CN113545956B - 一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗康复器械技术领域，公开了一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，通过采集膝关节特定角度下的CT图像，然后利用轮廓检测算子对CT图像进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的固定特征点，并利用法线交汇法拟合出人体下肢膝关节运动瞬心曲线ICR，再通过建立数学函数模型确定曲柄摇杆机构的各杆参数并进行杆长条件优化，使得依据ICR曲线设计出曲柄摇杆机构的运动瞬心曲线与人体下肢膝关节运动瞬心曲线重合，最终设计出高顺应性的高顺应性膝关节外骨骼，解决现有技术中每个患者的运动瞬心不同导致的患者穿戴的协调性和高顺应性问题，提高患者康复效率和矫正效果。

Description

一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法
技术领域
本发明涉及医疗康复器械技术领域，特别是涉及一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法。
背景技术
在日常生活中，由于重大疾病导致中风偏瘫、或者因人的年龄上升身体机能退化导致生活中行动能力下降的人群越来越多。传统的中风偏瘫康复治疗方法是通过专业的理疗师对病人进行康复指导和辅助训练，康复效率不高且进程缓慢，而且一个中风或者偏瘫患者往往要求两到三个理疗师进行跟进治疗，耗费大量的人力物力和财力。而利用下肢穿戴外骨骼机器人进行辅助治疗能够有效的减轻理疗师的工作负担，提高康复效率，减少了康复成本。下肢康复训练机器人辅助治疗是在下肢康复机器人的帮助下完成临床医疗上所需要的康复训练，并且及时向患者和医疗师提供反馈信息，使患者能够更快的恢复运动能力。
在现有的外骨骼技术中，大部分外骨骼康复机器人都将下肢膝关节简化为一简单的转动副，即一个自由度。这类膝关节转动副其瞬心为一恒定的铰链回转轴中心，而从人体解刨学和运动学的角度分析可知，人体下肢膝关节在矢状面的运动包含大腿骨和小腿骨的相对转动和转动瞬心的移动，即实际人体下肢膝关节运动有三个自由度且实际人体的膝关节在膝关节水平转动轴曲率中心即瞬时转动中心ICR(Instant Center of Rotation，瞬时旋转中心，简称瞬心)是可变的，其运动轨迹为J型曲线。且由于人体身高，体重及骨骼结构的差异性，每个人的下肢步态都是有差别的，因此个体的下肢膝关节运动瞬心曲线也有差异，故此市面上存在的膝关节高顺应性膝关节外骨骼不能很好的模拟每个人运动的步态周期，与人体实际的膝关节运动瞬心并不能很好的拟合，从而达不到人机系统的高度顺应，依据个体人体的膝关节运动瞬心曲线ICR设计出一款个性化定制的高顺应性的膝关节运动下肢外骨骼且具备良好的人机运动特性的下肢外骨骼现市面上还未有。
中国实用新型CN209850913U(公开日为2019年12月27日)公开了一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其在说明书中公开了对膝关节上连杆、膝关节后连杆、膝关节下连杆、膝关节左摇杆和膝关节右摇杆的杆长进行优化的方法，包括建立外骨骼数学模型、将绝对坐标系内的函数关系式转化到局部坐标系、以人体膝关节理论瞬心轨迹和计算轨迹的坐标平方差之和为目标函数，以站立稳定性条件、双摇杆运动学条件、仿生性条件和传动角约束为约束条件，以杆长参数为变量进行优化，计算出目标函数最小时的杆长参数。但是，该专利采用的是人体膝关节理论瞬心轨迹，而对于每一个患者来说，人体膝关节理论瞬心轨迹是有差异的，因此，该专利的方法并不能为患者实现私人定制，并且该专利并未公开膝关节理论瞬心ICR轨迹曲线是如何得到的。
发明内容
本发明的目的是提供一种符合患者的运动习惯与特性、提高患者康复效率和矫正效果的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，包括如下步骤：
S1、获取人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线：获取人体膝关节在不同转动角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线；
S2、建立外骨骼数学模型：确定模拟人体膝关节的摇杆机构中的设计变量和设计变量之间的关系；
