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阿拉维斯和维戈塞尔塔: 人體骨關節運動學動態采集系統.pdf

關 鍵 詞:
人體 關節 運動學 動態 采集 系統
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摘要
申請專利號:

CN201310206717.7

申請日:

2013.05.29

公開號:

CN103239250B

公開日:

2014.10.08

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止 IPC(主分類):A61B 6/00申請日:20130529授權公告日:20141008終止日期:20160529|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A61B 6/00申請日:20130529|||公開
IPC分類號: A61B6/00 主分類號: A61B6/00
申請人: 中國人民解放軍第三軍醫大學第一附屬醫院
發明人: 尹力; 陳凱寧; 楊柳
地址: 400038 重慶市沙坪壩區高灘巖正街30號
優先權:
專利代理機構: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275 代理人: 趙榮之
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310206717.7

授權公告號:

|||103239250B||||||

法律狀態公告日:

2017.07.21|||2014.10.08|||2013.09.11|||2013.08.14

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種人體骨關節運動學動態采集系統,包括活動連接的第一支架和第二支架,第二支架上間隔設置用于發射X射線第一、二X線球管、X線接收器和用于捕捉目標骨關節體表運動和位置信息的多個動作體感攝像裝置;并且兩個X線球管、X線接收器組可在作為第二支架的環形臂上聯動滑移,實現調整兩束投照X線間的角度,從而調整檢測區域的形狀與大小。記錄第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置的位置數據的數據存儲裝置。最后可在目標肢體體表運動信息的輔助下,通過預建立的骨關節三維模型與所采集的雙平面二維影像進行配準,重構骨關節的在體運動。該裝置結構簡單、成本低,能精確快捷地采集人體骨關節在體運動圖像的系統。

權利要求書

權利要求書
1.   人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:包括活動連接的第一支架和第二支架,所述第二支架上間隔設置第一X線球管、第一X線接收器、第二X線球管和第二X線接收器;所述第一X線球管,用于發射X射線;所述第一X線接收器,用于接收第一X線球管發射的X射線;所述第二X線球管,用于發射X射線;所述第二X線接收器,用于接收第二X線球管發射的X射線;所述第一X線球管、第一X線接收器構成第一平面X線動態采集裝置,所述第二X線球管、第二X線接收器構成第二平面X線動態采集裝置,所述第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置用于實時采集目標骨關節結構在兩個平面內的二維影像信息。

2.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:還包括第一動作體感攝像裝置和第二動作體感攝像裝置;所述第一動作體感攝像裝置,用于捕捉目標骨關節一側的肢體體表運動和位置信息;所述第二動作體感攝像裝置,用于捕捉目標骨關節相對應的另一側的肢體體表運動和位置信息。

3.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:所述第二支架為設置第一支架上的環形臂,所述環形臂設置有樞軸,所述樞軸與第一支架活動連接并沿第一支架直線移動。

4.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:所述第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置在第一支架上聯動滑移,用于調整兩束投照X線間的角度,調整檢測區域的形狀與大小。

5.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:還包括用于記錄第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置的位置數據的數據存儲裝置。

6.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:所述第二支架上還設置有用于提供第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置移動的聯動滑槽。

7.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:還包括第一校準裝置和第二校準裝置;所述第一校準裝置,用于對第一X線球管和第一X線接收器的偏移失準進行校正;所述第二校準裝置,用于對第二X線球管和第二X線接收器的偏移失準進行校正。

8.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:所述環形臂上的直徑為1米?2米。

9.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:所述第一支架為立柱,所述立柱通過樞軸與環形臂活動連接。

10.   根據權利要求1所述的人體骨關節運動學動態采集系統,其特征在于:還包括終控計算機,所述終控計算機與數據存儲裝置連接,用于接收和處理數據存儲裝置的數據,實時實現兩個平面內的二維影像信息通過快速空間配準轉化成骨關節系統的三維影像信息。

