用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法技术方案

一种用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法，包括小腿及足部节段的划分方法和标记系统的设计。根据人体小腿、足部骨骼和关节的解剖学形态把小腿及足部划分为小腿、足跟、舟骨、骰骨、楔骨、内侧跖部、外侧跖部、大拇趾、第二趾、第三趾、第四趾和第五趾12个节段，可以较为全面地研究小腿和足部关节运动。标记系统包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统，用于确定各节段运动的技术坐标系和关键解剖学位置点。根据每个节段的大小和形状，设计了不同的技术标记点簇系统。本发明专利技术所提出的标记系统包括防丢点、防掉点的标记点和标记点簇，且具有较好人体贴合性，可以有效提高捕捉精度。可以有效提高捕捉精度。可以有效提高捕捉精度。

【技术实现步骤摘要】
用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法


[0001]本专利技术涉及三维运动捕捉分析领域，具体涉及用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法。

技术介绍

[0002]分析人体关节运动规律，揭示人体运动现象及其本质，可以为人体关节你系统的临床诊断、运动康复等领域提供重要的科学依据。人体足部骨骼较多，共有26块骨骼，33个关节，骨骼体积较小且形状不规则，因此准确、有效量化小腿及足部关节在正常生理运动过程中的运动学特征极具挑战。
[0003]文献调研表明，当前研究人体关节运动常用的方法是使用红外光学运动捕捉系统，其利用红外反光材料做成标记点贴在待测部位，测试时，远红外摄像机发出的红外线使人体上粘贴的标记点成为非常明显的亮点，再通过相机捕捉这些点的空间轨迹可以测算人体各节段和关节的三维运动。此方法研究人体关节运动的前提是应用人体系统多刚体模型把人体骨骼或关节划分为若干个刚性节段，在三维运动分析中，这些节段被建模为部件之间没有约束的刚体，通过在每个节段建立局部坐标系，来计算相邻骨骼或关节之间的相对运动。
[0004]现有基于光学三维运动捕捉技术对人体腿足关节运动的研究多是将人体足部粗略的分为几个简单节段进行分析，如吉林大学赵国如等人将人体小腿及足部划分为小腿、足背和足跟三部分，吉林大学钱志辉等人将人体小腿及足部划分为小腿、足后部、足中部、足前部外侧、足前部内侧和足趾部6个部分。这些研究主要基于多刚体模型将足部划分为较简单的几个节段，由于人体足部具有33个关节，其中还具有一些非规则形状的骨骼组成的小关节，目前已有的划分方法均无法对其运动规律进行细致的分析，进而严重限制了对人体足部骨骼及关节运动进行精细的研究。同时，现有的人体关节运动学实验多采用塑料球包覆反光材料做成反光球，直接贴在皮肤的表面或采用塑料基板贴在皮肤表面并在基板上粘贴反光球，经常出现由于身体某一部位遮挡造成丢点问题或基板与人体表面不能较好地贴合引起较大误差。此外，采用双面胶与皮肤表面连接，还容易出现掉点问题。
[0005]因此，亟需对人体小腿和足部骨骼和关节进行更多节段精细划分，并在此基础上开发一种与人体表面具有较好贴合性且能有效减少丢点或掉点的标记系统，以减小实验误差和方便实验操作，进而实现对人体小腿及足部骨骼和关节精细运动的全面深入分析。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决
技术介绍
中存在的问题，而提供一种用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统及小腿及足部节段的划分方法。本专利技术可以较为全面的研究腿足关节运动。对每个节段都设计了一种具有较好人体贴合性的仿生曲面卡环、基板或趾套，可以有效提高捕捉精度。并根据卡环、基板或趾套设计了具有防丢点、防掉点的标记点或标记点
簇，并在关键解剖学特征处放置独立标记点，便于局部坐标系的建立。
[0007]用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统，包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统。技术标记点簇系统用于标记小腿及足部各节段的运动，确定各节段运动的技术坐标系；解剖学标记点系统用于标记小腿及足部节段的关键解剖学位置点，便于建立解剖学局部坐标系。
[0008]所述技术标记点簇系统包括小腿标记点簇系统、足跟标记点簇系统、舟骨标记点簇系统、骰骨标记点簇系统、楔骨标记点簇系统、内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统。
