一種用於確定人體下肢軸線的測量標定架的製作方法

2023-04-30 21:50:11

專利名稱：一種用於確定人體下肢軸線的測量標定架的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於確定人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置，即人體下肢軸線測 量標定架，可供醫院、研究單位的研究人員對人體下肢進行三維運動研究中作精確的骨骼 軸線測量並定義與計算其與人體標準解剖面間的關係，本實用新型屬於人體運動研究和人 體膝關節置換手術領域。
背景技術：
在人體運動康復研究、人體運動生物力學和膝關節置換術中，都需要精確測量人體下 肢的三維運動，但由於人體骨骼形狀的非規則性，以及個體之間的形狀差異，要準確地確 定骨骼的軸線一直是一個困難的問題。目前，在上述人體運動康復研究、人體運動生物力 學和膝關節置換術研究中，普遍採用光學和電磁運動跟蹤技術，對肢體各節段的三維運動 進行跟蹤和分析，例如，在膝關節置換術研究中，通過對關節置換前後下肢三維運動模式 的比較和力學分析，可以對手術方案進行評估，並改進關節的設計和手術中裝配的方式， 提高手術的效果。在人體運動康復和運動生物力學中，更是以運動三維跟蹤為基礎，比較 各種因素對人體運動功能的影響，並對其力學機制進行研究。
由於人體肢體的運動都是圍繞位於人體內部的關節進行轉動的，為有效地比較三維運 動，通常將肢體的運動投影到人體標準解剖平面中進行描述，即通過比較肢體長骨在人體 矢狀面、冠狀面中的運動，以及肢體長骨圍繞自身長軸的旋轉，分析和比較三維運動的差 異。但是，上述所說的肢體長骨自身長軸、以及人體的矢狀面、冠狀面都難以直接精確定 義和測量。同時，在所有的運動跟蹤測量中，都需要把被跟蹤的傳感器附著在肢體上，以 通過運動捕捉系統獲取肢體的三維運動，但在每次安裝傳感器時，其相對肢體骨骼的三維 空間位置都難以得到保證。因此需要一個可重複測量的運動定位基準，將不同人的個體數 據、以及對同一個人在不同情況下測量(如術前與術後)得到的三維運動數據統一在一個坐 標系中進行比較，這樣才能得到有意義的結論。目前在實踐中通常採用目測和估算的方法， 使得對不同個體的測量難於進行比較，對同一個體進行多次測量的重複性也很差。因此，為提高研究的精確程度，更好地進行測量和比較，迫切需要一種能夠輔助測量和定義肢體 長骨解剖軸線以及它和人體標準解剖平面關係的輔助裝置。
在已往的研究中，己經有學者對下肢骨骼軸線的測量進行了研究。如吳其常等研究了 人體下肢軸線X線測量的方法，(吳其常等，中國成人下肢軸線X線測量，中國矯形外科雜誌
1999年l月第6巻第l期)，基於X線照片來測量人體下肢軸線；黃雪梅和王成燾研究了在 全膝置換中股骨力線定位精度(黃雪梅，王成燾,計算機輔助全膝置換中股骨力線定位精度的 實驗研究,生物醫學工程學雜誌，2006; 23 (1) : 82 84),他們利用光學定位追蹤儀確定全膝 置換中患者的股骨頭中心，從而確定其股骨力線，在力線的定位精度分析中，採用股骨的三 維重建模型進行精度的校驗。在文獻"股骨設計基軸線一股骨軸線在人工髓關節CAD中的一種 實用描述"(姚振強，王成燾，醫用生物力學，1996年第11巻第2期)中介紹了根據股骨CT 片上各截面的內輪廓形心，在過CT軸的兩個相互垂直的投影面內的擬合直線，確定股骨設計 基軸線的方法。上述方法都是基於影像測量的，無法直接對人體進行測量。
中國專利CN1452946A公開了一種"全自動股骨基軸線確定方法"，採用CT影像估算股 骨軸線；中國專利CN1488321A公開了一種"機器人全膝關節置換術的股骨定位方法"，採用 旋轉方法確定股骨頭中心，並用股骨上的髁間窩和內、外上髁最高點來建立股骨坐標系，實 現了股骨的精確定位；中國專利CN1285322C公開了一種"機器人全膝關節置換術的脛骨定位 方法"，通過確定踝關節旋轉軸線並根據內踝和外踝點來計算踝關節中心點，通過脛骨結節 與脛骨粗隆這兩個生理標誌，結合踝關節中心建立脛骨坐標系，並確定脛骨與攝像機坐標系 之間的旋轉平移關係，實現了脛骨的精確定位。上述股骨和脛骨坐標系的建立方法比較準確， 但各個關鍵點的測量是獨立進行的，無法同時觀察測量的情況，本實用新型公開的方法，可 以藉助輔助測量裝置很直觀地觀察所建立的股骨或脛骨坐標系，因此使用更加方便，精確程 度也更高。
