一种在体运动检测及分析方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及医疗数据处理技术领域，尤其是一种在体运动检测及分析方法、装置、设备及介质。

背景技术

运动损伤检查的背景，随着全民生活水平的提高，对于运动健康的需求也越来越强烈，运动医学也随着发展。运动损伤的诊断往往是结合患者表现、临床查体以及影像学综合诊断。但由于个体差异性较大，且临床查体难以重复运动过程，仅仅特殊体位的检查，此外影像学检查对于非急性炎症的鉴别效率不高，因此常常会出现医生诊断无异常，但患者主诉不适的情况。因此运动医学的诊断还需要更加符合运动状态的评估手段。因此，引入运动生物力学的研究方法进入临床进行辅助诊断的需求不可忽视。例如步态分析引入临床诊断，其作为一种高效的诊断技术，已经帮助分析解决很多下肢病患问题。但步态更多是观察较为外向表现的疾病，如脑瘫步态、马蹄足步态等。与解剖形体及运动相关的关节内的撞击在步态中并未有典型性表现，非急性期影像学也未显示特异，临床检查往往是静息状态也难以发现。这类疾病虽然没有表现出明显的临床指征，但病患会持续主诉关节不适。这类疾病患病人口庞大，但却常常被临床忽视，而归其原因是临床尚无有效的诊断手段。因此，建立能够窥探关节内运动变化的技术十分重要，业内称之为在体运动分析技术。人体是一个动态平衡的生命体，从运动角度来说，运动状态下的人的活动是人体功能评价的基本形式，静态状态仅仅是一系列时间串中的一个时间节点，因此，想要全面了解人的运动从而对疾病及愈后进行判断，就需要对人体运动状态下的表现进行评估。因此希望能够通过在体运动分析对运动损伤及疾病进行诊断和评价。动态的运动分析在非生命体为对象的研究中的实施是可行的，但对于生命体的运动分析中，往往因为侵入性操作，而难以获得伦理的支持。这也使得对于生命体的运动分析停滞不前，因此，如何对生命体进行运动状态下的分析是运动医学研究领域的一大难点。

研究人员采取了多种方法进行生命体的在体运动分析，目前关于动态生物力学的研究方法包括三大类：一种是目前已经得到长足发展的有限元建模及分析法，该方法将建立一个静态的网格模型，利用数学方法对该静态模型进行边界约束、接触设置以及载荷或运动的加载，以接近真实运动的方式去模拟网格模型，并利用该网格模型分析相关的力学参数。另一种是利用影像超声设备采集运动状态下的不同节点的数据，例如用CT或者MRI采集运动中某几个状态的影像，再利用这些准静态数据进行推理分析，达到以节点推到运动过程的目的；也有人采用超声技术对运动状态进行分析，但由于受到超声技术的限制，解剖位置较深的信息难以获得。第三大类是利用关节内监测设备进行长期动态数据的采集，但是这种技术通常伴随着手术置入传感器，成本较高，适用于小样本的探索性的研究，而非检测手段。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种成本低且易于实现的在体运动检测及分析方法、装置、设备及介质。

