基於虛擬標誌點的關節面運動跟蹤測量方法

2023-05-24 01:56:11

專利名稱：基於虛擬標誌點的關節面運動跟蹤測量方法
技術領域：
本發明設計一種通過虛擬標誌點來確定膝關節內的關節表面的相對位置和運動的方 法，屬於計算機輔助外科手術的先進醫療設備和運動生物力學研究領域。
背景技術：
近10餘年來，人工關節在臨床中的應用愈來愈普遍，各種類型的關節不斷推向醫療市場。在關節置換手術中，正確地安裝人工關節假體，並使關節的運動符合人體生理運動的 規律，使關節部件之間的相對運動的接觸和摩擦得到優化，是新型人工關節設計的核心。 同時，在人體運動科學和運動生物力學研究中，對人體關節面之間相對運動和接觸狀況的 了解，是進行合理的力學分析的基礎。因此，如何通過測量來確定人體運動過程中關節面 的相對運動以及關節面的接觸情況，是研究中一個急待解決的突出的問題。由於關節面位於人體內部，在運動中無法直接暴露出來，因此對關節面相對運動的測量 和跟蹤是一個難於解決的問題。在生物力學研究中人們嘗試用一個薄膜力傳感器來測量關節面在運動中的接觸和受力情況，間接地研究關節相對運動(如SATOMI等人發表的文章的"ANew Dynamic Contact Pressure Sensor for In—Vitro Knee Joint，，)， 但這禾中方法只肖g測量特定 的位置的壓力和接觸，無法動態跟蹤關節面的相對運動。因此，目前還缺少可以動態測量和 跟蹤關節面運動的方法。為了在人工關節置換術的前後比較關節的運動狀況，或比較置換不 同類型的人工關節後對運動特性的影響，以及對關節的磨損和失效進行研究，都需要了解關 節各部件之間的相對運動情況，即關節面的運動與接觸情況，因此，找到一種實用的跟蹤測 量關節面相對運動的方法是很有意義的。本發明的目的是提供一種更為直接的關節面位置和 運動的測量方法，可以動態跟蹤關節面的相對運動和接觸情況，使得對關節面的運動跟蹤和 分析更加精確。發明內容本發明的目的是提供一種易操作的關節面位置和運動的跟蹤測量方法，可以動態跟蹤 人體關節面的相對運動和接觸情況，使得對關節面的運動跟蹤和分析更加精確。本發明方法通過預先在相對運動的不同骨骼的關節面上各自定義一系列虛擬標誌點， 並建立這些虛擬標誌點與固結在人體不同骨骼上的可跟蹤標誌架之間的坐標變換關係，進 而利用光學三維運動跟蹤測量裝置對可跟蹤標誌架進行跟蹤測量，並通過坐標變換解算出 各個虛擬標誌點的空間運動軌跡，了解這些虛擬標誌點之間相對運動的情況，以達到對虛 擬標誌點所代表的關節面運動進行跟蹤和分析的目標。通過對定義在關節內不同骨骼的關 節面上虛擬標誌點的運動分析，可以精確得到骨骼關節面之間的相對運動和接觸情況。本發明方法主要是依據下述的原理而構思-人體中骨與骨之間是藉助結締組織、軟骨或骨相連而形成骨連結，骨連結按不同的方 式分為直接連結和間接連結兩大類。其中，間接連結又稱為關節或滑膜關節。關節的骨面 相互分離，周圍藉助結締組織相連結，關節的屈伸是其各個組成骨之間相對運動的結果。 因此，關節運動中骨骼在其生理載荷下的形變極小，在一定程度上類似於物理學(力學)中 的剛體(rigid body)。故在研究關節運動時，常將骨骼簡化為多個剛體來考慮，於是關節 的運動體現為關節各個組成骨(剛體)之間接觸面的相對滾動和滑動，可以利用多剛體運動 學的原理來計算其相對運動和接觸情況。