基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置及测量方法.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 101999904 B (45)授权公告日 2012.07.04 CN 101999904 B *CN101999904B* (21)申请号 201010277718.7 (22)申请日 2010.09.10 A61B 5/22(2006.01) G06T 7/00(2006.01) (73)专利权人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正街 174 号 (72)发明人 廖庆丰 邓林红 (74)专利代理机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 11275 代理人 杨明 (54) 发明名称 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装 置及测量方法 (57) 摘要。

2、 本发明公开了一种膝关节生物力学特性测量 装置与测量方法， 其测量装置包括轨道、 传动装 置、 活动滑块、 活动夹具、 固定夹具、 摄像头等。传 动装置驱动活动滑块沿轨道往复运动， 活动滑块 可分别安装带有活动夹具的活杆或踏板带动离体 或在体膝关节进行屈曲运动。其测量方法为采用 上述测量装置固定受试膝关节并在其体表测试区 域标注标志点阵， 拍摄记录标志点阵随膝关节屈 曲运动的时序图像， 然后通过图像技术提取标志 点阵各点相对运动， 进而获得膝关节相应区域的 应变分布信息、 屈曲信息及相互关系 ； 本发明无 需复杂三维计算、 射线扫描等而达到实时、 无创、 无害、 非接触、 快速、 精确、 简便。

3、地测量膝关节运动 和相应的组织应变， 并给予测试动作更大的自由 度。 (51)Int.Cl. 审查员 沈研研 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置， 其特征在于 ： 包括基座、 轨道、 活动 滑块、 固定夹具和摄像头 ； 所述轨道固定于基座上 ； 在基座上沿轨道长度方向的一端安装 有固定夹具 ； 所述活动滑块可沿轨道往复运动 ； 摄像头安装在固定夹具周围。 2. 如权利要求 1 所述的基于体表图像的膝关节生物力学特。

4、性测量装置， 其特征在于 ： 还包括活杆和活动夹具， 所述活杆一端与活动滑块通过螺栓可拆卸式活动连接， 所述活杆 另一端与活动夹具通过螺栓活动连接。 3. 如权利要求 1 所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置， 其特征在于 ： 还包括踏板， 所述踏板可拆卸式固定于活动滑块上。 4. 如权利要求 1 至 3 任一项所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置， 其特征在于 ： 还包括传动装置， 所述传动装置包括步进电机、 主动滑轮、 被动滑轮和传动带 ； 所述主动滑轮与被动滑轮安装于轨道两端， 所述步进电机的输出轴与主动滑轮连接， 传动 带附着在主动滑轮和被动滑轮上， 所述传动带与活。

5、动滑块联动， 带动活动滑块沿轨道往复 运动。 5. 如权利要求 4 所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置， 其特征在于 ： 膝关节生物力学特性测量装置的固定夹具周围安装有两个以上摄像头。 6.采用如权利要求1至5任一项所述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置 的膝关节生物力学特性测量方法， 其特征在于 ： 其步骤为 ： 1) 在膝关节研究区域标注标志点阵 ； 2) 将膝关节固定在基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置上 ； 3) 将摄像头朝向膝关节 ； 4) 活动滑块沿轨道平动， 进而带动膝关节做屈曲运动 ； 5) 摄像头实时记录研究区域上标志点阵的运动轨迹图像信息和膝关节屈。

6、曲运动视频 信息 ； 6) 通过图像处理技术从标志点阵的运动轨迹图像信息中提取膝关节生物组织的应变 信息 ； 通过膝关节屈曲运动视频信息提取运动屈曲度， 组成应变 - 屈曲关系信息。 7. 如权利要求 6 所述的膝关节生物力学特性测量方法， 其特征在于 ： 基于体表图像的 膝关节生物力学特性测量装置设置有第一， 第二摄像头， 步骤 3) 中， 第一摄像头设置正对 膝关节研究区域， 第二摄像头设置正对膝关节的侧面。 8. 如权利要求 7 所述的膝关节生物力学特性测量方法， 其特征在于 ： 步骤 6) 包括以下 步骤 ： 61) 选定一个屈曲状态下膝关节标志点阵图作为初始参考标志点阵图， 在其它屈。

