專利名稱：一種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理領(lǐng)域，尤其涉及測(cè)量技術(shù)，特別涉及測(cè)量人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸 心和瞬時(shí)中心曲線的方法，具體的是一種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸 心的方法。
背景技術(shù)：
膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，具有運(yùn)動(dòng)學(xué)的特殊性。膝關(guān)節(jié)從伸直到屈曲的 運(yùn)動(dòng)過程中，旋轉(zhuǎn)軸心位置不恒定，在膝關(guān)節(jié)股骨髁的內(nèi)部逐漸后移。將膝關(guān)節(jié)伸屈過程中 所有旋轉(zhuǎn)軸心連接起來，在膝關(guān)節(jié)股骨髁的矢狀截面上顯示為“J”形曲線，稱為瞬時(shí)中心曲 線。在理論上，人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心是客觀存在的，但實(shí)際應(yīng)用中無法在膝關(guān)節(jié) 股骨髁內(nèi)進(jìn)行定位，目前通常有兩類方法確定膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心。第一類方法，通過簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬計(jì)算。例如，Reuleaux技術(shù)用滾動(dòng)輪模 型在滾動(dòng)過程中假設(shè)不同的滑動(dòng)比來模擬膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，通過滾動(dòng)輪與地面接觸點(diǎn)的坐標(biāo) 和標(biāo)記半徑的旋轉(zhuǎn)角模擬計(jì)算人體膝關(guān)節(jié)的伸屈運(yùn)動(dòng)軸心。這類方法只是數(shù)學(xué)近似模擬， 完全忽略了膝關(guān)節(jié)的解剖外形和幾何特征，不是對(duì)人體膝關(guān)節(jié)的真實(shí)測(cè)量和定位，難以適 用于人體。另一類方法，通過不同的測(cè)量設(shè)備如角度計(jì)，追蹤記錄膝關(guān)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)在連續(xù)不同 屈曲角度下的運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，確定膝關(guān)節(jié)的伸屈運(yùn)動(dòng)軸心。此類方 法需要在膝關(guān)節(jié)內(nèi)植入金屬標(biāo)記點(diǎn)，只限于尸體標(biāo)本，不能應(yīng)用于活體，限制了臨床和個(gè)體 化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心 的方法，所述的這種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法要解決現(xiàn)有 技術(shù)中無法真實(shí)定位人類活體中膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的技術(shù)問題。本發(fā)明的這種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，包括一 個(gè)采集人體膝關(guān)節(jié)影像的步驟和一個(gè)從人體膝關(guān)節(jié)影像計(jì)算人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的 過程，其中，在所述的采集人體膝關(guān)節(jié)影像的步驟中，利用計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描機(jī)采集人 體膝關(guān)節(jié)全部骨性結(jié)構(gòu)的影像數(shù)據(jù)，在所述的從人體膝關(guān)節(jié)影像計(jì)算人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng) 軸心的過程中，首先利用計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描機(jī)采集到的人體膝關(guān)節(jié)全部骨性結(jié)構(gòu)的影 像數(shù)據(jù)構(gòu)建股骨髁三維幾何模型，然后在所述的股骨髁三維幾何模型中確定股骨髁長(zhǎng)軸截 面和股骨髁關(guān)節(jié)面曲線，之后在所述的股骨髁關(guān)節(jié)面曲線的后方定位起始點(diǎn)，然后從所述 的起始點(diǎn)開始向前直到股骨髁關(guān)節(jié)面曲線終止處將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的 圓弧段，然后在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)計(jì)算所述的圓弧段的圓心位置，將所述的圓心位置作為