剛體在三維空間內的運動表現為在三維六個方向上的複合運動，通常分別表述為在三 個正交的坐標方向上的平動位移和繞三個坐標軸的角位移。當剛體運動時，剛體上的各個 點都隨剛體運動，只要精確測量剛體的三維運動，就可以計算剛體上任意已知點的三維位 移和軌跡。而在三維空間中要確定剛體的運動，只需要跟蹤測量剛體上三個以上的非共線 點的空間位置，就可以唯一地確定該剛體的空間位置。我們通過位於人體表面之外、可被 光學運動跟蹤裝置所直接測量的可跟蹤標誌架來獲取骨骼的空間運動數據。在人體關節的運動分析中，無法直接測量關節內各個骨骼關節面的運動，但可以通過 光學運動跟蹤裝置對骨骼(剛體)的整體運動進行跟蹤，測量骨骼的動態三維運動。因此， 只要事先知道所需要考察的關節面上的點在所對應的骨骼(剛體)上的位置，就可以通過對 骨骼運動的解析來計算這些關節面的點運動軌跡和不同骨骼相互間的接觸情況。我們將定 義在關節面上的待跟蹤點稱為虛擬標誌點。以人體的膝關節為例，為描述各個骨骼關節面的相對位置信息和運動過程，首先要建 立全局坐標系(也稱世界坐標系)，以跟蹤測量各個骨骼在測量系統所定義的三維空間內的 絕對運動。為了跟蹤各個骨骼的運動，需要在股骨與脛骨上固結可跟蹤標誌架，可跟蹤標 志架是將一組可跟蹤標誌點固結在一個剛性的標誌架上組成的(如圖2所示)。為了定義關 節面上的虛擬標誌點，並解析其運動，需要知道這些虛擬標誌點相對於可跟蹤標誌架的位
置。因此分別定義兩個分別附著於股骨和脛骨可跟蹤標誌架上的坐標系，由於股骨可跟蹤 標誌架與脛骨標誌可跟蹤架分別描述股骨與脛骨的運動，我們稱之為股骨坐標系與脛骨坐 標系。這樣，通過對在全局坐標系中股骨坐標系與脛骨坐標系的運動跟蹤測量，就可以得 到這兩個剛體的相對運動，並計算得到其分別對應的關節面虛擬標誌點之間的相對運動。基於以上原理，本發明公開了一種基於虛擬標誌點的關節面相對運動跟蹤測量方法，包 括處理的流程以及流程中各個步驟的具體實施方法，以及解算關節面虛擬標誌點軌跡的計 算方法。本發明採用可跟蹤標誌架來確定骨骼剛體的三維空間運動，並通過對各個骨骼上 定義的虛擬標誌點三維空間位置的計算，分析關節內各個組成骨關節面的相對運動軌跡和 關節面接觸情況。從而反映在關節置換前後或置換不同類型的關節假體後，對關節帶來的 運動學變化。本發明的特徵在於，所述方法是在一個由光學三維運動跟蹤測量裝置的控制器數據輸出 埠向計算機提供測量數據，並依次按以下步驟實現的1.基於虛擬標誌點的關節面運動跟蹤測量方法，其特徵在於所述方法是在一個由光學三維 運動跟蹤測量裝置的控制器數據輸出埠向計算機提供測量數據，並依次按以下步驟實 現的步驟(1)在股骨和脛骨上分別固結一個可跟蹤標誌架，所述可跟蹤標誌架是一個固結 有多個紅外發光管的剛性標誌架，所述多個紅外發光管各自的位置能被所述光學三維運動 跟蹤測量裝置機所跟蹤測量，因此可分別定義兩個分別附著於股骨和脛骨可跟蹤標誌架上 的坐標系；步驟(2)所述計算機通過所述控制器和所述光學三維運動跟蹤測量裝置採集所述股骨 坐標系的原點在全局坐標系中的坐標'Tf和股骨坐標系的方向％，以及脛骨坐標系的原點在 全局坐標系中的坐標JTt和脛骨坐標系的方向jRt，所述全局坐標系是由光學三維運動跟蹤 測量裝置所確定的，用於測量股骨關節面和脛骨關節面之間相對位置和相對運動的世界坐 標系；步驟(3)在所述股骨骨骼、脛骨骨骼的關節面上分別用三維測量探針進行接觸式的點 選，建立不少於一個虛擬標誌點，所述三維測量探針上固定有能被所述的光學三維運動跟蹤 測量裝置所跟蹤的多個紅外發光二極體，從而可以實時確定探針尖端的位置。