CN109009176B - 一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统 - Google Patents

一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109009176B
CN109009176B CN201710431731.5A CN201710431731A CN109009176B CN 109009176 B CN109009176 B CN 109009176B CN 201710431731 A CN201710431731 A CN 201710431731A CN 109009176 B CN109009176 B CN 109009176B
Authority
CN
China
Prior art keywords
knee joint
femur
tibia
positioning robot
real time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710431731.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109009176A (zh
Inventor
余家阔
张坚
齐岩松
胡磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Peking University Third Hospital
Original Assignee
Beihang University
Peking University Third Hospital
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University, Peking University Third Hospital filed Critical Beihang University
Priority to CN201710431731.5A priority Critical patent/CN109009176B/zh
Publication of CN109009176A publication Critical patent/CN109009176A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109009176B publication Critical patent/CN109009176B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/22—Ergometry; Measuring muscular strength or the force of a muscular blow
    • A61B5/221—Ergometry, e.g. by using bicycle type apparatus

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明涉及医学领域，涉及一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，包括定位机器人、力传感器、数据采集卡、视觉跟踪平台、计算机、胫骨固定部分和股骨固定部分等硬件以及存储于计算机内的力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块等软件。力信息采集模块通过实时获取膝关节的力信息，实现精确的力控制。定位机器人运动模块通过以太网通信使计算机和定位机器人建立联系，辅助医生完成运动控制并获取膝关节处精确的位置信息。视觉跟踪模块实时采集胫骨和股骨上Marker的位姿信息，通过比较膝关节运动前后的位姿变化，获取膝关节处的移动量和转动量。辅助医生完成精确的力控制、运动控制，并获取膝关节处的位置和姿态信息，降低实验操作的难度，提高实验结果的准确性。

