CN113331828A - 用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法 - Google Patents

用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法 Download PDF

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Abstract

一种用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法，包括小腿及足部节段的划分方法和标记系统的设计。根据人体小腿、足部骨骼和关节的解剖学形态把小腿及足部划分为小腿、足跟、舟骨、骰骨、楔骨、内侧跖部、外侧跖部、大拇趾、第二趾、第三趾、第四趾和第五趾12个节段，可以较为全面地研究小腿和足部关节运动。标记系统包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统，用于确定各节段运动的技术坐标系和关键解剖学位置点。根据每个节段的大小和形状，设计了不同的技术标记点簇系统。本发明所提出的标记系统包括防丢点、防掉点的标记点和标记点簇，且具有较好人体贴合性，可以有效提高捕捉精度。

Description

用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部 节段的划分方法
技术领域
本发明涉及三维运动捕捉分析领域，具体涉及用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法。
背景技术
分析人体关节运动规律，揭示人体运动现象及其本质，可以为人体关节你系统的临床诊断、运动康复等领域提供重要的科学依据。人体足部骨骼较多，共有26块骨骼，33个关节，骨骼体积较小且形状不规则，因此准确、有效量化小腿及足部关节在正常生理运动过程中的运动学特征极具挑战。
文献调研表明，当前研究人体关节运动常用的方法是使用红外光学运动捕捉系统，其利用红外反光材料做成标记点贴在待测部位，测试时，远红外摄像机发出的红外线使人体上粘贴的标记点成为非常明显的亮点，再通过相机捕捉这些点的空间轨迹可以测算人体各节段和关节的三维运动。此方法研究人体关节运动的前提是应用人体系统多刚体模型把人体骨骼或关节划分为若干个刚性节段，在三维运动分析中，这些节段被建模为部件之间没有约束的刚体，通过在每个节段建立局部坐标系，来计算相邻骨骼或关节之间的相对运动。
现有基于光学三维运动捕捉技术对人体腿足关节运动的研究多是将人体足部粗略的分为几个简单节段进行分析，如吉林大学赵国如等人将人体小腿及足部划分为小腿、足背和足跟三部分，吉林大学钱志辉等人将人体小腿及足部划分为小腿、足后部、足中部、足前部外侧、足前部内侧和足趾部6个部分。这些研究主要基于多刚体模型将足部划分为较简单的几个节段，由于人体足部具有33个关节，其中还具有一些非规则形状的骨骼组成的小关节，目前已有的划分方法均无法对其运动规律进行细致的分析，进而严重限制了对人体足部骨骼及关节运动进行精细的研究。同时，现有的人体关节运动学实验多采用塑料球包覆反光材料做成反光球，直接贴在皮肤的表面或采用塑料基板贴在皮肤表面并在基板上粘贴反光球，经常出现由于身体某一部位遮挡造成丢点问题或基板与人体表面不能较好地贴合引起较大误差。此外，采用双面胶与皮肤表面连接，还容易出现掉点问题。
因此，亟需对人体小腿和足部骨骼和关节进行更多节段精细划分，并在此基础上开发一种与人体表面具有较好贴合性且能有效减少丢点或掉点的标记系统，以减小实验误差和方便实验操作，进而实现对人体小腿及足部骨骼和关节精细运动的全面深入分析。
发明内容
本发明的目的是解决背景技术中存在的问题，而提供一种用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法。本发明可以较为全面的研究腿足关节运动。对每个节段都设计了一种具有较好人体贴合性的仿生曲面卡环、基板或趾套，可以有效提高捕捉精度。并根据卡环、基板或趾套设计了具有防丢点、防掉点的标记点或标记点簇，并在关键解剖学特征处放置独立标记点，便于局部坐标系的建立。
用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统，包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统。技术标记点簇系统用于标记小腿及足部各节段的运动，确定各节段运动的技术坐标系；解剖学标记点系统用于标记小腿及足部节段的关键解剖学位置点，便于建立解剖学局部坐标系。
所述技术标记点簇系统包括小腿标记点簇系统、足跟标记点簇系统、舟骨标记点簇系统、骰骨标记点簇系统、楔骨标记点簇系统、内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统。
