CN107374663B - 人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法 - Google Patents

人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，其包括一个采集人体膝关节影像的步骤和一个通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程。本发明人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法通过计算机采集的人体膝关节骨性结构的影像数据，通过人体膝关节股骨髁关节面的曲率变化，计算人体膝关节伸屈运动过程中的瞬时中心轴和瞬时中心曲面数据，方便利用该数据设计膝关节人工假体、矫形支局、康复辅具，以及进行人体膝关节病变的功能评估。

Description

人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位方法，特别是涉及一种人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法。
背景技术
膝关节是人体最复杂的关节之一，股骨髁不是正圆形，中部扁平，曲率半径较大，后部和前部近似圆形，曲率半径较小。两个髁关节面的曲度亦不同。膝的伸屈运动系围绕横轴在矢状面上进行的，其旋转中心轴不在膝关节线上，而是贯穿两股骨髁的后上方，并且旋转中心轴不是固定的，随伸屈运动而移位构成旋转中心曲面。因此，膝的伸屈运动具有运动学的特殊性。正是这种膝关节运动学的复杂特性，要求设计制造的人工膝关节假体具有不均一曲率半径的股骨髁组件和与之匹配的关节垫片组件；同时目前使用的膝关节矫形支具和康复辅具仅采用单一旋转轴心的设计，不匹配膝关节解剖学的伸屈运动方式，无法适应人体膝关节运动学需求，影响了膝关节疾病的治疗和康复效果；此外，由于人体膝关节解剖构造个体差异的存在，对膝关节假体设计、矫形支具和康复辅具具有个体化定制的精准医疗需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，其通过计算机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，确定股骨内侧髁和外侧髁长轴平面和长轴关节线，依据长轴关节线的曲率计算股骨内侧髁和外侧髁的瞬时旋转中心，并同步匹配股骨内侧髁和外侧髁同一伸屈运动角度的瞬时旋转中心，确定膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面，方便利用该数据设计膝关节人工假体、矫形支局、康复辅具，以及进行人体膝关节病变的功能评估。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，其包括一个采集人体膝关节影像的步骤和一个通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程；所述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；所述通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程中，包括下列具体步骤：
步骤一，利用计算机X射线断层扫描机采集到的人体膝关节0°伸直位全部骨性结构影像数据构建膝关节三维几何模型；
步骤二，连接股骨内上髁顶点A和外上髁顶点B，确定股骨髁的通髁线；
步骤三，在股骨内侧髁关节面由前向后分为前部、中部、后部；前部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点C；中部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点D；后部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点E，由C、D、E点连接构建股骨内侧髁长轴平面；
步骤四，在股骨外侧髁关节面由前向后分为前部、中部、后部；前部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点F；中部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点G；后部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点H，由F、G、H点连接构建股骨外侧髁长轴平面；
