專利名稱：測(cè)定空間坐標(biāo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)定空間坐標(biāo)的方法，其中在一生物體上設(shè)置至少兩個(gè)標(biāo)記并且用至少兩個(gè)立體排布的攝像機(jī)測(cè)定這些標(biāo)記的空間坐標(biāo)。此外，本發(fā)明還涉及借助光學(xué)立體測(cè)量系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的醫(yī)用定量長(zhǎng)度及角度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
目前，每年有超過(guò)1300000的人工髖關(guān)節(jié)(以兩位數(shù)的增長(zhǎng)率)用于患者。這種干預(yù)的目標(biāo)是力求在置入關(guān)節(jié)替代物后能再度達(dá)到原始腿長(zhǎng)或生物力學(xué)意義上的最佳腿長(zhǎng)。實(shí)踐中如果矯形外科醫(yī)生具有相應(yīng)的技巧和經(jīng)驗(yàn)并且患者的人體構(gòu)造符合要求，這個(gè)目標(biāo)是可以達(dá)到的。在此過(guò)程中，矯形外科醫(yī)生依據(jù)的例如是表征性的骨頭部分如股骨或骨盆，或者以踝關(guān)節(jié)的特定部位為依據(jù)。但這類干預(yù)大多還沒(méi)有合適的裝置可用來(lái)測(cè)量腿長(zhǎng)。因此，具體干預(yù)時(shí)仍依賴于矯形外科醫(yī)生的目測(cè)評(píng)估。目前可供使用的導(dǎo)航系統(tǒng)原則上可以完成這項(xiàng)任務(wù)。但導(dǎo)航系統(tǒng)的使用和操作比較復(fù)雜，其人體工學(xué)設(shè)計(jì)也不太理想。另外，許多手術(shù)室也未配備導(dǎo)航系統(tǒng)。治療師和按摩醫(yī)師主要借助照片和/或測(cè)長(zhǎng)儀或測(cè)角儀等測(cè)量設(shè)備記錄患者狀態(tài)和/或治療效果。 下文所稱的使用者指的是外科醫(yī)生、矯形外科醫(yī)生、按摩醫(yī)師、治療師和具備相應(yīng)醫(yī)學(xué)知識(shí)的其他人員。所謂的使用者也可以是為醫(yī)療人員實(shí)施測(cè)量操作的工作人員。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠以快速而簡(jiǎn)單的方式對(duì)生物體進(jìn)行測(cè)量的方法。本發(fā)明用來(lái)達(dá)成上述目的的解決方案為一種將所述標(biāo)記的空間坐標(biāo)與參照物進(jìn)行比較以及計(jì)算并輸出偏差的同類型方法。從屬權(quán)利要求涉及的是有益實(shí)施方案。本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是為測(cè)量系統(tǒng)的使用者提供簡(jiǎn)單而便于操作的方法。如此一來(lái)，使用者就能快速而可靠地完成為其提供支持的測(cè)量任務(wù)。測(cè)量結(jié)果可以在情況評(píng)估方面以及在實(shí)施后續(xù)操作步驟或編制文檔時(shí)為使用者提供幫助。在此情況下，所述參照物或者是先前測(cè)量所提供的描述先前狀態(tài)的數(shù)據(jù)集，或者是描述目標(biāo)結(jié)果或中間狀態(tài)的目標(biāo)數(shù)據(jù)集。在下文中，光學(xué)立體測(cè)量系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱測(cè)量系統(tǒng))指的是攝像機(jī)系統(tǒng)與參考標(biāo)記(簡(jiǎn)稱標(biāo)記)的組合。這種測(cè)量系統(tǒng)屬于現(xiàn)有技術(shù)。下面對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的特性作進(jìn)一步介紹，以便闡明本發(fā)明方法的基本構(gòu)思。所述攝像機(jī)系統(tǒng)由至少兩個(gè)立體定向的攝像機(jī)以及用于圖像數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出的構(gòu)件構(gòu)成。
