CN108961399B - 一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及人类学领域，特别涉及一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法；创造性地将构成四肢关节的骸骨进行扫描、定位，以及根据两个相邻骸骨构建两个本体坐标平面，用两个本体坐标平面确定四肢骸骨关节的转动点和转动轴，基于关节的转动点和转动轴还原关节腔，根据骸骨的关节转动点和转动轴，模拟转动骸骨绕固定骸骨转动，还原四肢骸骨活体关节活动范围；为完整的四肢骸骨还原提供了新方法。

Description

一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法
技术领域
本发明涉及人类学领域，特别涉及一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法。
背景技术
在生物进化史中，骸骨是还原演化过程的重要部件。尼安德特人的狩猎方式是在较近的距离将长矛刺入鹿的臀部，使鹿丧失跑、跳能力，还原这一场景的证据来自12万年前鹿的受损骸骨。四肢是人体最重要的运动器官，现存的完整人类四肢骸骨可追溯到几千年甚至几万年前。他们当时身体的运动方式、运动能力是如何对演化产生影响的，这始终是人类学领域研究的重要问题。
在力学中，铰是机械部件之间连接的基本结构。铰有柱铰、球铰两种，结合铆接结构可使部件之间进行转动和平动。在解剖学中，关节是两块或两块以上的骨之间能活动的连接。在生物力学中常把关节分为两个关节面的简单关节(如肩关节、髋关节)、两个以上关节面的复合关节(例如踝关节)和两个以上关节面加上关节盘的复杂关节(如膝关节)。简单关节的运动形式与球铰是相似的，而复合关节和复杂关节的运动形式与具有铆接结构的柱铰是相似的，复合关节和复杂关节的铆接结构主要是以骨性结构约束来体现。因此，人体四肢关节之间的活动能且只能以转动的形式。
在机械运动的结构上，人体是开放的多刚体链系。因此，无外部约束时，人体四肢关节只能做远端环节绕近端环节转动；当有约束时，既可做远端环节绕近端环节转动，也可做近端环节绕远端环节转动。但转动点和转动轴是一致的。这是还原关节腔几何关系的重要依据。
还原关节转动需要知道两个物理量：转轴和转动点。构成柱铰的机械部件之间是柱面，与转轴垂直的面是圆；构成球铰的机械部件之间是球面，与转轴垂直的面也是圆。柱铰的转动轴是圆柱体轴(垂直于轴的截面是圆)，转动点是垂直于圆柱体轴截面的圆心；球铰的转动轴是通过球心的轴，转动点是球心。关节面决定了转动轴和转动点，关节头与关节窝转动只能以圆周曲线进行。因此，完整的四肢骸骨关节活动可以通过关节面的几何特征来还原。
除了肩关节、髋关节外，人体大部分关节为复合关节、复杂关节。柱铰、球铰的转动在本质上是圆心以及通过圆心与圆面垂直的轴。而对人体多个关节面构成的复杂曲面如何确定转动轴和转动点，特别对具有内收、外展、屈和伸等复杂运动方式的腕、踝等四肢关节的转动轴和转动点的确定，尚未有切实可行的方法。因此，如何确定完整的四肢骸骨关节的转动轴和转动点是一项亟待突破的关键技术。解决这一问题将会在通过完整的四肢骸骨研究运动与人类演化等研究中取得新进展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种完整的四肢骸骨活体关节活动还原方法，还原四肢骸骨关节活体时的活动。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，包括以下步骤：
步骤1：扫描人类四肢骸骨表面，构建人类四肢骸骨三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存；
步骤2：基于构建的人类四肢骸骨三维图，设定人类四肢骸骨关节间的两块骸骨分别为第一骸骨和第二骸骨，由穿越第一骸骨的关节头和第二骸骨的关节窝之间的欧拉轴与第一骸骨的欧拉轴建立第一本体坐标平面；由穿越第一骸骨与第二骸骨之间的关节头和关节窝的欧拉轴与第二骸骨的欧拉轴建立第二本体坐标平面；
步骤3：用第一本体坐标平面和第二本体坐标平面分割第一骸骨和第二骸骨之间的关节头与关节窝，形成两条曲线，计算两条曲线的曲率中心；
步骤4：以所述两条曲线的曲率中心为关节转动的转动点，以转动点与关节横向截面垂直的轴为转动轴，将曲率中心在第一本体坐标平面重合，还原关节腔的几何关系；
步骤5：根据确定的骸骨关节转动点和转动轴，将第一骸骨固定，模拟第二骸骨绕第一骸骨转动，当第二骸骨的关节面与第一骸骨的关节头之间出现骨性结构约束时，即确定为关节运动范围的极限；通过多个方向的模拟转动，确定关节在各个方向上的运动范围；
步骤6,：将四肢骸骨中相邻的两块骸骨之间通过步骤1-5，确定各相邻骸骨之间的关节在各个方向上的运动范围，从而还原四肢骸骨关节活体时的活动。
本发明的有益效果在于：本发明提供的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，创造性地将构成四肢关节的骸骨进行扫描、定位，以及根据两个相邻骸骨构建两个本体坐标平面，用两个本体坐标平面确定四肢骸骨关节的转动点和转动轴，基于关节的转动点和转动轴还原关节腔，根据骸骨的关节转动点和转动轴，模拟转动骸骨绕固定骸骨转动，还原四肢骸骨活体关节活动范围；为完整的四肢骸骨还原提供了新方法。