所述小腿标记点簇系统由左卡环、右卡环、内卡环、球头螺栓和海绵垫组成，用于标记小腿节段的运动。左卡环和右卡环均为半圆环，之间有圆柱销连接，左卡环和右卡环可绕圆柱销转动一定角度，在左卡环和右卡环的前部均设有连接耳部，可配合螺栓和蝶形螺母进行连接；所述左卡环和右卡环组成的圆环四周均匀布置四个螺纹孔，球头螺栓通过螺纹孔与内卡环上的连接件进行连接，所述连接件与内卡环为一体式结构，球头螺栓底端有环形槽，连接件上设有连接孔，环形槽与连接孔相适配，使得球头螺栓可以相对连接件转动，球头螺栓顶端的球头外表面包覆反光纸，捕捉球头的运动来表示小腿的运动；四个均匀分布的内卡环内侧与海绵垫粘结，所述海绵垫与人体小腿皮肤贴合；所述左卡环、右卡环、内卡环和球头螺栓均采用高强度轻质塑料制作。
所述足跟标记点簇系统由足跟基板、局部海绵垫、大号反光球和球座组成，用于标记足跟节段的运动。所述足跟基板整体呈“Ω”型。足跟基板内表面的顶部和左右底部各有一块局部海绵垫，顶部的局部海绵垫与距骨头上面皮肤粘贴，底部的局部海绵垫与跟骨内侧面和外侧面的中凹部粘贴；足跟基板的顶部和两侧下方三分之一处均设有插孔，球座的下部为球座腿，球座腿采用软金属材料，且可以插入足跟基板的插孔，插入插孔后可以向两侧展平，使球座腿与足跟基板的内表面贴合；球座上部为球座磁铁，大号反光球底部固定有连接磁铁，异名磁极的球座磁铁和连接磁铁相吸引，使足跟基板和大号反光球紧密连接。所述足跟基板和大号反光球均采用轻质塑料制作，大号反光球底部与连接磁铁采用强力胶粘贴。
所述舟骨标记点簇系统由舟骨基板和树杈标记点簇组成，用于标记舟骨的运动；舟骨基板呈半月形，与人体足部内侧舟骨表面具有较好的贴合性。树杈标记点簇呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球，三个小号反光球的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；舟骨基板外表面的中心固定有基座磁铁，主干底部设有连接磁铁，异名磁极的基座磁铁和连接磁铁相吸引，使舟骨基板和树杈标记点簇紧密连接。所述舟骨基板和树杈标记点簇均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇的主干与连接磁铁采用强力胶粘贴。
所述骰骨标记点簇系统由骰骨基板和树杈标记点簇组成，用于标记骰骨的运动。骰骨基板表面呈四边形且有一定弯曲，与人体足部外侧骰骨表面具有较好的贴合性。树杈标记点簇呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球，三个小号反光球的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；骰骨基板外表面的中心设有基座磁铁，主干底部设有连接磁铁，异名磁极的基座磁铁和连接磁铁相吸引，使骰骨基板和树杈标记点簇紧密连接；所述骰骨基板和树杈标记点簇均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇的主干与连接磁铁采用强力胶粘贴。
所述楔骨标记点簇系统由楔骨基板、中号反光球和球座组成，用于标记楔骨的运动；楔骨基板呈拱形，其截面所对应圆心角为150°，拱形采用仿生曲面，与人体足部内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨所构成的拱形结构具有较好的贴合性；在楔骨基板的顶点处和左右下端均设有插孔，球座腿采用软金属材料，且可以插入楔骨基板的插孔，插入插孔后可以向两侧展平，使球座腿与楔骨基板的内表面贴合，从而将楔骨基板和球座连接稳固。球座上端设有球座磁铁，中号反光球下端设有连接磁铁，异名磁极的球座磁铁和连接磁铁相吸引，从而使中号反光球与楔骨基板稳定连接；所述楔骨基板和中号反光球均采用轻质塑料制作，中号反光球底部与连接磁铁采用强力胶粘贴。
所述内侧跖部标记点簇系统由内侧跖部基板和四爪反光球组成，用于标记内侧跖部的运动；内侧跖部基板为曲面基板，四个角均为圆角，在外表面靠近圆角处，均匀分布四个连接柱，连接柱上有正交分布的连接孔；四爪反光球的下端设有弹性金属丝，弹性金属丝在外力作用下可向四爪反光球的中轴线收缩，弹性金属丝可放入连接柱的内腔，每根弹性金属丝的头部与连接孔适配，外力消除时弹性金属丝向外弹开，从而使四爪反光球与内侧跖部基板稳固连接。内侧跖部基板和四爪反光球的球体均采用轻质塑料制作。
所述外侧跖部标记点簇系统由外侧跖部基板和四爪反光球组成，用于标记外侧跖部的运动；外侧跖部基板为曲面基板，其宽度和曲面曲率小于内侧跖部基板，四个角均为圆角，在外表面靠近圆角处，均匀分布四个连接柱，连接柱上有正交分布的连接孔；四爪反光球的下端设有弹性金属丝，弹性金属丝在外力作用下可向四爪反光球的中轴线收缩，弹性金属丝可放入连接柱的内腔，每根弹性金属丝的头部与连接孔适配，外力消除时弹性金属丝向外弹开，从而使四爪反光球与外侧跖部基板稳固连接；外侧跖部基板和四爪反光球的球体均采用轻质塑料制作。