步骤五，分别确定股骨内、外侧髁关节面分别与内侧髁、外侧髁长轴平面的交汇线，为股骨内、外侧髁长轴关节线；
步骤六，确定通髁线与股骨内侧髁长轴平面的交点I、与股骨外侧髁长轴平面的交点J；
步骤七，作垂直于水平面的经通髁线的垂直面；
步骤八，垂直面与股骨内侧髁长轴关节线的交点为内侧髁起点为K，与股骨外侧髁长轴关节线的交点为外侧髁起点为L；
步骤九，在股骨内侧髁长轴平面内，作交点I和起点为K的连线，以交点I为中点向后作I、K连线的120°夹角线，夹角线同股骨内侧髁长轴关节线的交点为内侧髁终点M；在股骨外侧髁长轴平面内，作交点J和起点为L的连线，以交点J为中点向后作J、L连线的120°夹角线，夹角线同股骨外侧髁长轴关节线的交点为外侧髁终点N；
步骤十，在股骨内侧髁、外侧髁长轴平面内，在长轴关节线上以起点±固定距离（例如1mm）的关节线曲率计算定位起点旋转中心；
步骤十一，作起点到起点旋转中心的连线，以起点旋转中心为圆心向后进固定角度（例如1°），连线与长轴关节线的交点定位第二点；
步骤十二，在股骨内侧髁、外侧髁长轴平面内，在长轴关节线上以第二点±固定距离（例如1mm）的关节线曲率计算定位第二点旋转中心；作第二点到第二点旋转中心的连线，以第二点旋转中心为圆心向后进固定角度（例如1°），连线与长轴关节线的交点定位第三点；
步骤十三，按照步骤十至步骤十二的方法顺次定位长轴关节线曲率的第三点旋转中心、第四点旋转中心；直至股骨内侧髁、外侧髁长轴平面内，定位长轴关节线上的终点旋转中心；
步骤十四，依次连接起点旋转中心、第二点旋转中心、第三点旋转中心、第四点旋转中心，直至终点旋转中心，分别形成股骨内侧髁的瞬时中心曲线和股骨外侧髁的瞬时中心曲线；
步骤十五，连接股骨内侧髁的起点旋转中心和股骨外侧髁的起点旋转中心，形成起点瞬时中心轴；连接股骨内侧髁的第二点旋转中心和股骨外侧髁的第二点旋转中心，形成第二点瞬时中心轴；连接股骨内侧髁的第三点旋转中心和股骨外侧髁的第三点旋转中心，形成第三点瞬时中心轴，依次向后，直至形成终点瞬时中心轴；
步骤十六，依次连接起点瞬时中心轴、第二点瞬时中心轴、第三点瞬时中心轴，直至终点瞬时中心轴，形成股骨内、外侧髁瞬时中心曲面。
优选地，所述步骤一构建股骨髁三维几何模型时，根据骨结构密度的高低选择合适的影像数据灰度值，生成膝关节股骨髁三维数字模型，并通过三维数字模型的面网格反求出股骨髁三维几何模型。
本发明的积极进步效果在于：本发明人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法；通过计算机采集的人体膝关节骨性结构的影像数据，计算定位人体膝关节在伸屈运动过程中的瞬时中心轴和瞬时中心曲面数据，方便利用该数据设计膝关节人工假体、矫形支局、康复辅具，以及进行人体膝关节病变的功能评估。
附图说明
图1为本发明人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面的水平面定位主视图；
图2为本发明人体膝关节的股骨内、外侧髁长轴平面侧视图；
图3为本发明人体膝关节伸屈运动的股骨内、外侧髁的瞬时旋转中心、瞬时中心轴、瞬时中心曲面的定位方法示意图；
图中：1、瞬时中心轴；2、瞬时中心曲面；5、长轴平面；6、起点；7、起点旋转中心；8、第二点；9、第二点旋转中心；10、第三点；11、第三点旋转中心；12、终点；13、终点旋转中心。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1至图3所示，一种人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，包括一个采集人体膝关节影像的步骤和一个通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程；其特征在于，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，确定股骨内侧髁和外侧髁长轴平面5和长轴关节线，依据长轴关节线的曲率计算股骨内侧髁和外侧髁的瞬时旋转中心，并同步匹配股骨内侧髁和外侧髁同一伸屈运动角度的瞬时旋转中心，确定膝关节伸屈运动的瞬时中心轴1和瞬时中心曲面2；所述通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程中，包括下列具体步骤：
步骤一，利用计算机X射线断层扫描机采集到的人体膝关节0°伸直位全部骨性结构影像数据构建膝关节三维几何模型；
步骤二，连接股骨内上髁顶点A和外上髁顶点B，确定股骨髁的通髁线；
