专利名称：基于虚拟标志点的关节面运动跟踪测量方法
技术领域：
本发明设计一种通过虚拟标志点来确定膝关节内的关节表面的相对位置和运动的方 法，属于计算机辅助外科手术的先进医疗设备和运动生物力学研究领域。
背景技术：
近10余年来，人工关节在临床中的应用愈来愈普遍，各种类型的关节不断推向医疗市场。在关节置换手术中，正确地安装人工关节假体，并使关节的运动符合人体生理运动的 规律，使关节部件之间的相对运动的接触和摩擦得到优化，是新型人工关节设计的核心。 同时，在人体运动科学和运动生物力学研究中，对人体关节面之间相对运动和接触状况的 了解，是进行合理的力学分析的基础。因此，如何通过测量来确定人体运动过程中关节面 的相对运动以及关节面的接触情况，是研究中一个急待解决的突出的问题。由于关节面位于人体内部，在运动中无法直接暴露出来，因此对关节面相对运动的测量 和跟踪是一个难于解决的问题。在生物力学研究中人们尝试用一个薄膜力传感器来测量关节面在运动中的接触和受力情况，间接地研究关节相对运动(如SATOMI等人发表的文章的"ANew Dynamic Contact Pressure Sensor for In—Vitro Knee Joint，，)， 但这禾中方法只肖g测量特定 的位置的压力和接触，无法动态跟踪关节面的相对运动。因此，目前还缺少可以动态测量和 跟踪关节面运动的方法。为了在人工关节置换术的前后比较关节的运动状况，或比较置换不 同类型的人工关节后对运动特性的影响，以及对关节的磨损和失效进行研究，都需要了解关 节各部件之间的相对运动情况，即关节面的运动与接触情况，因此，找到一种实用的跟踪测 量关节面相对运动的方法是很有意义的。本发明的目的是提供一种更为直接的关节面位置和 运动的测量方法，可以动态跟踪关节面的相对运动和接触情况，使得对关节面的运动跟踪和 分析更加精确。发明内容本发明的目的是提供一种易操作的关节面位置和运动的跟踪测量方法，可以动态跟踪 人体关节面的相对运动和接触情况，使得对关节面的运动跟踪和分析更加精确。本发明方法通过预先在相对运动的不同骨骼的关节面上各自定义一系列虚拟标志点， 并建立这些虚拟标志点与固结在人体不同骨骼上的可跟踪标志架之间的坐标变换关系，进 而利用光学三维运动跟踪测量装置对可跟踪标志架进行跟踪测量，并通过坐标变换解算出 各个虚拟标志点的空间运动轨迹，了解这些虚拟标志点之间相对运动的情况，以达到对虚 拟标志点所代表的关节面运动进行跟踪和分析的目标。通过对定义在关节内不同骨骼的关 节面上虚拟标志点的运动分析，可以精确得到骨骼关节面之间的相对运动和接触情况。本发明方法主要是依据下述的原理而构思-人体中骨与骨之间是借助结缔组织、软骨或骨相连而形成骨连结，骨连结按不同的方 式分为直接连结和间接连结两大类。其中，间接连结又称为关节或滑膜关节。关节的骨面 相互分离，周围借助结缔组织相连结，关节的屈伸是其各个组成骨之间相对运动的结果。 因此，关节运动中骨骼在其生理载荷下的形变极小，在一定程度上类似于物理学(力学)中 的刚体(rigid body)。故在研究关节运动时，常将骨骼简化为多个刚体来考虑，于是关节 的运动体现为关节各个组成骨(刚体)之间接触面的相对滚动和滑动，可以利用多刚体运动 学的原理来计算其相对运动和接触情况。刚体在三维空间内的运动表现为在三维六个方向上的复合运动，通常分别表述为在三 个正交的坐标方向上的平动位移和绕三个坐标轴的角位移。