通過點選得 到股骨或脛骨上對應各個虛擬標誌點的探針尖端在所述全局坐標系中的三維位置'&，或 下標p/指的是在所述股骨上的位置，下標；^指的是在所述脛骨上的位置，並輸入所 述計算機中，再按下式把所述各探針尖端的三維位置分別變換到對應的所述股骨坐標系的 和脛骨坐標系中 對應於股骨 f f"所述'/^既是股骨上的探針尖端也是其對應的所述虛擬標誌點在所述股骨坐標系上的三 維位置，對應於脛骨卞"=^—; 乂廣乂7;所述^^既是脛骨上的探針尖端也是其對應的虛擬標誌點在所述脛骨坐標系上的三維位置，其中'7>，卞t分別是點選虛擬標誌點'/^和卞w時,所對應的股骨坐標系和脛骨坐標系的 原點在所述全局坐標系中的空間位置。'a和^分別是點選虛擬標誌點7^和乂J寸所對應的股骨坐標系和脛骨坐標系的空間旋轉矩陣,所述'7>， y7;。 'a和w(均是由所述光學三維運動跟蹤測量裝置測量得到的步驟(4)所述計算機計算所述股骨上的、以及脛骨上的各虛擬標誌點隨著所述股骨、 脛骨作剛體運動時的軌跡-步驟(4.1)從直立狀態開始使膝關節進行屈伸運動，所述計算機通過所述控制器 使所述光學三維運動跟蹤測量裝置，按照設定的採樣速率捕捉並記錄所述可跟蹤標誌架在 全局坐標系中的位置和空間旋轉矩陣，從而得到所述膝關節在屈伸過程中和下肢相對運動 的數據，步驟(4.2)所述計算機通過下式得到所述股骨上的以及脛骨上的各個虛擬標誌點 在所述全局坐標系中的坐標值卞w, '/^: 設定如下參數t:為對應膝關節每個屈伸位置的採樣時刻；'/^:表示在所述t時刻第i個股骨虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標； 表示在所述t時刻第j個脛骨虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標； 、表示在所述t時刻股骨可跟蹤標誌架坐標原點在所述全局坐標系中的坐標； 乂表示在所述t時刻脛骨可跟蹤標誌架坐標原點在所述全局坐標系中的坐標； (乂"， (V J"分別為在所述t時刻股骨和脛骨可跟蹤標誌架的空間變換矩陣乂， W 的逆矩陣。在所述t時刻所述股骨坐標系中第i個虛擬標誌點在所述的全局坐標系中的坐標'/i, 為在所述t時刻所述脛骨坐標系中第j個虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標卞,￡為步驟(5)將步驟(4.2)所得到的各個虛擬標誌點在各個時刻的位置進行連接，得到在 所述全局坐標系中的兩組虛擬標誌點的相對運動的軌跡。本發明能夠通過光學運動跟蹤測量裝置，對人體內部關節面的相對運動進行測量分析， 因此上述發明的實施比較易行。所測量的虛擬標誌點運動結果可以很好地描述三維的關節 面運動，較已往的測量方法更加準確客觀，能全面反映關節的三維運動，並可以從多方位 進行觀察與分析。因此，本發明所公開的方法客觀、全面地反映關節面的相對運動，對臨 床上關節置換手術的研究和關節運動分析有重要的理論價值和實際參考意義。


圖1是基於虛擬標誌點的關節面相對運動跟蹤測量的一種實施方案例；圖2是所建立的股骨坐標系和脛骨坐標系，可跟蹤標誌架和點選虛擬標誌點的示意；圖3是所公開的基於虛擬標誌點的關節面相對運動跟蹤測量的處理流程；圖4是所跟蹤測量得到的一組膝關節表面在屈伸過程中的相對位置實例。
