CN107485370A - 一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置及方法 - Google Patents

一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置及方法，装置包括三维扫描装置、微型手术刀、图像显示模块、液压控制模块、刀刃方向控制模块、控制系统；三维扫描装置首先对待检测斜方肌组织进行三维扫描，并将结果传输到控制系统，经处理后得到损伤发生前后各个预设点的坐标；然后通过液压控制模块、刀刃方向控制模块控制微型手术刀工作，扫描情况及工作情况实时显示在图像显示模块中。本发明首先通过对人体斜方肌的三维扫描，建立斜方肌的数字化模态坐标，然后对斜方肌进行三维网格划分，计算斜方肌未发生病变时预设点的曲率，确定斜方肌发生病变的位置；最后进行自动诊治。本发明实现了快速高效地进行斜方肌损伤自动诊治。

Description

一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置及方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种软组织损伤诊治的技术装置及方法，具体涉及一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置及方法。
背景技术
斜方肌损伤多发于青壮年体力劳动者，常因肩扛重物、颈部过度侧屈等急慢性损伤引起，是颈肩部的软组织慢性疼痛的常见原因之一，可通过闭合手术松解软组织粘连，瘢痕，挛缩，条索等进行治疗。目前治疗手段中，病变早期行针灸、推拿等理疗效果较好，中后期效果差。另一种方法是采用金属材质的针刀治疗，缺点是针刀的力度和方向不好控制，容易割断血管和神经。目前未见自动诊治手段，诊断和治疗效率严重依赖医师能力，风险较高，效果差强人意。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置及方法。
本发明的装置所采用的技术方案是：一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，包括三维扫描装置、微型手术刀、图像显示模块、液压控制模块、刀刃方向控制模块、控制系统；
所述三维扫描装置通过导线与所述控制系统连接，所述控制系统分别通过导线与图像显示模块、所述液压控制模块、刀刃方向控制模块连接；所述液压控制模块、刀刃方向控制模块分别通过导线与所述微型手术刀连接；
所述三维扫描装置首先对待检测斜方肌组织进行三维扫描，并将结果传输到所述控制系统，经处理后得到损伤发生前后各个预设点的坐标；然后通过所述液压控制模块、刀刃方向控制模块控制所述微型手术刀工作，扫描情况及工作情况实时显示在所述图像显示模块中。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，包括以下步骤：
步骤1：通过对人体斜方肌的三维扫描，建立斜方肌的数字化模态坐标；
步骤2：对斜方肌进行三维网格划分；
步骤3：计算斜方肌未发生病变时预设点的曲率；
步骤4：确定斜方肌发生病变的位置；
步骤5：自动诊治。
本发明的优点是：
1.利用斜方肌损伤前后预设点位移模态的曲率变化可以对损伤位置进行准确定位；
2.由于微型手术刀的刀身采用透明软体纤维材料，可以使微型手术刀在体内循着软组织行经路线进行移动，相比于传统金属硬质刀身对人体伤害更小；
3.自动诊治识别并且确诊定位入刀点，然后对入刀点进行软组织粘连，瘢痕，挛缩的剥离和切割的松解操作；
4.微型手术刀通过“针”的作用多靶点、多环节醒脑调神、疏通经络气血、激发机体调节能力，恢复阴阳平衡；、利用“刀”的切割、松解粘连、瘢痕、条索等病灶点，实现了全身多部位畸形分部治疗，促进血液循环，加速新陈代谢，重建人体平衡。
附图说明
图1为本发明实施例的装置图；
图2为本发明实施例的微型手术刀的结构图；
图3为本发明实施例的三维扫描装置的立体图；
