專利名稱：測定空間坐標的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測定空間坐標的方法，其中在一生物體上設置至少兩個標記并且用至少兩個立體排布的攝像機測定這些標記的空間坐標。此外，本發(fā)明還涉及借助光學立體測量系統(tǒng)而實現(xiàn)的醫(yī)用定量長度及角度測量方法。
背景技術：
目前，每年有超過1300000的人工髖關節(jié)(以兩位數(shù)的增長率)用于患者。這種干預的目標是力求在置入關節(jié)替代物后能再度達到原始腿長或生物力學意義上的最佳腿長。實踐中如果矯形外科醫(yī)生具有相應的技巧和經(jīng)驗并且患者的人體構造符合要求，這個目標是可以達到的。在此過程中，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，或者以踝關節(jié)的特定部位為依據(jù)。但這類干預大多還沒有合適的裝置可用來測量腿長。因此，具體干預時仍依賴于矯形外科醫(yī)生的目測評估。目前可供使用的導航系統(tǒng)原則上可以完成這項任務。但導航系統(tǒng)的使用和操作比較復雜，其人體工學設計也不太理想。另外，許多手術室也未配備導航系統(tǒng)。治療師和按摩醫(yī)師主要借助照片和/或測長儀或測角儀等測量設備記錄患者狀態(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、治療師和具備相應醫(yī)學知識的其他人員。所謂的使用者也可以是為醫(yī)療人員實施測量操作的工作人員。

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單的方式對生物體進行測量的方法。本發(fā)明用來達成上述目的的解決方案為一種將所述標記的空間坐標與參照物進行比較以及計算并輸出偏差的同類型方法。從屬權利要求涉及的是有益實施方案。本發(fā)明的出發(fā)點是為測量系統(tǒng)的使用者提供簡單而便于操作的方法。如此一來，使用者就能快速而可靠地完成為其提供支持的測量任務。測量結(jié)果可以在情況評估方面以及在實施后續(xù)操作步驟或編制文檔時為使用者提供幫助。在此情況下，所述參照物或者是先前測量所提供的描述先前狀態(tài)的數(shù)據(jù)集，或者是描述目標結(jié)果或中間狀態(tài)的目標數(shù)據(jù)集。在下文中，光學立體測量系統(tǒng)(簡稱測量系統(tǒng))指的是攝像機系統(tǒng)與參考標記(簡稱標記)的組合。這種測量系統(tǒng)屬于現(xiàn)有技術。下面對該測量系統(tǒng)的特性作進一步介紹，以便闡明本發(fā)明方法的基本構思。所述攝像機系統(tǒng)由至少兩個立體定向的攝像機以及用于圖像數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出的構件構成。
所述攝像機系統(tǒng)檢測標記，借助已知的攝像機圖像分析方法分析圖像數(shù)據(jù)，借助已知的攝影測量方法測定所述標記在該攝像機系統(tǒng)的坐標系中的空間位置，并且將標記之間的期望距離和/或距離之間的角度提供給使用者。所述攝像機系統(tǒng)可固定整合在治療室的設施中。作為替代方案，可將攝像機系統(tǒng)安裝在移動式支架上。該攝像機系統(tǒng)可被定向成使得例如攝像機坐標系的一個坐標軸平行于垂直線。這樣就能對例如兩個標記相對于水平線的偏差進行定量測量。作為替代方案，可以讓未定向的攝像機系統(tǒng)借助已知的攝像機圖像分析方法以對象為準進行相應定向。這樣的對象例如可以是設有標記的傾斜參考平面。所述攝像機系統(tǒng)也可以是移動式的，可手持操作。所述標記由使用者設置在患者的生物力學最佳部位和/或解剖學合理部位上或這些部位的附近，或者設置在對象上。舉例而言，所述標記可以是用氈頭筆畫在皮膚上的小的圓、叉或線條，直接位于顯著的骨頭部分之間或上方。也可以在皮膚上設置可移除的紋身作為標記，或者使用帶有或不帶有攝影測量技術領域所采用的標記識別編碼的粘貼式標記。對生物體所實施的治療行為會導致皮膚上的標記在治療過程中發(fā)生相對于顯著骨頭部分的位移。這些標記也有可能在治療期間被擦掉。發(fā)生這種情況時，使用者可以對標記進行修補。實踐中使用前述測量設備進行工作，使用者在患者身上的適當位置設置標記并且用該測量設備測定這些標記的空間坐標以及這些標記之間以線段或角度形式存在的相互關系。所述測量有助于定量測定某一狀態(tài)，以便能據(jù)此作出診斷。所述測量還有助于在特定的治療干預或外科手術前后定量測定某一狀態(tài)。使用者可將測量結(jié)果用于文檔編制。總的發(fā)明構思是一種伴隨醫(yī)療干預和治療措施而實施的測量方法，其使用光學攝像機系統(tǒng)，該攝像機系統(tǒng)包括至少兩個立體排布的攝像機和至少兩個設置在生物體的適當位置上的標記，這種方法至少在對該生物體進行治療的前后用所述光學攝像機系統(tǒng)檢測這些標記，測定這些圖形在攝像機坐標系中的三維坐標，并且將這些三維坐標以適當?shù)男问教峁┙o使用者。所述方法優(yōu)選包括對一被固定安裝的攝像機系統(tǒng)的使用。根據(jù)本發(fā)明的其它技術方案，可以使用移動式攝像機系統(tǒng)。根據(jù)一種特別有益的技術方案，所述方法涉及髖部手術。其它應用領域有脊柱手術、按摩療法或治療處遇(therapeutische Behandlung)以及人體部位的活動性測量。


