运动数据，进而获得关节运动的数据，由此可获取客观、量化的结果。该检测方法能够在关节运动过程中实现动态的检测，并且在较小的占地空间中即可确保关节的最佳测试位置，确保测试过程中的数据稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例的关节运动检测系统的结构框图；

图2为本发明一实施例的关节运动检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的关节运动检测系统可以客观动态检测关节运动情况，建立的模拟数据可以真实反映关节运动状况，当运用到临床中时，可以为关节疾病的诊断提供判断依据，也可以为关节治疗效果评估提供量化数据比对，实现关节诊疗的数字化、个体化、精准化、大数据化。但是，本发明的关节运动检测系统不仅仅适用于临床关节诊断，还可以其他需要关节检测的场合中，如体检关节检测和康复中的关节功能评估检测，此外还可以用于仿生学中，作为制造机器人或其他设备的依据。

本发明的关节运动检测方法应用到人体关节疾病诊断时，并不能直接获得关节疾病的诊断结果，而是仅模拟出关节运动情况。当然，本发明的关节运动检测方法同样还可以用于其他场合中。

参看图1，在一个实施例中，关节运动检测系统包括标定装置1，光学传感装置2，数据采集装置3和数据分析装置4。其中，标定装置1设置在人体关节周围，实现了在体关节运动检测。光学传感装置2和标定装置1之间是通过光感应进行通信的，光学传感装置2不断感应到各真实标记点，从而根据动态变化情况形成空间运动数据。数据采集装置3一方面和光学传感装置2连接，从而采集光学传感装置2的空间运动数据，另一方面和数据分析装置4连接，将采集预处理后的数据传输给数据分析装置4中重建。

其中，标定装置1用以在关节周围设定位置处设置真实标记点及在关节骨性结构解剖特征位置处设置虚拟标记点，真实标记点的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况，并建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置。真实标记点或虚拟标记点可以是较小的标定部件，只要能够被光学传感装置2感应。

建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置例如可以通过特性标定器来标定，该特性标定器是和光学传感装置配合使用的特性标定器。

标定装置1较佳的为柔性标定装置，例如是弹性绑缚装置或者是便捷附着装置，将真实标记点绑缚或附着在关节周围设定位置处，快速可靠。通过设置于关节周围表面的真实标记点捕捉关节骨性结构运动，计算构成关节的骨性结构之间的相对运动，进而获取关节的运动情况，可用于人体膝关节、踝关节、髋关节、腕关节、肘关节、肩关节等主要关节的运动分析和评估。

光学传感装置2用以感测真实标记点的空间位置，随着关节的运动，真实标记点的空间位置也在改变，光学传感装置2捕获到空间位置的变化，从而获得真实标记点的空间运动数据。当然，光学传感装置2也要感测真实标记点的初始空间位置。

较佳的，光学传感装置2为红外传感装置，标定装置1的真实标记点为能够由红外传感装置感测的物件。光学传感装置2能够同步采集多个真实标记点。光学传感装置的布置位置在有效测试范围内，确保在较小的占地空间中即可完成关节真实标记点的采集和标定，相比现有技术而言，无需设置多个运动捕捉摄像机，从而避免了标定繁琐、占地空间大的问题。

具体的，光学传感装置2可以为双红外或多红外一体式光学定位传感器，通过红外光发射和反射间的时差或红外光接收的时差，也就是红外光发射与接收到红外光之间的时差，能够快速精确地确定真实标记点的空间位置，从而获得其空间运动数据。

数据采集装置3用以采集光学传感装置感测到的真实标记点的空间运动数据以及虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据。虚拟标记点，例如也是通过标定而后和真实标记点同时采集到数据采集装置3中，只是虚拟标记点的标记点设置在关节骨性结构的解剖结构上，在相应典型特征点通过标定装置设置虚拟标记点，同样通过感测，采集方式形成其与真实标记点的相对空间位置，初始的虚拟标记点的空间位置是固定的，根据真实标记点的空间位置的改变，产生的空间运动数据通过优化更新虚拟标记点，使其相应发生动态变化，进而反映真实的关节运动。在一个实施例中，数据采集装置3根据真实标记点和虚拟标记点之间的几何关系在关节运动过程中基本保持不变或有较小变化的条件下，用真实标记点的空间运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据，从而获得关节运动数据。

数据分析装置4用以进行优化运算获取虚拟标记点的空间运动数据，并根据虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况，该模拟分析结果可以进一步通过图形化界面显示，从而可以直观的观察关节运动状况，便于进一步分析。

在一个实施例中，数据分析装置4根据虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度(6DOF)的运动数据据此表征关节的真实运动特征，使检测结果客观、量化、准确的反映关节实际情况。

本发明的关节运动检测系统，可以使得关节检测不再是静态图像，而可以通过动态图像、曲线反映关节实际运动情况，并且检测结果不是主观判断或定性评价，而是能够客观定量地反映关节真实运动情况。

