专利名称：测定空间坐标的方法
技术领域：
本发明涉及一种测定空间坐标的方法，其中在一生物体上设置至少两个标记并且用至少两个立体排布的摄像机测定这些标记的空间坐标。此外，本发明还涉及借助光学立体测量系统而实现的医用定量长度及角度测量方法。
背景技术：
目前，每年有超过1300000的人工髋关节(以两位数的增长率)用于患者。这种干预的目标是力求在置入关节替代物后能再度达到原始腿长或生物力学意义上的最佳腿长。实践中如果矫形外科医生具有相应的技巧和经验并且患者的人体构造符合要求，这个目标是可以达到的。在此过程中，矫形外科医生依据的例如是表征性的骨头部分如股骨或骨盆，或者以踝关节的特定部位为依据。但这类干预大多还没有合适的装置可用来测量腿长。因此，具体干预时仍依赖于矫形外科医生的目测评估。目前可供使用的导航系统原则上可以完成这项任务。但导航系统的使用和操作比较复杂，其人体工学设计也不太理想。另外，许多手术室也未配备导航系统。治疗师和按摩医师主要借助照片和/或测长仪或测角仪等测量设备记录患者状态和/或治疗效果。 下文所称的使用者指的是外科医生、矫形外科医生、按摩医师、治疗师和具备相应医学知识的其他人员。所谓的使用者也可以是为医疗人员实施测量操作的工作人员。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够以快速而简单的方式对生物体进行测量的方法。本发明用来达成上述目的的解决方案为一种将所述标记的空间坐标与参照物进行比较以及计算并输出偏差的同类型方法。从属权利要求涉及的是有益实施方案。本发明的出发点是为测量系统的使用者提供简单而便于操作的方法。如此一来，使用者就能快速而可靠地完成为其提供支持的测量任务。测量结果可以在情况评估方面以及在实施后续操作步骤或编制文档时为使用者提供帮助。在此情况下，所述参照物或者是先前测量所提供的描述先前状态的数据集，或者是描述目标结果或中间状态的目标数据集。在下文中，光学立体测量系统(简称测量系统)指的是摄像机系统与参考标记(简称标记)的组合。这种测量系统属于现有技术。下面对该测量系统的特性作进一步介绍，以便阐明本发明方法的基本构思。所述摄像机系统由至少两个立体定向的摄像机以及用于图像数据分析和结果输出的构件构成。
所述摄像机系统检测标记，借助已知的摄像机图像分析方法分析图像数据，借助已知的摄影测量方法测定所述标记在该摄像机系统的坐标系中的空间位置，并且将标记之间的期望距离和/或距离之间的角度提供给使用者。所述摄像机系统可固定整合在治疗室的设施中。作为替代方案，可将摄像机系统安装在移动式支架上。该摄像机系统可被定向成使得例如摄像机坐标系的一个坐标轴平行于垂直线。这样就能对例如两个标记相对于水平线的偏差进行定量测量。作为替代方案，可以让未定向的摄像机系统借助已知的摄像机图像分析方法以对象为准进行相应定向。这样的对象例如可以是设有标记的倾斜参考平面。所述摄像机系统也可以是移动式的，可手持操作。所述标记由使用者设置在患者的生物力学最佳部位和/或解剖学合理部位上或这些部位的附近，或者设置在对象上。举例而言，所述标记可以是用毡头笔画在皮肤上的小的圆、叉或线条，直接位于显著的骨头部分之间或上方。也可以在皮肤上设置可移除的纹身作为标记，或者使用带有或不带有摄影测量技术领域所采用的标记识别编码的粘贴式标记。对生物体所实施的治疗行为会导致皮肤上的标记在治疗过程中发生相对于显著骨头部分的位移。这些标记也有可能在治疗期间被擦掉。发生这种情况时，使用者可以对标记进行修补。实践中使用前述测量设备进行工作，使用者在患者身上的适当位置设置标记并且用该测量设备测定这些标记的空间坐标以及这些标记之间以线段或角度形式存在的相互关系。所述测量有助于定量测定某一状态，以便能据此作出诊断。所述测量还有助于在特定的治疗干预或外科手术前后定量测定某一状态。使用者可将测量结果用于文档编制。总的发明构思是一种伴随医疗干预和治疗措施而实施的测量方法，其使用光学摄像机系统，该摄像机系统包括至少两个立体排布的摄像机和至少两个设置在生物体的适当位置上的标记，这种方法至少在对该生物体进行治疗的前后用所述光学摄像机系统检测这些标记，测定这些图形在摄像机坐标系中的三维坐标，并且将这些三维坐标以适当的形式提供给使用者。所述方法优选包括对一被固定安装的摄像机系统的使用。根据本发明的其它技术方案，可以使用移动式摄像机系统。根据一种特别有益的技术方案，所述方法涉及髋部手术。其它应用领域有脊柱手术、按摩疗法或治疗处遇(therapeutische Behandlung)以及人体部位的活动性测量。