当刚体运动时，刚体上的各个 点都随刚体运动，只要精确测量刚体的三维运动，就可以计算刚体上任意已知点的三维位 移和轨迹。而在三维空间中要确定刚体的运动，只需要跟踪测量刚体上三个以上的非共线 点的空间位置，就可以唯一地确定该刚体的空间位置。我们通过位于人体表面之外、可被 光学运动跟踪装置所直接测量的可跟踪标志架来获取骨骼的空间运动数据。在人体关节的运动分析中，无法直接测量关节内各个骨骼关节面的运动，但可以通过 光学运动跟踪装置对骨骼(刚体)的整体运动进行跟踪，测量骨骼的动态三维运动。因此， 只要事先知道所需要考察的关节面上的点在所对应的骨骼(刚体)上的位置，就可以通过对 骨骼运动的解析来计算这些关节面的点运动轨迹和不同骨骼相互间的接触情况。我们将定 义在关节面上的待跟踪点称为虚拟标志点。以人体的膝关节为例，为描述各个骨骼关节面的相对位置信息和运动过程，首先要建 立全局坐标系(也称世界坐标系)，以跟踪测量各个骨骼在测量系统所定义的三维空间内的 绝对运动。为了跟踪各个骨骼的运动，需要在股骨与胫骨上固结可跟踪标志架，可跟踪标 志架是将一组可跟踪标志点固结在一个刚性的标志架上组成的(如图2所示)。为了定义关 节面上的虚拟标志点，并解析其运动，需要知道这些虚拟标志点相对于可跟踪标志架的位
置。因此分别定义两个分别附着于股骨和胫骨可跟踪标志架上的坐标系，由于股骨可跟踪 标志架与胫骨标志可跟踪架分别描述股骨与胫骨的运动，我们称之为股骨坐标系与胫骨坐 标系。这样，通过对在全局坐标系中股骨坐标系与胫骨坐标系的运动跟踪测量，就可以得 到这两个刚体的相对运动，并计算得到其分别对应的关节面虚拟标志点之间的相对运动。基于以上原理，本发明公开了一种基于虚拟标志点的关节面相对运动跟踪测量方法，包 括处理的流程以及流程中各个步骤的具体实施方法，以及解算关节面虚拟标志点轨迹的计 算方法。本发明采用可跟踪标志架来确定骨骼刚体的三维空间运动，并通过对各个骨骼上 定义的虚拟标志点三维空间位置的计算，分析关节内各个组成骨关节面的相对运动轨迹和 关节面接触情况。从而反映在关节置换前后或置换不同类型的关节假体后，对关节带来的 运动学变化。本发明的特征在于，所述方法是在一个由光学三维运动跟踪测量装置的控制器数据输出 端口向计算机提供测量数据，并依次按以下步骤实现的1.基于虚拟标志点的关节面运动跟踪测量方法，其特征在于所述方法是在一个由光学三维 运动跟踪测量装置的控制器数据输出端口向计算机提供测量数据，并依次按以下步骤实 现的步骤(1)在股骨和胫骨上分别固结一个可跟踪标志架，所述可跟踪标志架是一个固结 有多个红外发光管的刚性标志架，所述多个红外发光管各自的位置能被所述光学三维运动 跟踪测量装置机所跟踪测量，因此可分别定义两个分别附着于股骨和胫骨可跟踪标志架上 的坐标系；步骤(2)所述计算机通过所述控制器和所述光学三维运动跟踪测量装置采集所述股骨 坐标系的原点在全局坐标系中的坐标'Tf和股骨坐标系的方向％，以及胫骨坐标系的原点在 全局坐标系中的坐标JTt和胫骨坐标系的方向jRt，所述全局坐标系是由光学三维运动跟踪 测量装置所确定的，用于测量股骨关节面和胫骨关节面之间相对位置和相对运动的世界坐 标系；步骤(3)在所述股骨骨骼、胫骨骨骼的关节面上分别用三维测量探针进行接触式的点 选，建立不少于一个虚拟标志点，所述三维测量探针上固定有能被所述的光学三维运动跟踪 测量装置所跟踪的多个红外发光二极管，从而可以实时确定探针尖端的位置。