三维图像配准及坐标变换膝关节运动分析在机构学中的应用
王建平1
张晓辉1
余进伟2
魏绍亮1
张新民1
许幸新1
曲海军1
1.河南理工大学机械与动力工程学院,河南省焦作市 4540032.河南理工大学第一附属医院骨科,河南省焦作市 454003
摘要：背景:对膝关节各组织的运动过程、运动数据、运动机制的研究,有助于根据其运动特性及生物力学特征,设计、改进膝关节假体,改善膝关节运动功能,以及避免运动损伤、提高运动成绩和延长运动寿命.膝关节的运动数据是研究其力学特性的基础.目的:根据膝关节的三维几何模型,求解膝关节在不同屈曲角度时胫股关节、髌股关节的运动数据,为机器人等空间复杂机构的运动分析、人工假体的力学分析及其设计提供新的研究途径和参考方法.方法:首先,采用CT数据得到人体静态下屈曲0-120°范围膝关节典型相位的三维点云;其次,提出将三维图像配准和坐标变换相结合的方法以精确分析膝关节的相对运动.将不同屈曲位的膝关节各部分如股骨、胫骨、髌骨三维图像及其坐标放在同一坐标系下,分别建立膝关节各骨组织的正交坐标系,通过绕运动坐标系的Z-Y-X欧拉角方法进行坐标变换来研究膝关节的运动.结果 与结论:①分别得到了膝关节屈曲0-120°范围内的胫股关节、髌股关节在5个自由度下的运动数据,为膝关节的力学特性及假体设计的研究提供支撑,适用于机构学中复杂运动形态运动副的运动分析;②该研究所提出的方法基于多静态离散医学影像进行人体运动的测量和分析,既能够利用既有的CT扫描设备和现有软件,设备成本低、方法简单易学;同时获得较高的测量精度,其精度误差小于1 mm.
关键词：运动分析机构学三维图像处理图像配准坐标变换膝关节运动测量生物力学
分类号：R459.9(治疗学)R318(医用一般科学)R684.7(骨科学（运动系疾病、矫形外科学）)
资助基金：国家自然科学基金(31370999)河南省高等教育教学改革研究项目(2019SJGLX056)河南省高等教育教学改革研究项目(2012SJGLX127)河南省高等教育教学改革研究项目(2019SJGLX017Y)
论文发表日期：2022-04-21
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：5( 1922-1926 )
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