[發(fā)明專利]基于體表圖像的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置及測量方法

無效

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• 申請日: 2010-09-10
• 公開（公告）號: CN101999904A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖慶豐;鄧林紅
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: A61B5/22
• 分類號: A61B5/22;G06T7/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 楊明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物力學(xué)特性研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于體表圖像的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)

人體關(guān)節(jié)一直是學(xué)科研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，而膝關(guān)節(jié)又是人體中最大的關(guān)節(jié)，涉及股骨、脛骨、髕骨等，同時膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動機(jī)制極其復(fù)雜；即便是日常走動，膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸也不是固定在單一平面，而是旋轉(zhuǎn)、平移等運(yùn)動的綜合結(jié)果，且其在運(yùn)動時的受力會非常復(fù)雜、非常劇烈。正因?yàn)檫@些因素，膝關(guān)節(jié)也是人體中最易受傷的區(qū)域之一；由此可知，膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的測量與研究對仿生學(xué)、人體力學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等都具有極其重要的意義。

現(xiàn)有的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量方法主要有：1)基于有限元方法的三維數(shù)值模擬；2)基于X射線影像的測量法；3)基于應(yīng)變片直接粘貼的測量法。膝關(guān)節(jié)三維有限元數(shù)值模擬方法需要對受測試者的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行持續(xù)CT掃描，以建立三維重構(gòu)模型，然后通過仿真分析得出膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性，這對于多個測試者的測試樣本，具有耗時長、投入精力大、成本高、模型多但單個模型樣本量少而不便于統(tǒng)計(jì)分析等缺點(diǎn)；X射線影像測量法適用于大型組織整體研究，但對于膝關(guān)節(jié)組織的局部研究，該方法測量誤差較大，而且對于活體測試，受試者會有健康危害的顧慮；基于應(yīng)變片直接粘貼測量法，將應(yīng)變片直接粘貼于欲研究的組織區(qū)域上，通過應(yīng)變片的形變來研究組織的生物力學(xué)特性，但在測量過程中，應(yīng)變片的應(yīng)變范圍往往達(dá)不到軟組織的應(yīng)變尺度，而且只能測量沿著應(yīng)變片走向的一維應(yīng)變信息。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于體表圖像的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置，通過觀測在膝關(guān)節(jié)區(qū)域體表引入的標(biāo)志點(diǎn)陣隨膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動的變化，非接觸式實(shí)時獲取膝關(guān)節(jié)組織表面應(yīng)變及其與膝關(guān)節(jié)屈曲度的相互關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)相對精確、快速、簡便、無創(chuàng)、無害的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于體表圖像的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置，包括基座、軌道、活動滑塊、固定夾具和攝像頭；所述軌道固定于基座上；在基座上沿軌道長度方向的一端安裝有固定夾具；所述活動滑塊可沿軌道往復(fù)運(yùn)動；攝像頭安裝在固定夾具周圍。

進(jìn)一步，還包括活桿和活動夾具，所述活桿一端與活動滑塊通過螺栓可拆卸式活動連接，所述活桿另一端與活動夾具通過螺栓活動連接；

進(jìn)一步，還包括踏板，所述踏板可拆卸式固定于活動滑塊上；

進(jìn)一步，還包括傳動裝置，所述傳動裝置包括步進(jìn)電機(jī)、主動滑輪、被動滑輪和傳動帶；所述主動滑輪與被動滑輪安裝于軌道兩端，所述步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與主動滑輪連接，傳動帶附著在主動滑輪和被動滑輪上，所述傳動帶與活動滑塊聯(lián)動，帶動活動滑塊沿軌道往復(fù)運(yùn)動；

進(jìn)一步，膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置的固定夾具周圍安裝有兩個以上攝像頭。

膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量方法，包括以下步驟：

1)在膝蓋關(guān)節(jié)研究區(qū)域標(biāo)注標(biāo)志點(diǎn)陣；

2)將膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)固定在基于體表圖像的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置上；

3)將攝像頭朝向膝關(guān)節(jié)；

4)活動滑塊沿軌道平動，進(jìn)而帶動膝關(guān)節(jié)做屈曲運(yùn)動；

5)攝像頭實(shí)時記錄研究區(qū)域上標(biāo)志點(diǎn)陣的運(yùn)動軌跡圖像信息和膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動視頻信息；

6)通過圖像處理技術(shù)從標(biāo)志點(diǎn)陣的運(yùn)動軌跡圖像信息中提取膝關(guān)節(jié)生物組織的應(yīng)變信息；通過膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動視頻信息提取運(yùn)動屈曲度，組成應(yīng)變-屈曲關(guān)系信息。

進(jìn)一步，基于體表圖像的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性測量裝置設(shè)置有第一，第二攝像頭，步驟3)中，第一攝像頭設(shè)置正對膝關(guān)節(jié)研究區(qū)域，第二攝像頭設(shè)置正對膝關(guān)節(jié)的側(cè)面；

進(jìn)一步，步驟6)包括以下步驟：

61)選定一個屈曲狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)標(biāo)志點(diǎn)陣圖作為初始參考標(biāo)志點(diǎn)陣圖，在其它屈曲度狀態(tài)下被記錄的標(biāo)志點(diǎn)陣圖作為檢測標(biāo)志點(diǎn)陣圖；

62)通過圖像處理和計(jì)算求取初始參考標(biāo)志點(diǎn)陣圖中第i對相鄰點(diǎn)間距離L_標(biāo)i，第j時刻的檢測標(biāo)志點(diǎn)陣圖中對應(yīng)相鄰點(diǎn)間的距離L_檢ij，以及第j時刻檢測標(biāo)志點(diǎn)陣第i對相鄰點(diǎn)間距離與初始參考標(biāo)志點(diǎn)陣對應(yīng)第i對相鄰點(diǎn)間距離差ΔL_ij＝L_標(biāo)i-L_檢ij；

求得第j時刻，第i對相鄰點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?/p>

63)通過膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動視頻信息，通過圖像處理求取第j時刻的運(yùn)動屈曲度；

64)建立第j時刻，應(yīng)變-屈曲度關(guān)系信息；