具體實施方式
本發明主要包括下述步驟流程步驟l，在股骨和脛骨上分別固結可跟蹤標誌架，這樣就確定股骨坐標系與脛骨坐標系。 歩驟2，在各個骨骼的關節面上建立虛擬標誌點。其方法是通過三維測量探針對關節表 面進行接觸式的點選。分別得到股骨關節面和脛骨關節面上的一系列虛擬標誌點在股 骨坐標系與脛骨坐標系中的位置。步驟3，通過高精度光學運動跟蹤裝置，按照一定的採樣率，跟蹤測量固結於各個骨骼上的可跟蹤標誌架的空間坐標和旋轉方向，從而跟蹤各個骨骼(剛體)在全局坐標系中的 三維空間運動。步驟4，利用測量得到的可跟蹤標誌架的空間位置，確定股骨坐標系與脛骨坐標系在各 個採樣時刻的空間位置和旋轉矩陣。
步驟5，利用跟蹤測量得到的股骨坐標系與脛骨坐標系在各個採樣時刻的空間位置和旋 轉矩陣，計算骨骼關節面上的虛擬標誌點在各採樣時刻的空間位置，得到虛擬標誌點的 空間運動軌跡，並得到關節面的相對運動。在上述步驟l)建立的股骨坐標系和脛骨坐標系，主要是用於解析虛擬標誌點的運動。 因此股骨坐標系和脛骨坐標系分別跟隨對應的股骨和脛骨上的可跟蹤標誌架而運動。但需 要保證可跟蹤標誌架與骨骼之間的穩固的位置關係。在上述步驟2)的實施過程中，分別在股骨坐標系和脛骨坐標系中，在關節面上建立多個虛擬標誌點。其方法是基於對實際關節表面三維坐標值的點選測量。在關節置換手術的 操作中，有一段時間關節面是暴露的，因此可以通過三維測量探針，在實際的關節表面上 點選，測量和記錄所點選的虛擬標誌點在對應的股骨坐標系和脛骨坐標系中的三維位置。當 對安裝關節假體並縫合以後，通過對骨骼的運動跟蹤，就可以計算被封閉起來關節面上的 各個虛擬標誌點的運動軌跡。通過上述方法，可以在每個關節面上建立密集分布的多個虛擬標誌點，近似確定關節面 的三維幾何形態。上述流程的步驟3)的實現方法是當在人體上固結適用的可跟蹤標誌架後，可以利用 的高精度光學運動跟蹤裝置，或手術導航系統，按照一定的採樣率來測量各個可跟蹤標誌 架的空間坐標和位移，捕捉股骨和脛骨的三維空間運動。在步驟4)中，利用步驟3)測量得到的可跟蹤標誌架在每一時刻的空間坐標，可以計算出該時刻各個骨骼剛體的空間位置和空間姿態，本發明採用空間旋轉矩陣描述剛體的旋 轉和其原點的位移。在步驟5)中，利用步驟4)計算得到的股骨和脛骨在各個採樣時刻的空間旋轉矩陣， 分別計算步驟2)所定義的關節面上各個虛擬標誌點在各採樣時刻在全局坐標系中的空間位 置，從而得到股骨和脛骨上各個虛擬標誌點的相對位置。通過對各個採樣時刻的計算，可 以得到虛擬標誌點之間相對運動和關節面接觸的情況。綜上所述，本發明公開了一種利用虛擬標誌點測量關節面相對運動的方法和處理流程，其主要特徵在於給出了一種利用虛擬標誌點對關節面的相對運動進行跟蹤測量的方法，包括處理的完整流程，以及流程中各個步驟的具體實施方法，通過計算可以解算關節面虛 擬標誌點之間的相對運動、虛擬標誌點的軌跡、以及關節面的接觸情況。在下面的具體實 施方式中將舉例說明如何具體地進行計算。本發明對上述技術方案進行了實際的實驗驗證，下述實施例是為了更好地理解本發明，