附图说明
图1为本发明实施例1的人类右足跖趾关节的趾伸运动的运动前示意图；
图2为本发明实施例1的人类右足跖趾关节的趾伸运动的运动后示意图；
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：利用两个相邻骸骨构建两个本体坐标平面，用两个本体坐标平面确定四肢骸骨关节的转动点和转动轴，基于关节的转动点和转动轴还原关节腔，模拟转动骸骨绕固定骸骨转动，还原四肢骸骨活体关节活动范围。
请参照图1以及图2，本发明涉及一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，包括以下步骤：
步骤1：扫描人类四肢骸骨表面，构建人类四肢骸骨三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存；
步骤2：基于构建的人类四肢骸骨三维图，设定人类四肢骸骨关节间的两块骸骨分别为第一骸骨和第二骸骨，由穿越第一骸骨的关节头和第二骸骨的关节窝之间的欧拉轴与第一骸骨的欧拉轴建立第一本体坐标平面；由穿越第一骸骨与第二骸骨之间的关节头和关节窝的欧拉轴与第二骸骨的欧拉轴建立第二本体坐标平面；
步骤3：用第一本体坐标平面和第二本体坐标平面分割第一骸骨和第二骸骨之间的关节头与关节窝，形成两条曲线，计算两条曲线的曲率中心；
步骤4：以所述两条曲线的曲率中心为关节转动的转动点，以转动点与关节横向截面垂直的轴为转动轴，将曲率中心在第一本体坐标平面重合，还原关节腔的几何关系；
步骤5：根据确定的骸骨关节转动点和转动轴，将第一骸骨固定，模拟第二骸骨绕第一骸骨转动，当第二骸骨的关节面与第一骸骨的关节头之间出现骨性结构约束时，即确定为关节运动范围的极限；通过多个方向的模拟转动，确定关节在各个方向上的运动范围；
步骤6,：将四肢骸骨中相邻的两块骸骨之间通过步骤1-5，确定各相邻骸骨之间的关节在各个方向上的运动范围，从而还原四肢骸骨关节活体时的活动。
上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，创造性地将构成四肢关节的骸骨进行扫描、定位，以及根据两个相邻骸骨构建两个本体坐标平面，用两个本体坐标平面确定四肢骸骨关节的转动点和转动轴，基于关节的转动点和转动轴还原关节腔，根据骸骨的关节转动点和转动轴，模拟转动骸骨绕固定骸骨转动，还原四肢骸骨活体关节活动范围；为完整的四肢骸骨还原提供了新方法。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述人类四肢骸骨具体为现代长跑运动员的足骨。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述人类四肢骸骨具体为纳莱迪人的足骨化石。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述步骤1具体为：
用CT扫描多个人类四肢骸骨，在逆向工程软件中分别构建人类四肢骸骨三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述步骤1具体为：
用CT扫描多个人类四肢骸骨，将CT扫描得到的人类四肢骸骨二维切片影像转换为BMP格式，对BMP格式的二维切片影像进行图像平滑、图像增强、图像插值和图像分割的预处理，对经过预处理的二维切片影像进行压缩处理并进行非线性优化以及几何拟合，得到拟合数据，对拟合数据进行数据可视化计算，从而构建人类四肢骸骨的三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述图像平滑采用中值滤波法。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述图像增强采用拉普拉斯锐化法。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述图像插值采用线性加权平均法。
进一步的，上述完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，所述图像分割包括图像二值法和边缘检测两个步骤。
实施例1
一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，包括以下步骤：
步骤1：用CT扫描多个人类四肢骸骨，将CT扫描得到的人类四肢骸骨二维切片影像转换为BMP格式，对BMP格式的二维切片影像进行图像平滑、图像增强、图像插值和图像分割的预处理，对经过预处理的二维切片影像进行压缩处理并进行非线性优化以及几何拟合，得到拟合数据，对拟合数据进行数据可视化计算，从而构建人类四肢骸骨的三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存；所述图像平滑采用中值滤波法；所述图像增强采用拉普拉斯锐化法；所述图像插值采用线性加权平均法；所述图像分割包括图像二值法和边缘检测两个步骤；