所述足趾标记点簇系统由拇趾套和其余趾套组成，用于标记每个脚趾的运动。拇趾套和其余趾套均由腔体、近端皮套、远端皮套和四爪反光球组成，腔体截面对应圆心角为120°，上端中心设有连接柱。腔体的近端1/5处下方固定连接有近端皮套，腔体的远端1/5处下方固定连接有远端皮套，近端皮套和远端皮套均具有弹性；腔体覆盖脚趾上表面，皮套呈张紧状态，使趾套与每个脚趾紧密贴合；拇趾套的腔体根据足部大拇趾形状设计，近端截面对应直径较小，远端截面对应直径较大。四个其余趾套根据足部第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的形状设计，其近端腔体轴线与远端腔体轴线有一定夹角。所述四个其余趾套，用于第二趾、第三趾、第四趾和第五趾，其结构相同，但逐渐变小，使得其余趾套与人体第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的大小相符合。四爪反光球的下端设有弹性金属丝，弹性金属丝在外力作用下可向四爪反光球的中轴线收缩，弹性金属丝可放入连接柱的内腔，每根金属丝的头部与连接孔适配，外力消除时弹性金属丝向外弹开，从而使四爪反光球与趾套稳固连接；腔体和四爪反光球的球体均采用轻质塑料制作。
所述解剖学标记点系统由5个中号反光球组成，粘贴在关键的解剖学位置点，作为技术标记点簇系统的补充点。使用强力双面胶将5个中号反光球分别粘贴内踝、外踝、跟结节、第二跖骨头部和第二跖骨近端，便于确定踝关节的转动中心和解剖学坐标系的建立，提取关节运动数据；中号反光球采用轻质塑料制作。
所述小腿标记点簇系统中球头直径为20mm，足跟标记点簇系统中的大号反光球直径为15mm，楔骨标记点簇系统和解剖学标记点系统中的中号反光球直径为10mm，内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统中的四爪反光球直径为10mm，舟骨标记点簇系统和骰骨标记点簇系统中的小号反光球直径为8mm。
小腿及足部节段的划分方法：根据人体骨骼或关节的解剖学形态把小腿及足部划分为小腿、足跟、舟骨、骰骨、楔骨、内侧跖部、外侧跖部、大拇趾、第二趾、第三趾、第四趾和第五趾12个节段；小腿包括胫骨和腓骨；足跟包括距骨和跟骨；楔骨包括内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨；内侧跖部包括第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨；外侧跖部包括第四跖骨和第五跖骨；大拇趾包括第一拇趾近节趾骨和第一趾远节趾骨；第二趾包括第二趾近节趾骨、第二趾中节趾骨和第二趾远节趾骨；第三趾包括第三趾近节趾骨、第三趾中节趾骨和第三趾远节趾骨；第四趾包括第四趾近节趾骨、第四趾中节趾骨和第四趾远节趾骨；第五趾包括第五趾近节趾骨、第五趾中节趾骨和第五趾远节趾骨。
节段划分主要依据人体小腿及足部相邻骨骼或关节的连接特点，便于应用多刚体模型研究关节运动学。小腿包括胫骨和腓骨，因为胫骨和腓骨与足部距骨构成踝关节，故把胫骨和腓骨作为一个节段用于研究踝关节运动学；足跟包括距骨和跟骨，因为距骨和跟骨形状极其不规则，且其连接具有锁合稳定性，相对运动较小，故把距骨和跟骨作为一个节段用于研究足跟与小腿的相对运动，或足跟与舟骨和骰骨的相对运动；舟骨和骰骨是跗骨关节的中间节段，骨骼虽小但其位置明显，分别位于内侧和外侧，舟骨近端与距骨连接，远端与楔骨连接，骰骨近端与跟骨连接，远端与第四跖骨、第五跖骨连接。故舟骨和骰骨分别作为一个单独的节段，用于研究舟骨与距骨或楔骨的相对运动，骰骨与跟骨或与第四跖骨、第五跖骨的相对运动；楔骨包括内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨，位于舟骨和第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨之间，是足横弓的重要组成部分，因为内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨排列紧密，相对运动较小，难以区分相邻楔骨之间的相对运动，所以将内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨作为一个节段，用于研究楔骨与舟骨或内侧跖部的相对运动；内侧跖部包括第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨，外侧跖部包括第四跖骨和第五跖骨，因为第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨的近端与楔骨连接，第四跖骨和第五跖骨近端与骰骨连接，构成了跗横关节，故把第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨作为一个节段，第四跖骨和第五跖骨作为另一个节段，用于研究内侧跖部与楔骨的相对运动，外侧跖部与骰骨的相对运动，即研究跗跖关节的运动。大拇趾、第二趾、第三趾、第四趾和第五趾分别单独作为一个节段，因为脚趾骨骼较小，趾间关节运动不明显，难以研究趾间关节，故把每个脚趾作为一个单独的节段，用于研究每个脚趾与跖骨的相对运动，即跖趾关节的运动。