下面借助实施例并参照附图对本发明作不限制总的发明构思的示范性说明，凡说明书中未详细阐述的发明细节，在附图中皆有明确揭示。其中 图1为用两个标记和对准垂直线的摄像机系统测量骨盆定向的示意图；图2为用两个标记测量手的活动性的示意图；图3为用三个标记测量臂的活动性的示意图4为用四个标记测量臂的活动性的示意图；图5为用多个标记测量脊柱的示意图；图6为髋关节手术过程中患者、摄像机系统和四个标记的示意图；图7为针对髋关节手术已达到最佳定向的患者与测量技术相关的区域的干预前示意图；图8为髋关节手术后处于非最佳定向状态的患者与测量技术相关的区域在某些操作步骤之后的示意图；及图9为在髋关节手术中处于最佳定向状态且腿长最终有所缩短的患者与测量技术相关的区域在某些操作步骤之后的示意图。
具体实施例方式图1为对一名直立患者I的骨盆2的定向进行测量的示意图。患者I的皮肤上有两个之前由使用者3直接设置在两块特定的骨盆骨附近的标记A和B。支架5上的测量系统4对准患者1，并且使得例如摄像机坐标系9的z轴平行于垂直线6，原点10与两个标记A和B大致等闻。使用者3测量标记A和B的 空间坐标。测量系统借此计算出标记A和B的水平距离7和高度差8。当骨盆水平定向时，高度差8相对于距离7就会变得非常小。举例而言，高度差8在双腿长度不等的情况下可为数厘米。图2为用两个标记测量手11的活动性的示意图，其中标记A设在食指12的指尖，标记B设在大拇指13的指尖。这一测量不必对该图中未绘示的测量系统进行专门定向，因为在本实施例中，使用者只需要知道标记A和B之间的距离14。图3为用三个标记测量臂20的活动性的示意图，其中标记A是设在上臂21的一个圆，标记B和C是分别设在肘22和前臂23的一个叉。AB线段25与BC线段26之间的角度24可以用来度量活动性。这一测量不必使该图中未绘示的测量系统例如对准垂直线。图4为用四个标记测量臂30的活动性的示意图，其中标记A和B是设在上臂31的圆，标记C和D是设在前臂33的叉。AB线段35与⑶线段36之间的角度34可以用来度量活动性。这一测量不必使该图中未绘示的测量系统例如对准垂直线。图5为用多个标记A、B、C、D、…Z为直立患者40测量脊柱42形状的示意图,所述标记例如直接设置在椎骨棘突上方的背部41皮肤上。实施这一测量时，可对该图中未绘示的测量系统进行关于垂直线的定向。测得标记的坐标经预处理后被提供给使用者。图6为髋关节手术时患者51、测量系统54、57、58和四个标记A、B、C、D的示意图。患者51以对于使用者52而言的最佳定向躺在手术台53上。摄像机系统54在测量过程中位于标记A、B、C、D上方。这个摄像机系统54固定地安装在手术台53上方。摄像机系统54所检测到的图像通过通信连接58被传输给包含计算单元和屏幕的模块57，相应结果被提供给使用者52。图7为手术相关区域的示意图。使用者在干预前例如用毡头笔将四个标记A、B、C和D画在患者60皮肤上从生物力学和/或解剖学角度对于该患者而言的正确位置上。使用者可以如此来选择这些位置，使得本发明的方法能够为他的惯用操作方式提供支持。A和C这两个点位于突出骨盆骨(髂前上棘)上方的皮肤上。B和D两个点画在踝关节的适当部位附近的皮肤上。点65和66是髋关节的旋转中心。支点65通常位于AB线段附近。支点66通常位于⑶线段附近。患者的左右腿骨(股骨、胫骨、腓骨)62和61以及右腿63和左腿64在此作示意性绘示。患者对于使用者而言的最佳生物力学定向以及采用上述标记位置的结果是形成镜像对称，这对于测量结果的分析是有用的，也是合理的。借此可测定以下线段及角度关系通常情况下，四个标记A、B、C和D大体全都位于同一平面内。在双脚并拢的情况下，BD线段略短于AC线段。AC和BD线段大体相平行。AD和BC对角线段大体等长。AB和AC线段之间的角度67大体等于AB和BD线段之间的角度68。AB和BD线段之间的角度69大体等于⑶和BD线段之间的角度70。本实施例将AB和CD线段定义为腿长。由此使得图7中所绘示的第一次测量时所测定的AB、AC、AD、⑶、CB和BD六条线段以及四个角度67、68、69、70成为初始位置的已知信息。在使用么83(^0、0)、08和80六条线段以及四个角度67、68、69、70的情况下，通