另外，中國專利2451065公開了一種"股骨頸穿針導航器"，通過機械裝置確定定向 穿針的位置和參照物問題，能夠實現三維定位；中國專利2187048公開了一種"股骨頸骨折內 固定多功能導向器"；中國專利2075069公開了一種"框架式股骨頸帶針定向器"，通過特定 的導向，確定位置和角度。中國專利2354096公開了一種"股骨頸和粗隆間骨折穿釘定位器"， 通過套體和緊定釘進行調整，實現了準確的空間方向的穿釘導引。
通過檢索可以看到，在下肢運動測試分析研究中，目前還缺乏有效測量和建立肢體骨
4骼軸線的簡便實用的裝置，使得對不同測試對象的測試數據不統一，無法進行比較，對同 一測試對象的測試也難於重複，影響了測試分析的精度。其原因就在於肢體的形狀複雜， 在通過體表的標誌傳感器跟蹤肢體的運動時，無法固定和重複安放測量標記。本實用新型 所公開的輔助裝置可以簡便易行地測量下肢的骨骼軸線位置，並測量標準解剖平面與骨骼 軸線，以及肢體上安裝的肢體跟蹤傳感器的相對位置，從而確定股骨和脛骨與攝像機坐標 系之間的旋轉平移關係，可以保證良好的測量重複性，並保證了不同測試對象間數據的可 比性。
發明內容
本發明目的在於提供一種簡便的確定人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置。本發明的特 徵在於含有上半環形支架、下半環形支架、 一對滑動的連接套杆、標記點、以及多個軸線 定位指針，其中
一對滑動套接的連杆由上連杆與下連杆組成，所述下連杆滑動地套接在所述上連杆內， 可調節所述一對滑動套接的連杆的長度，所述下連杆並能在所述上連杆內轉動；
上半環形支架，通過位於所述上半環形支架的中點上的第一軸銷與所述上連杆轉動連 接，以便使所述上連杆能帶動所述下連杆在一個垂直於所述上半環形支架上的縱平面內擺 動；
下半環形支架，通過位於所述下半環形支架的中點上的第二軸銷與所述下連杆轉動連 接，以便使所述下連杆能在繞著所述上連杆軸線旋轉的同時，也能在一個垂直於所述下環 形支架上縱平面內轉動；
軸線定位指針，以90度的間隔分布在所述上半環形支架、以及下半環形支架的180度 的半環針孔內共六個，每一個所述軸線定位指針的尖端都指向各自所在180度的半環的中 心，並能在所述針孔內沿所述180度的半環的半徑方向伸縮，並鎖定
標記，均勻分布在所述上半環形支架的，以及所述下半環形支架的外圓周上，並編號， 以便被光學或電磁定位跟蹤測量裝置所跟蹤。
本實用新型是要提供一種解決精確的骨骼軸線測量和定義與計算該軸線與人體標準解 剖面間的關係的輔助測量裝置，可以利用研究中所使用的光學或電磁運動跟蹤系統，測量 和定義人體肢體節段的長軸、人體解剖平面等測量基準的位置，確定股骨和脛骨與攝像機
5坐標系之間的旋轉平移關係，從而精確地確定測量系統與人體間的相對位置關係，克服現有的人體運動測試中存在的單純依靠主觀觀察所造成的不精確、難以重複的缺點，使測量和肢體的三維運動分析具有科學合理、簡便易行的特點，所設計的裝置結構簡單，調節和使用方便，經久耐用。


圖1是人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置的三維裝配示意圖2是圖1所示人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置上半環形支架的結構圖3是可調節長度的一對連接杆
圖4是實施方案舉例
具體實施方式