本发明的有益效果：
1、本发明根据人体小腿及足部骨骼或关节的解剖学形态来详细划分小腿及足部节段的方法，可以较为全面的研究腿足关节运动。
2、根据小腿节段的形态设计了卡环，根据足跟、舟骨、骰骨、楔骨、内侧跖部和外侧跖部的形态设计了对应的基板，根据大拇趾、第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的形态设计了对应的趾套。所述的卡环、基板和趾套的仿生曲面与对应的人体节段具有较好的贴合性，有效地提高了捕捉对应节段运动的精度。
3、树杈标记点簇用于标记舟骨和骰骨运动，三个小号反光球的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度，可以有效地解决由于遮挡等原因引起的丢点问题。
4、球座、球座磁铁、连接磁铁和反光球的配合使用，树杈标记点簇、基座磁铁和连接磁铁的配合使用，四爪反光球与连接柱的配合使用，使得反光标记球与对应的基板连接稳固，不易掉点，且安装、拆卸方便，可以多次重复利用。
5、解剖学标记点系统作为技术标记点簇系统的补充点，便于确定踝关节的转动中心和解剖学坐标系的建立，提取关节运动数据。
附图说明
图1为本发明的小腿及足部节段的划分方法示意图。
图2为本发明的小腿标记点簇系统示意图。
图3为本发明的足跟标记点簇系统示意图。
图4为本发明的舟骨标记点簇系统示意图。
图5为本发明的骰骨标记点簇系统示意图。
图6为本发明的楔骨标记点簇系统示意图。
图7为本发明的内侧跖部和外侧跖部标记点簇系统示意图。
图8为本发明的足趾标记点簇系统示意图。
其中：A-小腿、B-足跟、C-舟骨、D-骰骨、E-楔骨、F-内侧跖部、G-外侧跖部、H1-大拇趾、H2-第二趾、H3-第三趾、H4-第四趾、H5-第五趾、1-左卡环、2-右卡环、3-内卡环、4-球头螺栓、5-海绵垫、6-圆柱销、7-连接耳部、8-螺栓、9-蝶形螺母、10-螺纹孔、11-连接件、12-环形槽、13-连接孔、14-球头、15-足跟基板、16-局部海绵垫、17-大号反光球、18-球座、19-插孔、20-球座腿、21-球座磁铁、22-连接磁铁、23-舟骨基板、24-树杈标记点簇、25-小号反光球、26-基座磁铁、27-骰骨基板、28-楔骨基板、29-中号反光球、30-内侧跖部基板、31-四爪反光球、32-连接柱、33-连接孔、34-弹性金属丝、35-外侧跖部基板、36-拇指套、37-其余趾套、38-腔体、39-近端皮套、40-远端皮套。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统，包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统；技术标记点簇系统用于标记小腿及足部各节段的运动，确定各节段运动的技术坐标系；解剖学标记点系统用于标记小腿及足部节段的关键解剖学位置点，便于建立解剖学局部坐标系。
技术标记点簇系统包括小腿标记点簇系统、足跟标记点簇系统、舟骨标记点簇系统、骰骨标记点簇系统、楔骨标记点簇系统、内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统；
小腿标记点簇系统由左卡环1、右卡环2、内卡环3、球头螺栓4和海绵垫5组成，用于标记小腿节段的运动；左卡环1和右卡环2均为半圆环，之间有圆柱销6连接，左卡环1和右卡环2可绕圆柱销6转动一定角度，在左卡环1和右卡环2的前部均设有连接耳部7，可配合螺栓8和蝶形螺母9进行连接。所述左卡环1和右卡环2组成的圆环四周均匀布置四个螺纹孔10，球头螺栓4通过螺纹孔10与内卡环3上的连接件11进行连接，所述连接件11与内卡环3为一体式结构，球头螺栓4底端有环形槽12，连接件11上设有连接孔13，环形槽12与连接孔13相适配，使得球头螺栓4可以相对连接件11转动，球头螺栓4顶端的球头14外表面包覆反光纸，捕捉球头14的运动来表示小腿的运动。四个均匀分布的内卡环3内侧与海绵垫5粘结，所述海绵垫5与人体小腿皮肤贴合。所述左卡环1、右卡环2、内卡环3和球头螺栓4均采用高强度轻质塑料制作。当需要实验时，拧掉蝶形螺母9和螺栓8，使左卡环1和右卡环2张开，套在人体小腿上，然后拧紧蝶形螺母9和螺栓8，使左卡环1和右卡环2闭合，同时转动四个球头螺栓4，使内卡环3向中心移动，最后海绵垫5与小腿皮肤贴合，使得小腿标记点簇系统固定在小腿的指定位置，四个球头14分布在小腿的前、后、左、右方向各一个。