並非對本發明的具體方法進行限制。下面結合附圖和實例對本發明的方法作進一步詳細的 說明。如圖1所示，針對離體的下肢生物力學實驗，本發明在實施中採用三維光學運動跟蹤測 量裝置(1)、可跟蹤的剛性標誌架(2-1)和(2-2)、用於點選定義虛擬標誌點的三維測量探 針(3)等測量設備。並需要通過計算機(4)及相應的軟體進行數據的採集、處理和計算。這 裡所用的光學三維運動跟蹤測量裝置(1)為加拿大NDI公司生產的0ptoTrak Certus系統， 其中包括三維攝像機(1-1)，控制器(l-2)和相應的控制與數據採集軟體；所說的可跟蹤標 志架為自製的固結有四個小型紅外發光二極體的剛性標誌架，標誌架上的紅外發光二極體 由控制器供電，並且這些紅外發光二極體的位置可被0ptoTrak Certus系統的三維攝像機 所跟蹤測量；在三維測量探針上同樣固定有可被三維攝像機所跟蹤的四個小型紅外發光二 極管，探針的尖端位置經過事先的標定，通過三維攝像機可以直接捕獲探針尖端的三維位 置。本發明的處理流程如圖3所示，為清楚起見，本實施例以離體的下肢生物力學測試中的關 節面跟蹤為例進行說明。如圖1和圖2所示，在測量中首先將被測量的完整下肢標本固定在一 個可以帶動膝關節進行屈伸運動的支架(5)上(該支架的設計和使用可以參考Zavatsky AB的 文章，"A kinematic-freedom analysis of a flexed-knee-stance testing rig.，，， 見J" Biomech 30:277， 1997)，下肢標本的關節被軟組織所包裹和覆蓋，因此無法直接測量關節面 的運動。首先分別在股骨、脛骨上安裝剛性的可跟蹤標誌架(2-l)， (2-2)。股骨坐標系和脛 骨坐標系定位於標誌架上。標誌架分別與股骨、脛骨構成了兩個剛體。接下來，利用三維測 量探針(3)分別對股骨、脛骨的膝關節表面進行點選，並通過三維運動跟蹤測量裝置(l)先後 記錄在光學運動測量裝置所確定的全局坐標系中，探針尖端的三維位置'C V^所對應的股骨 或脛骨坐標系的原點在全局坐標系中的空間位置'A '7;及股骨或脛骨坐標系的方向V f，^。在 上述點選虛擬標誌點的過程中，允許將下肢擺放到任意可被光學三維運動測量裝置跟蹤到的 位置，以利於點選的操作。按照順序可以依次在股骨、脛骨上點選多個虛擬標誌點，分別形 成對應股骨、脛骨關節面的虛擬標誌點組(點雲)。在點選確定了所需要的虛擬標誌點組以後，可以對下肢進行屈伸運動的跟蹤測試。首先 調整下肢在支架(5)上的屈伸狀態，達到直立位置，然後利用支架(5)帶動膝關節進行屈伸 運動，並利用光學三維運動跟蹤測量裝置(l-l)按照一定的採樣速率(實驗中採用25Hz)捕捉 記錄股骨與脛骨坐標系原點在全局坐標系中的空間位置，以及股骨與脛骨坐標系的方向， 得到膝關節屈伸過程中的下肢相對運動的動態數據。 接下來，需要通過計算機對所採集的數據進行處理，主要包括以下的坐標轉換(1) 計算虛擬標誌點在股骨坐標系和脛骨坐標系中的坐標值由於在虛擬標誌點的點選 過程中獲取的是在光學三維運動跟蹤測量裝置(l-l)所確定的全局坐標系中，探針 尖端的三維位置卞w或卞w，所對應的股骨或脛骨坐標系的原點在全局坐標系中的 空間位置'7>或々 以及股骨或脛骨坐標系的方向'A或々w為得到各虛擬標誌點 在股骨坐標系或脛骨坐標系中的坐標值，需要進行幾何變換，將探針尖端的三維位 置'屍w及卞w分別變換到對應的股骨坐標系和脛骨坐標系中，得到其坐標值'屍w及 卞w。其坐標變換關係為公式l: '7>其中，'/^表示在股骨坐標系中的第J'個股骨虛擬標誌點的坐標；'/^表示通過 三維探針得到的該虛擬標誌點在全局坐標系中坐標；'A為採集第i個股骨虛擬標 志點時股骨坐標系在全局坐標系中的空間旋轉矩陣，'7>為採集第i個股骨虛擬標 志點時股骨坐標系的原點在全局坐標系中的坐標。