Description

一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统
技术领域
本发明涉及一种用于辅助测量人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的固定装置，而且涉及一种采用力传感器技术、计算机视觉技术和机器人技术的人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性测量方法。
背景技术
前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)和后交叉韧带(posteriorcruciate ligament，PCL)是维持正常膝关节稳定的重要结构，其断裂是运动医学中常见的损伤，会导致关节不稳，诱发半月板、关节软骨等关节内结构损伤，严重影响关节功能。交叉韧带断裂后因血供差，自身修复能力有限，一般需行韧带重建手术，而关节镜下微创重建交叉韧带是目前世界公认的恢复膝关节稳定性的手术技术。
综合文献报告可知，交叉韧带重建手术方式的选择，和以下几点相关：①诊断的不同，伴随其他损伤的类型，比如内外侧副韧带、半月板、后外侧结构等等；②移植物的选择，同种异体或自体移植物，自体移植物的取材不同；③骨道的位置；④临床效果的评价水平，需要恢复的水平等等，都是需要验证的方面。
从生物力学角度进行分析研究，前交叉韧带可防止胫骨相对于股骨的过度前移，后交叉韧带则防止胫骨沿股骨过度后移。当前膝关节韧带损伤的关节镜下重建手术方式具有选择多样性，很大一部分靠主刀医生的偏好决定，没有一致性，不同术式间的生物力学特点之前并没有人做过详细的比较研究，究竟哪种更占优，缺乏科学依据。有必要针对不同术式的结果进行生物力学研究，为术者的术式选择提供强有力的依据，为患者提供更好的交叉韧带重建效果。
手术技术在尸体上的验证是临床验证前必不可少的一环，本发明涉及一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，可在任意屈膝角度坚强固定尸体膝关节的胫骨端和股骨端，结合传感器技术、计算机视觉技术和机器人技术，对不同术式的人体尸体膝关节交叉韧带重建的结果进行生物力学特性的测试和评估比较。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，采用力传感器技术、计算机视觉技术和机器人技术来测量人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性。计算机与力传感器连接，通过数据采集卡实时采集力传感器的力信息，实现精确的力控制。计算机与定位机器人建立通信，计算机可以实时获取定位机器人的位姿，辅助医生完成运动控制并获取膝关节处精确的位置信息。视觉跟踪模块实时采集胫骨和股骨上Marker的位姿信息，通过比较膝关节运动前后的位姿变化，获取膝关节处的移动量和转动量。辅助医生完成精确的力控制、运动控制，并获取膝关节处的位置和姿态信息，降低实验操作的难度，提高实验结果的准确性。
本发明涉及医学领域，涉及一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，包括定位机器人、力传感器、数据采集卡、视觉跟踪平台、计算机、胫骨固定部分和股骨固定部分等硬件以及存储于计算机内的力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块等软件。定位机器人1末端安装在机器人底座上，定位机器人1前端连接配重架2，配重架2上装有配重块3；配重架3与胫骨固定部分4、股骨固定部分5连接，胫骨和股骨上分别插入Marker板6，在运动过程中通过视觉跟踪平台来实时监测膝关节的运动量。胫骨固定部分4由力传感器41、连接板42、胫骨卡具43、克氏针44组成。其中，配重架3与力传感器41通过螺钉连接，力传感器41与连接板42通过紧配合连接，胫骨卡具43卡住小腿胫骨，然后从胫骨卡具43的两个导向孔中钻入两根克氏针44固定。股骨固定部分5由支架51、克氏针52、转手53、横杆54、连接块55、股骨卡具56、大螺母57组成。股骨卡具56卡住大腿股骨，然后从股骨卡具56的两个导向孔中钻入两根克氏针52固定。股骨卡具56与连接块55固联，然后连接块55穿入安放在地面支架51的横杆54上(横杆54可以插入支架51上的任意一个孔中，方便调节高度)，横杆54与支架51通过3个大螺母57连接，横杆54一端安装有转手53，可以轻松转动转手53来调节膝关节屈曲角度，待调整到合适角度后，再拧紧大螺母57来固定。
本发明涉及的测量人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的模块包括：力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块。
(A)所述力信息采集模块，用于计算机与力传感器连接，通过数据采集卡实时采集力传感器的力信息，实现精确的力控制。
(B)所述定位机器人运动模块，用于计算机与定位机器人建立通信，计算机可以实时获取定位机器人的位姿，辅助医生完成运动控制并获取膝关节处精确的位置信息。
(C)所述视觉跟踪模块，用于在定位机器人运动过程中，实时记录膝关节胫骨与股骨之间位姿信息，通过比较膝关节运动前后的位姿变化，获取膝关节处的移动量和转动量。
本发明涉及一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统的优点在于：计算机可以实时获取定位机器人的位姿和力传感器的力信息，同时，视觉跟踪平台可以实时监测膝关节胫骨与股骨之间的位姿变化，辅助医生完成精确的力控制和位移测量，降低实验操作的难度，提高实验结果的准确性。
附图说明
图1用于测量膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统示意图
图2用于测量膝关节交叉韧带生物力学特性的固定装置结构图
图3胫骨固定和股骨固定部分的结构图
图4连接块结构图
图5卡具外形结构图
图中，各部件的标记如下：
1.定位机器人
2.配重架
3.配重块
4.胫骨固定部分
41力传感器、42连接板、43胫骨卡具、44克氏针
5.股骨固定部分
51支架、52克氏针、53转手、54横杆、55连接块、56股骨卡具、57大螺母
6.视觉跟踪模块Marker板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本发明是一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，由定位机器人、力传感器、数据采集卡、视觉跟踪平台、计算机、胫骨固定部分和股骨固定部分等硬件以及存储于计算机内的力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块等软等软件组成。
请参见图2所示，本发明的定位机器人1末端安装在机器人底座上，定位机器人1前端连接配重架2，配重架2上装有配重块3；配重架3与胫骨固定部分4、股骨固定部分5连接，胫骨和股骨上分别插入Marker板6，在运动过程中通过视觉跟踪平台来实时监测膝关节的运动量。
请参考图3所示，本发明的胫骨固定部分4由力传感器41、连接板42、胫骨卡具43、克氏针44组成。其中，配重架3与力传感器41通过螺钉连接，力传感器41与连接板42通过紧配合连接，胫骨卡具43卡住小腿胫骨，然后从胫骨卡具43的两个导向孔中钻入两根克氏针44固定。股骨固定部分5由支架51、克氏针52、转手53、横杆54、连接块55、股骨卡具56、大螺母57组成。股骨卡具56卡住大腿股骨，然后从股骨卡具56的两个导向孔中钻入两根克氏针52固定。股骨卡具56与连接块55固联，然后连接块55穿入安放在地面支架51的横杆54上(横杆54可以插入支架51上的任意一个孔中，方便调节高度)，横杆54与支架51通过3个大螺母57连接，横杆54一端安装有转手53，可以轻松转动转手53来调节膝关节屈曲角度，待调整到合适角度后，再拧紧大螺母57来固定。
本发明涉及的测量人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的模块包括：力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块。
(A)所述力信息采集模块，用于计算机与力传感器连接，通过数据采集卡实时采集力传感器的力信息，实现精确的力控制。
(B)所述定位机器人运动模块，用于计算机与定位机器人建立通信，计算机可以实时获取定位机器人的位姿，辅助医生完成运动控制并获取膝关节处精确的位置信息。
(C)所述视觉跟踪模块，用于在定位机器人运动过程中，实时记录膝关节胫骨与股骨之间位姿信息，通过比较膝关节运动前后的位姿变化，获取膝关节处的移动量和转动量。
为进一步说明本发明的技术方案，现将本发明进行测量膝关节交叉韧带生物力学特性的手术操作的过程简单描述如下：
(1)用胫骨卡具43卡住患者胫骨，并穿入两根克氏针44固定，将胫骨卡具43与连接板42通过紧配合连接，连接板42与力传感器41通过螺钉连接。
(2)用股骨卡具56卡住患者股骨，并穿入两根克氏针52固定，将股骨卡具56与连接块55固联，然后连接块55穿入安放在地面支架51的横杆54上，调节好角度，用大螺母57来紧固。
(3)在胫骨和股骨上分别插入Marker板6，使视觉跟踪平台可以实时获取胫骨和股骨之间的位姿变化。
(4)用数据采集卡将计算机和力传感器41连接起来，这样计算机可以实时获取力信息值，实现精确的力控制。
(5)用网线将计算机和定位机器人1连接起来，计算机可以获得定位机器人的位姿，实现精确的位置控制。
本发明用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，是一种借助力传感器技术、机器人技术和计算机视觉技术来辅助医生完成交叉韧带重建手术的测量装置。本发明涉及医学、机器人学、计算机视觉、传感器技术等多门学科，利用力传感器技术，可以实时获取力信息，实现精确的力控制；利用定位机器人技术，精准实现运动控制；利用计算机视觉技术，实时跟踪胫骨和股骨之间的变化量，提高医生操作精度。本发明实现的装置和测量方法操作简便、结构紧凑、成本低廉，并且具有较高的稳定性和可靠性。