[0009]所述小腿标记点簇系统由左卡环、右卡环、内卡环、球头螺栓和海绵垫组成，用于标记小腿节段的运动。左卡环和右卡环均为半圆环，之间有圆柱销连接，左卡环和右卡环可绕圆柱销转动一定角度，在左卡环和右卡环的前部均设有连接耳部，可配合螺栓和蝶形螺母进行连接；所述左卡环和右卡环组成的圆环四周均匀布置四个螺纹孔，球头螺栓通过螺纹孔与内卡环上的连接件进行连接，所述连接件与内卡环为一体式结构，球头螺栓底端有环形槽，连接件上设有连接孔，环形槽与连接孔相适配，使得球头螺栓可以相对连接件转动，球头螺栓顶端的球头外表面包覆反光纸，捕捉球头的运动来表示小腿的运动；四个均匀分布的内卡环内侧与海绵垫粘结，所述海绵垫与人体小腿皮肤贴合；所述左卡环、右卡环、内卡环和球头螺栓均采用高强度轻质塑料制作。
[0010]所述足跟标记点簇系统由足跟基板、局部海绵垫、大号反光球和球座组成，用于标记足跟节段的运动。所述足跟基板整体呈“Ω”型。足跟基板内表面的顶部和左右底部各有一块局部海绵垫，顶部的局部海绵垫与距骨头上面皮肤粘贴，底部的局部海绵垫与跟骨内侧面和外侧面的中凹部粘贴；足跟基板的顶部和两侧下方三分之一处均设有插孔，球座的下部为球座腿，球座腿采用软金属材料，且可以插入足跟基板的插孔，插入插孔后可以向两侧展平，使球座腿与足跟基板的内表面贴合；球座上部为球座磁铁，大号反光球底部固定有连接磁铁，异名磁极的球座磁铁和连接磁铁相吸引，使足跟基板和大号反光球紧密连接。所述足跟基板和大号反光球均采用轻质塑料制作，大号反光球底部与连接磁铁采用强力胶粘贴。
[0011]所述舟骨标记点簇系统由舟骨基板和树杈标记点簇组成，用于标记舟骨的运动；舟骨基板呈半月形，与人体足部内侧舟骨表面具有较好的贴合性。树杈标记点簇呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球，三个小号反光球的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；舟骨基板外表面的中心固定有基座磁铁，主干底部设有连接磁铁，异名磁极的基座磁铁和连接磁铁相吸引，使舟骨基板和树杈标记点簇紧密连接。所述舟骨基板和树杈标记点簇均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇的主干与连接磁铁采用强力胶粘贴。
[0012]所述骰骨标记点簇系统由骰骨基板和树杈标记点簇组成，用于标记骰骨的运动。骰骨基板表面呈四边形且有一定弯曲，与人体足部外侧骰骨表面具有较好的贴合性。树杈标记点簇呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球，三个小号反光球的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；骰骨基板外表面的中心设有基座磁铁，主干底部设有连接磁铁，异名磁极的基座磁铁和连接磁铁相吸引，使骰骨基板和树杈标记点簇紧密连接；所述骰骨基板和树杈标记点簇均采用轻质塑料制作，树杈标记
点簇的主干与连接磁铁采用强力胶粘贴。
[0013]所述楔骨标记点簇系统由楔骨基板、中号反光球和球座组成，用于标记楔骨的运动；楔骨基板呈拱形，其截面所对应圆心角为150
°
，拱形采用仿生曲面，与人体足部内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨所构成的拱形结构具有较好的贴合性；在楔骨基板的顶点处和左右下端均设有插孔，球座腿采用软金属材料，且可以插入楔骨基板的插孔，插入插孔后可以向两侧展平，使球座腿与楔骨基板的内表面贴合，从而将楔骨基板和球座连接稳固。球座上端设有球座磁铁，中号反光球下端设有连接磁铁，异名磁极的球座磁铁和连接磁铁相吸引，从而使中号反光球与楔骨基板稳定连接；所述楔骨基板和中号反光球均采用轻质塑料制作，中号反光球底部与连接磁铁采用强力胶粘贴。
[0014]所述内侧跖部标记点簇系统由内侧跖部基板和四本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于人体腿足多关节精细运动分析的标记系统，其特征在于：包括技术标记点簇系统和解剖学标记点系统；技术标记点簇系统包括小腿标记点簇系统、足跟标记点簇系统、舟骨标记点簇系统、骰骨标记点簇系统、楔骨标记点簇系统、内侧跖部标记点簇系统、外侧跖部标记点簇系统和足趾标记点簇系统；所述小腿标记点簇系统由左卡环(1)、右卡环(2)、内卡环(3)、球头螺栓(4)和海绵垫(5)组成；左卡环(1)和右卡环(2)均为半圆环，之间有圆柱销(6)连接，左卡环(1)和右卡环(2)可绕圆柱销(6)转动一定角度，在左卡环(1)和