所述攝像機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)標(biāo)記，借助已知的攝像機(jī)圖像分析方法分析圖像數(shù)據(jù)，借助已知的攝影測(cè)量方法測(cè)定所述標(biāo)記在該攝像機(jī)系統(tǒng)的坐標(biāo)系中的空間位置，并且將標(biāo)記之間的期望距離和/或距離之間的角度提供給使用者。所述攝像機(jī)系統(tǒng)可固定整合在治療室的設(shè)施中。作為替代方案，可將攝像機(jī)系統(tǒng)安裝在移動(dòng)式支架上。該攝像機(jī)系統(tǒng)可被定向成使得例如攝像機(jī)坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)軸平行于垂直線。這樣就能對(duì)例如兩個(gè)標(biāo)記相對(duì)于水平線的偏差進(jìn)行定量測(cè)量。作為替代方案，可以讓未定向的攝像機(jī)系統(tǒng)借助已知的攝像機(jī)圖像分析方法以對(duì)象為準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)定向。這樣的對(duì)象例如可以是設(shè)有標(biāo)記的傾斜參考平面。所述攝像機(jī)系統(tǒng)也可以是移動(dòng)式的，可手持操作。所述標(biāo)記由使用者設(shè)置在患者的生物力學(xué)最佳部位和/或解剖學(xué)合理部位上或這些部位的附近，或者設(shè)置在對(duì)象上。舉例而言，所述標(biāo)記可以是用氈頭筆畫(huà)在皮膚上的小的圓、叉或線條，直接位于顯著的骨頭部分之間或上方。也可以在皮膚上設(shè)置可移除的紋身作為標(biāo)記，或者使用帶有或不帶有攝影測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域所采用的標(biāo)記識(shí)別編碼的粘貼式標(biāo)記。對(duì)生物體所實(shí)施的治療行為會(huì)導(dǎo)致皮膚上的標(biāo)記在治療過(guò)程中發(fā)生相對(duì)于顯著骨頭部分的位移。這些標(biāo)記也有可能在治療期間被擦掉。發(fā)生這種情況時(shí)，使用者可以對(duì)標(biāo)記進(jìn)行修補(bǔ)。實(shí)踐中使用前述測(cè)量設(shè)備進(jìn)行工作，使用者在患者身上的適當(dāng)位置設(shè)置標(biāo)記并且用該測(cè)量設(shè)備測(cè)定這些標(biāo)記的空間坐標(biāo)以及這些標(biāo)記之間以線段或角度形式存在的相互關(guān)系。所述測(cè)量有助于定量測(cè)定某一狀態(tài)，以便能據(jù)此作出診斷。所述測(cè)量還有助于在特定的治療干預(yù)或外科手術(shù)前后定量測(cè)定某一狀態(tài)。使用者可將測(cè)量結(jié)果用于文檔編制。總的發(fā)明構(gòu)思是一種伴隨醫(yī)療干預(yù)和治療措施而實(shí)施的測(cè)量方法，其使用光學(xué)攝像機(jī)系統(tǒng)，該攝像機(jī)系統(tǒng)包括至少兩個(gè)立體排布的攝像機(jī)和至少兩個(gè)設(shè)置在生物體的適當(dāng)位置上的標(biāo)記，這種方法至少在對(duì)該生物體進(jìn)行治療的前后用所述光學(xué)攝像機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)這些標(biāo)記，測(cè)定這些圖形在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并且將這些三維坐標(biāo)以適當(dāng)?shù)男问教峁┙o使用者。所述方法優(yōu)選包括對(duì)一被固定安裝的攝像機(jī)系統(tǒng)的使用。根據(jù)本發(fā)明的其它技術(shù)方案，可以使用移動(dòng)式攝像機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)一種特別有益的技術(shù)方案，所述方法涉及髖部手術(shù)。其它應(yīng)用領(lǐng)域有脊柱手術(shù)、按摩療法或治療處遇(therapeutische Behandlung)以及人體部位的活動(dòng)性測(cè)量。