通过点选得 到股骨或胫骨上对应各个虚拟标志点的探针尖端在所述全局坐标系中的三维位置'&，或 下标p/指的是在所述股骨上的位置，下标；^指的是在所述胫骨上的位置，并输入所 述计算机中，再按下式把所述各探针尖端的三维位置分别变换到对应的所述股骨坐标系的 和胫骨坐标系中 对应于股骨 f f"所述'/^既是股骨上的探针尖端也是其对应的所述虚拟标志点在所述股骨坐标系上的三 维位置，对应于胫骨卞"=^—; 乂广乂7;所述^^既是胫骨上的探针尖端也是其对应的虚拟标志点在所述胫骨坐标系上的三维位置，其中'7>，卞t分别是点选虚拟标志点'/^和卞w时,所对应的股骨坐标系和胫骨坐标系的 原点在所述全局坐标系中的空间位置。'a和^分别是点选虚拟标志点7^和乂J寸所对应的股骨坐标系和胫骨坐标系的空间旋转矩阵,所述'7>， y7;。 'a和w(均是由所述光学三维运动跟踪测量装置测量得到的步骤(4)所述计算机计算所述股骨上的、以及胫骨上的各虚拟标志点随着所述股骨、 胫骨作刚体运动时的轨迹-步骤(4.1)从直立状态开始使膝关节进行屈伸运动，所述计算机通过所述控制器 使所述光学三维运动跟踪测量装置，按照设定的采样速率捕捉并记录所述可跟踪标志架在 全局坐标系中的位置和空间旋转矩阵，从而得到所述膝关节在屈伸过程中和下肢相对运动 的数据，步骤(4.2)所述计算机通过下式得到所述股骨上的以及胫骨上的各个虚拟标志点 在所述全局坐标系中的坐标值卞w, '/^: 设定如下参数t:为对应膝关节每个屈伸位置的采样时刻；'/^:表示在所述t时刻第i个股骨虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标； 表示在所述t时刻第j个胫骨虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标； 、表示在所述t时刻股骨可跟踪标志架坐标原点在所述全局坐标系中的坐标； 乂表示在所述t时刻胫骨可跟踪标志架坐标原点在所述全局坐标系中的坐标； (乂"， (V J"分别为在所述t时刻股骨和胫骨可跟踪标志架的空间变换矩阵乂， W 的逆矩阵。在所述t时刻所述股骨坐标系中第i个虚拟标志点在所述的全局坐标系中的坐标'/i, 为在所述t时刻所述胫骨坐标系中第j个虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标卞,￡为步骤(5)将步骤(4.2)所得到的各个虚拟标志点在各个时刻的位置进行连接，得到在 所述全局坐标系中的两组虚拟标志点的相对运动的轨迹。本发明能够通过光学运动跟踪测量装置，对人体内部关节面的相对运动进行测量分析， 因此上述发明的实施比较易行。所测量的虚拟标志点运动结果可以很好地描述三维的关节 面运动，较已往的测量方法更加准确客观，能全面反映关节的三维运动，并可以从多方位 进行观察与分析。因此，本发明所公开的方法客观、全面地反映关节面的相对运动，对临 床上关节置换手术的研究和关节运动分析有重要的理论价值和实际参考意义。
图1是基于虚拟标志点的关节面相对运动跟踪测量的一种实施方案例；图2是所建立的股骨坐标系和胫骨坐标系，可跟踪标志架和点选虚拟标志点的示意；图3是所公开的基于虚拟标志点的关节面相对运动跟踪测量的处理流程；图4是所跟踪测量得到的一组膝关节表面在屈伸过程中的相对位置实例。
具体实施方式