图4为本发明实施例的存储盒的表面结构图；
图5为本发明实施例的斜方肌在人体位置的分布图；
图中，1为待检测斜方肌组织，2为三维扫描装置，3为扫描镜头，4为微型手术刀，5为存储盒，6为图像显示模块，7为液压控制模块，8为刀刃方向控制模块，9为控制系统，10为刀刃，11为光纤传感器，12为微型摄像头，13为伸缩装置、14为刀身、15为细管、16为液体、17为扫描曲面、18为套管、19为防水涂膜。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，包括三维扫描装置2、微型手术刀4、图像显示模块6、液压控制模块7、刀刃方向控制模块8、控制系统9；三维扫描装置2通过导线与控制系统9连接，控制系统9分别通过导线与图像显示模块6、液压控制模块7、刀刃方向控制模块8连接；液压控制模块7、刀刃方向控制模块8分别通过导线与微型手术刀4连接；三维扫描装置2首先对待检测斜方肌组织1进行三维扫描，并将结果传输到控制系统9，经处理后得到损伤发生前后各个预设点的坐标；然后通过液压控制模块7、刀刃方向控制模块8控制微型手术刀4工作，扫描情况及工作情况实时显示在图像显示模块6中。
请见图2，本实施例的微型手术刀4包括刀头部和刀身部；刀头部由刀刃10、光纤传感器11、微型摄像头12组成，刀身部由刀身14、细管15、液体16组成；刀头部和刀身部通过伸缩装置13连接在一起；刀刃10设置在刀头部端面上，光纤传感器11设置在刀刃10后面，用于监测刀刃10在行进过程中遇到的阻力，然后将阻力大小传给液压控制模块7，形成反馈机制；微型摄像头12设置在刀头部外壁上，通过导线与控制系统9连接；刀身14内部设置有细管15，液压控制模块7向细管15中注入液体16，为刀刃10的行进提供动力；刀刃方向控制模块8通过调节上下两个伸缩装置13的伸长量实现刀刃方向的实时控制。刀头部采用高强度钢制作而成，有直型和曲线型式；刀刃10长度为0.05～5mm；光纤传感器11的表面设置有0.02～0.03mm的防水涂膜19；刀身14采用软体材料制作而成，能折叠，当微型手术刀4没有工作时，能通过伸缩装置13藏在存储盒5中的套管18内。
请见图3，本实施例的三维扫描装置2包括扫描镜头3、存储盒5和两个扫描曲面17；两个扫描曲面17对称设置在存储盒5外壁上，两个扫描曲面17内表面和存储盒5的上表面均设置有扫描镜头3；三维扫描装置2工作时，两个扫描曲面17和存储盒5开始旋转，从而实现对待检测斜方肌组织1的三维扫描。
请见图4，本实施例的存储盒5由4个环组成，每个环上均设置有若干套管18和若干扫描镜头3；每个套管18中均设置有微型手术刀4；每个环均能旋转，从而实现微型手术刀4的位置调整和扫描镜头3的扫描。
请见图5，本发明提供的一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，包括以下步骤：
步骤1：通过对人体斜方肌的三维扫描，建立斜方肌的数字化模态坐标；
步骤2：对斜方肌进行三维网格划分；
首先，将斜方肌在数字化模态坐标的长、宽和高三个方向上分别分成m份、n份和p份，斜方肌被分成m×n×p份；接着，将每一份单元体的8个顶点设为预设点；假设斜方肌在数字化模态坐标的三个方向上的长度分别为l0、h0和t0，则每一份单元体在数字化模态坐标的三个方向上的长度分别为l1＝l0/m、h1＝h0/n和t1＝t0/p，形状不规则的单元体除外。
步骤3：计算斜方肌未发生病变时预设点的曲率；
斜方肌未发生病变时，各个预设点在数字化模态坐标的位移为y(i,j,k)(1≤i≤m，1≤j≤n，1≤k≤p)；然后，根据斜方肌上的预设点的位移值，计算得到预设点的曲率；具体的计算方法如下：
在模态坐标的长度方向，利用一阶中心差分法得到各个预设点的位移模态的导数为：
y′1(i,j,k)＝[y(i+1,j,k)-y(i-1,j,k)]/(2l1)；
其中，2≤i≤m，1≤j≤n+1，1≤k≤p+1；
然后，再利用二阶中心差分法得到各个预设点的位移模态的二阶导数为：