下面借助實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明作不限制總的發(fā)明構(gòu)思的示范性說(shuō)明，凡說(shuō)明書(shū)中未詳細(xì)闡述的發(fā)明細(xì)節(jié)，在附圖中皆有明確揭示。其中 圖1為用兩個(gè)標(biāo)記和對(duì)準(zhǔn)垂直線的攝像機(jī)系統(tǒng)測(cè)量骨盆定向的示意圖；圖2為用兩個(gè)標(biāo)記測(cè)量手的活動(dòng)性的示意圖；圖3為用三個(gè)標(biāo)記測(cè)量臂的活動(dòng)性的示意圖4為用四個(gè)標(biāo)記測(cè)量臂的活動(dòng)性的示意圖；圖5為用多個(gè)標(biāo)記測(cè)量脊柱的示意圖；圖6為髖關(guān)節(jié)手術(shù)過(guò)程中患者、攝像機(jī)系統(tǒng)和四個(gè)標(biāo)記的示意圖；圖7為針對(duì)髖關(guān)節(jié)手術(shù)已達(dá)到最佳定向的患者與測(cè)量技術(shù)相關(guān)的區(qū)域的干預(yù)前示意圖；圖8為髖關(guān)節(jié)手術(shù)后處于非最佳定向狀態(tài)的患者與測(cè)量技術(shù)相關(guān)的區(qū)域在某些操作步驟之后的示意圖；及圖9為在髖關(guān)節(jié)手術(shù)中處于最佳定向狀態(tài)且腿長(zhǎng)最終有所縮短的患者與測(cè)量技術(shù)相關(guān)的區(qū)域在某些操作步驟之后的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1為對(duì)一名直立患者I的骨盆2的定向進(jìn)行測(cè)量的示意圖。患者I的皮膚上有兩個(gè)之前由使用者3直接設(shè)置在兩塊特定的骨盆骨附近的標(biāo)記A和B。支架5上的測(cè)量系統(tǒng)4對(duì)準(zhǔn)患者1，并且使得例如攝像機(jī)坐標(biāo)系9的z軸平行于垂直線6，原點(diǎn)10與兩個(gè)標(biāo)記A和B大致等聞。使用者3測(cè)量標(biāo)記A和B的 空間坐標(biāo)。測(cè)量系統(tǒng)借此計(jì)算出標(biāo)記A和B的水平距離7和高度差8。當(dāng)骨盆水平定向時(shí)，高度差8相對(duì)于距離7就會(huì)變得非常小。舉例而言，高度差8在雙腿長(zhǎng)度不等的情況下可為數(shù)厘米。圖2為用兩個(gè)標(biāo)記測(cè)量手11的活動(dòng)性的示意圖，其中標(biāo)記A設(shè)在食指12的指尖，標(biāo)記B設(shè)在大拇指13的指尖。這一測(cè)量不必對(duì)該圖中未繪示的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行專門定向，因?yàn)樵诒緦?shí)施例中，使用者只需要知道標(biāo)記A和B之間的距離14。圖3為用三個(gè)標(biāo)記測(cè)量臂20的活動(dòng)性的示意圖，其中標(biāo)記A是設(shè)在上臂21的一個(gè)圓，標(biāo)記B和C是分別設(shè)在肘22和前臂23的一個(gè)叉。AB線段25與BC線段26之間的角度24可以用來(lái)度量活動(dòng)性。這一測(cè)量不必使該圖中未繪示的測(cè)量系統(tǒng)例如對(duì)準(zhǔn)垂直線。圖4為用四個(gè)標(biāo)記測(cè)量臂30的活動(dòng)性的示意圖，其中標(biāo)記A和B是設(shè)在上臂31的圓，標(biāo)記C和D是設(shè)在前臂33的叉。AB線段35與⑶線段36之間的角度34可以用來(lái)度量活動(dòng)性。這一測(cè)量不必使該圖中未繪示的測(cè)量系統(tǒng)例如對(duì)準(zhǔn)垂直線。圖5為用多個(gè)標(biāo)記A、B、C、D、…Z為直立患者40測(cè)量脊柱42形狀的示意圖,所述標(biāo)記例如直接設(shè)置在椎骨棘突上方的背部41皮膚上。實(shí)施這一測(cè)量時(shí)，可對(duì)該圖中未繪示的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)于垂直線的定向。測(cè)得標(biāo)記的坐標(biāo)經(jīng)預(yù)處理后被提供給使用者。圖6為髖關(guān)節(jié)手術(shù)時(shí)患者51、測(cè)量系統(tǒng)54、57、58和四個(gè)標(biāo)記A、B、C、D的示意圖。患者51以對(duì)于使用者52而言的最佳定向躺在手術(shù)臺(tái)53上。攝像機(jī)系統(tǒng)54在測(cè)量過(guò)程中位于標(biāo)記A、B、C、D上方。這個(gè)攝像機(jī)系統(tǒng)54固定地安裝在手術(shù)臺(tái)53上方。攝像機(jī)系統(tǒng)54所檢測(cè)到的圖像通過(guò)通信連接58被傳輸給包含計(jì)算單元和屏幕的模塊57，相應(yīng)結(jié)果被提供給使用者52。