足跟标记点簇系统由足跟基板15、局部海绵垫16、大号反光球17和球座18组成，用于标记足跟节段的运动。所述足跟基板15整体呈“Ω”型。足跟基板15内表面的顶部和左右底部各有一块局部海绵垫16，顶部的局部海绵垫16与距骨头上面皮肤粘贴，底部的局部海绵垫16与跟骨内侧面和外侧面的中凹部粘贴。足跟基板15的顶部和两侧下方三分之一处均设有插孔19，球座18的下部为球座腿20，球座腿20采用软金属材料，且可以插入足跟基板15的插孔19，插入插孔19后可以向两侧展平，使球座腿20与足跟基板15的内表面贴合。球座18上部为球座磁铁21，大号反光球17底部固定有连接磁铁22，异名磁极的球座磁铁21和连接磁铁22相吸引，使足跟基板15和大号反光球17紧密连接。三个大号反光球17的位置分别对应距骨头部、跟骨载距突和跟骨滑车突。所述足跟基板15和大号反光球17均采用轻质塑料制作，大号反光球17底部与连接磁铁22采用强力胶粘贴。
舟骨标记点簇系统由舟骨基板23和树杈标记点簇24组成，用于标记舟骨的运动。舟骨基板23呈半月形，与人体足部内侧舟骨表面具有较好的贴合性。树杈标记点簇24呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球25，三个小号反光球25的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度。舟骨基板23外表面的中心固定有基座磁铁26，主干底部设有连接磁铁22，异名磁极的基座磁铁26和连接磁铁22相吸引，当需要实验时，只需把异名磁极的基座磁铁26和连接磁铁22靠近，使舟骨基板23和树杈标记点簇24紧密连接，实验结束后，只需把异名磁极的基座磁铁26和连接磁铁22分离即可；所述舟骨基板23和树杈标记点簇24均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇24的主干与连接磁铁22采用强力胶粘贴。
骰骨标记点簇系统由骰骨基板27和树杈标记点簇24组成，用于标记骰骨的运动。骰骨基板27表面呈四边形且有一定弯曲，与人体足部外侧骰骨表面具有较好的贴合性；树杈标记点簇24呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球25，三个小号反光球25的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度。骰骨基板27外表面的中心设有基座磁铁26，主干底部设有连接磁铁22，异名磁极的基座磁铁26和连接磁铁22相吸引，当需要实验时，只需把异名磁极的基座磁铁26和连接磁铁22靠近，使骰骨基板27和树杈标记点簇24紧密连接，实验结束后，只需把异名磁极的基座磁铁26和连接磁铁22分离即可。所述骰骨基板27和树杈标记点簇24均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇24的主干与连接磁铁22采用强力胶粘贴。
楔骨标记点簇系统由楔骨基板28、中号反光球29和球座18组成，用于标记楔骨的运动。楔骨基板28呈拱形，其截面所对应圆心角为150°，拱形采用仿生曲面，与人体足部内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨所构成的拱形结构具有较好的贴合性。在楔骨基板28的顶点处和左右下端均设有插孔19，球座腿20采用软金属材料，且可以插入楔骨基板28的插孔19，插入插孔19后可以向两侧展平，使球座腿20与楔骨基板28的内表面贴合，从而将楔骨基板28和球座18连接稳固。球座18上端设有球座磁铁21，中号反光球29下端设有连接磁铁22，异名磁极的球座磁铁21和连接磁铁22相吸引，从而使中号反光球29与楔骨基板28稳定连接。所述楔骨基板28和中号反光球29均采用轻质塑料制作，中号反光球29底部与连接磁铁22采用强力胶粘贴。
内侧跖部标记点簇系统由内侧跖部基板30和四爪反光球31组成，用于标记内侧跖部的运动。内侧跖部基板30为曲面基板，四个角均为圆角，在外表面靠近圆角处，均匀分布四个连接柱32，连接柱32上有正交分布的连接孔33。四爪反光球31的下端设有弹性金属丝34，弹性金属丝34在外力作用下可向四爪反光球31的中轴线收缩，弹性金属丝34可放入连接柱32的内腔，每根弹性金属丝34的头部与连接孔33适配，外力消除时弹性金属丝34向外弹开，从而使四爪反光球31与内侧跖部基板30稳固连接。内侧跖部基板30和四爪反光球31的球体均采用轻质塑料制作。
外侧跖部标记点簇系统由外侧跖部基板35和四爪反光球31组成，用于标记外侧跖部的运动。外侧跖部基板35为曲面基板，其宽度和曲面曲率小于内侧跖部基板30，四个角均为圆角，在外表面靠近圆角处，均匀分布四个连接柱32，连接柱32上有正交分布的连接孔33。四爪反光球31的下端设有弹性金属丝34，弹性金属丝34在外力作用下可向四爪反光球31的中轴线收缩，弹性金属丝34可放入连接柱32的内腔，每根弹性金属丝34的头部与连接孔33适配，外力消除时弹性金属丝34向外弹开，从而使四爪反光球31与外侧跖部基板35稳固连接。外侧跖部基板35和四爪反光球31的球体均采用轻质塑料制作。
