CN116698079A - 力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统 - Google Patents

力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统 Download PDF

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CN116698079A CN202210190760.8A CN202210190760A CN116698079A CN 116698079 A CN116698079 A CN 116698079A CN 202210190760 A CN202210190760 A CN 202210190760A CN 116698079 A CN116698079 A CN 116698079A
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于萌
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Abstract

本发明提供一种力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统，所述力线测量修正方法包括：步骤一：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动，而后驱动所述测量装置沿第二方向运动，得到第一运动轨迹；并使所述第一运动轨迹至少包含相反的两部分；步骤二：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动，而后驱动所述测量装置沿第四方向运动，得到第二运动轨迹；并使所述第二运动轨迹至少包含相反的两部分；其中，所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹包含相垂直的轨迹部分；步骤三：基于所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。如此可使得两个运动轨迹的误差能够相互抵消。可不使用转台就实现了对误差进行校准。

Description

力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统。
背景技术
目前，下肢力线测量实现的主要方式是使用加速度计和陀螺仪采集必要的数据，进行轨迹拟合，根据拟合的曲线进行运算，从而得到下肢力线。由于在轨迹拟合的过程中，需要进行两次积分运算，传感器的误差会对计算结果产生较大的影响，尤其是陀螺仪的误差，会导致计算结果的偏差。
由此，一般需要在测量前对陀螺仪进行标定。例如现有技术中，采用专用转台对陀螺仪进行标定，以得到陀螺仪不同参数的误差。但使用专业仪器对陀螺仪进行标定在医疗的应用中可操作性较低，不便于实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统，以解决现有的陀螺仪误差较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种力线测量修正方法，其包括：
步骤一：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动，而后驱动所述测量装置沿第二方向运动，得到第一运动轨迹；并使所述第一运动轨迹至少包含相反的两部分；
步骤二：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动，而后驱动所述测量装置沿第四方向运动，得到第二运动轨迹；并使所述第二运动轨迹至少包含相反的两部分；
其中，所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹包含相垂直的轨迹部分；
步骤三：基于所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。
可选的，在所述第一运动轨迹中，相对于所述测量装置的初始位置，所述测量装置沿所述第一方向的角度变化量为第一变化量，沿所述第二方向的角度变化量为第二变化量；在所述第二运动轨迹中，相对于所述测量装置的初始位置，沿所述第三方向的角度变化量为第三变化量，沿所述第四方向的角度变化量为第四变化量；
所述第一变化量和所述第二变化量的差值为第一差值；
所述第三变化量和所述第四变化量的差值为第二差值；
所述步骤一和所述步骤二分别执行多次；
所述步骤三中，基于所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹，以及基于所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹，得到所述特征角；
其中，n和m分别为大于0的自然数。
可选的，n和m分别为大于1的自然数；基于所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹，以及基于所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角的步骤包括：
获取所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹的所述第一差值的第一平均值，以及获取所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹的所述第二差值的第二平均值；
基于所述第一平均值和所述第二平均值得到所述特征角。
可选的，在所述步骤一中，在驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动后，停留第一预定时间；而后在驱动所述测量装置沿所述第二方向运动后，停留第二预定时间；在所述步骤二中，在驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动后，停留第三预定时间；而后在驱动所述测量装置沿所述第四方向运动后，停留第四预定时间。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序执行时，实现如上所述的力线测量修正方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种测量系统，其用于按如上所述的力线测量修正方法进行测量；所述测量系统包括：测量装置及计算模块；