S3、确定摇杆机构设计的优化条件和约束条件；
S4、根据人体膝关节的结构参数确定模拟人体膝关节的摇杆机构中各设计变量的取值范围；
S5、从步骤S4的取值范围中取值，并根据该取值范围和步骤S3中的优化条件和约束条件，通过步骤S2建立的外骨骼数学模型计算摇杆机构各设计变量的最优值；
S6、模拟步骤S5得到的摇杆机构的瞬时转动中心轨迹曲线，并与步骤S1获取的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线进行曲线拟合，调整摇杆机构各设计变量的参数直至得到最优值；
S7、根据步骤S6得到的最优值设计模拟人体膝关节的摇杆机构，以及与摇杆机构连接的膝关节外骨骼的其他部件。
作为优选方案，在步骤S1中，对穿戴者进行医学X线光束扫描拍摄获取CT图像，对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的特征点。
作为优选方案，通过轮廓检测算子对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取。
作为优选方案，特征点的提取方法为：从转动角度为0°开始，以竖直线扫描方式从胫骨轮廓左端向右端索引，当检测到两个灰度值为255的像素定义为起始位置，相对起始位置扫描距离最远的两个像素点为特征点，靠近髌骨的为外突髁点，标记为E，另一点则为内突髁点，标记为F；接着以F点为原点，逆时针旋转30°进行直线索引，检测灰度值为255的点，该点为胫骨轮廓边缘点，为第三个特征点，标记为G；其他角度的图片只需要对扫描的竖直线补偿膝关节转动角度进行重复扫描即可确定各图片上胫骨的特征点位置。
作为优选方案，人体膝关节瞬时转动中心的提取方法为：依据所拍摄的膝关节从0°转动至90°的CT图片，拟合出特征点Ei、Fi、Gi的轨迹曲线；分别做Ei、Fi、Gi的轨迹曲线在相同转动角度时的轨迹点处的法线，使Ei、Fi、Gi的法线两两相交，其中Ei点和Gi点的法线相交于Oi1，Ei与Fi点的法线相交于Oi2，Fi与Gi点的法线相交于Oi3，三角形Oi1Oi2Oi3的中心Oi即为该转动角度下胫骨相对股骨的转动中心，即为人体膝关节瞬时转动中心。
作为优选方案，在采集膝关节从0°转动至90°的CT图片时，采集间隔小于或等于10°。
作为优选方案，摇杆机构为四杆机构ABCD，杆AB的长度为l1，杆BC的长度为l2，杆CD的长度为l3，杆AD的长度为l4，人体膝关节转动角度为0°时是四杆机构ABCD的初始状态，在步骤S2中，以四杆机构ABCD的初始状态作为计算起点，以点B为原点建立坐标系，其中，杆AD与x轴的夹角为α1，杆CD与x轴的夹角为α2，杆BC与与x轴的夹角为α3，杆AB与x轴的夹角为α4，α1、α2、α3和α4为各杆的初始摆角，四杆机构ABCD的瞬时转动中心点为杆AD和杆BC的延长线的交点Q，则：
消去α2整理可得：
其中：
T＝2l1l4sinα1-2l1l2sinα3；
K＝2l1l4cosα1-2l1l2cosα3；
因此，四杆机构ABCD的设计变量为l1、l2、l3、l4、α1、α3和α4；
四杆机构ABCD各铰链点的坐标为：
由于Q点为杆AD和杆BC的交点，斜率相等，所以得：
整理可得点Q坐标公式为：
作为优选方案，在步骤S3中，优化条件为四杆机构ABCD的运动瞬心点坐标Q(xQi,yQi)与膝关节运动瞬心点坐标O(Oxi,Oyi)的误差均方根最小；
将四杆机构ABCD的运动瞬心点坐标Q(xQi,yQi)和膝关节运动瞬心点坐标
O(Oxi,Oyi)的坐标转化到同一局部坐标系，根据以下式子求误差均方根：
作为优选方案，在步骤S3中，约束条件包括杆长约束条件，杆长约束条件为：
作为优选方案，在步骤S3中，约束条件包括传动角的约束条件，传动角的约束条件为：
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明在为患者设计其使用的高顺应性膝关节外骨骼时，获取该名患者的膝关节在不同角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线，获得的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线是符合患者的运动习惯与特性，使得根据该人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线设计出的高顺应性膝关节外骨骼，实现个性化定制，解决了现有技术中人体膝关节运动瞬心的时变性和由于人体身高，体重及骨骼结构的差异性，运动瞬心不同导致的患者穿戴的协调性和高顺应性问题，提高患者康复效率和矫正效果。