4人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心，最后根據(jù)全部圓弧段的圓心位置計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)中心曲 線。進(jìn)一步的，在將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的圓弧段的過程中，先從所述 的起始點(diǎn)沿股骨髁關(guān)節(jié)面曲線向前直到股骨髁關(guān)節(jié)面曲線終止處等間距順序取點(diǎn)，然后從 關(guān)節(jié)面曲線后方所取的第一點(diǎn)開始，將所有奇數(shù)位置上的所取點(diǎn)作為參考點(diǎn)，然后根據(jù)任 意相鄰的兩個(gè)奇數(shù)參考點(diǎn)以及位于這兩個(gè)奇數(shù)參考點(diǎn)之間的偶數(shù)參考點(diǎn)確定圓弧段。進(jìn)一步的，在將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的圓弧段的過程中，圓弧段的 長(zhǎng)度是2毫米。進(jìn)一步的，從所述的起始點(diǎn)沿股骨髁關(guān)節(jié)面曲線向前每隔0. 5毫米取一個(gè)點(diǎn)，直 到股骨髁關(guān)節(jié)面曲線終止處。進(jìn)一步的，在所述的構(gòu)建股骨髁三維幾何模型的步驟中，將計(jì)算機(jī)X射線斷層掃 描機(jī)采集的膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)影像數(shù)據(jù)以.dicom格式文件導(dǎo)入Mimics軟件，根據(jù)骨結(jié)構(gòu)密 度的高低選擇合適的灰度值閾值范圍，生成膝關(guān)節(jié)股骨髁三維數(shù)字模型，將此模型以含三 角形面網(wǎng)格的.stl格式文件導(dǎo)出，并導(dǎo)入到HyperMesh軟件，通過文件中的面網(wǎng)格反求股 骨髁的三維幾何模型。進(jìn)一步的，在所述的確定股骨髁長(zhǎng)軸截面和股骨髁關(guān)節(jié)面曲線的過程中，利用 HyperMesh軟件，在股骨外髁關(guān)節(jié)面的內(nèi)外側(cè)緣最前端、中部、最后端分別取3點(diǎn)，將最前端 2點(diǎn)、中部2點(diǎn)、最后端2點(diǎn)分別兩兩相連，在股骨外髁關(guān)節(jié)面上生成3條曲線，利用計(jì)算機(jī) 測(cè)量并分別生成3條曲線的中點(diǎn)，由這3個(gè)中點(diǎn)生成的面作為股骨外髁長(zhǎng)軸截面，此截面與 股骨外髁關(guān)節(jié)面的交線，定義為股骨外髁關(guān)節(jié)面曲線，以同樣方法確定股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面 和關(guān)節(jié)面曲線。進(jìn)一步的，在計(jì)算股骨髁關(guān)節(jié)面曲線中各圓弧段的圓心位置的過程中，以.fem格 式文件將關(guān)節(jié)面曲線中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)利用HyperMesh軟件導(dǎo)出，再利用一個(gè)計(jì)算程序計(jì) 算，經(jīng)計(jì)算后再將伸屈運(yùn)動(dòng)軸心位置的三維坐標(biāo)以.fem格式文件導(dǎo)入HyperMesh軟件中， 以三維幾何模型的形式顯示。進(jìn)一步的，在所述的計(jì)算程序中，輸入股骨髁關(guān)節(jié)面曲線中各點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)行矩 陣轉(zhuǎn)換_豪斯霍爾德變換，使各點(diǎn)三維坐標(biāo)的Z坐標(biāo)值相等，計(jì)算連續(xù)間隔的3個(gè)點(diǎn)范圍內(nèi) 關(guān)節(jié)面曲線弧段所對(duì)應(yīng)的圓心，即伸屈運(yùn)動(dòng)軸心，進(jìn)行矩陣逆轉(zhuǎn)換_豪斯霍爾德變換，恢復(fù) 各點(diǎn)和伸屈運(yùn)動(dòng)軸心在股骨髁長(zhǎng)軸截面上的三維坐標(biāo)，輸出伸屈運(yùn)動(dòng)軸心位置三維坐標(biāo)。進(jìn)一步的，在根據(jù)全部圓弧段的圓心位置計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)中心曲線的過程 中，以最小二乘法為曲線擬合準(zhǔn)則，利用HyperMesh軟件在股骨髁三維幾何模型中自動(dòng)擬 合膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)中心曲線。進(jìn)一步的，在所述的構(gòu)建股骨髁三維幾何模型的步驟中，骨骼灰度值閾值范圍的 上限是1250，下限是2888。本發(fā)明遵循股骨髁關(guān)節(jié)面解剖外形決定膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，利用 計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描機(jī)采集人體膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的影像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算，在股骨 髁內(nèi)部長(zhǎng)軸截面中定位股骨髁長(zhǎng)軸關(guān)節(jié)面上某一點(diǎn)的膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心，即該點(diǎn)的瞬時(shí) 旋轉(zhuǎn)中心，并確定該軸心在股骨髁內(nèi)部的三維坐標(biāo)。