7、曲度 状态下被记录的标志点阵图作为检测标志点阵图 ； 62)通过图像处理和计算求取初始参考标志点阵图中第i对相邻点间距离L标i， 第j时 刻的检测标志点阵图中对应相邻点间的距离 L检 ij， 以及第 j 时刻检测标志点阵第 i 对相邻 点间距离与初始参考标志点阵对应第 i 对相邻点间距离差 Lij L标 i-L检 ij； 求得第 j 时刻， 第 i 对相邻点应变为 63) 通过膝关节屈曲运动视频信息， 通过图像处理求取第 j 时刻的运动屈曲度 ； 权 利 要 求 书 CN 101999904 B 2 2/2 页 3 64) 建立第 j 时刻， 应变 - 屈曲度关系信息 ； 65) 重复 62)。

8、 至 64) 遍历所有时序， 求取各时序下标志点阵中任意两相邻点的应变， 及 该应变对应的屈曲度， 建立依时序变化的应变 - 屈曲度关系信息。 9. 如权利要求 6 至 8 任一项所述的膝关节生物力学特性测量方法， 其特征在于 ： 当膝 关节为离体膝关节时， 膝关节生物力学特性测量装置包括活杆、 活动夹具和传动装置， 步骤 2) 为 ： 将离体膝关节两端分别固定在固定夹具和活动夹具上 ； 步骤 4) 为 ： 启动传动装置驱动活动滑块沿轨道平动， 从而带动活杆， 进而使固定在活动夹具上的 膝关节一端绕固定在固定夹具上的膝关节另一端做屈曲运动。 10. 如权利要求 6 至 8 任一项所述的膝关节生。

9、物力学特性测量方法， 其特征在于 ： 当膝 关节为在体膝关节时， 膝关节生物力学特性测量装置包括安装在活动滑块上的踏板和传动 装置， 步骤 2) 为 ： 受试者将足部平放在安装了踏板的活动滑块上 ； 步骤 4) 为 ： 受试者的臀部保持静止， 传动装置驱动并控制活动滑块沿轨道平动， 进而带动膝关节 屈曲运动或受试者主动屈曲运动。 权 利 要 求 书 CN 101999904 B 3 1/5 页 4 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置及测量方法 技术领域 0001 本发明涉及生物力学特性研究领域， 具体涉及一种基于体表图像的膝关节生物力 学特性测量装置及测量方法。 背景技术 0002 人体。

10、关节一直是学科研究热点和难点之一， 而膝关节又是人体中最大的关节， 涉 及股骨、 胫骨、 髌骨等， 同时膝关节的运动机制极其复杂 ； 即便是日常走动， 膝关节的旋转轴 也不是固定在单一平面， 而是旋转、 平移等运动的综合结果， 且其在运动时的受力会非常复 杂、 非常剧烈。 正因为这些因素， 膝关节也是人体中最易受伤的区域之一 ； 由此可知， 膝关节 生物力学特性的测量与研究对仿生学、 人体力学、 基础医学、 临床医学等都具有极其重要的 意义。 0003 现有的膝关节生物力学特性测量方法主要有 ： 1) 基于有限元方法的三维数值模 拟 ； 2) 基于 X 射线影像的测量法 ； 3) 基于应变片直。

11、接粘贴的测量法。膝关节三维有限元 数值模拟方法需要对受测试者的膝关节进行持续 CT 扫描， 以建立三维重构模型， 然后通过 仿真分析得出膝关节生物力学特性， 这对于多个测试者的测试样本， 具有耗时长、 投入精力 大、 成本高、 模型多但单个模型样本量少而不便于统计分析等缺点 ； X 射线影像测量法适用 于大型组织整体研究， 但对于膝关节组织的局部研究， 该方法测量误差较大， 而且对于活体 测试， 受试者会有健康危害的顾虑 ； 基于应变片直接粘贴测量法， 将应变片直接粘贴于欲 研究的组织区域上， 通过应变片的形变来研究组织的生物力学特性， 但在测量过程中， 应变 片的应变范围往往达不到软组织的应。