y″1(i,j,k)＝[y′1(i+1,j,k)-y′1(i-1,j,k)]/(2l1)；
其中，3≤i≤m-1，1≤j≤n+1，1≤k≤p+1；
在模态坐标的高度方向，同理可得到各个预设点的位移模态的一阶和二阶导数分别为：
y′2(i,j)＝[y(i,j+1)-y(i,j-1)]/(2h1)；
其中，1≤i≤m+1，2≤j≤n，1≤k≤p+1；
y″2(i,j)＝[y′2(i,j+1)-y′2(i,j-1)]/(2h1)；
其中，1≤i≤m+1，3≤j≤n-1，1≤k≤p+1；
在模态坐标的宽度方向，同理可得到各个预设点的位移模态的一阶和二阶导数分别为：
y′3(i,j,k)＝[y(i,j,k+1)-y(i,j,k-1)]/(2t1)；
其中，1≤i≤m+1，1≤j≤n+1，2≤k≤p；
y″3(i,j,k)＝[y′3(i,j,k+1)-y′3(i,j,k-1)]/(2t1)；
其中，1≤i≤m+1，1≤j≤n+1，3≤k≤p-1；
对y′1(i,j)、y′2(i,j)和y′3(i,j)进行矢量求和求得y′4(i,j)；对y″1(i,j)、y″2(i,j)和y″3(i,j)进行矢量求和求得y″4(i,j)。
最后，计算得到模态坐标面的位移模态的曲率矩阵为：
其中，3≤i≤m-1，3≤j≤n-1，3≤k≤p-1。
通过计算所有预设点的曲率的取值；可以得到预设点的曲率k1(i,j)的取值区间为[K1,K2]。
步骤4：确定斜方肌发生病变的位置；
斜方肌发生病变时，通过对人体斜方肌的三维扫描，得到斜方肌上各个预设点的位移，计算得到所有预设点的曲率的取值为k2(i,j)；此时，由于预设点的位移y(i,j,k)的取值区间将变小，根据曲率矩阵与预设点的位移的关系，可得到k2(i,j)的取值区间也将缩小。将斜方肌发生病变前后计算得到的每个单元体的预设点的曲率进行对比，取值范围明显缩小的单元体即为病变发生的位置。
假设某个单元体损伤前后的预设点的曲率的取值区间从[K1,K2]变为[K3,K4]，则可以定义损伤值H来衡量损伤程度的大小；
由定义可知，损伤值H的取值范围为[0,1]；当H的取值趋近于1时，表明损伤较轻，即H的取值越小，损伤越严重。
步骤5：自动诊治。
斜方肌上面的所有病变位置确定后，就可以利用微型手术刀进行自动诊治。微型手术刀的进刀位置为斜方肌上面的所有的病变位置，它的进刀深度，进刀力度及刀口运行方向可以自动控制，对于血管和神经的自动识别；微型手术刀可以在病变点进行软组织粘连，瘢痕，挛缩的剥离和切割的松解操作。
液压控制模块7向细管15中注入液体16，为刀刃10的行进提供动力；动力的大小由病变部位的损伤值H来确定；光纤传感器11可以监测刀刃10在行进过程中遇到的阻力，然后将阻力大小传给液压控制模块7，形成反馈机制；此时，液压控制模块7实时控制注入细管15的液体16的量；刀刃10的进入深度由病变部位的区域大小来控制；
刀刃方向控制模块8通过调节上下两个伸缩装置13的伸长量实现刀刃10方向的实时控制；刀刃方向控制模块8调整刀刃10的行进方向，以光纤传感器11监测到的阻力和微型摄像头12拍摄到的图像作为调整依据。
尽管本说明书较多地使用了待检测斜方肌组织1、三维扫描装置2、扫描镜头3、微型手术刀4、存储盒5、图像显示模块6、液压控制模块7、刀刃方向控制模块8、控制系统9、刀刃10、光纤传感器11、微型摄像头12、伸缩装置13、刀身14、细管15、液体16、扫描曲面17、套管18和防水涂膜19等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，其特征在于：包括三维扫描装置(2)、微型手术刀(4)、图像显示模块(6)、液压控制模块(7)、刀刃方向控制模块(8)、控制系统(9)；
所述三维扫描装置(2)通过导线与所述控制系统(9)连接，所述控制系统(9)分别通过导线与图像显示模块(6)、所述液压控制模块(7)、刀刃方向控制模块(8)连接；所述液压控制模块(7)、刀刃方向控制模块(8)分别通过导线与所述微型手术刀(4)连接；