本发明主要包括下述步骤流程步骤l，在股骨和胫骨上分别固结可跟踪标志架，这样就确定股骨坐标系与胫骨坐标系。 歩骤2，在各个骨骼的关节面上建立虚拟标志点。其方法是通过三维测量探针对关节表 面进行接触式的点选。分别得到股骨关节面和胫骨关节面上的一系列虚拟标志点在股 骨坐标系与胫骨坐标系中的位置。步骤3，通过高精度光学运动跟踪装置，按照一定的采样率，跟踪测量固结于各个骨骼上的可跟踪标志架的空间坐标和旋转方向，从而跟踪各个骨骼(刚体)在全局坐标系中的 三维空间运动。步骤4，利用测量得到的可跟踪标志架的空间位置，确定股骨坐标系与胫骨坐标系在各 个采样时刻的空间位置和旋转矩阵。
步骤5，利用跟踪测量得到的股骨坐标系与胫骨坐标系在各个采样时刻的空间位置和旋 转矩阵，计算骨骼关节面上的虚拟标志点在各采样时刻的空间位置，得到虚拟标志点的 空间运动轨迹，并得到关节面的相对运动。在上述步骤l)建立的股骨坐标系和胫骨坐标系，主要是用于解析虚拟标志点的运动。 因此股骨坐标系和胫骨坐标系分别跟随对应的股骨和胫骨上的可跟踪标志架而运动。但需 要保证可跟踪标志架与骨骼之间的稳固的位置关系。在上述步骤2)的实施过程中，分别在股骨坐标系和胫骨坐标系中，在关节面上建立多个虚拟标志点。其方法是基于对实际关节表面三维坐标值的点选测量。在关节置换手术的 操作中，有一段时间关节面是暴露的，因此可以通过三维测量探针，在实际的关节表面上 点选，测量和记录所点选的虚拟标志点在对应的股骨坐标系和胫骨坐标系中的三维位置。当 对安装关节假体并缝合以后，通过对骨骼的运动跟踪，就可以计算被封闭起来关节面上的 各个虚拟标志点的运动轨迹。通过上述方法，可以在每个关节面上建立密集分布的多个虚拟标志点，近似确定关节面 的三维几何形态。上述流程的步骤3)的实现方法是当在人体上固结适用的可跟踪标志架后，可以利用 的高精度光学运动跟踪装置，或手术导航系统，按照一定的采样率来测量各个可跟踪标志 架的空间坐标和位移，捕捉股骨和胫骨的三维空间运动。在步骤4)中，利用步骤3)测量得到的可跟踪标志架在每一时刻的空间坐标，可以计算出该时刻各个骨骼刚体的空间位置和空间姿态，本发明采用空间旋转矩阵描述刚体的旋 转和其原点的位移。在步骤5)中，利用步骤4)计算得到的股骨和胫骨在各个采样时刻的空间旋转矩阵， 分别计算步骤2)所定义的关节面上各个虚拟标志点在各采样时刻在全局坐标系中的空间位 置，从而得到股骨和胫骨上各个虚拟标志点的相对位置。通过对各个采样时刻的计算，可 以得到虚拟标志点之间相对运动和关节面接触的情况。综上所述，本发明公开了一种利用虚拟标志点测量关节面相对运动的方法和处理流程，其主要特征在于给出了一种利用虚拟标志点对关节面的相对运动进行跟踪测量的方法，包括处理的完整流程，以及流程中各个步骤的具体实施方法，通过计算可以解算关节面虚 拟标志点之间的相对运动、虚拟标志点的轨迹、以及关节面的接触情况。在下面的具体实 施方式中将举例说明如何具体地进行计算。本发明对上述技术方案进行了实际的实验验证，下述实施例是为了更好地理解本发明，