附图说明
图1是本发明实施例的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法的流程图。
图2是本发明实施例对穿戴者进行医学X线光束扫描拍摄获取的CT图。
图3是本发明实施例膝关节转动中心标记示意图。
图4是本发明实施例胫骨标记点法线交汇示意图。
图5是本发明实施例的四杆机构ABCD的示意图。
图6是根据本发明实施例设计出来的个性化定制的模拟人体膝关节的四杆机构的结构示意图。
图7是本发明实施例的个性化定制的四杆机构转动角度为0°时的示意图。
图8是本发明实施例的个性化定制的四杆机构转动角度为90°时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，包括如下步骤：
S1、获取人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线：获取人体膝关节在不同转动角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线；
S2、建立外骨骼数学模型：确定模拟人体膝关节的摇杆机构中的设计变量和设计变量之间的关系；
S3、确定摇杆机构设计的优化条件和约束条件；
S4、根据人体膝关节的结构参数确定模拟人体膝关节的摇杆机构中各设计变量的取值范围；
S5、从步骤S4的取值范围中取值，并根据该取值范围和步骤S3中的优化条件和约束条件，通过步骤S2建立的外骨骼数学模型计算摇杆机构各设计变量的最优值；
S6、模拟步骤S5得到的摇杆机构的瞬时转动中心轨迹曲线，并与步骤S1获取的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线进行曲线拟合，调整摇杆机构各设计变量的参数直至得到最优值；
S7、根据步骤S6得到的最优值设计模拟人体膝关节的摇杆机构，以及与摇杆机构连接的膝关节外骨骼的其他部件。
在步骤S1中，对穿戴者进行医学X线光束扫描拍摄获取CT图像，对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的特征点。本实施例通过轮廓检测算子对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取。本实施例的特征点的提取方法为：采集穿戴者的下肢关节在0-90°的CT图，采集间隔小于或等于10°，本实施例的采集间隔10°(采集间隔可依据具体情况进行相应调整)，获取断层图像10张，采集到的CT图如图2所示。通过轮廓检测算子提取到膝关节骨骼轮廓图后，对特征点进行提取。从转动角度为0°开始，以竖直线扫描方式从胫骨轮廓左端向右端索引，当检测到两个灰度值为255的像素定义为起始位置，相对起始位置扫描距离最远的两个像素点为特征点，靠近髌骨的为外突髁点，标记为E，另一点则为内突髁点，标记为F；接着以F点为原点，逆时针旋转30°进行直线索引，检测灰度值为255的点，该点为胫骨轮廓边缘点，为第三个特征点，标记为G；其他角度的图片只需要对扫描的竖直线补偿膝关节转动角度进行重复扫描即可确定各图片上胫骨的特征点位置，如图3所示。
人体膝关节瞬时转动中心的提取方法为：依据所拍摄的膝关节从0°转动至90°的CT图片，拟合出特征点Ei、Fi、Gi(i＝0，1，2……9)的轨迹曲线；分别做Ei、Fi、Gi(i＝0，1，2……9)的轨迹曲线在相同转动角度时的轨迹点处的法线，使Ei、Fi、Gi(i＝0，1，2……9)的法线两两相交，其中Ei点和Gi点的法线相交于Oi1，Ei与Fi点的法线相交于Oi2，Fi与Gi点的法线相交于Oi3，三角形Oi1Oi2Oi3的中心Oi即为该转动角度下胫骨相对股骨的转动中心，即为人体膝关节瞬时转动中心，如图4所示。