本发明的一方面提供了一种在体运动检测及分析方法，包括：

对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据；

获取所述在体对象的运动轨迹数据；

根据所述三维模型数据和所述运动轨迹数据，确定动态旋转矩阵；

将所述在体对象的三维模型移动到运动轨迹的初始点；

将所述在体对象的三维模型按照运动轨迹运行；

计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离；

根据所述目标距离，确定所述在体对象的关节内骨动态位置信息。

优选地，所述对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据，包括：

通过影像学DICOM数据对所述在体对象进行三维重建，确定三维模型数据。

优选地，所述获取所述在体对象的运动轨迹数据，包括：

确定所述在体对象的体表标志点；

获取所述在体对象在运动过程中的所述体表标志点的空间运动坐标数据；

根据所述空间运动坐标数据，确定所述在体对象的运动轨迹数据。

优选地，所述根据所述空间运动坐标数据，确定所述在体对象的运动轨迹数据，包括：

获取所述在体对象在运动前的第一坐标数据；

获取所述在体对象在运动后的第二坐标数据；

根据所述第一坐标数据和所述第二坐标数据，确定所述在体对象的运动轨迹数据；

其中，所述运动轨迹数据的的表达式为：

[x1，y1，z1]＝R×[x0，y0，z0]+T

其中，[x0，y0，z0]代表第一坐标数据；R表示旋转矩阵；[x1，y1，z1]代表第二坐标数据；T表示平移矩阵。

优选地，所述计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离，包括：

获取所述三维模型的每个三角面片的三个坐标点；

根据所述三个坐标点，计算三角面片的最近距离；

根据所述三角面片的最近距离，确定关节内不同骨面之间的最小距离。

本发明实施例的另一方面提供了一种在体运动检测及分析装置，包括：

三维重建模块，用于对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据；

轨迹获取模块，用于获取所述在体对象的运动轨迹数据；

矩阵确定模块，用于根据所述三维模型数据和所述运动轨迹数据，确定动态旋转矩阵；

初始化模块，用于将所述在体对象的三维模型移动到运动轨迹的初始点；

运行模块，用于将所述在体对象的三维模型按照运动轨迹运行；

计算模块，用于计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离；

分析模块，用于根据所述目标距离，确定所述在体对象的关节内骨动态位置信息。

本发明实施例的另一方面提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。

本发明实施例的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

本发明的实施例对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据；获取所述在体对象的运动轨迹数据；根据所述三维模型数据和所述运动轨迹数据，确定动态旋转矩阵；将所述在体对象的三维模型移动到运动轨迹的初始点；将所述在体对象的三维模型按照运动轨迹运行；计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离；根据所述目标距离，确定所述在体对象的关节内骨动态位置信息，本发明实施例降低了成本且易于实施。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的整体步骤流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种在体运动检测及分析方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据；