所述测量装置用于安装于预定对象上，并用于感测得到自身的角度及加速度；
所述计算模块用于根据所述测量装置的角度和加速度得到所述测量装置的运动轨迹，并基于所述运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。
可选的，所述测量装置包括固定安装模块及测量模块；
所述固定安装模块用于安装于预定对象上；
所述测量模块可拆卸地安装于所述固定安装模块上，所述测量模块用于感测得到自身的角度及加速度。
可选的，所述测量模块包括惯性传感单元。
可选的，所述测量模块还包括无线传输单元；所述惯性传感单元通过所述无线传输单元与所述计算模块通信连接。
可选的，还包括驱动模块，所述驱动模块与所述测量装置连接，用于驱动所述测量装置运动。
综上所述，在本发明提供的力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统中，所述力线测量修正方法包括：
步骤一：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动，而后驱动所述测量装置沿第二方向运动，得到第一运动轨迹；并使所述第一运动轨迹至少包含相反的两部分；
步骤二：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动，而后驱动所述测量装置沿第四方向运动，得到第二运动轨迹；并使所述第二运动轨迹至少包含相反的两部分；其中，所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹包含相垂直的轨迹部分；步骤三：基于所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。
如此配置，通过驱动测量装置沿第一方向运动，再沿第二方向运动，使得两个方向的运动的误差能够相互抵消；相似的，驱动测量装置沿第三方向运动，再沿第四方向运动，使得两个方向的运动的误差能够相互抵消。由此，可不需要使用转台就实现了对误差进行校准，满足手术操作流程，提高了力线测量的精度。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是一种陀螺仪的转台标定场景的示意图；
图2a是股骨的内外翻运动的示意图；
图2b是股骨的前后运动的示意图；
图3是本实施例的测量装置的示意图；
图4是本实施例的测量装置安装于股骨的示意图；
图5是本实施例的测量模块的示意图；
图6是本实施例的测量模块的功能框图。
附图中：
01-陀螺仪；02-股骨；
10-测量装置；11-固定安装模块；110-基体；111-股骨固定针；112-Whiteside线辅助对准箭头；113-截骨板定位孔；114-端部固定孔；115-测量模块安装槽；116-凹槽；12-测量模块；121-惯性传感单元；122-无线传输单元；123-微处理器；124-电池；125-操作按键；126-指示灯。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点。此外，如在本发明中所使用的，“安装”、“相连”、“连接”，一元件“设置”于另一元件，应做广义理解，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，诸如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右等的方向术语相对于示例性实施方案如它们在图中所示进行使用，向上或上方向朝向对应附图的顶部，向下或下方向朝向对应附图的底部。
本发明的目的在于提供一种力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统，以解决现有的陀螺仪误差较大的问题。
以下参考附图进行描述。
陀螺仪的误差主要来源是角度随机游走和零偏不稳定性，陀螺仪的误差标定一般采用专用转台进行标定。如图1所示，利用一转台固定待标定的陀螺仪01，围绕Z轴进行旋转，每次测试旋转360°，通过轨迹算法对姿态角进行计算。
发明人发现，若在旋转的角度为+360°时，平均误差为α，旋转的角度为-360°时，平均误差为-α。也就是如果陀螺仪01做对称运动，其累计的误差可以相互抵消。
基于上述研究，本发明实施例提供一种力线测量修正方法，其包括：
步骤一S1：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动，而后驱动所述测量装置沿第二方向运动，得到第一运动轨迹；并使所述第一运动轨迹至少包含相反的两部分；
步骤二S2：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动，而后驱动所述测量装置沿第四方向运动，得到第二运动轨迹；并使所述第二运动轨迹至少包含相反的两部分；
其中，所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹包含相垂直的轨迹部分；
步骤三S3：基于所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。
为便于叙述，本实施例以股骨作为预定对象的示例进行说明。需要说明的，股骨仅为预定对象的一个示范例，而非对预定对象的限定。在其它的一些应用场景下，还可以将股骨假体、动物的股骨模型等作为预定对象，利用本实施例提供的力线测量修正方法对其进行模拟手术或施力标定等操作，本发明对此不限。预定对象的特征角如可为股骨的内外翻角和/或前后倾角等。
进一步的，在一个应用场景下，如图2a所示，第一方向和第二方向为股骨的内外翻运动的方向A1；第一方向和第二方向大致是相反的方向，基于股骨的内外翻运动，可以求得股骨的内外翻角。如图2b所示，第三方向和第四方向为股骨的前后运动的方向A2；第三方向和第四方向大致是相反的方向，基于股骨的前后运动，可以求得股骨的前后倾角。需要说明的，在一些实施例中，医生可手握患者的腿部来驱动其运动，第一方向和第二方向只需要是大致相反，而可能并不完全严格地相反。同样的，第三方向和第四方向只需要是大致相反。此外在多次重复运动过程中，若干次运动的第一方向、第二方向、第三方向和第四方向也可能不完全一致。可理解的，第一方向、第二方向、第三方向和第四方向也可根据预定对象的实际情况进行调整，本发明对此不限。