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)膝關(guān)節(jié)重要運(yùn)動(dòng)學(xué)參 數(shù)的定位，對(duì)研究人體個(gè)體化膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等具有實(shí)用價(jià)值，對(duì)于臨床上的膝關(guān)節(jié)疾病的診斷和預(yù)后評(píng)估也具有重要意義。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的膝關(guān)節(jié)CT掃描圖像，其中A為軸面；B為冠狀面； C為矢狀面。圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的股骨髁二維mask及其編輯操作示意圖，其中A為 股骨髁二維mask ；B為填充編輯前股骨髁mask ；C為填充編輯后股骨髁mask。圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的股骨髁三維重構(gòu)計(jì)算示意圖，其中A股骨髁二維 mask ；B為三維重構(gòu)的股骨髁前面觀；C為三維重構(gòu)的股骨髁側(cè)面觀。圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中構(gòu)建股骨髁幾何模型的示意圖，其中A為股骨髁面 網(wǎng)格；B股骨髁幾何模型前面觀；C股骨髁幾何模型底面觀。圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中確定股骨外髁長(zhǎng)軸截面的示意圖，其中A股骨外髁 關(guān)節(jié)面外側(cè)緣a、b、c點(diǎn)；B為股骨外髁關(guān)節(jié)面內(nèi)側(cè)緣a'、b'、c'點(diǎn)；C為曲線aa'、bb'、 cc'的中點(diǎn)A、B、C點(diǎn)；D和E為股骨外髁長(zhǎng)軸截面斜位觀，箭頭示長(zhǎng)軸截面；F股骨外髁關(guān) 節(jié)面曲線，箭頭所示。圖6是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中確定股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面的示意圖，其中A為股骨內(nèi) 髁關(guān)節(jié)面內(nèi)側(cè)緣a、b、c點(diǎn)；B為股骨內(nèi)髁關(guān)節(jié)面外側(cè)緣a'、b'、c' 3點(diǎn)；C為曲線aa'、 bb' ,cc'的中點(diǎn)A、B、C點(diǎn)；D和E股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面斜位觀，箭頭示長(zhǎng)軸截面；F為股骨內(nèi) 髁關(guān)節(jié)面曲線，箭頭所示。圖7是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中計(jì)算股骨外髁伸屈運(yùn)動(dòng)軸心方法示意圖，股骨外髁 長(zhǎng)軸曲線自后端第1點(diǎn)開始每隔1點(diǎn)取1點(diǎn)，依次取3個(gè)點(diǎn)為組I，這3個(gè)點(diǎn)之間的關(guān)節(jié)面 曲線弧段長(zhǎng)2mm，組1(第3點(diǎn))對(duì)應(yīng)的伸屈運(yùn)動(dòng)軸心為點(diǎn)α ；以第5點(diǎn)為組II的第1點(diǎn)， 繼續(xù)在曲線上取3點(diǎn)為組II，組11(第7點(diǎn))對(duì)應(yīng)的伸屈運(yùn)動(dòng)軸心為點(diǎn)β ；以此類推，計(jì)算 至曲線上最后一組3點(diǎn)的伸屈運(yùn)動(dòng)軸心；股骨外髁長(zhǎng)軸關(guān)節(jié)面曲線中共計(jì)算42個(gè)伸屈運(yùn)動(dòng) 軸心。圖8是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的股骨外髁長(zhǎng)軸截面伸屈運(yùn)動(dòng)軸心和瞬時(shí)中心曲 線，其中A股骨外髁長(zhǎng)軸關(guān)節(jié)面曲線取點(diǎn)；B股骨外髁長(zhǎng)軸截面伸屈運(yùn)動(dòng)軸心側(cè)面觀；C股 骨外髁長(zhǎng)軸截面伸屈運(yùn)動(dòng)軸心斜面觀；D股骨外髁長(zhǎng)軸截面瞬時(shí)中心曲線側(cè)面觀；E股骨外 髁長(zhǎng)軸截面瞬時(shí)中心曲線斜面觀；F0° -140°伸屈范圍內(nèi)瞬時(shí)中心曲線呈“J”型。