說明書

說明書人體骨關節運動學動態采集系統
技術領域
本發明涉及醫療設備領域,特別涉及一種人體骨關節運動學動態采集系統。
背景技術
骨關節損傷與疾病的發生和發展常常伴隨著局部關節運動特征的改變。同時,一些異常的關節活動也可導致疾病的產生。檢測骨關節系統在體的運動學特征,對疾病的科研,診斷,治療以及預后評估等均具有重要意義。
光學動作捕捉與運動傳感是目前應用較多的運動學檢測方法。但在這些方法中,捕獲運動的光學標志物或物理傳感器均安裝在肢體表面,由于皮膚與骨性結構間存在較大的相對活動,上述方法所獲得的肢體動作信息并不適合精確研究骨關節的在體運動,僅適用于步態分析、人體動力學研究、動畫制作等。此外,其設備還存在操作復雜、移動性差、需要較大的實驗場地、對環境要求苛刻等缺陷,使用成本較高。雙平面動態X線影像監測可以對運動中的骨關節進行實時二維顯像,通過將預建立的骨關節三維模型與二維影像進行配準,可以連續還原骨關節的空間位置與軌跡,達到檢測運動學的目的。由于X線直接對骨骼顯像,該方法可精確獲取骨關節的位置及運動信息,排除了軟組織移動所引起的誤差。同時,該方法對設備,場地等的要求也低于前述的兩種技術,綜合成本較低。綜上所述,雙平面X線影像監測結合模型配準是一種準確、經濟的骨關節運動學檢測手段。
但是目前,尚無一種針對性的硬件系統進行基于該方法的運動學檢測。既往的研究僅能在實驗室開展,研究人員利用現有的X線成像設備(如C形臂,移動X光機等)自行組合構建雙平面影像采集系統。此類自建系統的安裝與使用極為繁瑣,并且功能單一,穩定性差。后處理所需要的多個物理參數如焦片距、焦物距、投照角度等,均需要人工測量與記錄,并與X線影像進行匹配,無法自動獲取與整合。同時由于缺少針對性的數據接口,后處理中X線影像與物理參數需要人工輸入,無法自動進行。此外,安裝后的系統僅能適應特定的檢測,對于不同身高的受試者、不同的肢體部位以及不同運動形式,需要重新安裝并校準,不能靈活調整。總之,自建系統仍屬于實驗性質,其操作復雜,穩定性差,準確度低,檢測費時,成本高昂,不適合臨床應用。
因此急需一種結構簡單、成本低且能快速精確采集人體骨關節的在體運動學的裝置。
發明內容
有鑒于此,本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、成本低且能精確采集人體骨關節的在體運動學的裝置。該系統裝置利用雙平面X線影像監測進行人體骨關節運動學檢測,實時采集目標骨關節結構在兩個平面內的二維影像信息。
本發明的目的是這樣實現的:
本發明提供的人體骨關節運動學動態采集系統,包括活動連接的第一支架和第二支架,所述第二支架上間隔設置第一X線球管、第一X線接收器、第二X線球管和第二X線接收器;所述第一X線球管,用于發射X射線;所述第一X線接收器,用于接收第一X線球管發射的X射線;所述第二X線球管,用于發射X射線;所述第二X線接收器,用于接收第二X線球管發射的X射線;所述第一X線球管、第一X線接收器構成第一平面X線動態采集裝置,所述第二X線球管、第二X線接收器構成第二平面X線動態采集裝置,所述第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置用于實時采集目標骨關節結構在兩個平面內的二維影像信息。
進一步,還包括、第一動作體感攝像裝置、第二動作體感攝像裝置;所述第一動作體感攝像裝置,用于捕捉目標骨關節一側的肢體體表運動和位置信息;所述第二動作體感攝像裝置,用于捕捉目標骨關節相對應的另一側的肢體體表運動和位置信息。
進一步,所述第二支架為設置第一支架上的環形臂,所述環形臂設置有樞軸,所述樞軸與第一支架活動連接并沿第一支架直線移動。
進一步,所述第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置在第一支架上聯動滑移,用于調整兩束投照X線間的角度,調整檢測區域的形狀與大小。
進一步,還包括用于記錄第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置的位置數據的數據存儲裝置。