足趾标记点簇系统由拇指套36和其余趾套37组成，用于标记每个脚趾的运动。拇趾套36和其余趾套37均由腔体38、近端皮套39、远端皮套40和四爪反光球31组成，腔体38截面对应圆心角为120°，上端中心设有连接柱32。腔体38的近端1/5处下方固定连接有近端皮套39，腔体38的远端1/5处下方固定连接有远端皮套40，近端皮套39和远端皮套40均具有弹性。腔体38覆盖脚趾上表面，皮套呈张紧状态，使趾套与每个脚趾紧密贴合。拇趾套36的腔体38根据足部大拇趾形状设计，近端截面对应直径较小，远端截面对应直径较大。四个其余趾套37根据足部第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的形状设计，其近端腔体轴线与远端腔体轴线有一定夹角；所述四个其余趾套37，用于第二趾、第三趾、第四趾和第五趾，其结构相同，但逐渐变小，使得其余趾套37与人体第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的大小相符合。四爪反光球31的下端设有弹性金属丝34，弹性金属丝34在外力作用下可向四爪反光球31的中轴线收缩，弹性金属丝34可放入连接柱32的内腔，每根弹性金属丝34的头部与连接孔33适配，外力消除时弹性金属丝34向外弹开，从而使四爪反光球31与趾套稳固连接。所述腔体38和四爪反光球31的球体均采用轻质塑料制作。
解剖学标记点系统由五个中号反光球29组成，粘贴在关键的解剖学位置点，作为技术标记点簇系统的补充点。使用强力双面胶将五个中号反光球29分别粘贴内踝、外踝、跟结节、第二跖骨头部和第二跖骨近端，便于确定踝关节的转动中心和解剖学坐标系的建立，提取关节运动数据。所述中号反光球29采用轻质塑料制作。
所述小腿标记点簇系统中球头14直径为20mm，足跟标记点簇系统中的大号反光球17直径为15mm，楔骨标记点簇系统和解剖学标记点系统中的中号反光球29直径为10mm，内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统中的四爪反光球31直径为10mm，舟骨标记点簇系统和骰骨标记点簇系统中的小号反光球25直径为8mm。选用不同直径的反光球，既能多添加捕捉点，又能有效减少相互遮挡。
小腿及足部节段的划分方法：根据人体骨骼或关节的解剖学形态把小腿及足部划分为小腿A、足跟B、舟骨C、骰骨D、楔骨E、内侧跖部F、外侧跖部G、大拇趾H1、第二趾H2、第三趾H3、第四趾H4和第五趾H5共12个节段。其中，小腿A包括胫骨和腓骨；足跟B包括距骨和跟骨；楔骨E包括内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨；内侧跖部F包括第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨；外侧跖部G包括第四跖骨和第五跖骨；大拇趾H1包括第一拇趾近节趾骨和第一趾远节趾骨；第二趾H2包括第二趾近节趾骨、第二趾中节趾骨和第二趾远节趾骨；第三趾H3包括第三趾近节趾骨、第三趾中节趾骨和第三趾远节趾骨；第四趾H4包括第四趾近节趾骨、第四趾中节趾骨和第四趾远节趾骨；第五趾H5包括第五趾近节趾骨、第五趾中节趾骨和第五趾远节趾骨。节段划分主要依据人体相邻骨骼或关节的连接特点，便于应用多刚体模型研究关节运动学，此方法可以较为全面的研究足部关节运动，如踝关节、距舟关节、跟骰关节、楔舟关节、跗跖关节和跖趾关节的运动。
本发明可以较为全面的研究腿足关节运动，对每个节段都设计了一种具有较好人体贴合性的仿生曲面卡环、基板或趾套，可以有效提高捕捉精度。并根据卡环、基板或趾套设计了具有防丢点、防掉点的不同直径标记点或标记点簇，并在关键解剖学特征处放置独立标记点，便于局部坐标系的建立。此外，磁铁和四爪反光球的使用，使得本标记系统方便安装和拆卸，可以多次重复利用。

Claims (3)

1.用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统，其特征在于：包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统；技术标记点簇系统包括小腿标记点簇系统、足跟标记点簇系统、舟骨标记点簇系统、骰骨标记点簇系统、楔骨标记点簇系统、内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统；