圖9是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面伸屈運(yùn)動(dòng)軸心和瞬時(shí)中心曲 線，其中A股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸關(guān)節(jié)面曲線取點(diǎn)；B股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面伸屈運(yùn)動(dòng)軸心側(cè)面觀；C股 骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面伸屈運(yùn)動(dòng)軸心斜面觀；D股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面瞬時(shí)中心曲線側(cè)面觀；E股骨內(nèi) 髁長(zhǎng)軸截面瞬時(shí)中心曲線斜面觀；F 0° -140°伸屈范圍內(nèi)瞬時(shí)中心曲線呈“J”型。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)以一名健康30歲男性的左膝關(guān)節(jié)為例，介紹股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān) 節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其步驟如下1、影像數(shù)據(jù)采集膝關(guān)節(jié)處于伸直位進(jìn)行CT掃描采集影像數(shù)據(jù)。掃描參數(shù)連續(xù)斷層掃描，電壓140. OkV,電流 183. OmAs，層厚 0. 352mm，512 X 512 矩陣，像素 0. 352mm，視野(F0V) 18. Ocm，如 圖1所示。2、股骨髁三維幾何模型的構(gòu)建將CT掃描的膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)影像數(shù)據(jù)以.dicom格式導(dǎo)入Mimics軟件，應(yīng)用 Thresholding模塊，以骨骼灰度值閾值范圍(上限1250，下限2888)自動(dòng)生成股骨髁二維 數(shù)字mask。在Edit masks模塊中，將股骨髁mask進(jìn)行空隙填充編輯操作，如圖2所示。編輯 完成后，通過Calculate 3D模塊，對(duì)股骨髁的二維mask進(jìn)行三維重構(gòu)計(jì)算(選擇Quality 參數(shù)high)，如圖3所示。股骨髁三維數(shù)字模型以含三角形面網(wǎng)格的.stl文件導(dǎo)出，并導(dǎo)入到HyperMesh軟 件，應(yīng)用surfaces面板中from FE選項(xiàng)，通過文件中的面網(wǎng)格反求股骨髁的三維幾何模型， 如圖4所示。3、確定股骨內(nèi)外髁長(zhǎng)軸截面和關(guān)節(jié)面曲線確定股骨外髁長(zhǎng)軸截面，需在股骨外髁關(guān)節(jié)面的內(nèi)外側(cè)緣上分別取3點(diǎn)，即外側(cè) 緣的a、b、c點(diǎn)，其中a點(diǎn)位于外側(cè)緣的最前端、c點(diǎn)位于最后端、b點(diǎn)居中；同樣，內(nèi)側(cè)緣取 a'、b'、c'點(diǎn)。將a與a'丄與13'、(3與(3'兩兩對(duì)應(yīng)，在股骨外髁關(guān)節(jié)面上生成aa'、 bb'、cc' 3條曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)測(cè)量并生成3條曲線的中點(diǎn)A、B、C，基于此3點(diǎn)生成的面即 為股骨外髁長(zhǎng)軸截面，此截面與股骨外髁關(guān)節(jié)面的交線，定義為股骨外髁關(guān)節(jié)面曲線，如圖 5所示。同理，確定股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面及關(guān)節(jié)面曲線，如圖6所示。4、股骨內(nèi)外髁伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的確定和定位本例中經(jīng)計(jì)算機(jī)測(cè)量，獲得的股骨外髁關(guān)節(jié)面曲線長(zhǎng)度為107. 4mm，從曲線后端第 1點(diǎn)開始，每隔0. 5mm取1點(diǎn)，至曲線前端終點(diǎn)，共取215點(diǎn)。自曲線后端第1點(diǎn)開始，每隔 1點(diǎn)取1點(diǎn)，依次取3點(diǎn)為1組，每組內(nèi)曲線弧段長(zhǎng)2mm，確定1個(gè)運(yùn)動(dòng)軸心，依次計(jì)算各組 3點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軸心，如圖7所示。將關(guān)節(jié)面曲線上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)以.fem文件格式導(dǎo) 出，并導(dǎo)入到膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心計(jì)算程序中，共計(jì)算42個(gè)運(yùn)動(dòng)軸心。這些運(yùn)動(dòng)軸心的三 維坐標(biāo)再以.fem文件格式導(dǎo)出計(jì)算程序，最后導(dǎo)入HyperMesh軟件中，在股骨髁三維幾何 模型內(nèi)顯示。以最小二乘法為曲線擬合準(zhǔn)則，在HyperMesh軟件中依據(jù)各定位的運(yùn)動(dòng)軸心 自動(dòng)擬合股骨外髁長(zhǎng)軸截面瞬時(shí)中心曲線，如圖8所示。同樣原理，股骨內(nèi)髁關(guān)節(jié)面曲線長(zhǎng)度為116. 8mm,曲線上共取234點(diǎn)，共計(jì)算46個(gè) 運(yùn)動(dòng)軸心，并擬合成股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面瞬時(shí)中心曲線，如圖9所示。