所述三维扫描装置(2)首先对待检测斜方肌组织(1)进行三维扫描，并将结果传输到所述控制系统(9)，经处理后得到损伤发生前后各个预设点的坐标；然后通过所述液压控制模块(7)、刀刃方向控制模块(8)控制所述微型手术刀(4)工作，扫描情况及工作情况实时显示在所述图像显示模块(6)中。
2.根据权利要求1所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，其特征在于：所述三维扫描装置(2)包括扫描镜头(3)、存储盒(5)和两个扫描曲面(17)；所述两个扫描曲面(17)对称设置在所述存储盒(5)外壁上，两个扫描曲面(17)内表面和存储盒(5)的上表面均设置有扫描镜头(3)；三维扫描装置(2)工作时，两个扫描曲面(17)和存储盒(5)开始旋转，从而实现对待检测斜方肌组织(1)的三维扫描。
3.根据权利要求2所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，其特征在于：所述存储盒(5)由4个环组成，每个环上均设置有若干套管(18)和若干扫描镜头(3)；每个套管(18)中均设置有所述微型手术刀(4)；每个环均能旋转，从而实现微型手术刀(4)的位置调整和扫描镜头(3)的扫描。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，其特征在于：所述微型手术刀(4)包括刀头部和刀身部；所述刀头部由刀刃(10)、光纤传感器(11)、微型摄像头(12)组成，所述刀身部由刀身(14)、细管(15)、液体(16)组成；所述刀头部和刀身部通过伸缩装置(13)连接在一起；
所述刀刃(10)设置在所述刀头部端面上，所述光纤传感器(11)设置在刀刃(10)后面，用于监测刀刃(10)在行进过程中遇到的阻力，然后将阻力大小传给液压控制模块(7)，形成反馈机制；所述微型摄像头(12)设置在所述刀头部外壁上，通过导线与所述控制系统(9)连接；所述刀身(14)内部设置有细管(15)，所述液压控制模块(7)向细管(15)中注入液体(16)，为刀刃(10)的行进提供动力；所述刀刃方向控制模块(8)通过调节上下两个伸缩装置(13)的伸长量实现刀刃方向的实时控制。
5.根据权利要求4所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治装置，其特征在于：所述刀头部采用高强度钢制作而成，有直型和曲线型式；所述刀刃(10)长度为0.05～5mm；所述光纤传感器(11)的表面设置有0.02～0.03mm的防水涂膜(19)；所述刀身(14)采用软体材料制作而成，能折叠，当微型手术刀(4)没有工作时，能通过伸缩装置(13)藏在存储盒(5)中的套管(18)内。
6.一种基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过对人体斜方肌的三维扫描，建立斜方肌的数字化模态坐标；
步骤2：对斜方肌进行三维网格划分；
步骤3：计算斜方肌未发生病变时预设点的曲率；
步骤4：确定斜方肌发生病变的位置；
步骤5：自动诊治。
7.根据权利要求6所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，其特征在于：步骤2中，首先，将斜方肌在数字化模态坐标的长、宽和高三个方向上分别分成m份、n份和p份，斜方肌被分成m×n×p份；接着，将每一份单元体的8个顶点设为预设点；假设斜方肌在数字化模态坐标的三个方向上的长度分别为l0、h0和t0，则每一份单元体在数字化模态坐标的三个方向上的长度分别为l1＝l0/m、h1＝h0/n和t1＝t0/p，形状不规则的单元体除外。
8.根据权利要求7所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，其特征在于：步骤3中，斜方肌未发生病变时，各个预设点在数字化模态坐标的位移为y(i,j,k)，1≤i≤m，1≤j≤n，1≤k≤p；然后，根据斜方肌上的预设点的位移值，计算得到预设点的曲率；具体的计算方法包括以下子步骤：