所述小腿标记点簇系统由左卡环(1)、右卡环(2)、内卡环(3)、球头螺栓(4)和海绵垫(5)组成；左卡环(1)和右卡环(2)均为半圆环，之间有圆柱销(6)连接，左卡环(1)和右卡环(2)可绕圆柱销(6)转动一定角度，在左卡环(1)和右卡环(2)的前部均设有连接耳部(7)，可配合螺栓(8)和蝶形螺母(9)进行连接；左卡环(1)和右卡环(2)组成的圆环四周均匀布置四个螺纹孔(10)，球头螺栓(4)通过螺纹孔(10)与内卡环(3)上的连接件(11)进行连接，连接件(11)与内卡环(3)为一体式结构，球头螺栓(4)底端有环形槽(12)，连接件(11)上设有连接孔(13)，环形槽(12)与连接孔(13)相适配，使得球头螺栓(4)可以相对连接件(11)转动，球头螺栓(4)顶端的球头(14)外表面包覆反光纸；四个均匀分布的内卡环(3)内侧与海绵垫(5)粘结，海绵垫(5)与人体小腿(A)皮肤贴合；所述左卡环(1)、右卡环(2)、内卡环(3)和球头螺栓(4)均采用高强度轻质塑料制作；
所述足跟标记点簇系统由足跟基板(15)、局部海绵垫(16)、大号反光球(17)和球座(18)组成；所述足跟基板(15)整体呈“Ω”型；足跟基板(15)内表面的顶部和左右底部各有一块局部海绵垫(16)，顶部的局部海绵垫(16)与距骨头上面皮肤粘贴，底部的局部海绵垫(16)与跟骨内侧面和外侧面的中凹部粘贴；足跟基板(15)的顶部和两侧下方三分之一处均设有插孔(19)，球座(18)的下部为球座腿(20)，球座腿(20)采用软金属材料，且可以插入足跟基板(15)的插孔(19)中，插入插孔(19)后可以向两侧展平，使球座腿(20)与足跟基板(15)的内表面贴合；球座(18)上部为球座磁铁(21)，大号反光球(17)底部固定有连接磁铁(22)，异名磁极的球座磁铁(21)和连接磁铁(22)相吸引，使足跟基板(15)和大号反光球(17)紧密连接；足跟基板(15)和大号反光球(17)均采用轻质塑料制作，大号反光球(15)底部与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；
所述舟骨标记点簇系统由舟骨基板(23)和树杈标记点簇(24)组成；舟骨基板(23)呈半月形，与人体足部内侧舟骨表面具有较好的贴合性；树杈标记点簇(24)呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球(25)，三个小号反光球(25)的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；舟骨基板(23)外表面的中心固定有基座磁铁(26)，主干底部设有连接磁铁(22)，异名磁极的基座磁铁(26)和连接磁铁(22)相吸引，使舟骨基板(23)和树杈标记点簇(24)紧密连接；所述舟骨基板(23)和树杈标记点簇(24)均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇(24)的主干与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；
所述骰骨标记点簇系统由骰骨基板(27)和树杈标记点簇(24)组成；骰骨基板(27)表面呈四边形且有一定弯曲，与人体足部外侧骰骨表面具有较好的贴合性；树杈标记点簇(24)呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球(25)，三个小号反光球(25)的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；骰骨基板(27)外表面的中心设有基座磁铁(26)，主干底部设有连接磁铁(22)，异名磁极的基座磁铁(26)和连接磁铁(22)相吸引，使骰骨基板(27)和树杈标记点簇(24)紧密连接；所述骰骨基板(27)和树杈标记点簇(24)均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇(24)的主干与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；
所述楔骨标记点簇系统由楔骨基板(28)、中号反光球(29)和球座(18)组成；楔骨基板(28)呈拱形，其截面所对应圆心角为150°，拱形采用仿生曲面，与人体足部内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨所构成的拱形结构具有较好的贴合性；在楔骨基板(28)的顶点处和左右下端均设有插孔(19)，球座腿(20)采用软金属材料，且可以插入楔骨基板的插孔(19)，插入插孔(19)后可以向两侧展平，使球座腿(20)与楔骨基板(28)的内表面贴合，从而将楔骨基板(28)和球座(18)连接稳固；球座(18)上端设有球座磁铁(21)，中号反光球(29)下端设有连接磁铁(22)，异名磁极的球座磁铁(21)和连接磁铁(22)相吸引，从而使中号反光球(29)与楔骨基板(28)稳定连接；所述楔骨基板(28)和中号反光球(29)均采用轻质塑料制作，中号反光球(29)底部与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；