摇杆机构运动瞬心在平面内的运动跟膝关节运动瞬心运动情况相同，既有滚动也有滑动。为了使摇杆机构运动瞬心曲线尽可能的拟合膝关节步态转动角度范围内的运动瞬心曲线，现设计四杆机构ABCD如图5所示，各杆长度及其与水平面的夹角分别为li和αi(i＝1,2,3,4)，杆AB为机架，杆CD为连杆，由三线法知四杆机构ABCD的运动瞬心为连杆延长线的交点，即图5中的Q点。杆AB的长度为l1，杆BC的长度为l2，杆CD的长度为l3，杆AD的长度为l4，人体膝关节转动角度为0°时是四杆机构ABCD的初始状态，在步骤S2中，以四杆机构ABCD的初始状态作为计算起点，以点B为原点建立坐标系，其中，杆AD与x轴的夹角为α1，杆CD与x轴的夹角为α2，杆BC与与x轴的夹角为α3，杆AB与x轴的夹角为α4，α1、α2、α3和α4为各杆的初始摆角，四杆机构ABCD的瞬时转动中心点为杆AD和杆BC的延长线的交点Q。建立数学模型：
消去α2整理可得：
其中：
T＝2l1l4sinα1-2l1l2sinα3；
K＝2l1l4cosα1-2l1l2cosα3；
四杆机构ABCD各铰链点的坐标为：
上式即为4个杆长及初始位置角变量的函数关系式，接着根据膝关节运动瞬心曲线数据对曲柄摇杆机构的杆长进行优化设计。
确定设计变量：四杆机构ABCD的设计变量为l1、l2、l3、l4、α1、α3和α4。由于Q点为杆AD和杆BC的交点，斜率相等，所以得：
整理可得点Q坐标公式为：
确定摇杆机构的优化目标函数：在步骤S3中，优化条件为四杆机构ABCD的运动瞬心点坐标Q(xQi,yQi)与膝关节运动瞬心点坐标O(Oxi,Oyi)的误差均方根最小；
将四杆机构ABCD的运动瞬心点坐标Q(xQi,yQi)和膝关节运动瞬心点坐标
O(Oxi,Oyi)的坐标转化到同一局部坐标系，根据以下式子求误差均方根：
确定摇杆机构的约束条件：在步骤S3中，约束条件包括杆长约束条件和传动角的约束条件；
杆长约束条件为：
传动角的约束条件为：
在本实施例中，根据图2的CT图可得到人体膝关节的结构参数来确定模拟人体膝关节的摇杆机构中各杆长参数的取值范围。再根据数学模型、优化条件和约束条件对取值进行优化，得到优化目标函数值最小的优化值，再模拟出该组优化值的运动瞬心曲线去与步骤S1获取的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线拟合，做进一步优化，可提高优化效率。根据最后得到的优化值设计模拟人体膝关节的四杆机构，本实施例的四杆机构为曲柄摇杆机构，结构如图6所示，本实施例的四杆机构在转动角度为0°和90°时的示意图分别如图7和图8所示。
本实施例在为患者设计其使用的高顺应性膝关节外骨骼时，获取该名患者的膝关节在不同角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线，获得的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线是符合患者的运动习惯与特性，使得根据该人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线设计出的高顺应性膝关节外骨骼，实现个性化定制，解决了现有技术中人体膝关节运动瞬心的时变性和由于人体身高，体重及骨骼结构的差异性，运动瞬心不同导致的患者穿戴的协调性和高顺应性问题，提高患者康复效率和矫正效果。由于每个人的膝关节CT图像是不同的，因此得到的ICR曲线是不同的，使根据ICR曲线设计出来的膝关节外骨骼是不同的，所以本实施例的设计方法是一种定制设计，使设计出来的膝关节外骨骼具有高顺应性。
综上，本发明实施例提供一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，通过医用螺旋CT机的X光束对特定患者下肢膝关节进行扫描，采集膝关节特定角度下的CT图像，然后利用轮廓检测算子对CT图像进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的固定特征点，并利用法线交汇法拟合出人体下肢膝关节运动瞬心曲线ICR，再通过建立数学函数模型确定曲柄摇杆机构的各杆参数并进行杆长条件优化，使得依据ICR曲线设计出曲柄摇杆机构的运动瞬心曲线(即所涉及的下肢外骨骼的膝关节结构部分的运动瞬心曲线)与人体下肢膝关节运动瞬心曲线高度重合，最终设计出与人体下肢膝关节运动瞬心高度重合的高顺应性下肢康复外骨骼，从而达到人机系统的高度协调与顺应，实现个性化定制，解决现有技术中人体膝关节运动瞬心的时变性和由于人体身高，体重及骨骼结构的差异性，运动瞬心不同导致的患者穿戴的协调性和高顺应性问题，提高患者康复效率和矫正效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线：获取人体膝关节在不同转动角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线；对穿戴者进行医学X线光束扫描拍摄获取CT图像，对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的特征点；通过轮廓检测算子对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取；