12、变尺度， 而且只能测量沿着应变片走向的一维应变信 息。 发明内容 0004 有鉴于此， 为了解决上述问题， 本发明公开了一种基于体表图像的膝关节生物力 学特性测量装置， 通过观测在膝关节区域体表引入的标志点阵随膝关节屈曲运动的变化， 非接触式实时获取膝关节组织表面应变及其与膝关节屈曲度的相互关系， 从而实现相对精 确、 快速、 简便、 无创、 无害的膝关节生物力学特性测量。 0005 本发明的目的是这样实现的 ： 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置， 包 括基座、 轨道、 活动滑块、 固定夹具和摄像头 ； 所述轨道固定于基座上 ； 在基座上沿轨道长 度方向的一端安装有固定夹具 ； 所述活。

13、动滑块可沿轨道往复运动 ； 摄像头安装在固定夹具 周围。 0006 进一步， 还包括活杆和活动夹具， 所述活杆一端与活动滑块通过螺栓可拆卸式活 动连接， 所述活杆另一端与活动夹具通过螺栓活动连接 ； 0007 进一步， 还包括踏板， 所述踏板可拆卸式固定于活动滑块上 ； 0008 进一步， 还包括传动装置， 所述传动装置包括步进电机、 主动滑轮、 被动滑轮和传 动带 ； 所述主动滑轮与被动滑轮安装于轨道两端， 所述步进电机的输出轴与主动滑轮连接， 说 明 书 CN 101999904 B 4 2/5 页 5 传动带附着在主动滑轮和被动滑轮上， 所述传动带与活动滑块联动， 带动活动滑块沿轨道 往。

14、复运动 ； 0009 进一步， 膝关节生物力学特性测量装置的固定夹具周围安装有两个以上摄像头。 0010 膝关节生物力学特性测量方法， 包括以下步骤 ： 0011 1) 在膝盖关节研究区域标注标志点阵 ； 0012 2) 将膝关节关节固定在基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置上 ； 0013 3) 将摄像头朝向膝关节 ； 0014 4) 活动滑块沿轨道平动， 进而带动膝关节做屈曲运动 ； 0015 5) 摄像头实时记录研究区域上标志点阵的运动轨迹图像信息和膝关节屈曲运动 视频信息 ； 0016 6) 通过图像处理技术从标志点阵的运动轨迹图像信息中提取膝关节生物组织的 应变信息 ； 通过膝关。

15、节屈曲运动视频信息提取运动屈曲度， 组成应变 - 屈曲关系信息。 0017 进一步， 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置设置有第一， 第二摄像头， 步骤 3) 中， 第一摄像头设置正对膝关节研究区域， 第二摄像头设置正对膝关节的侧面 ； 0018 进一步， 步骤 6) 包括以下步骤 ： 0019 61) 选定一个屈曲状态下膝关节标志点阵图作为初始参考标志点阵图， 在其它屈 曲度状态下被记录的标志点阵图作为检测标志点阵图 ； 0020 62)通过图像处理和计算求取初始参考标志点阵图中第i对相邻点间距离L标i， 第 j 时刻的检测标志点阵图中对应相邻点间的距离 L检 ij， 以及第 j 时刻。

16、检测标志点阵第 i 对 相邻点间距离与初始参考标志点阵对应第 i 对相邻点间距离差 Lij L标 i-L检 ij； 0021 求得第 j 时刻， 第 i 对相邻点应变为 0022 63) 通过膝关节屈曲运动视频信息， 通过图像处理求取第 j 时刻的运动屈曲度 ； 0023 64) 建立第 j 时刻， 应变 - 屈曲度关系信息 ； 0024 65) 重复 62) 至 64) 遍历所有时序， 求取各时序下标志点阵中任意两相邻点的应 变， 及该应变对应的屈曲度， 建立依时序变化的应变 - 屈曲度关系信息 ； 0025 进一步， 当膝关节为离体膝关节时， 膝关节生物力学特性测量装置包括活杆、 活动 夹。