所述内侧跖部标记点簇系统由内侧跖部基板(30)和四爪反光球(31)组成；内侧跖部基板(30)为曲面基板，四个角均为圆角，在外表面靠近圆角处，均匀分布四个连接柱(32)，连接柱(32)上有正交分布的连接孔(33)；四爪反光球(31)的下端设有弹性金属丝(34)，弹性金属丝(34)在外力作用下可向四爪反光球(31)的中轴线收缩，弹性金属丝(34)可放入连接柱(32)的内腔，每根弹性金属丝(34)的头部与连接孔(33)适配，外力消除时弹性金属丝(34)向外弹开，从而使四爪反光球(31)与内侧跖部基板(30)稳固连接；内侧跖部基板(30)和四爪反光球(31)的球体均采用轻质塑料制作；
所述外侧跖部标记点簇系统由外侧跖部基板(35)和四爪反光球(31)组成；外侧跖部基板(35)为曲面基板，其宽度和曲面曲率小于内侧跖部基板(30)，四个角均为圆角，在外表面靠近圆角处，均匀分布四个连接柱(32)，连接柱(32)上有正交分布的连接孔(33)；四爪反光球(31)的下端设有弹性金属丝(34)，弹性金属丝(34)在外力作用下可向四爪反光球(31)的中轴线收缩，弹性金属丝(34)可放入连接柱(32)的内腔，每根弹性金属丝(34)的头部与连接孔(33)适配，外力消除时弹性金属丝(34)向外弹开，从而使四爪反光球(31)与外侧跖部基板(35)稳固连接；外侧跖部基板(35)和四爪反光球(31)的球体均采用轻质塑料制作；
所述足趾标记点簇系统由拇指套(36)和其余趾套(37)组成；拇趾套(36)和其余趾套(37)均由腔体(38)、近端皮套(39)、远端皮套(40)和四爪反光球(31)组成，腔体(38)截面对应圆心角为120°，上端中心设有连接柱(32)；腔体(37)的近端1/5处下方固定连接有近端皮套(39)，腔体(37)的远端1/5处下方固定连接有远端皮套(40)，近端皮套(39)和远端皮套(40)均具有弹性；拇趾套(36)的腔体(38)根据足部大拇趾形状设计，近端截面对应直径较小，远端截面对应直径较大；其余趾套(37)共四个，根据足部第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的形状设计，其近端腔体轴线与远端腔体轴线有一定夹角；四个其余趾套(37)，结构相同，但逐渐变小，使得其余趾套(37)与人体第二趾、第三趾、第四趾和第五趾的大小相符合；四爪反光球(31)的下端设有弹性金属丝(34)，弹性金属丝(34)在外力作用下可向四爪反光球(31)的中轴线收缩，弹性金属丝(34)可放入连接柱(32)的内腔，每根弹性金属丝(34)的头部与连接孔(33)适配，外力消除时弹性金属丝(34)向外弹开，从而使四爪反光球(31)与趾套稳固连接；所述腔体(38)和四爪反光球(31)的球体均采用轻质塑料制作；
所述解剖学标记点系统由5个中号反光球(29)组成，使用强力双面胶分别粘贴在内踝、外踝、跟结节、第二跖骨头部和第二跖骨近端；所述中号反光球(29)采用轻质塑料制作。
2.根据权利要求1所述的用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统，其特征在于：所述小腿标记点簇系统中的球头(14)直径为20mm，足跟标记点簇系统中的大号反光球(17)直径为15mm，楔骨标记点簇系统和解剖学标记点系统中的中号反光球(29)直径为10mm，内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统中的四爪反光球(31)直径为10mm，舟骨标记点簇系统和骰骨标记点簇系统中的小号反光球(25)直径为8mm。
3.权利要求1所述用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统的小腿及足部节段划分方法：其特征在于：该方法是：根据人体骨骼或关节的解剖学形态把小腿及足部划分为小腿(A)、足跟(B)、舟骨(C)、骰骨(D)、楔骨(E)、内侧跖部(F)、外侧跖部(G)、大拇趾(H1)、第二趾(H2)、第三趾(H3)、第四趾(H4)和第五趾(H5)共12个节段；小腿(A)包括胫骨和腓骨；足跟(B)包括距骨和跟骨；楔骨(E)包括内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨；内侧跖部(F)包括第一跖骨、第二跖骨和第三跖骨；外侧跖部(G)包括第四跖骨和第五跖骨；大拇趾(H1)包括第一拇趾近节趾骨和第一趾远节趾骨；第二趾(H2)包括第二趾近节趾骨、第二趾中节趾骨和第二趾远节趾骨；第三趾(H3)包括第三趾近节趾骨、第三趾中节趾骨和第三趾远节趾骨；第四趾(H4)包括第四趾近节趾骨、第四趾中节趾骨和第四趾远节趾骨；第五趾(H5)包括第五趾近节趾骨、第五趾中节趾骨和第五趾远节趾骨。
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