下面借助實施例并參照附圖對本發(fā)明作不限制總的發(fā)明構思的示范性說明，凡說明書中未詳細闡述的發(fā)明細節(jié)，在附圖中皆有明確揭示。其中 圖1為用兩個標記和對準垂直線的攝像機系統(tǒng)測量骨盆定向的示意圖；圖2為用兩個標記測量手的活動性的示意圖；圖3為用三個標記測量臂的活動性的示意圖4為用四個標記測量臂的活動性的示意圖；圖5為用多個標記測量脊柱的示意圖；圖6為髖關節(jié)手術過程中患者、攝像機系統(tǒng)和四個標記的示意圖；圖7為針對髖關節(jié)手術已達到最佳定向的患者與測量技術相關的區(qū)域的干預前示意圖；圖8為髖關節(jié)手術后處于非最佳定向狀態(tài)的患者與測量技術相關的區(qū)域在某些操作步驟之后的示意圖；及圖9為在髖關節(jié)手術中處于最佳定向狀態(tài)且腿長最終有所縮短的患者與測量技術相關的區(qū)域在某些操作步驟之后的示意圖。
具體實施例方式圖1為對一名直立患者I的骨盆2的定向進行測量的示意圖?；颊逫的皮膚上有兩個之前由使用者3直接設置在兩塊特定的骨盆骨附近的標記A和B。支架5上的測量系統(tǒng)4對準患者1，并且使得例如攝像機坐標系9的z軸平行于垂直線6，原點10與兩個標記A和B大致等聞。使用者3測量標記A和B的 空間坐標。測量系統(tǒng)借此計算出標記A和B的水平距離7和高度差8。當骨盆水平定向時，高度差8相對于距離7就會變得非常小。舉例而言，高度差8在雙腿長度不等的情況下可為數(shù)厘米。圖2為用兩個標記測量手11的活動性的示意圖，其中標記A設在食指12的指尖，標記B設在大拇指13的指尖。這一測量不必對該圖中未繪示的測量系統(tǒng)進行專門定向，因為在本實施例中，使用者只需要知道標記A和B之間的距離14。圖3為用三個標記測量臂20的活動性的示意圖，其中標記A是設在上臂21的一個圓，標記B和C是分別設在肘22和前臂23的一個叉。AB線段25與BC線段26之間的角度24可以用來度量活動性。這一測量不必使該圖中未繪示的測量系統(tǒng)例如對準垂直線。圖4為用四個標記測量臂30的活動性的示意圖，其中標記A和B是設在上臂31的圓，標記C和D是設在前臂33的叉。AB線段35與⑶線段36之間的角度34可以用來度量活動性。這一測量不必使該圖中未繪示的測量系統(tǒng)例如對準垂直線。圖5為用多個標記A、B、C、D、…Z為直立患者40測量脊柱42形狀的示意圖,所述標記例如直接設置在椎骨棘突上方的背部41皮膚上。實施這一測量時，可對該圖中未繪示的測量系統(tǒng)進行關于垂直線的定向。測得標記的坐標經(jīng)預處理后被提供給使用者。圖6為髖關節(jié)手術時患者51、測量系統(tǒng)54、57、58和四個標記A、B、C、D的示意圖?；颊?1以對于使用者52而言的最佳定向躺在手術臺53上。攝像機系統(tǒng)54在測量過程中位于標記A、B、C、D上方。這個攝像機系統(tǒng)54固定地安裝在手術臺53上方。攝像機系統(tǒng)54所檢測到的圖像通過通信連接58被傳輸給包含計算單元和屏幕的模塊57，相應結(jié)果被提供給使用者52。圖7為手術相關區(qū)域的示意圖。使用者在干預前例如用氈頭筆將四個標記A、B、C和D畫在患者60皮膚上從生物力學和/或解剖學角度對于該患者而言的正確位置上。使用者可以如此來選擇這些位置，使得本發(fā)明的方法能夠為他的慣用操作方式提供支持。A和C這兩個點位于突出骨盆骨(髂前上棘)上方的皮膚上。B和D兩個點畫在踝關節(jié)的適當部位附近的皮膚上。點65和66是髖關節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。支點65通常位于AB線段附近。支點66通常位于⑶線段附近?；颊叩淖笥彝裙?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τ谑褂谜叨缘淖罴焉锪W定向以及采用上述標記位置的結(jié)果是形成鏡像對稱，這對于測量結(jié)果的分析是有用的，也是合理的。借此可測定以下線段及角度關系通常情況下，四個標記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對角線段大體等長。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。本實施例將AB和CD線段定義為腿長。由此使得圖7中所繪示的第一次測量時所測定的AB、AC、AD、⑶、CB和BD六條線段以及四個角度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角度67、68、69、70的情況下，通