右卡环(2)的前部均设有连接耳部(7)，可配合螺栓(8)和蝶形螺母(9)进行连接；左卡环(1)和右卡环(2)组成的圆环四周均匀布置四个螺纹孔(10)，球头螺栓(4)通过螺纹孔(10)与内卡环(3)上的连接件(11)进行连接，连接件(11)与内卡环(3)为一体式结构，球头螺栓(4)底端有环形槽(12)，连接件(11)上设有连接孔(13)，环形槽(12)与连接孔(13)相适配，使得球头螺栓(4)可以相对连接件(11)转动，球头螺栓(4)顶端的球头(14)外表面包覆反光纸；四个均匀分布的内卡环(3)内侧与海绵垫(5)粘结，海绵垫(5)与人体小腿(A)皮肤贴合；所述左卡环(1)、右卡环(2)、内卡环(3)和球头螺栓(4)均采用高强度轻质塑料制作；所述足跟标记点簇系统由足跟基板(15)、局部海绵垫(16)、大号反光球(17)和球座(18)组成；所述足跟基板(15)整体呈“Ω”型；足跟基板(15)内表面的顶部和左右底部各有一块局部海绵垫(16)，顶部的局部海绵垫(16)与距骨头上面皮肤粘贴，底部的局部海绵垫(16)与跟骨内侧面和外侧面的中凹部粘贴；足跟基板(15)的顶部和两侧下方三分之一处均设有插孔(19)，球座(18)的下部为球座腿(20)，球座腿(20)采用软金属材料，且可以插入足跟基板(15)的插孔(19)中，插入插孔(19)后可以向两侧展平，使球座腿(20)与足跟基板(15)的内表面贴合；球座(18)上部为球座磁铁(21)，大号反光球(17)底部固定有连接磁铁(22)，异名磁极的球座磁铁(21)和连接磁铁(22)相吸引，使足跟基板(15)和大号反光球(17)紧密连接；足跟基板(15)和大号反光球(17)均采用轻质塑料制作，大号反光球(15)底部与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；所述舟骨标记点簇系统由舟骨基板(23)和树杈标记点簇(24)组成；舟骨基板(23)呈半月形，与人体足部内侧舟骨表面具有较好的贴合性；树杈标记点簇(24)呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球(25)，三个小号反光球(25)的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；舟骨基板(23)外表面的中心固定有基座磁铁(26)，主干底部设有连接磁铁(22)，异名磁极的基座磁铁(26)和连接磁铁(22)相吸引，使舟骨基板(23)和树杈标记点簇(24)紧密连接；所述舟骨基板(23)和树杈标记点簇(24)均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇(24)的主干与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；所述骰骨标记点簇系统由骰骨基板(27)和树杈标记点簇(24)组成；骰骨基板(27)表面呈四边形且有一定弯曲，与人体足部外侧骰骨表面具有较好的贴合性；树杈标记点簇(24)呈树杈状，由主干和三个分支组成，在每个分支的末梢固定有小号反光球(25)，三个小号反光球(25)的中心不在同一直线上，且在竖直方向不在同一高度；骰骨基板(27)外表面的中心设有基座磁铁(26)，主干底部设有连接磁铁(22)，异名磁极的基座磁铁(26)和连接磁铁(22)相吸引，使骰骨基板(27)和树杈标记点簇(24)紧密连接；所述骰骨基板(27)和树杈标记点簇(24)均采用轻质塑料制作，树杈标记点簇(24)的主干与连接磁铁(22)采用强力胶粘贴；
所述楔骨标记点簇系统由楔骨基板(28)、中号反光球(29)和球座(18)组成；楔骨基板(28)呈拱形，其截面所对应圆心角为150
°
，拱形采用仿生曲面，与人体足部内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨所构成的拱形结构具有较好的贴合性；在楔骨基板(28)的顶点处和左右下端均设有插孔(19)，球座腿(20)采用软金属材料，且可以插入楔骨基板的插孔(19)，插入插孔(19)后可以向两侧展平，使球座腿(20)与楔骨基板(28)的内表面贴合，从而将楔骨基板(28)和球座(18)连接稳固；球座(18)上端设有球座磁铁(21)，中号反光球(29)下端设有连接磁铁(22)，异名磁极的球座磁铁(21)和连接磁铁(22)相吸引，从而使中号反光球(29)与楔骨...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱志辉，王胜利，任雷，姜振德，庄智强，刘静，王坤阳，梁威，陈博雅，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：