一种用于膝关节的生物力学测试系统

技术领域

本发明涉及膝关节检测技术领域，具体为一种用于膝关节的生物力学测试系统。

背景技术

膝关节是全身最大的关节之一，由股骨、胫骨和髌骨构成，它是人体的承重关节，也是最易损伤的关节之一。膝关节是全身发病率最高的关节，膝关节疼痛不仅涉及到关节内的各种病损，也常因各种关节外因素引起。膝关节产生的症状往往不具有特异性。

骨科关节外科、运动医学科和康复科的治疗目标已经从最初的结构恢复转变为功能恢复，然而现有常规检查方式主要为x光、CT.MRI等影像学检查，此类检查几乎都是观察静态下关节结构的改变，无法直接体现关节运动功能。手法检查和评分量表存在很大的主观性，没有数据可供对比，亦非关节的自主运动，因此存在一定的局限。

为此我们提出了一种用于膝关节的生物力学测试系统。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种用于膝关节的生物力学测试系统。

本发明提供如下技术方案：一种用于膝关节的生物力学测试系统，包括视频采集模块、跟踪模块、重建模块、数据采集模块、评估模块；

视频采集模块采用红外光立体追踪技术，利用红外跟踪器实时测量下肢关节在步态、起蹲、上下坡运动状态下的画面；

跟踪模块主要生成膝关节的二维运动序列，即各帧中色块中心的图像坐标，采用基于模型和特征的方法进行跟踪，并用预测机制减小遮挡情况对跟踪的影响；

重建模块完成2D坐标转换成3D坐标的映射，先进行摄像机标定，再利用人体生理约束和摄像机成像原理将二维数据映射到三维空间上，并创建膝关节三维模型；

数据采集模块对三维模型关节骨性特征点与红外标记点的实时配准，快速测量关节在运动状态下的三维六自由度数据和动态数据；

评估模块对数据进行客观评估，判断关节运动稳定性和活动范围，并利用大数据人工智能分析自动生成报告。

优选的，所述视频采集模块通过自标定技术，拍摄场景中的平面信息，当场景中物体进行正交平面运动时，摄像机得到一个特定值，然后通过这些特定值计算其内部参数，用于三维空间构建。

优选的，所述跟踪模块对图像进行预处理，并把每帧图像转化为颜色概率分布图，当视频一帧一帧变化时，将对应颜色概率分布图也会随之变化，Camshift对视频图像逐帧作Meanshift运算，并将上-帧的结果作为下一帧Meanshift算法的搜索窗口的初始值，如此迭代下去，就可以实现对目标的跟踪。

优选的，所述重建模块获取膝关节的三维坐标信息，并根据提取的数据建立骨架模型，图像上每一点的位置都有与模型相对应的位置，按照摄像机标定、首帧三维坐标的确定、后续帧三维坐标的计算的顺序，获得了整个人体的三维运动序列，从而实现了视频人体运动捕捉。

优选的，所述数据采集模块基于模型能计算出膝关节各自由度运动数据，并提供动态量化评估关节的屈伸角度、旋转角度、翻转角度以及前后移动数据。

优选的，所述评估模块内设有数据库，存储正常人群数据，并与患者数据对比可有效量化关节各自由度的主动及被动运动稳定性，量化数据可为关节炎、关节损伤、关节置换、下肢畸形矫正等提供手术指导，并为手术效果评估提供运动学支持。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

该用于膝关节的生物力学测试系统，采用红外光粒体追踪导航技术，通过关节骨性特征点与红外标记点的实时配准，快速测量关节在运动状态下的三维六自由度数据，动态、化客观评估关节运动稳定性和活动范围，大数据人工智能分析自动生成报告，可用于骨关节、创伤等术后康复评估,指导康复方案、运动处方的制定以及康复治疗效果的量化评估。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

为了使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明，以避免不必要地混淆本发明的概念。

请参阅图1，一种用于膝关节的生物力学测试系统，包括视频采集模块、跟踪模块、重建模块、数据采集模块、评估模块；

视频采集模块采用红外光立体追踪技术，利用红外跟踪器实时测量下肢关节在步态、起蹲、上下坡运动状态下的画面；

视频采集模块通过自标定技术，拍摄场景中的平面信息，当场景中物体进行正交平面运动时，摄像机得到一个特定值，然后通过这些特定值计算其内部参数，用于三维空间构建。

跟踪模块主要生成膝关节的二维运动序列，即各帧中色块中心的图像坐标，采用基于模型和特征的方法进行跟踪，并用预测机制减小遮挡情况对跟踪的影响；

跟踪模块对图像进行预处理，并把每帧图像转化为颜色概率分布图，当视频一帧一帧变化时，将对应颜色概率分布图也会随之变化，Camshift对视频图像逐帧作Meanshift运算，并将上-帧的结果作为下一帧Meanshift算法的搜索窗口的初始值，如此迭代下去，就可以实现对目标的跟踪。

重建模块完成2D坐标转换成3D坐标的映射，先进行摄像机标定，再利用人体生理约束和摄像机成像原理将二维数据映射到三维空间上，并创建膝关节三维模型；

重建模块获取膝关节的三维坐标信息，并根据提取的数据建立骨架模型，图像上每一点的位置都有与模型相对应的位置，按照摄像机标定、首帧三维坐标的确定、后续帧三维坐标的计算的顺序，获得了整个人体的三维运动序列，从而实现了视频人体运动捕捉。

数据采集模块对三维模型关节骨性特征点与红外标记点的实时配准，快速测量关节在运动状态下的三维六自由度数据和动态数据；

数据采集模块基于模型能计算出膝关节各自由度运动数据，并提供动态量化评估关节的屈伸角度、旋转角度、翻转角度以及前后移动数据。

评估模块对数据进行客观评估，判断关节运动稳定性和活动范围，并利用大数据人工智能分析自动生成报告。

评估模块内设有数据库，存储正常人群数据，并与患者数据对比可有效量化关节各自由度的主动及被动运动稳定性，量化数据可为关节炎、关节损伤、关节置换、下肢畸形矫正等提供手术指导，并为手术效果评估提供运动学支持。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。