過將干預后所實施的第二次測量與第一次測量進行比較，可對干預引起的腿長變化進行數(shù)學描述。舉例而言，如果接受手術的是左髖，矢量CD的長度就會相對于第一次測量發(fā)生變化。腿長變化基本為CD線段的干預前后之差。此外，AD和CB這兩條對角線段以及兩個角度67和68描述的是測量時患者在手術臺上的定向?；颊呦鄬τ跀z像機系統(tǒng)的空間位置和姿勢不必與第一次測量時相同。干預后測量時力求讓患者達到大體與第一次測量時相同的最佳生物力學定向。如此可計算出干預引起的腿長變化。通過分析得知患者的生物力學定向在兩次測量間的細微差異，計算腿長變化時將此差異考慮在內(nèi)。圖8為處于非最佳定向狀態(tài)的患者在干預后左腿長度未發(fā)生變化時的標記位置示意圖。患者的非最佳定向 例如表現(xiàn)在AD和BC對角線段的不等長上，這是因為BD線段長度發(fā)生變化以及角度77、78、79、80發(fā)生變化而引起的。使用者進行測量和干預質(zhì)量評估時可以借助這些信息使患者達到最佳定向。圖9為處于最佳定向狀態(tài)但腿82的長度因干預而變短的患者的標記位置示意圖。干預未達最佳效果這一情況表現(xiàn)在AD和BC對角線段的不等長上，這是因為BD線段長度發(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一步的干預過程中針對這一情況作出調(diào)整和必要的校正。干預結(jié)束時可對患者進行最后一次測量。這次測量可為使用者起到干預質(zhì)量控制的作用?？蓪z測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節(jié)手術。凡是因醫(yī)療行為引發(fā)的生物力學變化，均可借助測量技術按上述方法加以測定，并且將分析結(jié)果提供給使用者。所述測量包含一次或一系列的立體攝影，在此過程中，使用者以恰當方式治療、移動或轉(zhuǎn)移患者，或者需要患者移動某些身體部位。重要的應用領域有脊柱外科、按摩療法以及如脊柱、腕關節(jié)、指關節(jié)、踝關節(jié)或肩關節(jié)等人體部位的活動性檢驗與測量。本發(fā)明的另一應用領域例如是醫(yī)治過程中對術后治療的控制和/或改進。
權利要求
1.一種測定空間坐標的方法，其中在一生物體上設置至少兩個標記并且用至少兩個立體排布的攝像機測定所述這些標記的空間坐標，其特征在于，將所述標記的空間坐標與參照物進行比較，以及計算并輸出偏差。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，至少在所述標記之間的距離因所述生物體得到治療而發(fā)生變化的前后測定所述空間坐標。
3.如權利要求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.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，治療過程中在所述生物體上設置其它標記。
5.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述空間坐標計算兩個標記之間的距離變化。
6.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述空間坐標計算三個標記之間的角度變化。
7.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將所述標記設置在所述生物體的皮膚上。
8.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將所述標記設置在所述生物體的簡明骨點上方。
9.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過與參照物進行比較來測定長度變化或角度變化。
10.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過與所述攝像機所檢測到的已知數(shù)值進行比較來測定絕對長度。
11.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述攝像機靜止地布置在空間中。
12.如上述權利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，所述攝像機固定相連，但可移動地布置在空間中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測定空間坐標的方法，其中在一生物體上設置至少兩個標記并且用至少兩個立體排布的攝像機測定所述這些標記的空間坐標，其中，將所述標記的空間坐標與參照物進行比較，以及計算并輸出偏差。此外，本發(fā)明還涉及借助光學立體測量系統(tǒng)而實現(xiàn)的醫(yī)用定量長度及角度測量方法。
文檔編號A61B5/107GK103037797SQ201180034522
公開日2013年4月10日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權日2010年7月15日
發(fā)明者布魯諾·諾伯爾, 查爾斯·芬德森 申請人:奈威司維斯股份公司