利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)的利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法，通過(guò)計(jì)算骨折模型上的關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)，獲得其在固定坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，從而使用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)的數(shù)值變化控制虛擬仿真模型的運(yùn)動(dòng)，解算出正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)，容易實(shí)現(xiàn)中醫(yī)正骨虛擬仿真系統(tǒng)中虛實(shí)模型同步聯(lián)動(dòng)。計(jì)算簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確度高。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法。
技術(shù)介紹
中醫(yī)正骨手法是祖國(guó)醫(yī)學(xué)的重要組成部分，具有悠久的歷史和豐富的內(nèi)容。中醫(yī)正骨治療骨傷疾病，具有“痛苦輕、愈合快、恢復(fù)好、價(jià)格低”的特點(diǎn)，深受患者喜愛(ài)，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了巨大的影響。傳統(tǒng)的臨床教學(xué)方法通常是在患者身上進(jìn)行手法的操作練習(xí)，不僅增加了患者痛苦，而且還會(huì)因?yàn)椴徽_的操作給患者帶來(lái)二次損傷，且訓(xùn)練內(nèi)容隨機(jī)的依賴于病人的出現(xiàn)，有很大的不可預(yù)見(jiàn)性。因此，這種“做一個(gè)，看一個(gè)，學(xué)一個(gè)”的方式難于進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)與練習(xí)，給中醫(yī)正骨的傳承和發(fā)展帶來(lái)了困難。近年來(lái)，已有學(xué)者和研究人員嘗試將姿態(tài)解算應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。如將MEMS慣性傳感器用于內(nèi)窺鏡中，也有研究人員將人體姿態(tài)解算應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中。但就目前來(lái)說(shuō)，將航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的姿態(tài)解算和醫(yī)學(xué)相結(jié)合是一個(gè)交叉地帶，也是一個(gè)新興的研究方向，有很高的研究?jī)r(jià)值。我們有必要在此領(lǐng)域進(jìn)行更深入的研究和探索，將先進(jìn)技術(shù)引入正骨訓(xùn)練系統(tǒng)，形成符合正骨手法虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)特點(diǎn)和要求的傳感器數(shù)據(jù)融合算法和姿態(tài)數(shù)據(jù)濾波解算算法，實(shí)現(xiàn)手法作用過(guò)程中模型運(yùn)動(dòng)軌跡的精確描述，使虛擬骨折模型能更真實(shí)和準(zhǔn)確的反映實(shí)體模型的運(yùn)動(dòng)情況。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決以上技術(shù)上的不足，本專利技術(shù)提供了一種利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法，實(shí)現(xiàn)了中醫(yī)正骨虛擬仿真系統(tǒng)中虛實(shí)模型同步聯(lián)動(dòng)。本專利技術(shù)是通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)的：本專利技術(shù)的一種利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法，包括以下步驟：步驟1，構(gòu)建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅰ，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅱ；步驟2，九軸陀螺儀測(cè)量前臂的三個(gè)偏離角度，得到前臂的姿態(tài)；位移傳感器測(cè)量斷裂的撓骨兩端的直線距離；角度電位計(jì)Ⅰ和角度電位計(jì)Ⅱ測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度；步驟3，以肘部為原點(diǎn)，求得角度電位計(jì)Ⅰ的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)九軸陀螺儀測(cè)量的偏離角度和位移傳感器測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計(jì)Ⅱ的空間坐標(biāo)；根據(jù)角度電位計(jì)Ⅰ和角度電位計(jì)Ⅱ測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得斷裂的撓骨長(zhǎng)度，進(jìn)而求得撓骨斷裂處的空間坐標(biāo)；步驟4，根據(jù)步驟3得到的角度電位計(jì)Ⅰ、角度電位計(jì)Ⅱ和撓骨斷裂處的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。上述將人體前臂仿真模型簡(jiǎn)化成四邊形，四邊形的一個(gè)端點(diǎn)代表肘部且定義為原點(diǎn)O，與之連接的一個(gè)長(zhǎng)邊代表尺骨，尺骨的另一端點(diǎn)定義為P點(diǎn)，四邊形的另一個(gè)斷開(kāi)的長(zhǎng)邊代表?yè)瞎牵瑪嚅_(kāi)處的端點(diǎn)定義為A點(diǎn)和B點(diǎn)，與原點(diǎn)O通過(guò)短邊相連的四邊形端點(diǎn)定義為軸點(diǎn)O'，與P點(diǎn)通過(guò)短邊相連的四邊形端點(diǎn)定義為軸點(diǎn)P'，O'A代表斷裂的一段撓骨，P'B代表斷裂的另一段撓骨；線段OO'和P'P為定長(zhǎng)，求解P點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn)在固定坐
標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。本專利技術(shù)的有益效果是：通過(guò)計(jì)算骨折模型上的關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)，獲得其在固定坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，從而使用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)的數(shù)值變化控制虛擬仿真模型的運(yùn)動(dòng)，容易解算出正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了中醫(yī)正骨虛擬仿真系統(tǒng)中虛實(shí)模型同步聯(lián)動(dòng)。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)的人體前臂仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)的人體前臂仿真模型簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)示意圖。其中：1九軸陀螺儀，2位移傳感器，3角度電位計(jì)Ⅱ，4角度電位計(jì)Ⅰ。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：本專利技術(shù)的利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法，通過(guò)計(jì)算骨折模型上的關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)，獲得其在固定坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，從而使用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)的數(shù)值變化控制虛擬仿真模型的運(yùn)動(dòng)，解算出正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)正骨虛擬仿真系統(tǒng)中虛實(shí)模型同步聯(lián)動(dòng)。