卞n表示在脛骨坐標系中的第J' 個脛骨虛擬標誌點的坐標；卞w表示通過三維探針得到的該虛擬標誌點在全局坐標 系中坐標；7/ ￡為採集第J'個脛骨虛擬標誌點時脛骨坐標系在全局坐標系中的空間 旋轉矩陣，^>為採集第J'個脛骨虛擬標誌點時脛骨坐標系的原點在全局坐標系中 的坐標。所有的各組虛擬標誌點都可以通過公式l的變換，分別映射到各自的股骨 坐標系和脛骨坐標系中。(2) 計算剛體上虛擬標誌點跟隨剛體運動的軌跡在下肢屈伸運動的跟蹤測試中，各骨 骼的相對運動使關節發生屈伸，光學三維運動跟蹤測量裝置(l)所捕捉的是剛體標 志架(2-l)和(2-2)在全局坐標系中的運動。為考察關節內股骨和脛骨上虛擬標誌 點的相對運動，需要根據剛體標誌架的運動，計算虛擬標誌點在全局坐標系中的運 動。對每個關節屈伸位置的釆樣時刻t，定義此時測量得到的股骨坐標系和脛骨坐 標系的原點坐標和旋轉矩陣分別為7" '7;，以及W，'《，則所對應的股骨和脛骨 虛擬標誌點組在全局坐標系中的坐標值分別為公式2:A產(》J—' 'c—"t;卞"=(%>—' 乍"—￡71其中，V^表示該時刻第i個股骨虛擬標誌點在全局坐標系中的坐標，'屍w表示公式1所得到的股骨坐標系中第J'個虛擬標誌點的坐標；乍w表示該時刻第V個脛骨虛
擬標誌點在全局坐標系中的坐標，卞w表示公式1所得到的脛骨坐標系中第J'個虛 擬標誌點的坐標；(WJ"， (？ J"分別為W和乂的逆矩陣。 在計算得到了各個時刻，股骨和脛骨標誌點組在全局坐標系中的位置後，就得到了虛擬 標誌點的運動軌跡，可以考察關節面之間的相對運動和接觸情況等運動學特徵。實施效果圖4給出了一組利用本發明的方法定義的股骨虛擬標誌點(以點雲形式展示)在膝關節 屈伸過程中股骨與脛骨關節面的相對位置關係的實例。可以看到通過對可跟蹤標誌點的跟 蹤測量，所解算出的關節面虛擬標誌點很精確地反映了關節內各骨骼相對運動的情況。
權利要求
1. 基於虛擬標誌點的關節面運動跟蹤測量方法，其特徵在於所述方法是在一個由光學三維運動跟蹤測量裝置的控制器數據輸出埠向計算機提供測量數據，並依次按以下步驟實現的步驟(1)在股骨和脛骨上分別固結一個可跟蹤標誌架，所述可跟蹤標誌架是一個固結有多個紅外發光管的剛性標誌架，所述多個紅外發光管各自的位置能被所述光學三維運動跟蹤測量裝置機所跟蹤測量，因此可分別定義兩個分別附著於股骨和脛骨可跟蹤標誌架上的坐標系；步驟(2)所述計算機通過所述控制器和所述光學三維運動跟蹤測量裝置採集所述股骨坐標系的原點在全局坐標系中的坐標iTf和股骨坐標系的方向iRf，以及脛骨坐標系的原點在全局坐標系中的坐標jTt和脛骨坐標系的方向jRt，所述全局坐標系是由光學三維運動跟蹤測量裝置所確定的，用於測量股骨關節面和脛骨關節面之間相對位置和相對運動的世界坐標系；步驟(3)在所述股骨骨骼、脛骨骨骼的關節面上分別用三維測量探針進行接觸式的點選，建立不少於一個虛擬標誌點，所述三維測量探針上固定有能被所述的光學三維運動跟蹤測量裝置所跟蹤的多個紅外發光二極體，從而可以實時確定探針尖端的位置。