并非对本发明的具体方法进行限制。下面结合附图和实例对本发明的方法作进一步详细的 说明。如图1所示，针对离体的下肢生物力学实验，本发明在实施中采用三维光学运动跟踪测 量装置(1)、可跟踪的刚性标志架(2-1)和(2-2)、用于点选定义虚拟标志点的三维测量探 针(3)等测量设备。并需要通过计算机(4)及相应的软件进行数据的采集、处理和计算。这 里所用的光学三维运动跟踪测量装置(1)为加拿大NDI公司生产的0ptoTrak Certus系统， 其中包括三维摄像机(1-1)，控制器(l-2)和相应的控制与数据采集软件；所说的可跟踪标 志架为自制的固结有四个小型红外发光二极管的刚性标志架，标志架上的红外发光二极管 由控制器供电，并且这些红外发光二极管的位置可被0ptoTrak Certus系统的三维摄像机 所跟踪测量；在三维测量探针上同样固定有可被三维摄像机所跟踪的四个小型红外发光二 极管，探针的尖端位置经过事先的标定，通过三维摄像机可以直接捕获探针尖端的三维位 置。本发明的处理流程如图3所示，为清楚起见，本实施例以离体的下肢生物力学测试中的关 节面跟踪为例进行说明。如图1和图2所示，在测量中首先将被测量的完整下肢标本固定在一 个可以带动膝关节进行屈伸运动的支架(5)上(该支架的设计和使用可以参考Zavatsky AB的 文章，"A kinematic-freedom analysis of a flexed-knee-stance testing rig.，，， 见J" Biomech 30:277， 1997)，下肢标本的关节被软组织所包裹和覆盖，因此无法直接测量关节面 的运动。首先分别在股骨、胫骨上安装刚性的可跟踪标志架(2-l)， (2-2)。股骨坐标系和胫 骨坐标系定位于标志架上。标志架分别与股骨、胫骨构成了两个刚体。接下来，利用三维测 量探针(3)分别对股骨、胫骨的膝关节表面进行点选，并通过三维运动跟踪测量装置(l)先后 记录在光学运动测量装置所确定的全局坐标系中，探针尖端的三维位置'C V^所对应的股骨 或胫骨坐标系的原点在全局坐标系中的空间位置'A '7;及股骨或胫骨坐标系的方向V f，^。在 上述点选虚拟标志点的过程中，允许将下肢摆放到任意可被光学三维运动测量装置跟踪到的 位置，以利于点选的操作。按照顺序可以依次在股骨、胫骨上点选多个虚拟标志点，分别形 成对应股骨、胫骨关节面的虛拟标志点组(点云)。在点选确定了所需要的虚拟标志点组以后，可以对下肢进行屈伸运动的跟踪测试。首先 调整下肢在支架(5)上的屈伸状态，达到直立位置，然后利用支架(5)带动膝关节进行屈伸 运动，并利用光学三维运动跟踪测量装置(l-l)按照一定的采样速率(实验中采用25Hz)捕捉 记录股骨与胫骨坐标系原点在全局坐标系中的空间位置，以及股骨与胫骨坐标系的方向， 得到膝关节屈伸过程中的下肢相对运动的动态数据。 接下来，需要通过计算机对所采集的数据进行处理，主要包括以下的坐标转换(1) 计算虚拟标志点在股骨坐标系和胫骨坐标系中的坐标值由于在虚拟标志点的点选 过程中获取的是在光学三维运动跟踪测量装置(l-l)所确定的全局坐标系中，探针 尖端的三维位置卞w或卞w，所对应的股骨或胫骨坐标系的原点在全局坐标系中的 空间位置'7>或々 以及股骨或胫骨坐标系的方向'A或々w为得到各虚拟标志点 在股骨坐标系或胫骨坐标系中的坐标值，需要进行几何变换，将探针尖端的三维位 置'尸w及卞w分别变换到对应的股骨坐标系和胫骨坐标系中，得到其坐标值'尸w及 卞w。其坐标变换关系为公式l: '7>其中，'/^表示在股骨坐标系中的第J'个股骨虚拟标志点的坐标；'/^表示通过 三维探针得到的该虚拟标志点在全局坐标系中坐标；'A为采集第i个股骨虚拟标 志点时股骨坐标系在全局坐标系中的空间旋转矩阵，'7>为采集第i个股骨虚拟标 志点时股骨坐标系的原点在全局坐标系中的坐标。