半规管平面三维空间旋转指示仪及其构建方法与流程

半规管平面三维空间旋转指示仪及其构建方法
【技术领域】
[0001]
本发明涉及人体头部技能训练技术领域，具体地说，是一种半规管平面三维空间旋转指示仪及其构建方法。


背景技术：

[0002]
各半规管的空间姿态即三维空间中的位置和方向，对于前庭功能检查以及bppv诊疗有非常重要的意义。由于半规管位于颞骨深部，结构复杂细微，难以直接观察测量，而且还需要建立空间坐标系，使得有关半规管空间姿态的研究较少。对于半规管功能的研究，不仅需要了解半规管的解剖形态学特点，还需要了解半规管在三维空间中的位置和方向，既往对于半规管解剖的研究通常利用尸体进行，常局限于解剖形态，对于半规管空间姿态的研究不足。近年来随着医学影像学的发展，使得通过颞骨影像数据分割获取半规管来研究其解剖学形态和空间姿势成为可能。测量半规管空间方向的前提是要确立空间坐标系，其中，空间坐标系校准尤为重要。现有确定半规管空间方向主要使用各种头戴式模型辅助观察，而头戴模型大多结构较大而沉重，成本昂贵，佩戴不方便，难以固定，操作过程容易发生位置变化。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种半规管平面三维空间旋转指示仪及其构建方法，该指示仪通过基座进行空间坐标系统校准，利用基座上的延伸管构成半规管平面的法向量作为方向指引，结构简单，制作成本低，操作便捷使用方便。
[0004]
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了半规管平面三维空间旋转指示仪，包括基座和设置于所述基座上的三个半规管平面法向量的延伸管，其中第一延伸管由所述基座中心向外半规管的平面法向量方向直线延伸，所述第二延伸管由所述基座中心向后半规管的平面法向量方向直线延伸，所述第三延伸管由所述基座中心向上半规管的平面法向量方向直线延伸。
[0005]
优选地，
[0006]
所述基座为半球体，其内侧面为平面，外侧面为球面。
[0007]
优选地，
[0008]
所述内侧面上标记十字轴线，用于对所述基座进行空间坐标系校准。
[0009]
优选地，
[0010]
所述内侧面上设置卡接结构，所述卡接结构为十字型卡槽。
[0011]
优选地，
[0012]
所述基座内可拆卸的设置有等腰直角三棱柱或水平仪。
[0013]
优选地，
[0014]
所述延伸管为直线型激光管，其一端插入所述基座上的孔状凹陷处，另一端发射激光。
[0015]
优选地，
[0016]
所述延伸管为直线收缩管，其一端突起固定于所述基座上，另一端为拉伸端，通过所述拉伸端使所述延伸管沿直线方向伸长或缩短。
[0017]
优选地，
[0018]
所述延伸管为所述基座上的激光发射器，用于发射直线激光。
[0019]
第二方面，本发明提供了一种半规管平面三维空间旋转指示仪的构建方法，包括如下步骤：
[0020]
对基座进行空间坐标系校准，使得所述基座的底边所在切面与水平面平行，内侧面和矢状面平行；
[0021]
分别计算外半规管、后半规管和上半规管在空间坐标系中的法向量；
[0022]
根据计算得到的所述法向量确定所述基座上每个延伸管的直线延伸方向。
[0023]
优选地，
[0024]
所述对基座进行空间坐标系校准的步骤具体包括：
[0025]
在所述基座内构建等腰直角三棱柱框架，使所述等腰直角三棱柱的斜边所在的侧面与矢状位对齐，同时使所述等腰直角三棱柱的底面和水平面平行；或者
[0026]
利用两个相互垂直的水平仪调整所述基座的底边位置和内侧面角度，使得所述基座的底边所在切面与水平面平行，内侧面和矢状面平行。
[0027]
本发明优点在于：
[0028]