特征点的提取方法为：从转动角度为0°开始，以竖直线扫描方式从胫骨轮廓左端向右端索引，当检测到两个灰度值为255的像素定义为起始位置，相对起始位置扫描距离最远的两个像素点为特征点，靠近髌骨的为外突髁点，标记为E，另一点则为内突髁点，标记为F；接着以F点为原点，逆时针旋转30°进行直线索引，检测灰度值为255的点，该点为胫骨轮廓边缘点，为第三个特征点，标记为G；其他角度的图片只需要对扫描的竖直线补偿膝关节转动角度进行重复扫描即可确定各图片上胫骨的特征点位置；
人体膝关节瞬时转动中心的提取方法为：依据所拍摄的膝关节从0°转动至90°的CT图片，拟合出特征点Ei、Fi、Gi 的轨迹曲线；分别做Ei、Fi、Gi 的轨迹曲线在相同转动角度时的轨迹点处的法线，使Ei、Fi、Gi的法线两两相交，其中Ei点和Gi点的法线相交于Oi1，Ei与Fi点的法线相交于Oi2，Fi与Gi点的法线相交于Oi3，三角形Oi1Oi2Oi3的中心Oi即为该转动角度下胫骨相对股骨的转动中心，即为人体膝关节瞬时转动中心；
S2、建立外骨骼数学模型：确定模拟人体膝关节的摇杆机构中的设计变量和设计变量之间的关系；
S3、确定摇杆机构设计的优化条件和约束条件；
S4、根据人体膝关节的结构参数确定模拟人体膝关节的摇杆机构中各设计变量的取值范围；
S5、从步骤S4的取值范围中取值，并根据该取值范围和步骤S3中的优化条件和约束条件，通过步骤S2建立的外骨骼数学模型计算摇杆机构各设计变量的最优值；
S6、模拟步骤S5得到的摇杆机构的瞬时转动中心轨迹曲线，并与步骤S1获取的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线进行曲线拟合，调整摇杆机构各设计变量的参数直至得到最优值；
S7、根据步骤S6得到的最优值设计模拟人体膝关节的摇杆机构，以及与摇杆机构连接的膝关节外骨骼的其他部件。
2.根据权利要求1所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，在采集膝关节从0°转动至90°的CT图片时，采集间隔小于或等于10°。
3.根据权利要求1所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，摇杆机构为四杆机构ABCD，杆AB的长度为，杆BC的长度为/>，杆CD的长度为/>，杆AD的长度为/>，人体膝关节转动角度为0°时是四杆机构ABCD的初始状态，在步骤S2中，以四杆机构ABCD的初始状态作为计算起点，以点B为原点建立坐标系，其中，杆AD与x轴的夹角为/>，杆CD与x轴的夹角为/>，杆BC与与x轴的夹角为/>，杆AB与x轴的夹角为/>，/>、/>、/>和/>为各杆的初始摆角，四杆机构ABCD的瞬时转动中心点为杆AD和杆BC的延长线的交点Q，则：
；
消去整理可得：/>；
其中：
；
；
；
；
因此，四杆机构ABCD的设计变量为、/>、/>、/>、/>、/>和/>；
四杆机构ABCD各铰链点的坐标为：
由于Q点为杆AD和杆BC的交点，斜率相等，所以得：
；
整理可得点Q坐标公式为：
。
4.根据权利要求3所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，在步骤S3中，优化条件为四杆机构ABCD的运动瞬心点坐标Q与膝关节运动瞬心点坐标O/>的误差均方根最小；
将四杆机构ABCD的运动瞬心点坐标Q和膝关节运动瞬心点坐标O/>的坐标转化到同一局部坐标系，根据以下式子求误差均方根：
。
5.根据权利要求3所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，在步骤S3中，约束条件包括杆长约束条件，杆长约束条件为：
。
6.根据权利要求3所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，在步骤S3中，约束条件包括传动角的约束条件，传动角的约束条件为：
。
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