本實用新型公開了一種用於確定人體下肢軸線的測量標定架，其特徵是它含有上下兩個半環型的支架， 一對相互可滑動的連接杆和6個軸線定位指針等三主要主要部分；其中，兩個支架之間以可以調節長度的一對連接杆相聯，第一個支架與連接杆可以通過軸銷在一個方向上轉動，第二個支架與連接杆通過兩個垂直交叉的軸銷，在兩個方向上轉動，因此整個支架與連接杆構成了一個四個空間自由度的機械結構，可以方便地附著在人體肢體的外面進行測量；在每個支架上安裝有分布在180度半環上，且兩、兩間各成90度的三個軸線定位指針，各指針可以在圓周半徑方向伸縮並可以在需要的位置鎖定，伸縮過程中指針的尖端永遠指向支架的圓心，因此當在體表進行測量時，各定位指針延長線相交的位置，就是待定位的空間位置；在每個支架上沿圓周安裝有多個可以被光學或電磁運動捕捉系統所測量和跟蹤的定位標記點，各標記點的位置沿圓周等夾角分布，並被編號。各標記點的位置可以被事先標定，並且在實際測量中，可以通過對各標記點位置的測量，計算得到半環形支架中心在實驗所用的光學或電磁運動測量系統坐標系中的位置，以及安裝在人體上的運動跟蹤傳感器相對該中心的三維空間位置。
在使用中，在肢體外將一端的半環形支架環繞在關節附近，使各個定位指針指向關節的中心位置或骨骼軸線所在位置，由於各定位指針可以伸縮，因此可以將各指針尖端緊緊抵在皮膚表面，使指針的尖端延長線通過待測量或定義的軸線，而各個指針的尖端延長線相交於半環形支架的中心，這樣，通過調整一端支架上的定位指針，可以將半環形支架的中心與待測量的軸線或關節中心相重合，利用商品化的光學或電磁定位跟蹤測量裝置，可以通過對半環形支架上的定位標記進行測量，從而得到該支架中心點在測量系統中的三維空間位置，即待測量的軸線或關節中心位置。
在上述定位半環形支架過程中，通過圍繞半環形支架的旋轉，可以將其中落在一條直線上的一對定位指針的方向，調整為與標準解剖面相垂直，就可以通過上述支架中心點和半環形支架上定位指針的方向，來定義此次測量中標準解剖面的空間位置，從而得到所研究人體的矢狀面或冠狀面與測量用的光學或電磁定位跟蹤測量裝置間的相對位置關係。
由於半環形支架通過軸銷連接在可調節長度的連接杆上，因此可以轉動支架及連接杆的方向，使連接杆與肢體的長軸方向接近一致，並將第二個半環形支架套在肢體另一端合適的位置，通過調整該半環形支架的位置，使各個定位指針指向肢體另一端關節的中心位置或骨骼軸線所在位置,從而得到另一個支架中心點的位置。兩端支架中心點的聯線，就定義了肢體骨骼的長軸。通過對支架位置的測量，可以得到所研究的肢體節段的長軸與測量用的光學或電磁定位跟蹤測量裝置間的相對位置關係。
進一步，當按照上述方法定義了肢體節段的解剖面和肢體軸線後，肢體的運動描述就成為可以規範化，並容易重複測量的了。例如，當定義了人體矢狀面和股骨、脛骨的長軸後，骨骼與脛骨長軸的相對運動在矢狀面內的投影，就對應了膝關節的屈伸運動，而脛骨長軸偏離矢狀面的角度，就對應了脛骨的外展或內收運動。而圍繞脛骨長軸自身的運動對應了脛骨的內旋和外旋運動。通過同時測量上述輔助測量裝置的兩個半環形支架中心所確定的骨骼長軸，定位指針及上支架所確定的解剖面，以及肢體上附著的人體運動跟蹤架，可以準確地確定股骨和脛骨與攝像機坐標系之間的旋轉平移關係。
為計算半環形支架的中心，以及計算安裝在人體上的三維運動跟蹤傳感器相對於該中心的位置關係，需要考慮以下的坐標變換問題。首先，半環形支架和人體上的三維運動跟蹤傳感器都被光學或電磁定位跟蹤測量裝置所跟蹤，因此可以得到測量系統坐標系中半環形支架上各個標記點的三維位置坐標，因此可以計算出每個半環形支架的中心位置，以及解剖面的位置。通過對人體上的三維運動跟蹤傳感器上各個標記點的三維位置坐標，可以計算得到該跟蹤傳感器坐標系的中心和方向，因此可以建立半環形支架所確定的骨骼長軸的三維位置相對於人體上的三維運動跟蹤傳感器的相對位置，即坐標變換關係。這樣就確
7定了股骨或脛骨與攝像機坐標系之間的旋轉平移關係。
綜上所述，本實用新型公開了一種用於確定人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置，可以測量和標定人體下肢的骨骼軸線和標準解剖面，其特徵在於