17、具和传动装置， 0026 步骤 2) 为 ： 0027 将离体膝关节两端分别固定在固定夹具和活动夹具上 ； 0028 步骤 4) 为 ： 0029 启动传动装置驱动活动滑块沿轨道平动， 从而带动活杆， 进而使固定在活动夹具 上的膝关节一端绕固定在固定夹具上的膝关节另一端做屈曲运动 ； 0030 进一步， 当膝关节为在体膝关节时， 膝关节生物力学特性测量装置包括安装在活 动滑块上的踏板和传动装置， 0031 步骤 2) 为 ： 0032 受试者将足部平放在安装了踏板的活动滑块上 ； 0033 步骤 4) 为 ： 0034 受试者的臀部保持静止， 传动装置驱动并控制活动滑块沿轨道平动， 进而带动膝。

18、 说 明 书 CN 101999904 B 5 3/5 页 6 关节屈曲运动或受试者主动屈曲运动。 0035 本发明的有益效果是 ： 采用在测试轨道旁、 固定夹具周围按不同角度设置摄像头 的方式， 分别对受试膝关节上的标志点阵和膝关节屈曲运动进行实时跟踪摄像， 并通过图 像处理和计算方法分析标志点阵的阵列变化， 达到获得膝关节组织应变随时序变化的目 的 ； 同时， 通过摄像图像序列计算出膝关节屈曲时序变化， 从而生成膝关节组织应变 - 屈曲 的变化关系 ； 避免了复杂的三维计算、 射线扫描、 测试元件与膝关节的物理接触等现有技术 的限制， 提高了系统测量与分析计算的速度和测试动作的自由度和幅度。

19、， 达到了对受试者 无创、 无害的目的。 附图说明 0036 为了使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述 ： 0037 图 1 示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置侧视图 ； 0038 图 2 示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的俯视图 ； 0039 图 3 示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的改型结构。 具体实施方式 0040 以下将对本发明的优选实施例进行详细地描述。 0041 一、 基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置 0042 图 1 示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的侧视图， 包括基座。

20、 1、 步进电机 2、 滑轮组 ( 主动滑轮 3 与被动滑轮 4)、 传动带 5、 轨道 6、 活动滑块 7、 活杆 8、 活动 夹具 9、 固定夹具 10、 第一摄像头 11 和第二摄像头 12 ； 在基座 1 上固定轨道 6， 在基座 1 上 沿轨道 6 长度方向的一端安装固定夹具 10， 轨道 6 上安放有活动滑块 7， 活动滑块 7 与活杆 8 一端通过螺栓可拆卸式活动连接， 活杆 8 另一端通过螺栓与活动夹具 9 活动连接 ； 主动滑 轮 3 与被动滑轮 4 安装于轨道 6 的行程两端， 步进电机 2 与主动滑轮 3 联动并通过主动滑 轮 3 带动传动带 5， 传动带 5 带动活动滑。

21、块 7 在轨道 6 的行程范围内往复运动 ； 第一摄像头 11 和第二摄像头 12 安装在固定夹具 10 的周围， 可分别调节其高度、 朝向与位置。 0043 活动夹具 9 侧壁还设置有可调节指向的指针棒 13 ； 可通过在活动夹具 9 侧壁固定 安装螺栓， 将指针棒 13 穿孔挂于螺栓上， 再旋紧螺母， 保证指针棒 13 和活动夹具 9 的相对 静止 ； 在测试前旋松螺母， 手动调节指针棒 13， 使得指针棒 13 与膝关节 ACB 的 AC 端保持平 行以指向膝关节屈曲处。 0044 此外， 指针棒 13 还可直接固定设置在膝关节 ACB 的 AC 端上， 保持与 AC 端平行以 指向膝关。

22、节屈曲处。 0045 图 2 示出了基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的俯视图， 第一摄像头 11 和第二摄像头 12 可沿摄像头安装道 14 分别设置。 0046 图 3 示出了上述基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置的一种改型结构。 该改型结构从图 1 中的活动滑块 7 拆卸下活杆 8， 并安装上踏板 15。 0047 采用上述的基于体表图像的膝关节生物力学特性测量装置， 可分别实现对离体膝 关节或在体膝关节的生物力学特性测量， 甚至膝关节的功能训练。 说 明 书 CN 101999904 B 6 4/5 页 7 0048 二、 离体膝关节生物力学特性测量 0049 其步骤为 ：。