过将干预后所实施的第二次测量与第一次测量进行比较，可对干预引起的腿长变化进行数学描述。举例而言，如果接受手术的是左髋，矢量CD的长度就会相对于第一次测量发生变化。腿长变化基本为CD线段的干预前后之差。此外，AD和CB这两条对角线段以及两个角度67和68描述的是测量时患者在手术台上的定向。患者相对于摄像机系统的空间位置和姿势不必与第一次测量时相同。干预后测量时力求让患者达到大体与第一次测量时相同的最佳生物力学定向。如此可计算出干预引起的腿长变化。通过分析得知患者的生物力学定向在两次测量间的细微差异，计算腿长变化时将此差异考虑在内。图8为处于非最佳定向状态的患者在干预后左腿长度未发生变化时的标记位置示意图。患者的非最佳定向 例如表现在AD和BC对角线段的不等长上，这是因为BD线段长度发生变化以及角度77、78、79、80发生变化而引起的。使用者进行测量和干预质量评估时可以借助这些信息使患者达到最佳定向。图9为处于最佳定向状态但腿82的长度因干预而变短的患者的标记位置示意图。干预未达最佳效果这一情况表现在AD和BC对角线段的不等长上，这是因为BD线段长度发生变化以及角度88、89、90发生变化而引起的。使用者可以借助这些信息在进一步的干预过程中针对这一情况作出调整和必要的校正。干预结束时可对患者进行最后一次测量。这次测量可为使用者起到干预质量控制的作用。可将检测到的图像和分析记录归档以作后用。本发明不仅只适用于髋关节手术。凡是因医疗行为引发的生物力学变化，均可借助测量技术按上述方法加以测定，并且将分析结果提供给使用者。所述测量包含一次或一系列的立体摄影，在此过程中，使用者以恰当方式治疗、移动或转移患者，或者需要患者移动某些身体部位。重要的应用领域有脊柱外科、按摩疗法以及如脊柱、腕关节、指关节、踝关节或肩关节等人体部位的活动性检验与测量。本发明的另一应用领域例如是医治过程中对术后治疗的控制和/或改进。
权利要求
1.一种测定空间坐标的方法，其中在一生物体上设置至少两个标记并且用至少两个立体排布的摄像机测定所述这些标记的空间坐标，其特征在于，将所述标记的空间坐标与参照物进行比较，以及计算并输出偏差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少在所述标记之间的距离因所述生物体得到治疗而发生变化的前后测定所述空间坐标。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物体治疗前的空间定位不同于治疗后。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，治疗过程中在所述生物体上设置其它标记。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述空间坐标计算两个标记之间的距离变化。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述空间坐标计算三个标记之间的角度变化。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述标记设置在所述生物体的皮肤上。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述标记设置在所述生物体的简明骨点上方。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过与参照物进行比较来测定长度变化或角度变化。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过与所述摄像机所检测到的已知数值进行比较来测定绝对长度。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述摄像机静止地布置在空间中。
12.如上述权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述摄像机固定相连，但可移动地布置在空间中。
全文摘要
本发明涉及一种测定空间坐标的方法，其中在一生物体上设置至少两个标记并且用至少两个立体排布的摄像机测定所述这些标记的空间坐标，其中，将所述标记的空间坐标与参照物进行比较，以及计算并输出偏差。此外，本发明还涉及借助光学立体测量系统而实现的医用定量长度及角度测量方法。
文档编号A61B5/107GK103037797SQ201180034522
公开日2013年4月10日 申请日期2011年7月14日 优先权日2010年7月15日
发明者布鲁诺·诺伯尔, 查尔斯·芬德森 申请人:奈威司维斯股份公司