步骤三，在股骨内侧髁关节面由前向后分为前部、中部、后部；前部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点C；中部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点D；后部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点E，由C、D、E点连接构建股骨内侧髁长轴平面5；
步骤四，在股骨外侧髁关节面由前向后分为前部、中部、后部；前部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点F；中部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点G；后部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点H，由F、G、H点连接构建股骨外侧髁长轴平面5；
步骤五，分别确定股骨内、外侧髁关节面分别与内侧髁、外侧髁长轴平面5的交汇线，为股骨内、外侧髁长轴关节线；
步骤六，确定通髁线与股骨内侧髁长轴平面5的交点I、与股骨外侧髁长轴平面5的交点J；
步骤七，作垂直于水平面的经通髁线的垂直面；
步骤八，垂直面与股骨内侧髁长轴关节线的交点为内侧髁起点6为K，与股骨外侧髁长轴关节线的交点为外侧髁起点6为L；
步骤九，在股骨内侧髁长轴平面5内，作交点I和起点6为K的连线，以交点I为中点向后作I、K连线的120°夹角线，夹角线同股骨内侧髁长轴关节线的交点为内侧髁终点M；在股骨外侧髁长轴平面5内，作交点J和起点6为L的连线，以交点J为中点向后作J、L连线的120°夹角线，夹角线同股骨外侧髁长轴关节线的交点为外侧髁终点N；
步骤十，在股骨内侧髁、外侧髁长轴平面5内，在长轴关节线上以起点6±固定距离例如1mm的关节线曲率计算定位起点旋转中心7；
步骤十一，作起点6到起点旋转中心7的连线，以起点旋转中心7为圆心向后进固定角度例如1°，连线与长轴关节线的交点定位第二点8；
步骤十二，在股骨内侧髁、外侧髁长轴平面5内，在长轴关节线上以第二点8±固定距离例如1mm的关节线曲率计算定位第二点旋转中心9；作第二点8到第二点旋转中心9的连线，以第二点旋转中心9为圆心向后进固定角度例如1°，连线与长轴关节线的交点定位第三点10；
步骤十三，按照步骤十至步骤十二的方法顺次定位长轴关节线曲率的第三点旋转中心11、第四点旋转中心；直至股骨内侧髁、外侧髁长轴平面5内，定位长轴关节线上的终点旋转中心13；
步骤十四，依次连接起点旋转中心7、第二点旋转中心9、第三点旋转中心11、第四点旋转中心，直至终点旋转中心13，分别形成股骨内侧髁的瞬时中心曲线和股骨外侧髁的瞬时中心曲线；
步骤十五，连接股骨内侧髁的起点旋转中心7和股骨外侧髁的起点旋转中心7，形成起点6瞬时中心轴1；连接股骨内侧髁的第二点旋转中心9和股骨外侧髁的第二点旋转中心9，形成第二点8瞬时中心轴1；连接股骨内侧髁的第三点旋转中心11和股骨外侧髁的第三点旋转中心11，形成第三点10瞬时中心轴1，依次向后，直至形成终点12瞬时中心轴1；
步骤十六，依次连接起点6瞬时中心轴1、第二点8瞬时中心轴1、第三点10瞬时中心轴1，直至终点12瞬时中心轴1，形成股骨内、外侧髁瞬时中心曲面2。
2、如权利要求1所述的人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，其特征在于，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，确定股骨内侧髁和外侧髁长轴平面5和长轴关节线，依据长轴关节线的曲率计算股骨内侧髁和外侧髁的瞬时旋转中心，并同步匹配股骨内侧髁和外侧髁同一伸屈运动角度的瞬时旋转中心，确定膝关节伸屈运动的瞬时中心轴1和瞬时中心曲面2。
所述步骤一构建股骨髁三维几何模型时，根据骨结构密度的高低选择合适的影像数据灰度值，生成膝关节股骨髁三维数字模型，并通过三维数字模型的面网格反求出股骨髁三维几何模型。
综上所述，本发明人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，通过计算机采集的人体膝关节骨性结构的影像数据，计算人体膝关节在伸屈运动过程中的瞬时中心轴1和瞬时中心曲面2数据，方便利用该数据设计膝关节人工假体、矫形支局、康复辅具，以及进行人体膝关节病变的功能评估。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，包括一个采集人体膝关节影像的步骤和一个通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程；其特征在于，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，确定股骨内侧髁和外侧髁长轴平面（5）和长轴关节线，依据长轴关节线的曲率计算股骨内侧髁和外侧髁的瞬时旋转中心，并同步匹配股骨内侧髁和外侧髁同一伸屈运动角度的瞬时旋转中心，确定膝关节伸屈运动的瞬时中心轴（1）和瞬时中心曲面（2）；所述通过人体膝关节影像对膝关节伸屈运动瞬时旋转中心的定位过程中，包括下列具体步骤：