由此，在一个示范性的实施例中，可先将测量装置固定安装在股骨远端，而后开始测量。测量时，先使股骨沿第一方向和第二方向做内外翻运动，股骨运动到外翻最大角度后，再运动到内翻最大角度。此过程中，根据测量装置的第一运动轨迹，即可计算出股骨的内外翻角。再使股骨沿第三方向和第四方向做前后运动，股骨运动到前倾最大角度后，再运动到后倾最大角度。此过程中，根据测量装置的第二运动轨迹，即可计算出股骨的前后倾角，需要说明的，根据测量装置的运动轨迹来计算得到特征角的过程，本领域技术人员可根据现有技术实现，本发明不作展开说明。进一步的，根据求得的内外翻角和前后倾角，后续操作固定截骨板即可完成截骨。
通过驱动测量装置沿第一方向运动，再沿第二方向运动，由于第一运动轨迹至少包含相反的两部分，使得两部分相反的轨迹的误差能够相互抵消；相似的，驱动测量装置沿第三方向运动，再沿第四方向运动，由于第二运动轨迹至少包含相反的两部分，使得两部分相反的轨迹的误差能够相互抵消。由此，可不需要使用转台就实现了对误差进行校准，满足手术操作流程，提高了力线测量的精度。
可选的，在所述第一运动轨迹中，相对于所述测量装置的初始位置，所述测量装置沿所述第一方向的角度变化量为第一变化量，沿所述第二方向的角度变化量为第二变化量；在所述第二运动轨迹中，相对于所述测量装置的初始位置，沿所述第三方向的角度变化量为第三变化量，沿所述第四方向的角度变化量为第四变化量；所述第一变化量和所述第二变化量的差值为第一差值；所述第三变化量和所述第四变化量的差值为第二差值；所述步骤一S1和所述步骤二S2分别执行多次；所述步骤三S3中，基于所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹，以及基于所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹，得到所述特征角；其中，n和m分别为大于0的自然数。
考虑到若仅执行一次运动，第一变化量和第二变化量有可能存在一些差距。根据前述的研究，可以理解的，第一差值越小，则测量装置沿第一方向和第二方向两个方向的运动的误差抵消得越充分，因此可以考虑使步骤一S1和步骤二S2分别执行多次，并取其中第一差值最小的n次第一运动轨迹，以及第二差值最小的m次第二运动轨迹来进行计算。需要说明的，这里第一差值最小的n次第一运动轨迹是指，对多次执行步骤一S1得到的多个第一运动轨迹中的所有第一差值进行排序，取其中最小的n次的第一运动轨迹。第二差值最小的m次第二运动轨迹可以参考理解。在一个示范例中，例如步骤一S1和步骤二S2可分别执行10次。本领域技术人员也可以根据实际选择步骤一S1和步骤二S2的执行次数。
优选的，为了提高准确性，n和m分别为大于1的自然数；基于所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹，以及基于所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角的步骤包括：获取所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹的所述第一差值的第一平均值，以及获取所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹的所述第二差值的第二平均值；基于所述第一平均值和所述第二平均值得到所述特征角。进一步的，n和m可以是不同的，也可以是相同的。在一个示范例中，n＝m＝2。，本领域技术人员也可以根据实际为n和m选择其它的值。
可选的，在所述步骤一S1中，在驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动后，停留第一预定时间；而后在驱动所述测量装置沿所述第二方向运动后，停留第二预定时间；在所述步骤二S2中，在驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动后，停留第三预定时间；而后在驱动所述测量装置沿所述第四方向运动后，停留第四预定时间。在一个示范性的实施例中，第一预定时间、第二预定时间、第三预定时间和第四预定时间如可是相同的，例如可选在1s～2s。
第一至第四预定时间也可以分别进行设定，本实施例对此不限。
请参考图3和图4，基于如上所述的力线测量修正方法，本实施例还提供一种测量系统，其包括测量装置10及计算模块(未图示，如可为计算机或处理芯片等)；所述测量装置10用于安装于股骨02上，并用于感测得到自身的角度及加速度；所述计算模块用于根据所述测量装置10的角度和加速度得到所述测量装置10的运动轨迹，并基于所述运动轨迹，得到所述股骨02的特征角。
请参考图4和图5，可选的，所述测量装置10包括固定安装模块11及测量模块12；所述固定安装模块11用于安装于股骨02上；所述测量模块12可拆卸地安装于所述固定安装模块11上，所述测量模块12用于感测得到自身的角度及加速度。
在一个示范例中，所述固定安装模块11包括基体110、股骨固定针111以及Whiteside线辅助对准箭头112，股骨固定针111固定设置在基体110上，用于插入股骨02的端部，以将基体110安装在股骨02上。Whiteside线辅助对准箭头112固定设置在基体110上，用于对准Whiteside线(股骨髁前后轴线)，以定位基体110上相对于股骨的位置。
进一步的，基体110上具有截骨板定位孔113和端部固定孔114；截骨板定位孔113用于供截骨板定位，端部固定孔114用于供固定钉穿过而将基体110固定在股骨02的端部上。基体110上还具有测量模块安装槽115，其用于供测量模块12安装。
可选的，测量模块12可拆卸地安装于测量模块安装槽115，在一个实施例中，测量模块12具有弹性碰珠，测量模块安装槽115具有与所述弹性碰珠相适配的凹槽116，测量模块12通过弹性碰珠嵌入凹槽116而实现固定在测量模块安装槽115中。
优选的，请参考图6，所述测量模块12包括惯性传感单元121，惯性传感单元121如可包括加速度计和陀螺仪，其用于获取测量模块12自身的加速度和角度。进一步的，所述测量模块12还包括无线传输单元122、微处理器123、电池124、操作按键125和指示灯126。所述惯性传感单元121通过所述无线传输单元122与所述计算模块通信连接。本领域技术人员可根据现有技术理解测量模块12的具体结构和原理，本实施例在此不再展开说明。