進一步,所述第二支架上還設置有用于提供第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置移動的聯動滑槽。
進一步,還包括第一校準裝置和第二校準裝置;所述第一校準裝置,用于對第一X線球管和第一X線接收器的偏移失準進行校正;所述第二校準裝置,用于對第二X線球管和第二X線接收器的偏移失準進行校正。
進一步,所述環形臂上的直徑為1米?2米。
進一步,所述第一支架為立柱,所述立柱通過樞軸與環形臂活動連接。
進一步,還包括終控計算機,所述終控計算機與數據存儲裝置連接,用于接收和處理數據存儲裝置的數據,實時實現兩個平面內的二維影像信息通過快速空間配準轉化成骨關節系統的三維影像信息。
本發明的優點在于:本發明采用間隔設置于環形臂上的兩個X線球管、X線接收器和動作體感攝像裝置;通過動作體感攝像裝置捕捉目標骨關節的肢體體表運動和位置信息;通過X線球管、X線接收器實時采集目標骨關節結構在兩個平面內的二維影像信息。并且兩個X線球管、X線接收器可以在環形臂上聯動滑移,實現調整兩束投照X線間的角度,從而調整檢測區域的形狀與大小。記錄第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置的位置數據的數據存儲裝置。最后可以根據目標骨關節的體表運動信息,通過預建立的骨關節三維模型與所采集的雙平面二維影像進行配準,還原骨關節的在體運動。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述,其中:
圖1為裝置整體立體圖;
圖2為環形滑軌平面圖;
圖3為投射角度與檢測區域的調整;
圖4為后期數據處理(三維模型?二維影像配準)示意圖;
圖5為整體結構圖。
圖中,第一支架?1、第二支架?2、第一X線球管31、第一X線接收器32、第二X線球管41、第二X線接收器42、第一動作體感攝像裝置?5、第二動作體感攝像裝置?6、數據存儲裝置?7、樞軸?8、聯動滑槽?9、第一校準裝置10、第二校準裝置11。
具體實施方式
以下將結合附圖,對本發明的優選實施例進行詳細的描述;應當理解,優選實施例僅為了說明本發明,而不是為了限制本發明的?;し段?。
圖1為裝置整體立體圖,圖2為環形滑軌平面圖,圖3為投射角度與檢測區域的調整,圖中,兩組X線重疊區域為檢測區域,該檢測區域的范圍可以隨投射角度的變化而改變,圖4為后期數據處理(三維模型?二維影像配準)示意圖,圖5為整體結構圖,如圖所示:本發明提供的人體骨關節運動學動態采集系統,包括活動連接的第一支架1和第二支架2,所述第二支架2上間隔設置第一X線球管31、第一X線接收器32、第二X線球管41、第二X線接收器42、第一動作體感攝像裝置5、第二動作體感攝像裝置6、第一校準裝置10、第二校準裝置11和終控計算機;所述第一X線球管31,用于發射X射線;所述第一X線接收器32,用于接收第一X線球管發射的X射線;所述第二X線球管41,用于發射X射線;所述第二X線接收器42,用于接收第二X線球管發射的X射線;所述第一動作體感攝像裝置5,用于捕捉目標骨關節一側的肢體體表運動和位置信息;所述第二動作體感攝像裝置6,用于捕捉目標骨關節相對應的另一側的肢體體表運動和位置信息。
本實施例采用兩組體感攝影頭(即第一動作體感攝像裝置5和第二動作體感攝像裝置6)可以滿足粗略捕捉人體體表活動的要求。優選方式采用四組體感攝像裝置,相隔90度安裝在環形臂上,以滿足不同復雜動作的檢測需要。在單次實驗中,四組體感攝像裝置可能不必全部開啟,滿足需要即可。
本實施例中的體感攝像設備所采集的肢體體表運動信息是為了輔助后期配準過程中三維模型的快速對位。
所述第一X線球管31、第一X線接收器32構成第一平面X線動態采集裝置,所述第二X線球管41、第二X線接收器42構成第二平面X線動態采集裝置,所述第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置用于實時采集目標骨關節結構在兩個平面內的二維影像信息。
所述第二支架2為設置第一支架1上的環形臂,所述環形臂設置有樞軸8,所述樞軸與第一支架活動連接并沿第一支架直線移動。