圖7為手術(shù)相關(guān)區(qū)域的示意圖。使用者在干預(yù)前例如用氈頭筆將四個(gè)標(biāo)記A、B、C和D畫(huà)在患者60皮膚上從生物力學(xué)和/或解剖學(xué)角度對(duì)于該患者而言的正確位置上。使用者可以如此來(lái)選擇這些位置，使得本發(fā)明的方法能夠?yàn)樗膽T用操作方式提供支持。A和C這兩個(gè)點(diǎn)位于突出骨盆骨(髂前上棘)上方的皮膚上。B和D兩個(gè)點(diǎn)畫(huà)在踝關(guān)節(jié)的適當(dāng)部位附近的皮膚上。點(diǎn)65和66是髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。支點(diǎn)65通常位于AB線段附近。支點(diǎn)66通常位于⑶線段附近。患者的左右腿骨(股骨、脛骨、腓骨)62和61以及右腿63和左腿64在此作示意性繪示?；颊邔?duì)于使用者而言的最佳生物力學(xué)定向以及采用上述標(biāo)記位置的結(jié)果是形成鏡像對(duì)稱，這對(duì)于測(cè)量結(jié)果的分析是有用的，也是合理的。借此可測(cè)定以下線段及角度關(guān)系通常情況下，四個(gè)標(biāo)記A、B、C和D大體全都位于同一平面內(nèi)。在雙腳并攏的情況下，BD線段略短于AC線段。AC和BD線段大體相平行。AD和BC對(duì)角線段大體等長(zhǎng)。AB和AC線段之間的角度67大體等于AB和BD線段之間的角度68。AB和BD線段之間的角度69大體等于⑶和BD線段之間的角度70。本實(shí)施例將AB和CD線段定義為腿長(zhǎng)。由此使得圖7中所繪示的第一次測(cè)量時(shí)所測(cè)定的AB、AC、AD、⑶、CB和BD六條線段以及四個(gè)角度67、68、69、70成為初始位置的已知信息。在使用么83(^0、0)、08和80六條線段以及四個(gè)角度67、68、69、70的情況下，通
過(guò)將干預(yù)后所實(shí)施的第二次測(cè)量與第一次測(cè)量進(jìn)行比較，可對(duì)干預(yù)引起的腿長(zhǎng)變化進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。舉例而言，如果接受手術(shù)的是左髖，矢量CD的長(zhǎng)度就會(huì)相對(duì)于第一次測(cè)量發(fā)生變化。腿長(zhǎng)變化基本為CD線段的干預(yù)前后之差。此外，AD和CB這兩條對(duì)角線段以及兩個(gè)角度67和68描述的是測(cè)量時(shí)患者在手術(shù)臺(tái)上的定向?；颊呦鄬?duì)于攝像機(jī)系統(tǒng)的空間位置和姿勢(shì)不必與第一次測(cè)量時(shí)相同。干預(yù)后測(cè)量時(shí)力求讓患者達(dá)到大體與第一次測(cè)量時(shí)相同的最佳生物力學(xué)定向。如此可計(jì)算出干預(yù)引起的腿長(zhǎng)變化。通過(guò)分析得知患者的生物力學(xué)定向在兩次測(cè)量間的細(xì)微差異，計(jì)算腿長(zhǎng)變化時(shí)將此差異考慮在內(nèi)。圖8為處于非最佳定向狀態(tài)的患者在干預(yù)后左腿長(zhǎng)度未發(fā)生變化時(shí)的標(biāo)記位置示意圖?；颊叩姆亲罴讯ㄏ?例如表現(xiàn)在AD和BC對(duì)角線段的不等長(zhǎng)上，這是因?yàn)锽D線段長(zhǎng)度發(fā)生變化以及角度77、78、79、80發(fā)生變化而引起的。使用者進(jìn)行測(cè)量和干預(yù)質(zhì)量評(píng)估時(shí)可以借助這些信息使患者達(dá)到最佳定向。圖9為處于最佳定向狀態(tài)但腿82的長(zhǎng)度因干預(yù)而變短的患者的標(biāo)記位置示意圖。干預(yù)未達(dá)最佳效果這一情況表現(xiàn)在AD和BC對(duì)角線段的不等長(zhǎng)上，這是因?yàn)锽D線段長(zhǎng)度發(fā)生變化以及角度88、89、90發(fā)生變化而引起的。使用者可以借助這些信息在進(jìn)一步的干預(yù)過(guò)程中針對(duì)這一情況作出調(diào)整和必要的校正。干預(yù)結(jié)束時(shí)可對(duì)患者進(jìn)行最后一次測(cè)量。這次測(cè)量可為使用者起到干預(yù)質(zhì)量控制的作用?？蓪z測(cè)到的圖像和分析記錄歸檔以作后用。本發(fā)明不僅只適用于髖關(guān)節(jié)手術(shù)。