23、 0050 1) 在离体膝关节研究区域标记标志点阵 ； 0051 2) 将离体膝关节的 AC 端固定在活动夹具 9 上， BC 端固定在固定夹具 10 上， 调节 指针棒 13 与 AC 端保持平行以指向膝关节屈曲处 ； 0052 3) 将第一摄像头 11 正对朝向膝关节上的标志点阵区域， 将第二摄像头 12 正对膝 关节侧面， 使得屈曲部位正投影于摄像头的成像面 ； 第二摄像头 12 通过视频图像记录指针 棒的指向及其与轨道 6 的夹角计算出膝关节的屈曲角度 ； 0053 4) 启动步进电机 2， 驱动并控制传动带 5 往复运动 ； 0054 5) 传动带 5 带动活动滑块 7 沿轨道 6 。

24、平动， 从而带动活杆 8， 进而使固定在活动夹 具 9 上的膝关节 AC 端绕膝关节做屈曲运动 ； 0055 6) 第一摄像头 11 记录研究区域上标记标志点阵的运动轨迹图像信息， 第二摄像 头 12 记录膝关节屈曲运动视频信息 ； 0056 7) 通过图像处理技术从标志点阵的运动轨迹图像信息中提取膝关节生物组织的 应变信息 ； 通过膝关节屈曲运动视频信息提取运动屈曲度， 组成应变 - 屈曲关系信息， 具体 步骤为 ： 0057 71) 选定一个屈曲状态下膝关节标志点阵图作为初始参考标志点阵图， 在其他屈 曲度状态下被记录的标志点阵图作为检测标志点阵图 ； 0058 72)通过图像处理和计算求。

25、取初始参考标志点阵图中第i对相邻点间距离L标i， 第 j 时刻的检测标志点阵图中对应相邻点间的距离 L检 ij， 以及第 j 时刻检测标志点阵第 i 对 相邻点间距离与初始参考标志点阵对应第 i 对相邻点间距离差 Lij L标 i-L检 ij； 0059 求得第 j 时刻， 第 i 对相邻点应变为 0060 73) 通过膝关节屈曲运动视频信息， 通过图像处理求取第 j 时刻的运动屈曲度 ； 0061 74) 建立第 j 时刻， 应变 - 屈曲度关系信息 ； 0062 75) 重复 62) 至 64) 遍历所有时序， 求取各时序下标志点阵中任意两相邻点的应 变， 及该应变对应的屈曲度， 建立依时。

26、序变化的应变 - 屈曲度关系信息。 0063 三、 在体膝关节生物力学特性测量 0064 在体膝关节生物力学特性测量步骤基本与离体膝关节生物力学特性测量步骤相 同， 不同在于膝关节的固定方式， 其膝关节采用如下步骤固定并进行屈曲运动 ： 0065 1) 拆卸下活杆 8， 将踏板 15 安装于活动滑块 7 上， 受试者站姿或坐姿将足部平放 在踏板 15 上 ； 0066 2) 测试时， 受试者的臀部保持静止， 置于踏板 15 上的腿部在传动装置的带动下往 复摆动， 从而驱动膝关节屈曲运动 ； 受测试者也可做主动屈曲运动。 0067 四、 膝关节的功能训练 0068 在膝关节功能训练中， 使用者可。

27、根据在体膝关节生物力学特性测量相同的姿势， 将腿的足部平放在活动滑块 7 上， 调节步进电机 2 驱动并控制传动带 5 往复运动的行程距 离和速度实现不同强度的膝盖关节功能训练。在训练过程中， 也可开启第一摄像头 11 和第 二摄像头12获取膝关节组织的应变-屈曲关系， 从而根据膝关节的生物力学信息自动对训 说 明 书 CN 101999904 B 7 5/5 页 8 练方式进行调节。 0069 以上所述仅为本发明的优选实施例， 并不用于限制本发明， 显然， 本领域的技术人 员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样， 倘若本发明的 这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内， 则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。 说 明 书 CN 101999904 B 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 101999904 B 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 101999904 B 10 。