權(quán)利要求
1.一種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，包括一個(gè)采集人體 膝關(guān)節(jié)影像的步驟和一個(gè)從人體膝關(guān)節(jié)影像計(jì)算人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的過程，其特征 在于在所述的采集人體膝關(guān)節(jié)影像的步驟中，利用計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描機(jī)采集人體膝 關(guān)節(jié)全部骨性結(jié)構(gòu)的影像數(shù)據(jù)，在所述的從人體膝關(guān)節(jié)影像計(jì)算人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心 的過程中，首先利用計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描機(jī)采集到的人體膝關(guān)節(jié)全部骨性結(jié)構(gòu)的影像數(shù) 據(jù)構(gòu)建股骨髁三維幾何模型，然后在所述的股骨髁三維幾何模型中確定股骨髁長(zhǎng)軸截面和 股骨髁關(guān)節(jié)面曲線，之后在所述的股骨髁關(guān)節(jié)面曲線的后方定位起始點(diǎn)，然后從所述的起 始點(diǎn)開始向前直到股骨髁關(guān)節(jié)面曲線終止處將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的圓弧 段，然后在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)計(jì)算所述的圓弧段的圓心位置，將所述的圓心位置作為人體 膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心，最后根據(jù)全部圓弧段的圓心位置計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)中心曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于在將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的圓弧段的過程中，先從所述的起始點(diǎn) 沿股骨髁關(guān)節(jié)面曲線向前直到股骨髁關(guān)節(jié)面曲線終止處等間距順序取點(diǎn)，然后從關(guān)節(jié)面曲 線后方所取的第一點(diǎn)開始，將所有奇數(shù)位置上的所取點(diǎn)作為參考點(diǎn)，然后根據(jù)任意相鄰的 兩個(gè)奇數(shù)參考點(diǎn)以及位于這兩個(gè)奇數(shù)參考點(diǎn)之間的偶數(shù)參考點(diǎn)確定圓弧段。
3.如權(quán)利要求1所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于在將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的圓弧段的過程中，圓弧段的長(zhǎng)度是2 毫米。
4.如權(quán)利要求2所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于從所述的起始點(diǎn)沿股骨髁關(guān)節(jié)面曲線向前每隔0. 5毫米取一個(gè)點(diǎn)，直到股骨髁 關(guān)節(jié)面曲線終止處。
5.如權(quán)利要求1所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于在所述的構(gòu)建股骨髁三維幾何模型的步驟中，將計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描機(jī)采集 的膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)影像數(shù)據(jù)以.dicom格式文件導(dǎo)入Mimics軟件，根據(jù)骨結(jié)構(gòu)密度的高低 選擇合適的灰度值閾值范圍，生成膝關(guān)節(jié)股骨髁三維數(shù)字模型，將此模型以含三角形面網(wǎng) 格的.stl格式文件導(dǎo)出，并導(dǎo)入到HyperMesh軟件，通過文件中的面網(wǎng)格反求股骨髁的三 維幾何模型。