凡是因醫(yī)療行為引發(fā)的生物力學(xué)變化，均可借助測(cè)量技術(shù)按上述方法加以測(cè)定，并且將分析結(jié)果提供給使用者。所述測(cè)量包含一次或一系列的立體攝影，在此過(guò)程中，使用者以恰當(dāng)方式治療、移動(dòng)或轉(zhuǎn)移患者，或者需要患者移動(dòng)某些身體部位。重要的應(yīng)用領(lǐng)域有脊柱外科、按摩療法以及如脊柱、腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)或肩關(guān)節(jié)等人體部位的活動(dòng)性檢驗(yàn)與測(cè)量。本發(fā)明的另一應(yīng)用領(lǐng)域例如是醫(yī)治過(guò)程中對(duì)術(shù)后治療的控制和/或改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)定空間坐標(biāo)的方法，其中在一生物體上設(shè)置至少兩個(gè)標(biāo)記并且用至少兩個(gè)立體排布的攝像機(jī)測(cè)定所述這些標(biāo)記的空間坐標(biāo)，其特征在于，將所述標(biāo)記的空間坐標(biāo)與參照物進(jìn)行比較，以及計(jì)算并輸出偏差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少在所述標(biāo)記之間的距離因所述生物體得到治療而發(fā)生變化的前后測(cè)定所述空間坐標(biāo)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物體治療前的空間定位不同于治療后。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，治療過(guò)程中在所述生物體上設(shè)置其它標(biāo)記。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述空間坐標(biāo)計(jì)算兩個(gè)標(biāo)記之間的距離變化。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述空間坐標(biāo)計(jì)算三個(gè)標(biāo)記之間的角度變化。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述標(biāo)記設(shè)置在所述生物體的皮膚上。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述標(biāo)記設(shè)置在所述生物體的簡(jiǎn)明骨點(diǎn)上方。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)與參照物進(jìn)行比較來(lái)測(cè)定長(zhǎng)度變化或角度變化。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)與所述攝像機(jī)所檢測(cè)到的已知數(shù)值進(jìn)行比較來(lái)測(cè)定絕對(duì)長(zhǎng)度。
11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述攝像機(jī)靜止地布置在空間中。
12.如上述權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述攝像機(jī)固定相連，但可移動(dòng)地布置在空間中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)定空間坐標(biāo)的方法，其中在一生物體上設(shè)置至少兩個(gè)標(biāo)記并且用至少兩個(gè)立體排布的攝像機(jī)測(cè)定所述這些標(biāo)記的空間坐標(biāo)，其中，將所述標(biāo)記的空間坐標(biāo)與參照物進(jìn)行比較，以及計(jì)算并輸出偏差。此外，本發(fā)明還涉及借助光學(xué)立體測(cè)量系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的醫(yī)用定量長(zhǎng)度及角度測(cè)量方法。
文檔編號(hào)A61B5/107GK103037797SQ201180034522
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者布魯諾·諾伯爾, 查爾斯·芬德森 申請(qǐng)人:奈威司維斯股份公司