本发明的半规管平面三维空间旋转指示仪，由基座和基座上的延伸管构成，与现有半规管模型相比，本发明通过基座进行空间坐标系统校准，利用基座上的延伸管构成半规管平面的法向量作为方向指引，使得设备更加轻便，结构简单，制作成本低，操作便捷使用方便。
【附图说明】
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
附图1是本发明一实施例提供的半规管平面三维空间旋转指示仪的结构示意图；
[0031]
附图2是本发明一实施例提供的半规管平面三维空间旋转指示仪的内侧面结构示意图；
[0032]
附图3是本发明一实施例提供的半规管平面三维空间旋转指示仪的构建方法流程示意图。
[0033]
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
[0034]
1.基座，11.内侧面，12.外侧面，13.十字型卡槽，21.第一延伸管，22.第二延伸管，23.第三延伸管。
【具体实施方式】
[0035]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的
附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
本发明的半规管平面三维空间旋转指示仪及其构建方法，主要用于人体内耳空间姿势分析，其指示仪是基于人体半规管空间姿态数学模型所设计的用于指引操作的装置。本发明所依据的原理是：在研究中发现半规管总管顶端和眼球底部构成的平面和法兰克福平面平行，这使得通过半规管和眼球来建立空间坐标系成为可能，基于此构建标准空间坐标系的方法如下：首先，建立初始半规管眼底平面，取眼球坐标最低点(z值最小)，和两侧总管顶端构成平面并计算平面方程。然后，调整半规管眼球平面，通过分析眼球各点到平面的距离公式，取各点在平面方程的最大值点坐标为眼球在标准坐标系的最低点，其与两侧总管顶端构成半规管眼底平面。半规管眼底平面作为标准空间坐标系的横断面，在自然平视位和水平面平行，其法向量为z轴。半规管左右对称，选择两总管顶端连线为x轴，进一步确定y轴为x和z轴的叉乘。在上述构建的标准空间坐标系的基础上，利用半规管平面和坐标面的夹角可以构建平面法向量的单位矢量，其坐标值为方向角的余弦值，由此可以建立人半规管空间姿态数学模型，可以了解半规管在三维空间中的位置和方向。
[0037]
由于人半规管空间方向具有个体差异性，为使得建立的人半规管空间姿态数学模型具备代表性，需要了解半规管空间方向平均值。
[0038]
传统测量半规管空间方向是计算各个半规管平面和坐标平面的夹角，也就是半规管平面法向量的方向角的平均值作为半规管平面的平均空间方向。这种求方向角平均值的方法并不科学。
[0039]
半规管平面单位法向量为三维空间矢量，其均值计算方法为分别计算方向余弦的均值，即要将各个半规管平面的单位法向量相加求得其单位法向量。由此建立的人半规管空间姿态数学模型能够准确描述人群的半规管空间方向。
[0040]
本发明的指示仪将半规管平面法向量具象化，可以指导半规管的空间旋转，成为辅助诊疗操作的便携式设备。
[0041]
参照附图1和附图2，本发明的半规管平面三维空间旋转指示仪包括基座1和设置于所述基座1上的三个半规管平面法向量的延伸管，其中第一延伸管21由所述基座1中心向外半规管的平面法向量方向直线延伸，所述第二延伸管22由所述基座中心向后半规管的平面法向量方向直线延伸，所述第三延伸管23由所述基座中心向上半规管的平面法向量方向直线延伸。通过基座1和基座1上的延伸管方便观察半规管的空间位置变化，通过也可以在延伸管的指引下进行旋转操作，相比现有技术中的半规管模型，本发明结构简单，操作指引清晰准确，使用轻便。
[0042]