步骤2：基于构建的人类四肢骸骨三维图，设定人类四肢骸骨关节间的两块骸骨分别为第一骸骨和第二骸骨，由穿越第一骸骨的关节头和第二骸骨的关节窝之间的欧拉轴与第一骸骨的欧拉轴建立第一本体坐标平面；由穿越第一骸骨与第二骸骨之间的关节头和关节窝的欧拉轴与第二骸骨的欧拉轴建立第二本体坐标平面；
步骤3：用第一本体坐标平面和第二本体坐标平面分割第一骸骨和第二骸骨之间的关节头与关节窝，形成两条曲线，计算两条曲线的曲率中心；
步骤4：以所述两条曲线的曲率中心为关节转动的转动点，以转动点与关节横向截面垂直的轴为转动轴，将曲率中心在第一本体坐标平面重合，还原关节腔的几何关系；
步骤5：根据确定的骸骨关节转动点和转动轴，将第一骸骨固定，模拟第二骸骨绕第一骸骨转动，当第二骸骨的关节面与第一骸骨的关节头之间出现骨性结构约束时，即确定为关节运动范围的极限；通过多个方向的模拟转动，确定关节在各个方向上的运动范围；
步骤6,：将四肢骸骨中相邻的两块骸骨之间通过步骤1-5，确定各相邻骸骨之间的关节在各个方向上的运动范围，从而还原四肢骸骨关节活体时的活动。
综上所述，本发明提供的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法中，创造性地将构成四肢关节的骸骨进行扫描、定位，以及根据两个相邻骸骨构建两个本体坐标平面，用两个本体坐标平面确定四肢骸骨关节的转动点和转动轴，基于关节的转动点和转动轴还原关节腔，根据骸骨的关节转动点和转动轴，模拟转动骸骨绕固定骸骨转动，还原四肢骸骨活体关节活动范围；为完整的四肢骸骨还原提供了新思路。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：扫描人类四肢骸骨表面，构建人类四肢骸骨三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存；
步骤2：基于构建的人类四肢骸骨三维图，设定人类四肢骸骨关节间的两块骸骨分别为第一骸骨和第二骸骨，由穿越第一骸骨的关节头和第二骸骨的关节窝之间的欧拉轴与第一骸骨的欧拉轴建立第一本体坐标平面；由穿越第一骸骨与第二骸骨之间的关节头和关节窝的欧拉轴与第二骸骨的欧拉轴建立第二本体坐标平面；
步骤3：用第一本体坐标平面和第二本体坐标平面分割第一骸骨和第二骸骨之间的关节头与关节窝，形成两条曲线，计算两条曲线的曲率中心；
步骤4：以所述两条曲线的曲率中心为关节转动的转动点，以转动点与关节横向截面垂直的轴为转动轴，将曲率中心在第一本体坐标平面重合，还原关节腔的几何关系；
步骤5：根据确定的骸骨关节转动点和转动轴，将第一骸骨固定，模拟第二骸骨绕第一骸骨转动，当第二骸骨的关节面与第一骸骨的关节头之间出现骨性结构约束时，即确定为关节运动范围的极限；通过多个方向的模拟转动，确定关节在各个方向上的运动范围；
步骤6：将四肢骸骨中相邻的两块骸骨之间通过步骤1-5，确定各相邻骸骨之间的关节在各个方向上的运动范围，从而还原四肢骸骨关节活体时的活动。
2.根据权利要求1所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述人类四肢骸骨具体为现代长跑运动员的足骨。
3.根据权利要求1所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述人类四肢骸骨具体为纳莱迪人的足骨化石。
4.根据权利要求1所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
用CT扫描多个人类四肢骸骨，在逆向工程软件中分别构建人类四肢骸骨三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存。
5.根据权利要求1所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
用CT扫描多个人类四肢骸骨，将CT扫描得到的人类四肢骸骨二维切片影像转换为BMP格式，对BMP格式的二维切片影像进行图像平滑、图像增强、图像插值和图像分割的预处理，对经过预处理的二维切片影像进行压缩处理并进行非线性优化以及几何拟合，得到拟合数据，对拟合数据进行数据可视化计算，从而构建人类四肢骸骨的三维图，将构建的人类四肢骸骨三维图以点云储存。
6.根据权利要求5所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述图像平滑采用中值滤波法。
7.根据权利要求5所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述图像增强采用拉普拉斯锐化法。
8.根据权利要求5所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述图像插值采用线性加权平均法。
9.根据权利要求5所述的完整四肢骸骨活体关节活动还原方法，其特征在于，所述图像分割包括图像二值法和边缘检测两个步骤。
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