作为进一步的实施方式，关节运动检测系统还包括数据库模块5，其中存储有正常人关节运动数据；数据分析装置4还用以比较所获取的关节三维六自由度的运动数据和正常人的关节三维六自由度运动数据。正常人运动数据是指所需检测的关节并未发生过病变或破损的人体关节运动数据。在本实施例中，关节的三维六自由度的运动数据也是通过检测人体关节真实运动情况获得的，通过检测获取的关节三维六自由度的运动数据和正常人关节运动数据的比较，可以获得所测关节在运动过程中的异常情况，从而可以快速准确地诊断关节疾病。

真实标记点的空间运动数据、虚拟标记点的空间运动数据、检测结果数据也可以存储到数据库模块5中，并能够从其中调取出来使用。

本发明的关节运动检测系统可以将数据采集装置3和数据分析装置4及相关设备集成于一体，并配置为可移动的平台，使其在较小的占地空间中即可为关节提供最佳测试位置。

参看图2，本发明还提供一种关节运动检测方法，包括以下步骤：

S1：使用标定装置在关节周围设定位置处设置真实标记点，所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况；并建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置；

S2：光学传感装置感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据；

S3：采集所述真实标记点的空间运动数据，并用所述真实标记点的空间运动数据优化后获取虚拟标记点的空间运动数据；

S4：根据所述虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况。

在步骤S3中，根据真实标记点和虚拟标记点之间的几何关系在关节运动过程中基本保持不变或有较小的变化的条件下，用真实标记点的空间运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据。

进一步的，在步骤S4之后还包括步骤S5：根据虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度的运动数据。

关节运动检测方法的具体内容请参看前述关于关节运动检测系统的描述内容，在此不再赘述，需要说明的是，关节运动检测方法获得的检测结果仅为关节的运动结果，并非诊断结果。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种关节运动检测系统，其特征在于，包括：

标定装置，用以在关节周围设定位置处设置真实标记点及在关节骨性结构解剖特征位置处设置虚拟标记点，所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况，并通过标定建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置；

光学传感装置，用以感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据；光学传感装置还感测到虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；

数据采集装置，用以采集所述真实标记点的空间运动数据，以及虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；

数据分析装置，用以将真实标记点的空间运动数据通过优化运算获取虚拟标记点的空间运动数据，并根据所述虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况；

在关节骨性结构解剖特征位置处通过标定装置设置虚拟标记点，通过光学传感装置感测、数据采集装置采集形成虚拟标记点与真实标记点的空间相对位置，初始的虚拟标记点的空间位置是固定的，根据真实标记点的空间位置的改变，产生的空间运动数据优化更新虚拟标记点的空间运动数据，使其相应发生动态变化，以反映真实的关节运动。

2.如权利要求1所述的关节运动检测系统，其特征在于，所述数据采集装置根据所述真实标记点和虚拟标记点之间的几何关系在关节运动过程中基本保持不变或有较小变化的条件下，用所述真实标记点的空间运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据。

3.如权利要求1所述的关节运动检测系统，其特征在于，所述数据分析装置根据所述虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度的运动数据。

4.如权利要求3所述的关节运动检测系统，其特征在于，还包括数据库模块，存储有正常人关节运动数据；所述数据分析装置还用以比较获取的关节三维六自由度的运动数据和正常人关节三维六自由度运动数据。

5.如权利要求1所述的关节运动检测系统，其特征在于，所述标定装置为弹性绑缚装置或便捷附着装置，用以将真实标记点绑缚或附着在关节周围设定位置处，并通过特性标定器，建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置。

6.如权利要求1所述的关节运动检测系统，其特征在于，所述光学传感装置为红外传感装置，所述标定装置的真实标记点为能够由所述红外传感装置感测的物件。

7.如权利要求6所述的关节运动检测系统，其特征在于，所述光学传感装置同步采集多个真实标记点。

8.如权利要求1或6或7所述的关节运动检测系统，其特征在于，所述光学传感装置为双红外或多红外一体式光学定位传感器，通过红外光发射和反射间的时差或红外光接收的时差，以确定真实标记点的空间位置，从而获得其空间运动数据。

9.一种关节运动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：使用标定装置在关节周围设定位置处设置真实标记点及在关节骨性结构解剖特征位置处设置虚拟标记点，所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨性结构的空间运动情况，并通过标定建立虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置；在关节骨性结构解剖特征位置处通过标定装置设置虚拟标记点，通过光学传感装置感测、数据采集装置采集形成虚拟标记点与真实标记点的空间相对位置；

S2：光学传感装置感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据；光学传感装置还感测到虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；

S3：采集所述真实标记点的空间运动数据，以及虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；

S4：将真实标记点的空间运动数据通过优化运算获取虚拟标记点的空间运动数据，并根据所述虚拟标记点的空间运动数据模拟分析关节骨性结构运动情况；初始的虚拟标记点的空间位置是固定的，根据真实标记点的空间位置的改变，产生的空间运动数据优化更新虚拟标记点的空间运动数据，使其相应发生动态变化，以反映真实的关节运动。

10.如权利要求9所述的关节运动检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据所述真实标记点和虚拟标记点之间的几何关系在关节运动过程中基本保持不变或有较小变化的的条件，用所述真实标记点的空间运动数据通过优化运算后获取虚拟标记点的空间运动数据。

11.如权利要求9所述的关节运动检测方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括步骤S5：根据所述虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度的运动数据。