在一个优选的实施例中，本发明半规管平面三维空间旋转指示仪的基座1为半球体，其内侧面11为平面，外侧面12为球面。在使用过程中，所述内侧面11与矢状面保持平行，所述外侧面12表面向远离所述基座1的方向延伸出延伸管，通过空间坐标系校准使得每一个延伸管指向一个半规管的平面法向量方向。为了在使用时能够快速准确的完成空间坐标系的校准，在基座1的所述内侧面11上标记十字轴线，用于对所述基座1进行空间坐标系校准，具体是将十字轴线的横轴与横断面保持平行，将十字轴线的纵轴与矢状面保持平行。进一步地，参照附图2所示，所述内侧面11上设置卡接结构，所述卡接结构为十字型卡槽13，通
过该十字型卡槽13进行空间坐标系校准，同时可以将基座1进行固定。此时，基座1可以是内侧面11和外侧面12之间扣合形成的结构，通过内侧面11上的十字型卡槽13校准空间坐标系后，根据各半规管的法向量将外侧面12与内侧面11进行扣合。利用上述十字型卡槽13进行空间坐标系校准的方法至少包括在所述基座1内可拆卸的设置有等腰直角三棱柱和水平仪这两种。使用等腰直角三棱柱进行空间坐标系校准的方法是：所述等腰直角三棱柱通过所述十字型卡槽13插入所述基座1内，此时基座1的内侧面11为所述等腰直角三棱柱的底面，所述等腰直角三棱柱的斜边所在的侧面作为校准面，校准过程中，使底面与横断面平行，同时侧面与矢状面平行，即完成空间坐标系校准。使用等水平仪进行空间坐标系校准的方法是：使用两个互相垂直的水平仪通过所述十字型卡槽13插入所述基座1内，校准过程中，使其中一个水平仪与横断面平行，同时另一个水平仪与矢状面平行，即完成空间坐标系校准。完成空间坐标系校准后，根据各半规管的法向量确定基座1上的各延伸管向远离所述外侧面12的延伸方向和角度。
[0043]
本发明的延伸管是一端固定在基座上，另一端向半规管平面法向量方向延伸，通过延伸管可以知道诊疗操作。在一个实施例中，本发明半规管平面三维空间旋转指示仪的基座1的外侧面上12根据各半规管的平面法向量开设相应的孔状凹陷，此时所述延伸管为直线型激光管，其一端插入所述基座1上的孔状凹陷处，另一端发射激光。
[0044]
在另一个实施例中，本发明半规管平面三维空间旋转指示仪的基座1的外侧面上12根据各半规管的平面法向量固定三个延伸管，所述延伸管为直线收缩管，其一端突起固定于所述基座1上，另一端为拉伸端，通过所述拉伸端使所述延伸管沿直线方向伸长或缩短。
[0045]
在另一个实施例中，本发明半规管平面三维空间旋转指示仪的基座1的外侧面上12根据各半规管的平面法向量，在相应的位置上固定安装三个延伸管，所述延伸管为激光发射器，用于发射直线激光。
[0046]
参照附图3本发明的半规管平面三维空间旋转指示仪的构建方法包括以下步骤：
[0047]
对基座进行空间坐标系校准，使得所述基座的底边所在切面与水平面平行，内侧面和矢状面平行，通过这一步使得基座上形成一个标准空间坐标系。具体的，对基座进行空间坐标系校准的方式可以采用等腰直角三棱柱也可以采用水平仪辅助校准。其中，在所述基座内构建等腰直角三棱柱框架，使所述等腰直角三棱柱的斜边所在的侧面与矢状位对齐，同时使所述等腰直角三棱柱的底面和水平面平行，此时根据所述等腰直角三棱柱的棱分别确定空间坐标系的x轴、y轴和z轴；采用水平仪辅助校准时，利用两个相互垂直的水平仪调整所述基座的底边位置和内侧面角度，使得所述基座的底边所在切面与水平面平行，内侧面和矢状面平行。
[0048]
分别计算外半规管、后半规管和上半规管在空间坐标系中的法向量；根据计算得到的所述法向量确定所述基座上每个延伸管应当与基座所确定的空间坐标系各个轴的夹角，最终确定延伸管的直线延伸方向。
[0049]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。