所述第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置在第一支架上聯動滑移,用于調整兩束投照X線間的角度,調整檢測區域的形狀與大小。
還包括用于記錄第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置的位置數據的數據存儲裝置7。
所述第二支架2上還設置有用于提供第一平面X線動態采集裝置和第二平面X線動態采集裝置移動的聯動滑槽9。
所述第一校準裝置10,用于對第一X線球管和第一X線接收器的偏移失準進行校正;所述第二校準裝置11,用于對第二X線球管和第二X線接收器的偏移失準進行校正。
所述第一校準裝置10和第二校準裝置11,用于對由采集系統中的可移動部件的位置變動產生引起的機械結構微形變所導致的第一X線球管?接收器組的偏移失準進行校正;
由于采集系統中的可移動部件的位置變動,從而產生引起機械結構的微形變,并導致第一X線球管和第一X線接收器組的偏移失準,所以采用第一校準裝置對其進行校正;由X線球管發出的中心射線束方向必須與接收器的感光平面垂直,且發射球管的中心必須與接收器感光板的中心在X線投照方向上重合,否則將會導致被照物體的影像不同程度的扭曲失真。由于本裝置中的多個組件,包括環形臂,“球管?接收器”組等均設計為可以在支架內活動,盡管機械結構應制造的很堅固,但在重力和機械活動的影響下,機械結構仍有可能產生有限的微形變,從而導致處在不同位置時的“球管?接收器”組的對合關系發生變動,使圖像產生失真。校準裝置用于檢測這種失真的發生,并對系統進行校準。
所述環形臂上的直徑為1米?2米。本實施例采用直徑為1.5米左右。
所述第一支架1為立柱,所述立柱通過樞軸與環形臂活動連接。
所述終控計算機與數據存儲裝置連接,用于接收和處理數據存儲裝置的數據,實時實現兩個平面內的二維影像信息通過快速空間配準轉化成骨關節系統的三維影像信息。
實現原理:通過雙平面的X線動態攝影,實時采集目標骨關節結構在兩個平面內的二維影像信息;動作體感攝像頭組同時捕捉肢體體表的運動和位置信息。在后處理系統中,在體表運動信息的輔助下,將預建立的骨關節三維模型與所采集的雙平面二維影像進行配準,還原骨關節的在體運動。
主要功能與特點:
X線球管?接收器組安置于環形臂上,臂成正圓形,直徑1.5m,兩個有樞軸與立柱相連?;沸偽劭梢栽諏⒅仙舷亂貧?,以用于人體不同部位的檢查及適應不同受測者的身高;環形臂同時可以兩側樞軸為中心進行旋轉(相對水平面傾斜),以適應不同成像角度的需要?;沸偽勰詰目占?,可以放置不同的運動器械(如跑步機,梯級,斜坡等),使受試者可以完成不同生理動作。體感捕捉攝像頭一共四組,間隔90°安裝在環形臂上,可以對受試者肢體的體表運動進行實時捕捉,數據可在后期輔助三維模型與二維影像進行配準。
兩個X線球管?接收器組可以在環形臂上聯動滑動,以調整兩束投照X線間的角度,進而調整檢測區域的形狀與大小。最佳成效角度為兩組射線相互垂直。系統可以對兩組X線球管?接收器的位置數據進行記錄,以在配準中還原真實物理場景。每個X線球管?接收器組既可進行靜態的影像拍攝,也可進行連續的動態影像監測。
X線球管?接收器組也可以在環形臂上進行360°轉動,模仿CT的成像原理對目標關節進行環繞拍攝,進而進行關節的三維重建。這樣可以使受試者避免另行CT檢查,減少輻射攝入及時間成本。
后期的軟件系統通過三維模型?二維影像的圖像配準,還原受試者運動時骨關節的空間位置關系和運動特征。
以上所述僅為本發明的優選實施例,并不用于限制本發明,顯然,本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣,倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內,則本發明也意圖包含這些改動和變型在內?!  ∧諶堇醋宰ɡ鴚ww.www.vmyqew.com.cn轉載請標明出處

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