步骤3.1：在模态坐标的长度方向，利用一阶中心差分法得到各个预设点的位移模态的导数为：
y′1(i,j,k)＝[y(i+1,j,k)-y(i-1,j,k)]/(2l1)；
其中，2≤i≤m，1≤j≤n+1，1≤k≤p+1；
利用二阶中心差分法得到各个预设点的位移模态的二阶导数为：
y″1(i,j,k)＝[y′1(i+1,j,k)-y′1(i-1,j,k)]/(2l1)；
其中，3≤i≤m-1，1≤j≤n+1，1≤k≤p+1；
步骤3.2：在模态坐标的高度方向，同理可得到各个预设点的位移模态的一阶和二阶导数分别为：
y′2(i,j)＝[y(i,j+1)-y(i,j-1)]/(2h1)；
其中，1≤i≤m+1，2≤j≤n，1≤k≤p+1；
y″2(i,j)＝[y′2(i,j+1)-y′2(i,j-1)]/(2h1)；
其中，1≤i≤m+1，3≤j≤n-1，1≤k≤p+1；
步骤3.3：在模态坐标的宽度方向，同理可得到各个预设点的位移模态的一阶和二阶导数分别为：
y′3(i,j,k)＝[y(i,j,k+1)-y(i,j,k-1)]/(2t1)；
其中，1≤i≤m+1，1≤j≤n+1，2≤k≤p；
y″3(i,j,k)＝[y′3(i,j,k+1)-y′3(i,j,k-1)]/(2t1)；
其中，1≤i≤m+1，1≤j≤n+1，3≤k≤p-1；
步骤3.4：对y′1(i,j)、y′2(i,j)和y′3(i,j)进行矢量求和求得y′4(i,j)；对y″1(i,j)、y″2(i,j)和y″3(i,j)进行矢量求和求得y″4(i,j)；
步骤3.5：计算得到模态坐标面的位移模态的曲率矩阵为：
<mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mn>4</mn> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mn>4</mn> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>3</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> </mfrac> </mrow>
其中，3≤i≤m-1，3≤j≤n-1，3≤k≤p-1；
步骤3.6：通过计算所有预设点的曲率的取值；得到预设点的曲率k1(i,j)的取值区间为[K1,K2]。
9.根据权利要求6所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，其特征在于：步骤4中，斜方肌发生病变时，通过对人体斜方肌的三维扫描，得到斜方肌上各个预设点的位移，计算得到所有预设点的曲率的取值为k2(i,j)；此时，由于预设点的位移y(i,j,k)的取值区间将变小，根据曲率矩阵与预设点的位移的关系，得到k2(i,j)的取值区间也将缩小；将斜方肌发生病变前后计算得到的每个单元体的预设点的曲率进行对比，取值范围明显缩小的单元体即为病变发生的位置；
假设某个单元体损伤前后的预设点的曲率的取值区间从[K1,K2]变为[K3,K4]，则定义损伤值H来衡量损伤程度的大小；
<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> <mo>;</mo> </mrow>
损伤值H的取值范围为[0,1]；当H的取值趋近于1时，表明损伤较轻，即H的取值越小，损伤越严重。
10.根据权利要求6所述的基于模态坐标的斜方肌损伤自动诊治方法，其特征在于：步骤5中，斜方肌上面的所有病变位置确定后，就利用微型手术刀(4)进行自动诊治；微型手术刀(4)的进刀位置为斜方肌上面的所有的病变位置，它的进刀深度，进刀力度及刀口运行方向自动控制，对于血管和神经的自动识别；微型手术刀(4)在病变点进行软组织粘连，瘢痕，挛缩的剥离和切割的松解操作。
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