步骤一，利用计算机X射线断层扫描机采集到的人体膝关节0°伸直位全部骨性结构影像数据构建膝关节三维几何模型；
步骤二，连接股骨内上髁顶点A和外上髁顶点B，确定股骨髁的通髁线；
步骤三，在股骨内侧髁关节面由前向后分为前部、中部、后部；前部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点C；中部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点D；后部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点E，由C、D、E点连接构建股骨内侧髁长轴平面（5）；
步骤四，在股骨外侧髁关节面由前向后分为前部、中部、后部；前部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点F；中部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点G；后部关节面外缘和内缘分别随机取外侧点和内侧点，确定外侧点和内侧点连线的中点H，由F、G、H点连接构建股骨外侧髁长轴平面（5）；
步骤五，分别确定股骨内、外侧髁关节面分别与内侧髁、外侧髁长轴平面（5）的交汇线，为股骨内、外侧髁长轴关节线；
步骤六，确定通髁线与股骨内侧髁长轴平面（5）的交点I、与股骨外侧髁长轴平面（5）的交点J；
步骤七，作垂直于水平面的经通髁线的垂直面；
步骤八，垂直面与股骨内侧髁长轴关节线的交点为内侧髁起点（6）为K，与股骨外侧髁长轴关节线的交点为外侧髁起点（6）为L；
步骤九，在股骨内侧髁长轴平面（5）内，作交点I和起点（6）为K的连线，以交点I为中点向后作I、K连线的120°夹角线，夹角线同股骨内侧髁长轴关节线的交点为内侧髁终点M；在股骨外侧髁长轴平面（5）内，作交点J和起点（6）为L的连线，以交点J为中点向后作J、L连线的120°夹角线，夹角线同股骨外侧髁长轴关节线的交点为外侧髁终点N；
步骤十，在股骨内侧髁、外侧髁长轴平面（5）内，在长轴关节线上以起点（6）±固定距离的关节线曲率计算定位起点旋转中心（7）；
步骤十一，作起点（6）到起点旋转中心（7）的连线，以起点旋转中心（7）为圆心向后进固定角度，连线与长轴关节线的交点定位第二点（8）；
步骤十二，在股骨内侧髁、外侧髁长轴平面（5）内，在长轴关节线上以第二点（8）±固定距离的关节线曲率计算定位第二点旋转中心（9）；作第二点（8）到第二点旋转中心（9）的连线，以第二点旋转中心（9）为圆心向后进固定角度，连线与长轴关节线的交点定位第三点（10）；
步骤十三，按照步骤十至步骤十二的方法顺次定位长轴关节线曲率的第三点旋转中心（11）、第四点旋转中心；直至股骨内侧髁、外侧髁长轴平面（5）内，定位长轴关节线上的终点旋转中心（13）；
步骤十四，依次连接起点旋转中心（7）、第二点旋转中心（9）、第三点旋转中心（11）、第四点旋转中心，直至终点旋转中心（13），分别形成股骨内侧髁的瞬时中心曲线和股骨外侧髁的瞬时中心曲线；
步骤十五，连接股骨内侧髁的起点旋转中心（7）和股骨外侧髁的起点旋转中心（7），形成起点（6）瞬时中心轴（1）；连接股骨内侧髁的第二点旋转中心（9）和股骨外侧髁的第二点旋转中心（9），形成第二点（8）瞬时中心轴（1）；连接股骨内侧髁的第三点旋转中心（11）和股骨外侧髁的第三点旋转中心（11），形成第三点（10）瞬时中心轴（1），依次向后，直至形成终点（12）瞬时中心轴（1）；
步骤十六，依次连接起点（6）瞬时中心轴（1）、第二点（8）瞬时中心轴（1）、第三点（10）瞬时中心轴（1），直至终点（12）瞬时中心轴（1），形成股骨内、外侧髁瞬时中心曲面（2）。
2.如权利要求1所述的人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法，其特征在于，所述步骤一构建股骨髁三维几何模型时，根据骨结构密度的高低选择合适的影像数据灰度值，生成膝关节股骨髁三维数字模型，并通过三维数字模型的面网格反求出股骨髁三维几何模型。
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