可选的，所述测量系统还包括驱动模块(未图示)，所述驱动模块与所述测量装置10连接，用于驱动所述测量装置10运动。驱动模块如可为骨科机器人等部件，本领域技术人员可以应用其夹持并驱动测量装置10运动。
基于如上所述的力线测量修正方法，本发明实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的力线测量修正方法的步骤。所述可读存储介质可以是独立附设的，也可以集成设置于所述计算模块中。本发明对此不限。进一步的，本发明实施例还提供一种计算机设备，其包括处理器和如上所述的可读存储介质，所述处理器用于执行所述可读存储介质上存储的所述程序。
综上所述，在本发明提供的力线测量修正方法、可读存储介质及测量系统中，所述力线测量修正方法包括：步骤一：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动，而后驱动所述测量装置沿第二方向运动，得到第一运动轨迹；并使所述第一运动轨迹至少包含相反的两部分；步骤二：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动，而后驱动所述测量装置沿第四方向运动，得到第二运动轨迹；并使所述第二运动轨迹至少包含相反的两部分；其中，所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹包含相垂直的轨迹部分；步骤三：基于所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。如此配置，通过驱动测量装置沿第一方向运动，再沿第二方向运动，使得两个方向的运动的误差能够相互抵消；相似的，驱动测量装置沿第三方向运动，再沿第四方向运动，使得两个方向的运动的误差能够相互抵消。由此，可不需要使用转台就实现了对误差进行校准，满足手术操作流程，提高了力线测量的精度。
需要说明的，上述若干实施例之间可相互组合。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种力线测量修正方法，其特征在于，包括：
步骤一：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动，而后驱动所述测量装置沿第二方向运动，得到第一运动轨迹；并使所述第一运动轨迹至少包含相反的两部分；
步骤二：驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动，而后驱动所述测量装置沿第四方向运动，得到第二运动轨迹；并使所述第二运动轨迹至少包含相反的两部分；
其中，所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹包含相垂直的轨迹部分；
步骤三：基于所述第一运动轨迹与所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。
2.根据权利要求1所述的力线测量修正方法，其特征在于，在所述第一运动轨迹中，相对于所述测量装置的初始位置，所述测量装置沿所述第一方向的角度变化量为第一变化量，沿所述第二方向的角度变化量为第二变化量；在所述第二运动轨迹中，相对于所述测量装置的初始位置，沿所述第三方向的角度变化量为第三变化量，沿所述第四方向的角度变化量为第四变化量；
所述第一变化量和所述第二变化量的差值为第一差值；
所述第三变化量和所述第四变化量的差值为第二差值；
所述步骤一和所述步骤二分别执行多次；
所述步骤三中，基于所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹，以及基于所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹，得到所述特征角；
其中，n和m分别为大于0的自然数。
3.根据权利要求2所述的力线测量修正方法，其特征在于，n和m分别为大于1的自然数；基于所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹，以及基于所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹，得到所述预定对象的特征角的步骤包括：
获取所述第一差值最小的n次所述第一运动轨迹的所述第一差值的第一平均值，以及获取所述第二差值最小的m次所述第二运动轨迹的所述第二差值的第二平均值；
基于所述第一平均值和所述第二平均值得到所述特征角。
4.根据权利要求1所述的力线测量修正方法，其特征在于，在所述步骤一中，在驱动安装于预定对象上的测量装置沿第一方向运动后，停留第一预定时间；而后在驱动所述测量装置沿所述第二方向运动后，停留第二预定时间；在所述步骤二中，在驱动安装于预定对象上的测量装置沿第三方向运动后，停留第三预定时间；而后在驱动所述测量装置沿所述第四方向运动后，停留第四预定时间。
5.一种可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序执行时，实现根据权利要求1～4中任一项所述的力线测量修正方法的步骤。
6.一种测量系统，其特征在于，用于按权利要求1～4中任一项所述的力线测量修正方法进行测量；所述测量系统包括：测量装置及计算模块；
所述测量装置用于安装于预定对象上，并用于感测得到自身的角度及加速度；
所述计算模块用于根据所述测量装置的角度和加速度得到所述测量装置的运动轨迹，并基于所述运动轨迹，得到所述预定对象的特征角。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述测量装置包括固定安装模块及测量模块；
所述固定安装模块用于安装于预定对象上；
所述测量模块可拆卸地安装于所述固定安装模块上，所述测量模块用于感测得到自身的角度及加速度。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述测量模块包括惯性传感单元。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述测量模块还包括无线传输单元；所述惯性传感单元通过所述无线传输单元与所述计算模块通信连接。
10.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，还包括驱动模块，所述驱动模块与所述测量装置连接，用于驱动所述测量装置运动。
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