6.如權(quán)利要求1所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于在所述的確定股骨髁長(zhǎng)軸截面和股骨髁關(guān)節(jié)面曲線的過程中，利用HyperMesh 軟件，在股骨外髁關(guān)節(jié)面的內(nèi)外側(cè)緣最前端、中部、最后端分別取3點(diǎn)，將最前端2點(diǎn)、中部2 點(diǎn)、最后端2點(diǎn)分別兩兩相連，在股骨外髁關(guān)節(jié)面上生成3條曲線，利用計(jì)算機(jī)測(cè)量并分別 生成3條曲線的中點(diǎn)，由這3個(gè)中點(diǎn)生成的面作為股骨外髁長(zhǎng)軸截面，此截面與股骨外髁關(guān) 節(jié)面的交線，定義為股骨外髁關(guān)節(jié)面曲線，以同樣方法確定股骨內(nèi)髁長(zhǎng)軸截面和關(guān)節(jié)面曲 線。
7.如權(quán)利要求4所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于在計(jì)算股骨髁關(guān)節(jié)面曲線中各圓弧段的圓心位置的過程中，以.fem格式文件將 關(guān)節(jié)面曲線中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)利用HyperMesh軟件導(dǎo)出，再利用一個(gè)計(jì)算程序計(jì)算，經(jīng)計(jì) 算后再將伸屈運(yùn)動(dòng)軸心位置的三維坐標(biāo)以.fem格式文件導(dǎo)入HyperMesh軟件中，以三維幾 何模型的形式顯示。
8.如權(quán)利要求7所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法， 其特征在于在所述的計(jì)算程序中，輸入股骨髁關(guān)節(jié)面曲線中各點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn) 換_豪斯霍爾德變換，使各點(diǎn)三維坐標(biāo)的Z坐標(biāo)值相等，計(jì)算連續(xù)間隔的3個(gè)點(diǎn)范圍內(nèi)關(guān)節(jié) 面曲線弧段所對(duì)應(yīng)的圓心，即伸屈運(yùn)動(dòng)軸心，進(jìn)行矩陣逆轉(zhuǎn)換_豪斯霍爾德變換，恢復(fù)各點(diǎn) 和伸屈運(yùn)動(dòng)軸心在股骨髁長(zhǎng)軸截面上的三維坐標(biāo)，輸出伸屈運(yùn)動(dòng)軸心位置三維坐標(biāo)。
9.如權(quán)利要求1所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，其 特征在于在根據(jù)全部圓弧段的圓心位置計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)中心曲線的過程中，以最小 二乘法為曲線擬合準(zhǔn)則，利用HyperMesh軟件在股骨髁三維幾何模型中自動(dòng)擬合膝關(guān)節(jié)瞬 時(shí)中心曲線。
10.如權(quán)利要求5所述的在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法， 其特征在于在所述的構(gòu)建股骨髁三維幾何模型的步驟中，骨骼灰度值閾值范圍的上限是 1250，下限是 2888。全文摘要
一種在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)定位人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的方法，利用CT機(jī)采集人體膝關(guān)節(jié)全部骨性結(jié)構(gòu)的影像數(shù)據(jù)，利用影像數(shù)據(jù)構(gòu)建股骨髁三維幾何模型，然后在模型中確定股骨髁長(zhǎng)軸截面和股骨髁關(guān)節(jié)面曲線，之后將股骨髁關(guān)節(jié)面曲線劃分為相等長(zhǎng)度的圓弧段，然后在股骨髁長(zhǎng)軸截面內(nèi)計(jì)算圓弧段的圓心位置，將所述的圓心位置作為人體膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心，最后根據(jù)全部圓弧段的圓心位置計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)中心曲線。本發(fā)明遵循股骨髁關(guān)節(jié)面解剖外形決定膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)軸心的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膝關(guān)節(jié)重要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的定位，對(duì)研究人體個(gè)體化膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真具有實(shí)用價(jià)值，對(duì)于膝關(guān)節(jié)疾病的診斷和預(yù)后評(píng)估也有重要意義。
文檔編號(hào)A61B5/11GK101991422SQ20101024833
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者張華 , 張寶亮, 徐卿榮, 胡廣洪, 范秦寅, 董英海, 董躍福 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院;上海申模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成有限公司