1. 該測量裝置由上、下兩個半環形支架，可調節長度的一對連接杆，以及6個軸線定位指針等主要部分構成；
2. 上、下支架上安裝的各三個軸線定位指針以90度的間隔分布在180度的半環上，其尖端分別指向各自半環形支架的中心，並可以在半徑方向調節伸縮，且可以在需要的位置鎖定；
3. 上、下支架上的外圓周上均安裝有可以被光學或電磁定位跟蹤測量裝置所跟蹤的標記點，各個標記點沿圓周均勻分布，每個標記點被編號，其相對圓心以及相對於各個軸線定位指針中心線的位置被事先標定，因此可以通過對標記點位置的測量計算半環形支架中心的位置；
4. 上支架與上連接杆間通過軸銷相聯，因此上支架與上連接杆間可以在一個與支架上一對定位指針平行的軸線上擺動，以適應測量中針對不同肢體位置的使用；
5. 上、下連接杆間通過滑動聯結，因此可以通過滑動來調節整個連接杆的長度，適應不同長短的肢體測量。其滑動的阻尼是可以調節的；
6. 下連接杆與下支架間通過兩個軸銷聯結，因此可以在圍繞連接杆的軸線旋轉，並可以在一個與支架上一對定位指針平行的軸線上擺動，以適應具有不同彎曲程度的肢體的測量s
上述人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置結構比較簡單，通過支架對人體的解剖平面和肢體骨骼軸線進行定位，可以將不同人的肢體運動參考坐標系統一起來，從而提高實驗的精度和運動測量數據的可比性，並改善多次測量的重複性。該裝置適合醫院、研究單位的研究人員進行人體運動康復研究、人體運動生物力學和膝關節置換術的研究和臨床測量。.
參照附圖l、 2、 3可以實際製作本實用新型。該人體下肢解剖軸線的輔助測量裝置，由上、下兩個半環形支架11和12，可調節長度的一對連接杆21與22，以及六個軸線定位指針等主要部分構成。其中的上部半環形支架11通過軸銷31與上聯杆21相聯結；下部半環形支架通過軸銷32與下聯杆22相聯結；上下聯杆21與22之間可以沿軸線方向滑動伸縮，並可以繞軸線轉動。在上半環形支架1上安裝有三個軸線定位指針41，它們以90度的
8間隔分布在180度的半環上，指針41的尖端都指向上半環的中心，並可以沿半徑方向伸縮，各軸線定位指針旁安裝有鎖定螺絲61，通過旋緊鎖定螺絲61，可以將調節到位的軸線定位指針41鎖定。在上半環形支架11的外圓周上安裝有可以被光學或電磁定位跟蹤測量裝置所跟蹤的標記點51，各標記點等間距分布，其間隔圓周角為15度。在預先標定情況下，可以通過各個標記點10的坐標計算環心的坐標位置，並計算各個軸線定位指針8的方向。
與上半環形支架11類似，在下半環形支架12上也安裝有三個軸線定位指針42，它們以90度的間隔分布在180度的半環上，指針42的尖端都指向下半環的中心，並可以沿半徑方向伸縮，各軸線定位指針旁安裝有鎖定螺絲62，通過旋緊鎖定螺絲62，可以將調節到位的軸線定位指針42鎖定。在下半環形支架12的外圓周上安裝有可以被光學或電磁定位跟蹤測量裝置所跟蹤的標記點52，各標記點等間距分布，其間隔圓周角為15度。在預先標定情況下，可以通過各個標記點52的坐標計算環心的坐標位置，並計算各個軸線定位指針42的方向。
以人體脛骨的輔助測量為例，在實際使用中，按照圖4的布置，在肢體外將上端的半環形支架11環繞在關節附近，使各個定位指針41指向關節的中心位置，即骨骼軸線所在位置，由於各定位指針41可以伸縮，通過調節可以將各指針尖端緊緊抵在皮膚表面，使指針41尖端的延長線通過待測量或定義的軸線。由於各個指針的尖端延長線永遠相交於半環形支11的中心，當支架11上的各個定位指針41都指向關節中心的時候，就將半環形支架11的中心與待測量的軸線(或關節中心)重合起來。利用商品化的光學或電磁定位跟蹤測量裝置，對半環形支架11上的定位標記點51進行測量，就可以得到該支架11的中心點在測量系統中的三維空間位置，即待測量的軸線或關節中心位置。