卞n表示在胫骨坐标系中的第J' 个胫骨虚拟标志点的坐标；卞w表示通过三维探针得到的该虚拟标志点在全局坐标 系中坐标；7/ ￡为采集第J'个胫骨虚拟标志点时胫骨坐标系在全局坐标系中的空间 旋转矩阵，^>为采集第J'个胫骨虚拟标志点时胫骨坐标系的原点在全局坐标系中 的坐标。所有的各组虚拟标志点都可以通过公式l的变换，分别映射到各自的股骨 坐标系和胫骨坐标系中。(2) 计算刚体上虚拟标志点跟随刚体运动的轨迹在下肢屈伸运动的跟踪测试中，各骨 骼的相对运动使关节发生屈伸，光学三维运动跟踪测量装置(l)所捕捉的是刚体标 志架(2-l)和(2-2)在全局坐标系中的运动。为考察关节内股骨和胫骨上虚拟标志 点的相对运动，需要根据刚体标志架的运动，计算虚拟标志点在全局坐标系中的运 动。对每个关节屈伸位置的釆样时刻t，定义此时测量得到的股骨坐标系和胫骨坐 标系的原点坐标和旋转矩阵分别为7" '7;，以及W，'《，则所对应的股骨和胫骨 虚拟标志点组在全局坐标系中的坐标值分别为公式2:A产(》J—' 'c—"t;卞"=(%>—' 乍"—￡71其中，V^表示该时刻第i个股骨虚拟标志点在全局坐标系中的坐标，'尸w表示公式1所得到的股骨坐标系中第J'个虚拟标志点的坐标；乍w表示该时刻第V个胫骨虚
拟标志点在全局坐标系中的坐标，卞w表示公式1所得到的胫骨坐标系中第J'个虚 拟标志点的坐标；(WJ"， (？ J"分别为W和乂的逆矩阵。 在计算得到了各个时刻，股骨和胫骨标志点组在全局坐标系中的位置后，就得到了虚拟 标志点的运动轨迹，可以考察关节面之间的相对运动和接触情况等运动学特征。实施效果图4给出了一组利用本发明的方法定义的股骨虚拟标志点(以点云形式展示)在膝关节 屈伸过程中股骨与胫骨关节面的相对位置关系的实例。可以看到通过对可跟踪标志点的跟 踪测量，所解算出的关节面虚拟标志点很精确地反映了关节内各骨骼相对运动的情况。
权利要求
1. 基于虚拟标志点的关节面运动跟踪测量方法，其特征在于所述方法是在一个由光学三维运动跟踪测量装置的控制器数据输出端口向计算机提供测量数据，并依次按以下步骤实现的步骤(1)在股骨和胫骨上分别固结一个可跟踪标志架，所述可跟踪标志架是一个固结有多个红外发光管的刚性标志架，所述多个红外发光管各自的位置能被所述光学三维运动跟踪测量装置机所跟踪测量，因此可分别定义两个分别附着于股骨和胫骨可跟踪标志架上的坐标系；步骤(2)所述计算机通过所述控制器和所述光学三维运动跟踪测量装置采集所述股骨坐标系的原点在全局坐标系中的坐标iTf和股骨坐标系的方向iRf，以及胫骨坐标系的原点在全局坐标系中的坐标jTt和胫骨坐标系的方向jRt，所述全局坐标系是由光学三维运动跟踪测量装置所确定的，用于测量股骨关节面和胫骨关节面之间相对位置和相对运动的世界坐标系；步骤(3)在所述股骨骨骼、胫骨骨骼的关节面上分别用三维测量探针进行接触式的点选，建立不少于一个虚拟标志点，所述三维测量探针上固定有能被所述的光学三维运动跟踪测量装置所跟踪的多个红外发光二极管，从而可以实时确定探针尖端的位置。