步驟1，構(gòu)建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀1，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器2，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅰ4，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅱ3；如圖1所示。步驟2，九軸陀螺儀1測(cè)量前臂的三個(gè)偏離角度，得到前臂的姿態(tài)；位移傳感器2測(cè)量斷裂的撓骨兩端的直線距離；角度電位計(jì)Ⅰ4和角度電位計(jì)Ⅱ3測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度；步驟3，以肘部為原點(diǎn)，求得角度電位計(jì)Ⅰ4的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)九
軸陀螺儀1測(cè)量的偏離角度和位移傳感器2測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計(jì)Ⅱ3的空間坐標(biāo)；根據(jù)角度電位計(jì)Ⅰ4和角度電位計(jì)Ⅱ3測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器2測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得斷裂的撓骨長(zhǎng)度，進(jìn)而求得撓骨斷裂處的空間坐標(biāo)；步驟4，根據(jù)步驟3得到的角度電位計(jì)Ⅰ4、角度電位計(jì)Ⅱ3和撓骨斷裂處的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。如圖2所示，將人體前臂仿真模型簡(jiǎn)化成四邊形，四邊形的一個(gè)端點(diǎn)代表肘部且定義為原點(diǎn)O，與之連接的一個(gè)長(zhǎng)邊代表尺骨，尺骨的另一端點(diǎn)定義為P點(diǎn)，四邊形的另一個(gè)斷開(kāi)的長(zhǎng)邊代表?yè)瞎牵瑪嚅_(kāi)處的端點(diǎn)定義為A點(diǎn)和B點(diǎn)，與原點(diǎn)O通過(guò)短邊相連的四邊形端點(diǎn)定義為軸點(diǎn)O'，與P點(diǎn)通過(guò)短邊相連的四邊形端點(diǎn)定義為軸點(diǎn)P'，O'A代表斷裂的一段撓骨，P'B代表斷裂的另一段撓骨；線段OO'和P'P為定長(zhǎng)，求解P點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn)在固定坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。O為原點(diǎn)，O'為斷骨O'A的軸點(diǎn)，P'為另一根斷骨P'B的軸點(diǎn)。線段OO'為定長(zhǎng)，P'P也為定長(zhǎng)。P點(diǎn)可以沿OP軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的距離可以由位移傳感器2測(cè)得。我們已知條件為：①OP、OO'、PP'、O'A、P'B線段長(zhǎng)度均為定長(zhǎng)或測(cè)量值。②P點(diǎn)繞空間坐標(biāo)系三軸旋轉(zhuǎn)的歐拉角X YZ已知。需要求解的內(nèi)容是P點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)P(X,Y,Z)、A(X,Y,Z)、B(X,Y,Z)。其中，求A、B點(diǎn)坐標(biāo)需要先求O'和P'點(diǎn)坐標(biāo)。O'點(diǎn)在固定坐標(biāo)系中坐標(biāo)求法：x＝x′cos(x，x′)+y′cos(x，y′)+z′cos(x，z′)y＝x′cos(y，x′)+y′cos(y，y′)+z′cos(y，z′)z＝x′cos(z，x′)+y′cos(z，y′)+z′cos(z，z′)其中，坐標(biāo)x、y、z和x'、y'、z'分別為O'點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系——固定坐標(biāo)系Oxyz和骨折模型空間坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)。(O點(diǎn)為兩個(gè)坐標(biāo)系的共同原點(diǎn))。P'點(diǎn)需要先求P點(diǎn)，同求O'點(diǎn)算法一樣。斷骨軸點(diǎn)O'，P'求出后，O'A和P'B可由傳感器測(cè)得旋轉(zhuǎn)角度，可解A、B坐標(biāo)。以上所述僅是本專利的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本專利技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本專利的保護(hù)范圍。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，構(gòu)建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅰ，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅱ；步驟2，九軸陀螺儀測(cè)量前臂的三個(gè)偏離角度，得到前臂的姿態(tài)；位移傳感器測(cè)量斷裂的撓骨兩端的直線距離；角度電位計(jì)Ⅰ和角度電位計(jì)Ⅱ測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度；步驟3，以肘部為原點(diǎn)，求得角度電位計(jì)Ⅰ的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)九軸陀螺儀測(cè)量的偏離角度和位移傳感器測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計(jì)Ⅱ的空間坐標(biāo)；根據(jù)角度電位計(jì)Ⅰ和角度電位計(jì)Ⅱ測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得斷裂的撓骨長(zhǎng)度，進(jìn)而求得撓骨斷裂處的空間坐標(biāo)；步驟4，根據(jù)步驟3得到的角度電位計(jì)Ⅰ、角度電位計(jì)Ⅱ和撓骨斷裂處的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用傳感器解算正骨過(guò)程中骨骼空中姿態(tài)的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，構(gòu)建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅰ，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計(jì)Ⅱ；步驟2，九軸陀螺儀測(cè)量前臂的三個(gè)偏離角度，得到前臂的姿態(tài)；位移傳感器測(cè)量斷裂的撓骨兩端的直線距離；角度電位計(jì)Ⅰ和角度電位計(jì)Ⅱ測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度；步驟3，以肘部為原點(diǎn)，求得角度電位計(jì)Ⅰ的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)九軸陀螺儀測(cè)量的偏離角度和位移傳感器測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計(jì)Ⅱ的空間坐標(biāo)；根據(jù)角度電位計(jì)Ⅰ和角度電位計(jì)Ⅱ測(cè)量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器測(cè)量的斷裂的撓骨兩端的直線距離...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曹慧，魏德健，劉靜，張俊忠，馬金剛，李振陽(yáng)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東中醫(yī)藥大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37