在上述定位半環形支架ll過程中，通過圍繞半環形支架ll自身圓周的旋轉，可以將其中一對同軸的定位指針41的方向調整為與人體的矢狀面7相垂直，就可以通過上述支架11的中心點和半環形支架上定位指針41的方向，來定義此次測量中矢狀面7的空間位置，從而得到所研究人體的矢狀面7與測量用的光學或電磁定位跟蹤測量裝置8間的相對位置關係。同時，通過檢測人體上三維運動跟蹤傳感器9，可以計算得到該傳感器9與人體矢狀面7之間的坐標位置關係。
由於半環形支架11通過軸銷31連接在可調節長度的連接杆31上，因此可以轉動支架11及連接杆31的方向，使連接杆31的軸線與脛骨的長軸方向接近一致，並將第二個半環形支架12套在肢體另一端合適的位置，通過伸縮連接杆長度和旋轉聯結杆21、 22，可以調整半環形支架12的位置，使各個定位指針42指向肢體另一端關節的中心位置或骨骼軸線所在位置，從而得到另一個支架12的中心點位置。兩端支架中心點的聯線，就定義了肢體骨骼的長軸10。通過對支架11和支架12位置的測量，可以得到所研究的脛骨的長軸10與測量用的光學或電磁定位跟蹤測量裝置7間的相對位置關係。並可以得到人體上三維運動跟蹤傳感器9與肢體骨骼的長軸10之間的坐標變換關係。
為計算半環形支架11和支架12的中心，以及計算安裝在人體上的三維運動跟蹤傳感器9相對於該中心的位置關係，需要考慮以下的坐標變換問題。首先，半環形支架ll、 12，以及人體上的三維運動跟蹤傳感器9都被光學或電磁定位跟蹤測量裝置7所跟蹤，因此可以同時測量定位跟蹤測量系統坐標系中，各個半環形支架11和12上各個標記點41以及42的三維位置坐標，並測量人體上的三維運動跟蹤傳感器9上各個標記點的三維位置坐標。因此可以直接計算得到半環形支架11、 12上各個標記點41及42的三維位置相對於人體上的三維運動跟蹤傳感器9上各個標記點的相對位置，即得到了兩者間的平移與旋轉的坐標變換關係。
權利要求1. 一種用於確定人體下肢軸線的測量標定架，其特徵在於含有上半環形支架、下半環形支架、一對滑動的連接套杆、標記點、以及多個軸線定位指針，其中一對滑動套接的連杆由上連杆與下連杆組成，所述下連杆滑動地套接在所述上連杆內，可調節所述一對滑動套接的連杆的長度，所述下連杆並能在所述上連杆內轉動；上半環形支架，通過位於所述上半環形支架的中點上的第一軸銷與所述上連杆轉動連接，以便使所述上連杆能帶動所述下連杆在一個垂直於所述上半環形支架的縱平面內擺動；下半環形支架，通過位於所述下半環形支架的中點上的第二軸銷與所述下連杆轉動連接，以便使所述下連杆能在繞著所述上連杆軸線旋轉的同時，也能在一個垂直於所述下環形支架的縱平面內轉動；軸線定位指針，以90度的間隔分布在所述上半環形支架、以及下半環形支架的180度範圍的針孔內，共六個，每一個所述軸線定位指針的尖端都指向各自所在180度的半環支架的中心，並能在所述針孔內沿所述180度的半環的半徑方向伸縮，並鎖定；標記點，均勻分布在所述上半環形支架，以及所述下半環形支架的外圓周上，並編號，以便被光學或電磁定位跟蹤測量裝置所跟蹤。
2. 根據權利要求l所述的一種用於確定人體下肢軸線的測量標定架，其特徵在於，所述各標記之間的角度間隔均為15度。
專利摘要一種用於確定人體下肢軸線的測量標記架，屬於人體運動研究和人體膝關節置換技術領域，其特徵在於，含有上、下兩個半環形支架，一對由上連杆及內套於該上連杆中的下連杆組成的滑動套接的連杆，所述上、下兩個半環形支架，在半環的中點位置各自通過軸銷與所述連杆轉動連接，在所述上、下兩個半環形支架上每間隔90度各分布有三個軸線定位指針，各指針的尖端在所在的針孔內伸縮並鎖定，並共同指向下肢軸線的中心，所述上、下兩個半環形支架能各自在膝關節和踝關節上調整圓周方向的位置，且使兩個半環形支架中心與肢體軸線重合。在所述支架外圓周上還均勻地分布著傳感器跟蹤的標記。本實用新型能精確確定測量系統與人體的相對位置和下肢軸線。
文檔編號A61B5/107GK201263679SQ20082012268
公開日2009年7月1日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者輝 丁, 朱忠林, 王廣志 申請人:清華大學