通过点选得到股骨或胫骨上对应各个虚拟标志点的探针尖端在所述全局坐标系中的三维位置iPpf，或jPpt，下标pf指的是在所述股骨上的位置，下标pt指的是在所述胫骨上的位置，并输入所述计算机中，再按下式把所述各探针尖端的三维位置分别变换到对应的所述股骨坐标系的和胫骨坐标系中对应于股骨所述iPrf既是股骨上的探针尖端也是其对应的所述虚拟标志点在所述股骨坐标系上的三维位置，对应于胫骨所述jPrt既是胫骨上的探针尖端也是其对应的虚拟标志点在所述胫骨坐标系上的三维位置，其中iTf，jTt分别是点选虚拟标志点iPrf，和jPpt时，所对应的股骨坐标系和胫骨坐标系的原点在所述全局坐标系中的空间位置。iRf和jRt分别是点选虚拟标志点iPrf，和jPpt时所对应的股骨坐标系和胫骨坐标系的空间旋转矩阵，所述iTf，jTt。iRf和jRt均是由所述光学三维运动跟踪测量装置测量得到的步骤(4)所述计算机计算所述股骨上的、以及胫骨上的各虚拟标志点随着所述股骨、胫骨作刚体运动时的轨迹步骤(4. 1)从直立状态开始使膝关节进行屈伸运动，所述计算机通过所述控制器使所述光学三维运动跟踪测量装置，按照设定的采样速率捕捉并记录所述可跟踪标志架在全局坐标系中的位置和空间旋转矩阵，从而得到所述膝关节在屈伸过程中和下肢相对运动的数据，步骤(4. 2)所述计算机通过下式得到所述股骨上的以及胫骨上的各个虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标值jPwt，iPwf设定如下参数t为对应膝关节每个屈伸位置的采样时刻；iPwf表示在所述t时刻第i个股骨虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标；jPwt表示在所述t时刻第j个胫骨虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标；fTt表示在所述t时刻股骨可跟踪标志架坐标原点在所述全局坐标系中的坐标；tTt表示在所述t时刻胫骨可跟踪标志架坐标原点在所述全局坐标系中的坐标；(fRt)-1，(tRt)-1分别为在所述t时刻股骨和胫骨可跟踪标志架的空间变换矩阵fRc，tRt的逆矩阵。在所述t时刻所述股骨坐标系中第i个虚拟标志点在所述的全局坐标系中的坐标iPw，为iPwf＝(fRt)-1·iPrf—fTt在所述t时刻所述胫骨坐标系中第j个虚拟标志点在所述全局坐标系中的坐标jPwt为jPwt＝(tRt)-1·jPrt—tTt步骤(5)将步骤(4.2)所得到的各个虚拟标志点在各个时刻的位置进行连接，得到在所述全局坐标系中的两组虚拟标志点的相对运动的轨迹。
2.根据权利要求l所述的基于虚拟标志点的关节面运动跟踪测量方法，其特征在于所述 虚拟标志点是在可跟踪标志架固定后，且在已暴露的关节面上利用光学三维运动跟踪测量装 置的探针所定义的。
全文摘要
基于虚拟标志点的关节面运动跟踪测量方法属于膝关节置换技术领域，其特征在于通过预先分别在相对运动的股骨和胫骨的关节面上各自定义一系列虚拟标志点，并建立虚拟标志点与固结在所述骨骼上的可跟踪标志架之间的坐标变换关系，再用光学三维运动测量装置对可跟踪标志架进行轨迹跟踪测量，并通过坐标变换得到各个虚拟标志点的运动轨迹，从而实现对所述虚拟标志点所代表的关节面相对运动进行跟踪测量。本发明准确地反映关节面的相对运动，为临床上关节置换术和关节运动分析提供了定量化的信息。
文档编号A61B5/11GK101396268SQ20081022570
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者辉 丁, 刘文博, 朱忠林, 王广志 申请人:清华大学