Claims (2)

1.一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，包括定位机器人、力传感器、数据采集卡、视觉跟踪平台、计算机、胫骨固定部分和股骨固定部分硬件以及存储于计算机内的力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块软件；定位机器人(1)末端安装在机器人底座上，定位机器人(1)前端连接配重架(2)，配重架(2)上装有配重块(3)；配重架(2)与胫骨固定部分(4)、股骨固定部分(5)连接，胫骨和股骨上分别插入视觉跟踪模块Marker板(6)，在运动过程中通过视觉跟踪平台来实时监测膝关节的运动量；胫骨固定部分(4)由力传感器(41)、连接板(42)、胫骨卡具(43)、克氏针(44)组成；其中，配重架(2)与力传感器(41)通过螺钉连接，力传感器(41)与连接板(42)通过紧配合连接，胫骨卡具(43)卡住小腿胫骨，然后从胫骨卡具(43)的两个导向孔中钻入两根克氏针(44)固定；股骨固定部分(5)由支架(51)、克氏针(52)、转手(53)、横杆(54)、连接块(55)、股骨卡具(56)、大螺母(57)组成；股骨卡具(56)卡住大腿股骨，然后从股骨卡具(56)的两个导向孔中钻入两根克氏针(52)固定；股骨卡具(56)与连接块(55)固联，然后连接块(55)穿入安放在地面支架(51)的横杆(54)上，横杆(54)插入支架(51)上的任意一个孔中，方便调节高度，横杆(54)与支架(51)通过3个大螺母(57)连接，横杆(54)一端安装有转手(53)，轻松转动转手(53)来调节膝关节屈曲角度，待调整到合适角度后，再拧紧大螺母(57)来固定；测量人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的模块包括：力信息采集模块、定位机器人运动模块和视觉跟踪模块；(A)所述力信息采集模块，用于计算机与力传感器连接，通过数据采集卡实时采集力传感器的力信息，实现精确的力控制；(B)所述定位机器人运动模块，用于计算机与定位机器人建立通信，计算机实时获取定位机器人的位姿，辅助医生完成运动控制并获取膝关节处精确的位置信息；(C)所述视觉跟踪模块，用于在定位机器人运动过程中，实时记录膝关节胫骨与股骨之间位姿信息，通过比较膝关节运动前后的位姿变化，获取膝关节处的移动量和转动量。
2.如权利要求1所述的用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统，其特征在于：计算机实时获取定位机器人的位姿和力传感器的力信息，同时，视觉跟踪平台实时监测膝关节胫骨与股骨之间的位姿变化，辅助医生完成精确的力控制和位移测量。
CN201710431731.5A 2017-06-09 2017-06-09 一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统 Active CN109009176B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710431731.5A CN109009176B (zh) 2017-06-09 2017-06-09 一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710431731.5A CN109009176B (zh) 2017-06-09 2017-06-09 一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109009176A CN109009176A (zh) 2018-12-18
CN109009176B true CN109009176B (zh) 2022-02-01