获取所述在体对象的运动轨迹数据；

根据所述三维模型数据和所述运动轨迹数据，确定动态旋转矩阵；

将所述在体对象的三维模型移动到运动轨迹的初始点；

将所述在体对象的三维模型按照运动轨迹运行；

计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离；

根据所述目标距离，确定所述在体对象的关节内骨动态位置信息。

优选地，所述对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据，包括：

通过影像学DICOM数据对所述在体对象进行三维重建，确定三维模型数据。

优选地，所述获取所述在体对象的运动轨迹数据，包括：

确定所述在体对象的体表标志点；

获取所述在体对象在运动过程中的所述体表标志点的空间运动坐标数据；

根据所述空间运动坐标数据，确定所述在体对象的运动轨迹数据。

优选地，所述根据所述空间运动坐标数据，确定所述在体对象的运动轨迹数据，包括：

获取所述在体对象在运动前的第一坐标数据；

获取所述在体对象在运动后的第二坐标数据；

根据所述第一坐标数据和所述第二坐标数据，确定所述在体对象的运动轨迹数据；

其中，所述运动轨迹数据的的表达式为：

[x1，y1，z1]＝R×[x0，y0，z0]+T

其中，[x0，y0，z0]代表第一坐标数据；R表示旋转矩阵；[x1，y1，z1]代表第二坐标数据；T表示平移矩阵。

优选地，所述计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离，包括：

获取所述三维模型的每个三角面片的三个坐标点；

根据所述三个坐标点，计算三角面片的最近距离；

根据所述三角面片的最近距离，确定关节内不同骨面之间的最小距离。

下面以鱼肝油胶囊作为标记点分别标记骨盆和股骨为例，详细描述本发明的在体运动检测及分析方法的具体实施过程：

A，对患者进行体表骨突处进行鱼肝油胶囊贴点，标记骨盆及股骨；

B，MRI扫描，扫描范围为骨盆髂棘上至股骨小转子下，并以T1加权的TSE和FSE的连续图像导出，导出数据为Dicom格式数据；

C，将Dicom数据导入到Mimics软件中，进行三维重建，获得骨盆和股骨的三维模型；

其中，本发明实施例的三维模型数据主要指由影像学DICOM数据进行三维重建获得的stl等格式的三维模型数据。

D，患者佩戴mark球，行大步伐行走，利用Qualisys运动捕捉系统记录行走过程中球的Marker动态空间坐标，数据记录频率为200帧；

其中，本发明实施例的运动轨迹数据指的是利用运动捕捉获得的体表标志点的空间运动坐标数据(X,Y,Z)，其数据捕捉频率大于60Hz。

E，通过步态分析软件导出空间运动数据(每个点均有随着时间变化的X,Y,Z点信息)，即每个Marker的三维坐标动态数据；

其中，假设模型的初始点为x0，y0，z0，那么运动之后，得到x1，y1，z1，

那么x1，y1，z1和x0，y0，z0之间可以满足如下关系式：

[x1，y1，z1]＝R*[x0，y0，z0]+T

其中R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵。

F，重建的骨性三维模型和动态运动数据导入Matlab软件，执行上述在体运动检测及分析方法，运行后获得运动的骨性三维模型，并利用动态三维模型分析运动过程中坐骨股骨间隙。

具体地，本发明实施例的关节内面与面的距离计算是基于stl模型计算获得，stl模型的每个三角面片均有三个坐标点，计算组成关节的两个骨的所有三角面片坐标点的点与点最近距离，即三角面片的最近距离，可代表关节内骨面与骨面的最小距离。动态位置关系以坐骨股骨撞击综合征为例，我们重点关注坐骨与股骨小转子间的动态距离。

综上所述，本发明实施例采用Sint的贴点方式，利用鱼肝油胶囊作为标记点分别标记骨盆和股骨，MRI扫描机器为飞利浦核磁共振仪1.5T，扫描范围:骨盆上缘至股骨小转子下缘，，扫描层厚为2mm。在MRI扫描机工作站中分别选择T1加权的TSE和FSE的连续图像导出，导出数据为Dicom格式。将Dicom数据导入到Mimics软件中，使用“阈值分割(thresholding)”灰度调为骨窗，进行图像分割；使用“区域增长(region growing)”选择腰椎骨性结构，分割出骨性结构和其他结构；使用“编辑蒙版(Edit Masks)”逐层填补缺失结构或删除多余蒙版，并用此工具分割不同节段腰椎。最终获得骨盆和股骨的三维重建模型。佩戴mark球的志愿者，再进行大步伐行走，利用Qualisys运动捕捉系统记录行走过程中标记点空间坐标，数据记录频率为200帧，通过步态分析软件导出空间运动数据，即每个Marker点的三维坐标动态数据。重建的骨性三维模型和动态运动数据导入Matlab软件，执行上述在体运动检测及分析方法后，获得运动的骨性三维模型，并利用动态三维模型分析运动过程中坐骨股骨间隙的变化，初步建立动态髋关节模型。

可以理解的是，本发明实施例的该方法适用于所有关节，本发明仅以髋关节举例说明。

相较于现有技术，本发明能够对三维骨性模型进行真实运动轨迹的拟合，建立运动在体运动检测方法，通过影像学数据及步态数据即可获得三维运动模型，并利用该模型分析计算关节内的运动学数据，从而便于诊断关节相关疾病。该方法建立在常规的影像学检查和步态检查的基础上，利用算法建立融合新的方法，能达到在体运动分析的目的，方法简便可行，为运动医疗提供了新的检测方案。

本发明实施例还提供了一种在体运动检测及分析装置，包括：

三维重建模块，用于对在体对象进行三维重建，得到三维模型数据；

轨迹获取模块，用于获取所述在体对象的运动轨迹数据；

矩阵确定模块，用于根据所述三维模型数据和所述运动轨迹数据，确定动态旋转矩阵；

初始化模块，用于将所述在体对象的三维模型移动到运动轨迹的初始点；

运行模块，用于将所述在体对象的三维模型按照运动轨迹运行；

计算模块，用于计算所述在体对象的关节内面与面之间的目标距离；

分析模块，用于根据所述目标距离，确定所述在体对象的关节内骨动态位置信息。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。