通過點選得到股骨或脛骨上對應各個虛擬標誌點的探針尖端在所述全局坐標系中的三維位置iPpf，或jPpt，下標pf指的是在所述股骨上的位置，下標pt指的是在所述脛骨上的位置，並輸入所述計算機中，再按下式把所述各探針尖端的三維位置分別變換到對應的所述股骨坐標系的和脛骨坐標系中對應於股骨所述iPrf既是股骨上的探針尖端也是其對應的所述虛擬標誌點在所述股骨坐標系上的三維位置，對應於脛骨所述jPrt既是脛骨上的探針尖端也是其對應的虛擬標誌點在所述脛骨坐標系上的三維位置，其中iTf，jTt分別是點選虛擬標誌點iPrf，和jPpt時，所對應的股骨坐標系和脛骨坐標系的原點在所述全局坐標系中的空間位置。iRf和jRt分別是點選虛擬標誌點iPrf，和jPpt時所對應的股骨坐標系和脛骨坐標系的空間旋轉矩陣，所述iTf，jTt。iRf和jRt均是由所述光學三維運動跟蹤測量裝置測量得到的步驟(4)所述計算機計算所述股骨上的、以及脛骨上的各虛擬標誌點隨著所述股骨、脛骨作剛體運動時的軌跡步驟(4. 1)從直立狀態開始使膝關節進行屈伸運動，所述計算機通過所述控制器使所述光學三維運動跟蹤測量裝置，按照設定的採樣速率捕捉並記錄所述可跟蹤標誌架在全局坐標系中的位置和空間旋轉矩陣，從而得到所述膝關節在屈伸過程中和下肢相對運動的數據，步驟(4. 2)所述計算機通過下式得到所述股骨上的以及脛骨上的各個虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標值jPwt，iPwf設定如下參數t為對應膝關節每個屈伸位置的採樣時刻；iPwf表示在所述t時刻第i個股骨虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標；jPwt表示在所述t時刻第j個脛骨虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標；fTt表示在所述t時刻股骨可跟蹤標誌架坐標原點在所述全局坐標系中的坐標；tTt表示在所述t時刻脛骨可跟蹤標誌架坐標原點在所述全局坐標系中的坐標；(fRt)-1，(tRt)-1分別為在所述t時刻股骨和脛骨可跟蹤標誌架的空間變換矩陣fRc，tRt的逆矩陣。在所述t時刻所述股骨坐標系中第i個虛擬標誌點在所述的全局坐標系中的坐標iPw，為iPwf＝(fRt)-1·iPrf—fTt在所述t時刻所述脛骨坐標系中第j個虛擬標誌點在所述全局坐標系中的坐標jPwt為jPwt＝(tRt)-1·jPrt—tTt步驟(5)將步驟(4.2)所得到的各個虛擬標誌點在各個時刻的位置進行連接，得到在所述全局坐標系中的兩組虛擬標誌點的相對運動的軌跡。
2.根據權利要求l所述的基於虛擬標誌點的關節面運動跟蹤測量方法，其特徵在於所述 虛擬標誌點是在可跟蹤標誌架固定後，且在已暴露的關節面上利用光學三維運動跟蹤測量裝 置的探針所定義的。
全文摘要
基於虛擬標誌點的關節面運動跟蹤測量方法屬於膝關節置換技術領域，其特徵在於通過預先分別在相對運動的股骨和脛骨的關節面上各自定義一系列虛擬標誌點，並建立虛擬標誌點與固結在所述骨骼上的可跟蹤標誌架之間的坐標變換關係，再用光學三維運動測量裝置對可跟蹤標誌架進行軌跡跟蹤測量，並通過坐標變換得到各個虛擬標誌點的運動軌跡，從而實現對所述虛擬標誌點所代表的關節面相對運動進行跟蹤測量。本發明準確地反映關節面的相對運動，為臨床上關節置換術和關節運動分析提供了定量化的信息。
文檔編號A61B5/11GK101396268SQ20081022570
公開日2009年4月1日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者輝 丁, 劉文博, 朱忠林, 王廣志 申請人:清華大學