Family

ID=64628727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710431731.5A Active CN109009176B (zh) 2017-06-09 2017-06-09 一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109009176B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020186054A1 (en) * 2019-03-12 2020-09-17 Mako Surgical Corp. Systems and methods for robotic soft tissue evaluation
CN110464458B (zh) * 2019-07-12 2022-10-11 上海大学 一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统
CN110432872B (zh) * 2019-09-18 2022-03-01 西安卡马蜥信息科技有限公司 膝关节韧带损伤评估设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2759385Y (zh) * 2004-11-19 2006-02-22 陈栋 膝关节生物力学试验仪
EP2603142A1 (en) * 2010-08-13 2013-06-19 ERMI, Inc. Robotic knee testing device, subjective patient input device and methods for using same
CN204971224U (zh) * 2015-09-24 2016-01-20 王学峰 一种膝关节韧带生物力学试验仪
CN205568950U (zh) * 2016-03-22 2016-09-14 黄伟 膝关节韧带生物力学试验仪

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9814411B2 (en) * 2012-09-17 2017-11-14 Emri, Inc. Robotic knee testing (RKT) device having decoupled drive capability and systems and methods providing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2759385Y (zh) * 2004-11-19 2006-02-22 陈栋 膝关节生物力学试验仪
EP2603142A1 (en) * 2010-08-13 2013-06-19 ERMI, Inc. Robotic knee testing device, subjective patient input device and methods for using same
CN204971224U (zh) * 2015-09-24 2016-01-20 王学峰 一种膝关节韧带生物力学试验仪
CN205568950U (zh) * 2016-03-22 2016-09-14 黄伟 膝关节韧带生物力学试验仪

Also Published As

Publication number Publication date
CN109009176A (zh) 2018-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Buford et al. Muscle balance at the knee-moment arms for the normal knee and the ACL-minus knee
Kato et al. Biomechanical comparison of different graft positions for single-bundle anterior cruciate ligament reconstruction
Melhorn et al. The relationship of the femoral attachment site to the isometric tracking of the anterior cruciate ligament graft
Gushue et al. Rabbit knee joint biomechanics: motion analysis and modeling of forces during hopping
Zaffagnini et al. New intraoperative protocol for kinematic evaluation of ACL reconstruction: preliminary results
CN109009176B (zh) 一种用于人体尸体膝关节交叉韧带生物力学特性的测量系统
Martins et al. The concept of anatomic anterior cruciate ligament reconstruction
JP2009511211A (ja) 骨切除−システムおよび方法
Shoji et al. Suture-button fixation and anterior inferior tibiofibular ligament augmentation with suture-tape for syndesmosis injury: a biomechanical cadaveric study
Good et al. The value of intraoperative isometry measurements in anterior cruciate ligament reconstruction: an in vivo correlation between substitute tension and length change
Pastor et al. The biomechanical influence of the deltotrapezoid fascia on horizontal and vertical acromioclavicular joint stability
Clément et al. Comparison of quasi-static and dynamic squats: a three-dimensional kinematic, kinetic and electromyographic study of the lower limbs
Debandi et al. The influence of knee flexion angle for graft fixation on rotational knee stability during anterior cruciate ligament reconstruction: a biomechanical study
Burkholder et al. Three‐dimensional model of the feline hindlimb
Kendoff et al. Navigated lower limb axis measurements: influence of mechanical weight‐bearing simulation
Bonanzinga et al. Biomechanical effect of posterolateral corner sectioning after ACL injury and reconstruction
Dorsey et al. The stability of three commercially available implants used in medial opening wedge high tibial osteotomy
Guess et al. Evaluation of knee ligament mechanics using computational models
Martelli et al. Validation of a new protocol for navigated intraoperative assessment of knee kinematics
Ahrens et al. A novel tool for objective assessment of femorotibial rotation: a cadaver study
McCulloch et al. Strain within the native and reconstructed MPFL during knee flexion
Jagodzinski et al. Experimental and clinical assessment of the accuracy of knee extension measurement techniques
Pagani et al. Predicting the knee adduction moment after high tibial osteotomy in patients with medial knee osteoarthritis using dynamic simulations
Stagni et al. Ligament fibre recruitment at the human ankle joint complex in passive flexion
Martelli et al. KIN-Nav navigation system for kinematic assessment in anterior cruciate ligament reconstruction: features, use, and perspectives

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant